Zusammenfassung: Mit der kontinuierlichen Erforschung moderner Agrartechnologie hat sich in den letzten Jahren auch die Pflanzenfabrikindustrie rasant entwickelt.In diesem Artikel werden der Status quo, bestehende Probleme und Entwicklungsgegenmaßnahmen der Pflanzenfabriktechnologie und der Industrieentwicklung vorgestellt und ein Ausblick auf den Entwicklungstrend und die Aussichten der Pflanzenfabriken in der Zukunft gegeben.

1. Aktueller Stand der Technologieentwicklung in Pflanzenfabriken in China und im Ausland

1.1 Der Status quo der ausländischen Technologieentwicklung

Seit dem 21. Jahrhundert konzentriert sich die Forschung in Pflanzenfabriken hauptsächlich auf die Verbesserung der Lichteffizienz, die Schaffung mehrschichtiger dreidimensionaler Anbausystemgeräte sowie die Forschung und Entwicklung intelligenter Verwaltung und Steuerung.Im 21. Jahrhundert hat die Innovation landwirtschaftlicher LED-Lichtquellen Fortschritte gemacht und wichtige technische Unterstützung für den Einsatz energiesparender LED-Lichtquellen in Pflanzenfabriken bereitgestellt.Die Chiba-Universität in Japan hat eine Reihe von Innovationen in den Bereichen hocheffiziente Lichtquellen, energiesparende Umweltkontrolle und Anbautechniken hervorgebracht.Die Universität Wageningen in den Niederlanden nutzt die Simulation von Pflanzenumgebungen und dynamische Optimierungstechnologien, um ein intelligentes Ausrüstungssystem für Pflanzenfabriken zu entwickeln, das die Betriebskosten erheblich senkt und die Arbeitsproduktivität erheblich verbessert.

In den letzten Jahren haben Pflanzenfabriken nach und nach die Halbautomatisierung der Produktionsprozesse von der Aussaat über die Setzlingsaufzucht bis hin zum Umpflanzen und Ernten realisiert.Japan, die Niederlande und die Vereinigten Staaten stehen mit einem hohen Grad an Mechanisierung, Automatisierung und Intelligenz an vorderster Front und entwickeln sich in Richtung vertikaler Landwirtschaft und unbemanntem Betrieb.

1.2 Stand der Technologieentwicklung in China

1.2.1 Spezialisierte LED-Lichtquelle und energiesparende Anwendungstechnik für künstliches Licht in Pflanzenfabriken

Nach und nach wurden spezielle rote und blaue LED-Lichtquellen für die Produktion verschiedener Pflanzenarten in Pflanzenfabriken entwickelt.Die Leistung reicht von 30 bis 300 W und die Bestrahlungslichtintensität beträgt 80 bis 500 μmol/(m2·s), wodurch eine Lichtintensität mit einem geeigneten Schwellenwertbereich und Lichtqualitätsparametern bereitgestellt werden kann, um den Effekt einer hohen Effizienz zu erzielen Energieeinsparung und Anpassung an die Bedürfnisse des Pflanzenwachstums und der Beleuchtung.Im Hinblick auf das Wärmeableitungsmanagement der Lichtquelle wurde das aktive Wärmeableitungsdesign des Lichtquellenlüfters eingeführt, das die Lichtabfallrate der Lichtquelle reduziert und die Lebensdauer der Lichtquelle gewährleistet.Darüber hinaus wird eine Methode zur Reduzierung der Wärme der LED-Lichtquelle durch Nährlösung oder Wasserzirkulation vorgeschlagen.Im Hinblick auf das Lichtquellen-Raummanagement kann gemäß dem Evolutionsgesetz der Pflanzengröße im Sämlingsstadium und späteren Stadium durch das vertikale Raumbewegungsmanagement der LED-Lichtquelle das Pflanzendach aus nächster Nähe beleuchtet werden und das Energiesparziel ist erreicht.Gegenwärtig kann der Energieverbrauch der künstlichen Lichtquelle der Pflanzenfabrik 50 bis 60 % des gesamten Betriebsenergieverbrauchs der Pflanzenfabrik ausmachen.Obwohl LED im Vergleich zu Leuchtstofflampen 50 % Energie einsparen kann, besteht immer noch Potenzial und Bedarf an Forschung zur Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung.

1.2.2 Mehrschichtige dreidimensionale Kultivierungstechnologie und -ausrüstung

Der Schichtabstand des mehrschichtigen dreidimensionalen Anbaus wird verringert, da die LED die Leuchtstofflampe ersetzt, was die dreidimensionale Raumnutzungseffizienz des Pflanzenanbaus verbessert.Es gibt viele Studien zur Gestaltung des Bodens des Kulturbeets.Die erhabenen Streifen sollen eine turbulente Strömung erzeugen, die den Pflanzenwurzeln helfen kann, die Nährstoffe in der Nährlösung gleichmäßig aufzunehmen und die Konzentration des gelösten Sauerstoffs zu erhöhen.Bei Verwendung des Kolonisierungsbretts gibt es zwei Kolonisierungsmethoden, nämlich die Kunststoff-Kolonisierungsbecher unterschiedlicher Größe oder den Schwamm-Perimeter-Kolonisierungsmodus.Es ist ein verschiebbares Kulturbeetsystem entstanden, bei dem das Pflanzbrett und die Pflanzen darauf manuell von einem Ende zum anderen geschoben werden können, wodurch die Produktionsweise des Pflanzens an einem Ende des Kulturbeets und der Ernte am anderen Ende realisiert wird.Gegenwärtig wurden eine Vielzahl dreidimensionaler, mehrschichtiger, erdloser Kulturtechnologien und -geräte basierend auf der Nährflüssigkeitsfilmtechnologie und der Deep-Liquid-Flow-Technologie sowie Technologien und Geräte für den Substratanbau von Erdbeeren und den Aerosolanbau von Blattgemüse und Blumen entwickelt sind aufgetaucht.Die genannte Technologie hat sich rasant weiterentwickelt.

1.2.3 Technologie und Ausrüstung für die Zirkulation von Nährlösungen

Nach längerem Gebrauch der Nährlösung ist die Zugabe von Wasser und Mineralstoffen erforderlich.Im Allgemeinen werden die Menge der neu zubereiteten Nährlösung und die Menge der Säure-Base-Lösung durch Messung des EC-Werts und des pH-Werts bestimmt.Große Sedimentpartikel oder Wurzelabblätterungen in der Nährlösung müssen durch einen Filter entfernt werden.Wurzelausscheidungen in der Nährlösung können durch photokatalytische Methoden entfernt werden, um kontinuierliche Anbauhindernisse in der Hydrokultur zu vermeiden, es bestehen jedoch gewisse Risiken bei der Nährstoffverfügbarkeit.

1.2.4 Umweltkontrolltechnik und -ausrüstung

Die Luftreinheit des Produktionsraums ist einer der wichtigen Indikatoren für die Luftqualität der Fabrik.Die Luftreinheit (Indikatoren für Schwebeteilchen und angesiedelte Bakterien) im Produktionsraum der Anlagenfabrik unter dynamischen Bedingungen sollte auf einen Wert über 100.000 kontrolliert werden.Die Materialdesinfektion, die Aufbereitung der Luftduschen für das Personal und das Luftreinigungssystem mit Frischluftzirkulation (Luftfiltersystem) sind grundlegende Sicherheitsvorkehrungen.Temperatur und Luftfeuchtigkeit, CO2-Konzentration und Luftströmungsgeschwindigkeit der Luft im Produktionsraum sind weitere wichtige Inhalte der Luftqualitätskontrolle.Berichten zufolge können durch die Einrichtung von Geräten wie Luftmischkästen, Luftkanälen, Lufteinlässen und Luftauslässen die Temperatur und Luftfeuchtigkeit, die CO2-Konzentration und die Luftströmungsgeschwindigkeit im Produktionsraum gleichmäßig gesteuert werden, um eine hohe räumliche Gleichmäßigkeit zu erreichen und den Anlagenanforderungen gerecht zu werden an unterschiedlichen räumlichen Orten.Die Regelung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO2-Konzentration sowie die Frischluftanlage sind organisch in das Umluftsystem integriert.Die drei Systeme müssen sich den Luftkanal, den Lufteinlass und den Luftauslass teilen und über den Ventilator Strom bereitstellen, um die Zirkulation des Luftstroms, die Filterung und Desinfektion sowie die Aktualisierung und Gleichmäßigkeit der Luftqualität zu gewährleisten.Es stellt sicher, dass die Pflanzenproduktion in der Pflanzenfabrik frei von Schädlingen und Krankheiten ist und kein Pestizideinsatz erforderlich ist.Gleichzeitig wird die Gleichmäßigkeit von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftstrom und CO2-Konzentration der Wachstumsumgebungselemente im Blätterdach gewährleistet, um den Bedürfnissen des Pflanzenwachstums gerecht zu werden.

2. Entwicklungsstand der Pflanzenfabrikindustrie

2.1 Status quo der ausländischen Pflanzenfabrikindustrie

In Japan schreiten Forschung und Entwicklung sowie die Industrialisierung von Fabriken für Kunstlichtanlagen relativ schnell voran und sind auf dem führenden Niveau.Im Jahr 2010 stellte die japanische Regierung 50 Milliarden Yen bereit, um Technologieforschung und -entwicklung sowie industrielle Demonstrationen zu unterstützen.Acht Institutionen, darunter die Universität Chiba und die Japan Plant Factory Research Association, nahmen teil.Die Japan Future Company hat das erste Demonstrationsprojekt zur Industrialisierung einer Pflanzenfabrik mit einer Tagesproduktion von 3.000 Pflanzen durchgeführt und betrieben.Im Jahr 2012 betrugen die Produktionskosten der Pflanzenfabrik 700 Yen/kg.Im Jahr 2014 wurde die moderne Pflanzenfabrik in Taga Castle in der Präfektur Miyagi fertiggestellt und ist damit die weltweit erste LED-Pflanzenfabrik mit einer Tagesproduktion von 10.000 Pflanzen.Seit 2016 sind LED-Anlagenfabriken in Japan auf der Überholspur der Industrialisierung angekommen, und nach und nach sind Break-Even- oder profitable Unternehmen entstanden.Im Jahr 2018 entstanden nacheinander große Pflanzenfabriken mit einer täglichen Produktionskapazität von 50.000 bis 100.000 Pflanzen, und die globalen Pflanzenfabriken entwickelten sich in Richtung einer groß angelegten, professionellen und intelligenten Entwicklung.Zur gleichen Zeit begannen Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power und andere Unternehmen, in Anlagenfabriken zu investieren.Im Jahr 2020 wird der Marktanteil des von japanischen Pflanzenfabriken produzierten Salats etwa 10 % des gesamten Salatmarktes ausmachen.Von den mehr als 250 Fabriken für Kunstlichtpflanzen, die derzeit in Betrieb sind, befinden sich 20 % in der Verlustphase, 50 % auf dem Break-Even-Niveau und 30 % in der Gewinnphase, bei denen Kulturpflanzenarten wie z Salat, Kräuter und Setzlinge.

Die Niederlande sind weltweit führend auf dem Gebiet der kombinierten Anwendungstechnologie von Solar- und Kunstlicht für Pflanzenfabriken mit einem hohen Grad an Mechanisierung, Automatisierung, Intelligenz und Unbemanntheit und haben inzwischen eine ganze Reihe von Technologien und Geräten ebenso stark exportiert Produkte in den Nahen Osten, Afrika, China und andere Länder.Die American AeroFarms Farm befindet sich in Newark, New Jersey, USA, und hat eine Fläche von 6500 m2.Es werden hauptsächlich Gemüse und Gewürze angebaut, die Produktion liegt bei etwa 900 t/Jahr.

Vertikale Landwirtschaft in AeroFarms

Die vertikale Pflanzenfabrik der Plenty Company in den USA setzt auf LED-Beleuchtung und einen vertikalen Pflanzrahmen mit einer Höhe von 6 m.An den Seiten der Pflanzgefäße wachsen Pflanzen.Durch die Schwerkraftbewässerung erfordert diese Pflanzmethode keine zusätzlichen Pumpen und ist wassereffizienter als die konventionelle Landwirtschaft.Plenty behauptet, dass seine Farm die 350-fache Leistung einer konventionellen Farm produziert und dabei nur 1 % des Wassers verbraucht.

Vertikale Pflanzenfabrik, Plenty Company

2.2 Status der Fabrikindustrie in China

Im Jahr 2009 wurde im Changchun Agricultural Expo Park die erste Produktionsanlage in China mit intelligenter Steuerung als Herzstück gebaut und in Betrieb genommen.Die Gebäudefläche beträgt 200 m2 und die Umweltfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht, CO2 und Nährlösungskonzentration der Pflanzenfabrik können automatisch in Echtzeit überwacht werden, um ein intelligentes Management zu realisieren.

Im Jahr 2010 wurde in Peking die Tongzhou Plant Factory gebaut.Die Hauptstruktur besteht aus einer einschichtigen Leichtstahlkonstruktion mit einer Gesamtbaufläche von 1289 m2.Es hat die Form eines Flugzeugträgers und symbolisiert die Führung der chinesischen Landwirtschaft bei der Einführung der fortschrittlichsten Technologie der modernen Landwirtschaft.Die automatische Ausrüstung für einige Vorgänge der Blattgemüseproduktion wurde entwickelt, wodurch der Produktionsautomatisierungsgrad und die Produktionseffizienz der Pflanzenfabrik verbessert wurden.Die Anlagenfabrik setzt ein Erdwärmepumpensystem und ein Solarstromerzeugungssystem ein, wodurch das Problem der hohen Betriebskosten der Anlagenfabrik besser gelöst wird.

Innen- und Außenansicht der Tongzhou Plant Factory

Im Jahr 2013 wurden viele Agrartechnologieunternehmen in der Yangling Agricultural High-Tech Demonstration Zone in der Provinz Shaanxi gegründet.Die meisten der im Bau und Betrieb befindlichen Pflanzenfabrikprojekte befinden sich in landwirtschaftlichen High-Tech-Demonstrationsparks, die hauptsächlich für populärwissenschaftliche Demonstrationen und Freizeitbesichtigungen genutzt werden.Aufgrund ihrer funktionalen Einschränkungen ist es für diese populärwissenschaftlichen Pflanzenfabriken schwierig, die für die Industrialisierung erforderliche hohe Ausbeute und hohe Effizienz zu erzielen, und es wird für sie schwierig sein, in Zukunft zur Mainstream-Form der Industrialisierung zu werden.

Im Jahr 2015 kooperierte ein großer LED-Chip-Hersteller in China mit dem Institut für Botanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, um gemeinsam die Gründung eines Pflanzenfabrikunternehmens zu initiieren.Es hat sich von der optoelektronischen Industrie zur „photobiologischen“ Industrie entwickelt und ist für chinesische LED-Hersteller zu einem Präzedenzfall geworden, der im Zuge der Industrialisierung in den Bau von Pflanzenfabriken investiert.Seine Pflanzenfabrik ist bestrebt, industrielle Investitionen in die aufstrebende Photobiologie zu tätigen, die wissenschaftliche Forschung, Produktion, Demonstration, Inkubation und andere Funktionen integriert, mit einem eingetragenen Kapital von 100 Millionen Yuan.Im Juni 2016 wurde diese Pflanzenfabrik mit einem 3-stöckigen Gebäude mit einer Fläche von 3.000 m2 und einer Anbaufläche von mehr als 10.000 m2 fertiggestellt und in Betrieb genommen.Bis Mai 2017 wird die tägliche Produktionsmenge 1.500 kg Blattgemüse betragen, was 15.000 Salatpflanzen pro Tag entspricht.

Ansichten dieses Unternehmens

3. Probleme und Gegenmaßnahmen bei der Entwicklung von Pflanzenfabriken

3.1 Probleme

3.1.1 Hohe Baukosten

Pflanzenfabriken müssen Pflanzen in einer geschlossenen Umgebung produzieren.Daher ist es notwendig, unterstützende Projekte und Geräte zu bauen, darunter externe Wartungsstrukturen, Klimaanlagen, künstliche Lichtquellen, mehrschichtige Kultivierungssysteme, Nährlösungszirkulation und Computersteuerungssysteme.Der Bauaufwand ist relativ hoch.

3.1.2 Hohe Betriebskosten

Die meisten von Pflanzenfabriken benötigten Lichtquellen stammen aus LED-Leuchten, die viel Strom verbrauchen und gleichzeitig entsprechende Spektren für das Wachstum verschiedener Nutzpflanzen bereitstellen.Geräte wie Klimaanlagen, Lüftungen und Wasserpumpen im Produktionsprozess von Pflanzenfabriken verbrauchen ebenfalls Strom, sodass die Stromrechnungen einen enormen Kostenfaktor darstellen.Laut Statistik machen unter den Produktionskosten von Pflanzenfabriken die Stromkosten 29 %, die Arbeitskosten 26 %, die Abschreibung von Anlagevermögen 23 %, die Verpackung und der Transport 12 % und die Produktionsmaterialien 10 % aus.

Aufschlüsselung der Produktionskosten für die Fabrik

3.1.3 Geringer Automatisierungsgrad

Die derzeit eingesetzte Pflanzenfabrik weist einen geringen Automatisierungsgrad auf und Prozesse wie Sämling, Umpflanzen, Feldbepflanzung und Ernte erfordern immer noch manuelle Vorgänge, was zu hohen Arbeitskosten führt.

3.1.4 Begrenzte Arten von Kulturpflanzen, die angebaut werden können

Derzeit sind die für Pflanzenfabriken geeigneten Pflanzenarten sehr begrenzt, hauptsächlich grünes Blattgemüse, das schnell wächst, künstliche Lichtquellen problemlos akzeptiert und ein niedriges Blätterdach aufweist.Bei komplexen Pflanzanforderungen (z. B. zu bestäubende Pflanzen usw.) ist eine Großanpflanzung nicht möglich.

3.2 Entwicklungsstrategie

Angesichts der Probleme, mit denen die Anlagenfabrikindustrie konfrontiert ist, ist es notwendig, Untersuchungen unter verschiedenen Aspekten wie Technologie und Betrieb durchzuführen.Als Reaktion auf die aktuellen Probleme lauten die Gegenmaßnahmen wie folgt.

(1) Stärkung der Forschung zur intelligenten Technologie von Pflanzenfabriken und Verbesserung des Niveaus eines intensiven und verfeinerten Managements.Die Entwicklung eines intelligenten Management- und Kontrollsystems trägt zu einer intensiven und verfeinerten Verwaltung von Pflanzenfabriken bei, wodurch die Arbeitskosten erheblich gesenkt und Arbeitskräfte eingespart werden können.

(2) Entwickeln Sie eine intensive und effiziente technische Ausrüstung für die Fabrik, um jährlich eine hohe Qualität und einen hohen Ertrag zu erzielen.Die Entwicklung hocheffizienter Anbauanlagen und -ausrüstung, energiesparender Beleuchtungstechnologie und -ausrüstung usw. zur Verbesserung des intelligenten Niveaus von Pflanzenfabriken trägt zur Verwirklichung einer jährlichen hocheffizienten Produktion bei.

(3) Forschung zur industriellen Anbautechnologie für Pflanzen mit hoher Wertschöpfung wie Heilpflanzen, Gesundheitspflanzen und seltene Gemüsesorten durchführen, die Anzahl der in Pflanzenfabriken angebauten Pflanzenarten erhöhen, Gewinnkanäle erweitern und die Gewinnausgangslage verbessern .

(4) Forschung zu Pflanzenfabriken für den privaten und gewerblichen Gebrauch durchführen, die Arten von Pflanzenfabriken bereichern und mit verschiedenen Funktionen eine kontinuierliche Rentabilität erzielen.

4. Entwicklungstrend und Perspektive der Pflanzenfabrik

4.1 Technologieentwicklungstrend

4.1.1 Intellektualisierung des gesamten Prozesses

Basierend auf dem maschinentechnischen Fusions- und Verlustverhinderungsmechanismus des Ernte-Roboter-Systems, flexiblen und zerstörungsfreien Hochgeschwindigkeits-Endeffektoren für das Pflanzen und Ernten, einer verteilten mehrdimensionalen raumgenauen Positionierung und multimodalen kollaborativen Steuerungsmethoden mit mehreren Maschinen, und unbemannte, effiziente und zerstörungsfreie Aussaat in Hochhaus-Pflanzenfabriken – Es sollten intelligente Roboter und unterstützende Geräte wie Pflanzen, Ernten und Verpacken geschaffen werden, um so den unbemannten Betrieb des gesamten Prozesses zu realisieren.

4.1.2 Machen Sie die Produktionssteuerung intelligenter

Basierend auf dem Reaktionsmechanismus des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung auf Lichtstrahlung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2-Konzentration, Nährstoffkonzentration der Nährlösung und EC sollte ein quantitatives Modell der Rückkopplung zwischen Pflanzen und Umwelt erstellt werden.Es sollte ein strategisches Kernmodell erstellt werden, um Informationen über das Leben von Blattgemüse und Parameter der Produktionsumgebung dynamisch zu analysieren.Das dynamische Online-Identifikationsdiagnose- und Prozesskontrollsystem der Umgebung sollte ebenfalls eingerichtet werden.Es sollte ein kollaboratives Entscheidungssystem mit künstlicher Intelligenz für mehrere Maschinen für den gesamten Produktionsprozess einer hochvolumigen vertikalen Agrarfabrik geschaffen werden.

4.1.3 CO2-arme Produktion und Energieeinsparung

Einrichtung eines Energiemanagementsystems, das erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind nutzt, um die Stromübertragung zu vervollständigen und den Energieverbrauch zu steuern, um optimale Energiemanagementziele zu erreichen.Erfassung und Wiederverwendung von CO2-Emissionen zur Unterstützung der Pflanzenproduktion.

4.1.3 Hoher Wert der Premiumsorten

Es sollten praktikable Strategien entwickelt werden, um verschiedene Sorten mit hoher Wertschöpfung für Pflanzexperimente zu züchten, eine Datenbank mit Experten für Anbautechnik aufzubauen, Untersuchungen zu Anbautechnik, Dichteauswahl, Stoppelanordnung, Sorten- und Geräteanpassungsfähigkeit durchzuführen und technische Standardspezifikationen für den Anbau zu erstellen.

4.2 Aussichten für die Branchenentwicklung

Pflanzenfabriken können Ressourcen- und Umweltbeschränkungen beseitigen, die industrialisierte Produktion der Landwirtschaft realisieren und die neue Generation von Arbeitskräften für die landwirtschaftliche Produktion gewinnen.Die wichtigsten technologischen Innovationen und die Industrialisierung der chinesischen Pflanzenfabriken werden weltweit führend.Mit der beschleunigten Anwendung von LED-Lichtquellen, Digitalisierung, Automatisierung und intelligenten Technologien im Bereich der Pflanzenfabriken werden Pflanzenfabriken mehr Kapitalinvestitionen, Talentgewinnung und den Einsatz neuer Energie, neuer Materialien und neuer Ausrüstung anziehen.Auf diese Weise kann die tiefgreifende Integration von Informationstechnologie und Einrichtungen und Geräten realisiert, das intelligente und unbemannte Niveau von Einrichtungen und Geräten verbessert, der Energieverbrauch und die Betriebskosten des Systems durch kontinuierliche Innovation kontinuierlich gesenkt und schrittweise gesenkt werden Durch den Ausbau spezialisierter Märkte werden intelligente Pflanzenfabriken eine goldene Entwicklungsphase einläuten.

Laut Marktforschungsberichten beträgt die Größe des globalen Vertical-Farming-Marktes im Jahr 2020 nur 2,9 Milliarden US-Dollar, und es wird erwartet, dass die globale Vertical-Farming-Marktgröße bis 2025 30 Milliarden US-Dollar erreichen wird.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Pflanzenfabriken breite Anwendungsaussichten und Entwicklungsraum bieten.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong usw

Zitatinformationen:Aktuelle Situation und Perspektiven der Entwicklung der Pflanzenfabrikindustrie [J].Agrartechnik, 2022, 42(1): 18-23.von Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.