Zusammenfassung: In den letzten Jahren hat sich die Pflanzenfabrikindustrie mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung moderner Agrartechnologien rasant entwickelt. Dieser Artikel beschreibt den aktuellen Stand, bestehende Probleme und Entwicklungsstrategien der Pflanzenfabriktechnologie und -industrie und gibt einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungstrends und -perspektiven.

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 im Bereich der Pflanzenfabriken hauptsächlich auf die Verbesserung der Lichteffizienz, die Entwicklung mehrschichtiger, dreidimensionaler Anbausysteme sowie die Forschung und Entwicklung intelligenter Management- und Steuerungssysteme. Im 21. Jahrhundert wurden Fortschritte bei der Innovation von LED-Lichtquellen für die Landwirtschaft erzielt, die wichtige technische Grundlagen für den Einsatz energiesparender LED-Lichtquellen in Pflanzenfabriken liefern. Die Universität Chiba in Japan hat zahlreiche Innovationen im Bereich hocheffizienter Lichtquellen, energiesparender Umweltsteuerung und Anbautechniken entwickelt. Die Universität Wageningen in den Niederlanden nutzt Pflanzenumweltsimulation und dynamische Optimierungstechnologie, um ein intelligentes Anlagensystem für Pflanzenfabriken zu entwickeln, das die Betriebskosten erheblich senkt und die Arbeitsproduktivität deutlich steigert.

In den letzten Jahren haben Pflanzenfabriken die Produktionsprozesse von der Aussaat über die Anzucht und das Umpflanzen bis hin zur Ernte schrittweise teilautomatisiert. Japan, die Niederlande und die USA sind führend in diesem Bereich und weisen einen hohen Grad an Mechanisierung, Automatisierung und intelligenter Technologie auf. Sie entwickeln sich in Richtung vertikaler Landwirtschaft und unbemanntem Betrieb.

1.2 Stand der technologischen Entwicklung in China

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

Für die Produktion verschiedener Pflanzenarten in Pflanzenfabriken wurden sukzessive spezielle rote und blaue LED-Lichtquellen entwickelt. Die Leistung reicht von 30 bis 300 W, die Bestrahlungsstärke von 80 bis 500 μmol/(m²·s). Dadurch wird eine Lichtintensität mit einem geeigneten Schwellenwertbereich und optimalen Lichtqualitätsparametern erreicht, was eine hohe Energieeinsparung ermöglicht und gleichzeitig den Bedürfnissen des Pflanzenwachstums und der Beleuchtung gerecht wird. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr der Lichtquelle wurde ein aktives Lüfterdesign eingeführt, das den Lichtabfall reduziert und die Lebensdauer der Lichtquelle verlängert. Zusätzlich wird ein Verfahren zur Wärmeabfuhr der LED-Lichtquelle durch Nährlösungs- oder Wasserzirkulation vorgeschlagen. Hinsichtlich der optimalen Positionierung der Lichtquelle wird, entsprechend dem Wachstum der Pflanzen im Keimlingsstadium und späteren Wachstumsphasen, eine vertikale Positionierung der LED-Lichtquelle ermöglicht. So kann die Pflanzenkrone aus nächster Nähe beleuchtet und das Ziel der Energieeinsparung erreicht werden. Derzeit macht die künstliche Beleuchtung in Fabriken 50 bis 60 % des gesamten Energieverbrauchs aus. Obwohl LEDs im Vergleich zu Leuchtstofflampen 50 % Energie einsparen können, besteht weiterhin Potenzial und Bedarf an Forschung zur Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung.

1.2.2 Mehrschichtige dreidimensionale Anbautechnologie und -ausrüstung

Durch den Einsatz von LEDs anstelle von Leuchtstofflampen wird der Schichtabstand in der mehrschichtigen, dreidimensionalen Kultivierung verringert, was die dreidimensionale Raumausnutzung für den Pflanzenanbau verbessert. Zahlreiche Studien befassen sich mit der Gestaltung des Bodens von Kultivierungsbeeten. Erhöhte Streifen erzeugen eine turbulente Strömung, die die gleichmäßige Nährstoffaufnahme der Pflanzenwurzeln in der Nährlösung fördert und die Konzentration an gelöstem Sauerstoff erhöht. Für die Besiedlung mit Kolonisationsplatten stehen zwei Methoden zur Verfügung: die Verwendung von unterschiedlich großen Kunststoff-Kolonisationsbechern oder die Besiedlung des Beetes durch einen Schwammrand. Es gibt auch verschiebbare Kultivierungsbeetsysteme, bei denen die Pflanzplatte samt Pflanzen manuell von einem Ende zum anderen geschoben werden kann. So ist es möglich, an einem Ende des Beetes zu pflanzen und am anderen zu ernten. Aktuell existieren diverse Technologien und Geräte für die dreidimensionale, mehrschichtige, erdlose Kultur, basierend auf Nährflüssigkeitsfilm- und Tiefenflüssigkeitsströmungstechnologie. Auch Technologien und Geräte für den Substratanbau von Erdbeeren sowie für den Aerosolanbau von Blattgemüse und Zierpflanzen sind weit verbreitet. Die erwähnte Technologie hat sich rasant weiterentwickelt.

1.2.3 Nährlösungszirkulationstechnologie und -ausrüstung

Nach einer gewissen Nutzungsdauer der Nährlösung müssen Wasser und Mineralstoffe hinzugefügt werden. Die benötigte Menge an frisch zubereiteter Nährlösung und Säure-Base-Lösung wird üblicherweise durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit (EC) und des pH-Werts bestimmt. Grobe Partikel wie Sedimente oder Wurzelabfälle in der Nährlösung müssen durch einen Filter entfernt werden. Wurzelexsudate in der Nährlösung können photokatalytisch entfernt werden, um Probleme beim kontinuierlichen Anbau in Hydrokultur zu vermeiden. Dies birgt jedoch gewisse Risiken für die Nährstoffverfügbarkeit.

1.2.4 Umweltkontrolltechnologie und -ausrüstung

Die Luftreinheit im Produktionsbereich ist ein wichtiger Indikator für die Luftqualität in der Produktionsanlage. Die Luftreinheit (gemessen an Schwebstoffen und abgelagerten Bakterien) sollte unter dynamischen Bedingungen im Produktionsbereich über 100.000 liegen. Desinfektion der Materialzufuhr, Luftreinigung für das Personal und ein Frischluftsystem (Luftfiltersystem) sind grundlegende Sicherheitsvorkehrungen. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO₂-Konzentration und Luftgeschwindigkeit im Produktionsbereich sind weitere wichtige Parameter der Luftqualitätskontrolle. Berichten zufolge kann durch den Einsatz von Anlagen wie Luftmischboxen, Luftkanälen, Lufteinlässen und -auslässen eine gleichmäßige Verteilung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO₂-Konzentration und Luftgeschwindigkeit im Produktionsbereich erreicht werden. Dies gewährleistet eine hohe räumliche Homogenität und erfüllt die Anforderungen der Anlage an verschiedenen Standorten. Das System zur Temperatur-, Feuchtigkeits- und CO₂-Konzentrationsregelung sowie das Frischluftsystem sind in das Umluftsystem integriert. Die drei Systeme nutzen gemeinsam Luftkanal, Lufteinlass und Luftauslass und werden über einen Ventilator mit Energie versorgt, um Luftzirkulation, Filtration und Desinfektion sowie eine gleichmäßige Luftqualität zu gewährleisten. Dadurch wird sichergestellt, 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 im Wachstumsumfeld der Pflanzen gewährleistet, um deren Wachstumsbedürfnisse zu erfüllen.

2. Entwicklungsstand der Pflanzenfabrikindustrie

2.1 Status quo der ausländischen Pflanzenfabrikindustrie

In Japan schreiten Forschung, Entwicklung und Industrialisierung von Pflanzenfabriken mit künstlichem Licht vergleichsweise schnell voran und das Land zählt zu den führenden Anbietern. 2010 stellte die japanische Regierung 50 Milliarden Yen zur Förderung von Forschung, Entwicklung und industriellen Demonstrationsprojekten bereit. Acht Institutionen, darunter die Universität Chiba und die Japanische Pflanzenfabrik-Forschungsvereinigung, beteiligten sich. Die Japan Future Company realisierte und betrieb das erste industrielle Demonstrationsprojekt einer Pflanzenfabrik mit einer Tagesproduktion von 3.000 Pflanzen. 2012 lagen die Produktionskosten dieser Fabrik bei 700 Yen/kg. 2014 wurde in der Burg Taga in der Präfektur Miyagi eine moderne Pflanzenfabrik fertiggestellt, die als weltweit erste LED-Pflanzenfabrik eine Tagesproduktion von 10.000 Pflanzen erreichte. Seit 2016 befinden sich LED-Pflanzenfabriken in Japan auf der Überholspur der Industrialisierung, und es entstanden nacheinander kostendeckende oder profitable Unternehmen. Im Jahr 2018 entstanden in rascher Folge große Pflanzenfabriken mit einer Tageskapazität von 50.000 bis 100.000 Pflanzen. Weltweit entwickelten sich Pflanzenfabriken hin zu großflächigen, professionellen und intelligenten Produktionsstätten. Gleichzeitig begannen Unternehmen wie Tokyo Electric Power und Okinawa Electric Power in Pflanzenfabriken zu investieren. Im Jahr 2020 erreichte der Marktanteil japanischer Pflanzenfabriken rund 10 % des gesamten Salatmarktes. Von den über 250 derzeit in Betrieb befindlichen Pflanzenfabriken mit künstlichem Licht arbeiten 20 % defizitär, 50 % erzielen die Gewinnschwelle und 30 % sind profitabel. Verarbeitet werden unter anderem Salat, Kräuter und Setzlinge.

Die Niederlande sind weltweit führend in der kombinierten Anwendung von Solar- und Kunstlicht für Pflanzenfabriken. Dank eines hohen Mechanisierungs-, Automatisierungs-, Intelligenz- und Autonomiegrades exportieren sie ihre Technologien und Anlagen erfolgreich in den Nahen Osten, nach Afrika, China und in weitere Länder. Die amerikanische AeroFarms-Farm befindet sich in Newark, New Jersey, USA, und erstreckt sich über eine Fläche von 6500 m². Dort werden hauptsächlich Gemüse und Gewürze angebaut, mit einer Jahresproduktion von rund 900 Tonnen.

Vertikale Landwirtschaft in AeroFarms

Die vertikale Anbauanlage der Firma Plenty in den USA nutzt LED-Beleuchtung und ein 6 Meter hohes vertikales Pflanzgerüst. Die Pflanzen wachsen seitlich aus den Pflanzgefäßen heraus. Dank der Bewässerung durch Schwerkraft benötigt diese Anbaumethode keine zusätzlichen Pumpen und ist wassersparender als herkömmliche Anbaumethoden. Plenty gibt an, dass seine Anlage die 350-fache Ernte einer konventionellen Landwirtschaft erzielt und dabei nur 1 % des Wassers verbraucht.

Vertikale Landwirtschafts-Pflanzenfabrik, Plenty Company

2.2 Status der Anlagenfabrikindustrie in China

Im Jahr 2009 wurde im Changchun Agricultural Expo Park die erste Produktionsanlage Chinas mit intelligenter Steuerung als Kernstück errichtet und in Betrieb genommen. Die Anlage umfasst eine Fläche von 200 m² und ermöglicht die automatische Echtzeitüberwachung von Umweltfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht, CO₂-Gehalt und Nährstoffkonzentration, um ein intelligentes Management zu gewährleisten.

Die Tongzhou-Pflanzenfabrik wurde 2010 in Peking errichtet. Das Hauptgebäude besteht aus einer einlagigen Leichtstahlkonstruktion mit einer Gesamtfläche von 1289 m². In Form eines Flugzeugträgers symbolisiert es die Vorreiterrolle der chinesischen Landwirtschaft bei der Entwicklung modernster Agrartechnologien. Für einige Produktionsschritte des Blattgemüseanbaus wurden Automatisierungsanlagen entwickelt, die den Automatisierungsgrad und die Produktionseffizienz der Fabrik deutlich steigern. Die Fabrik nutzt außerdem eine Erdwärmepumpe und eine Solaranlage, wodurch die hohen Betriebskosten effektiv gesenkt werden.

Innen- und Außenansicht der Tongzhou-Werksanlage

Im Jahr 2013 wurden in der Yangling Agricultural High-tech Demonstration Zone in der Provinz Shaanxi zahlreiche Agrartechnologieunternehmen gegründet. Die meisten der im Bau befindlichen und in Betrieb befindlichen Pflanzenfabrikprojekte befinden sich in Agrar-High-Tech-Demonstrationsparks, die hauptsächlich für populärwissenschaftliche Vorführungen und touristische Zwecke genutzt werden. Aufgrund ihrer funktionalen Einschränkungen können diese Pflanzenfabriken die für die Industrialisierung erforderlichen hohen Erträge und Effizienzwerte nur schwer erreichen und werden sich daher in Zukunft kaum als gängige Form der Industrialisierung etablieren.

Im Jahr 2015 initiierte ein führender chinesischer LED-Chip-Hersteller in Zusammenarbeit mit dem Botanischen Institut der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die Gründung einer Pflanzenfabrik. Damit vollzog das Unternehmen den Sprung von der optoelektronischen in die photobiologische Industrie und wurde zum Vorbild für chinesische LED-Hersteller, die im Zuge der Industrialisierung in den Bau von Pflanzenfabriken investieren. Die Pflanzenfabrik, die sich der industriellen Investition in die aufstrebende Photobiologie verschrieben hat, vereint wissenschaftliche Forschung, Produktion, Demonstration, Inkubation und weitere Funktionen und verfügt über ein Stammkapital von 100 Millionen Yuan. Im Juni 2016 wurde die dreistöckige Fabrik mit einer Fläche von 3.000 m² und einer Anbaufläche von über 10.000 m² fertiggestellt und in Betrieb genommen. Bereits im Mai 2017 erreichte die tägliche Produktionskapazität 1.500 kg Blattgemüse, was etwa 15.000 Salatpflanzen entspricht.

Ansichten dieses Unternehmens

3. Probleme und Gegenmaßnahmen bei der Entwicklung von Pflanzenfabriken

3.1 Probleme

3.1.1 Hohe Baukosten

Pflanzenfabriken benötigen geschlossene Systeme zur Pflanzenproduktion. Daher ist der Bau von unterstützenden Anlagen und Ausrüstungen erforderlich, darunter externe Wartungseinrichtungen, Klimaanlagen, künstliche Lichtquellen, mehrschichtige Anbausysteme, Nährlösungszirkulation und computergesteuerte Systeme. Die Baukosten sind relativ hoch.

3.1.2 Hohe Betriebskosten

Die meisten Lichtquellen in Pflanzenfabriken sind LED-Lampen, die viel Strom verbrauchen, aber das für das Wachstum verschiedener Pflanzenarten benötigte Lichtspektrum liefern. Auch Anlagen wie Klimaanlagen, Belüftungssysteme und Wasserpumpen verbrauchen Strom, wodurch die Stromkosten einen erheblichen Ausgabenposten darstellen. Statistiken zufolge entfallen von den Produktionskosten in Pflanzenfabriken 29 % auf Strom, 26 % auf Arbeitskosten, 23 % auf Abschreibungen auf Anlagevermögen, 12 % auf Verpackung und Transport sowie 10 % auf Produktionsmaterialien.

Aufschlüsselung der Produktionskosten für die Pflanzenfabrik

3.1.3 Geringer Automatisierungsgrad

Die derzeit angewandte Pflanzenfabrik weist einen niedrigen Automatisierungsgrad auf, und Prozesse wie Sämling, Umpflanzen, Auspflanzen und Ernten erfordern immer noch manuelle Arbeitsgänge, was zu hohen Arbeitskosten führt.

3.1.4 Begrenzte Auswahl an anbaubaren Nutzpflanzen

Derzeit ist die Auswahl an für Pflanzenfabriken geeigneten Nutzpflanzen sehr begrenzt. Es handelt sich hauptsächlich um schnell wachsende, grüne Blattgemüse mit geringer Kronendichte, die gut mit künstlichem Licht umgehen können. Für Pflanzen mit komplexen Anforderungen (z. B. solche, die bestäubungsbedürftig sind) ist ein großflächiger Anbau nicht möglich.

3.2 Entwicklungsstrategie

Angesichts der Probleme der Pflanzenfabrikindustrie ist es notwendig, Forschungen aus verschiedenen Perspektiven wie Technologie und Betrieb durchzuführen. Als Reaktion auf die aktuellen Probleme werden folgende Gegenmaßnahmen vorgeschlagen.

(1) Die Forschung im Bereich intelligenter Technologien für Pflanzenfabriken soll intensiviert und das Niveau des effizienten und präzisen Managements verbessert werden. Die Entwicklung eines intelligenten Management- und Kontrollsystems trägt zu einem effizienten und präzisen Management von Pflanzenfabriken bei, wodurch die Arbeitskosten erheblich gesenkt und Arbeitskräfte eingespart werden können.

(2) Entwicklung intensiver und effizienter technischer Ausrüstung für Pflanzenfabriken zur Erzielung jährlich hoher Qualität und hoher Erträge. Die Entwicklung hocheffizienter Anbauanlagen und -geräte, energiesparender Beleuchtungstechnik und -geräte usw. zur Verbesserung des Intelligenzgrades von Pflanzenfabriken trägt zur Realisierung einer jährlich hocheffizienten Produktion bei.

(3) Forschung zur industriellen Anbautechnologie für hochwertige Pflanzen wie Heilpflanzen, Gesundheitspflanzen und seltene Gemüsesorten durchführen, die Artenvielfalt der in Pflanzenfabriken angebauten Pflanzen erhöhen, die Gewinnquellen erweitern und den Ausgangspunkt für den Gewinn verbessern.

(4) Forschungen zu Pflanzenfabriken für den privaten und gewerblichen Gebrauch durchführen, die Artenvielfalt der Pflanzenfabriken erweitern und durch verschiedene Funktionen eine kontinuierliche Rentabilität erzielen.

4. Entwicklungstrend und Perspektiven der Pflanzenfabrik

4.1 Technologische Entwicklungstrends

4.1.1 Intellektualisierung des gesamten Prozesses

Auf der Grundlage der maschinellen Kunstfusion und des Mechanismus zur Verlustvermeidung des Pflanzenrobotersystems sollten Hochgeschwindigkeits-, flexible und zerstörungsfreie Pflanz- und Ernteendeffektoren, verteilte, mehrdimensionale, raumgenaue Positionierungs- und multimodale, kollaborative Steuerungsmethoden für mehrere Maschinen sowie unbemannte, effiziente und zerstörungsfreie Aussaat in Hochhaus-Pflanzfabriken entwickelt werden. Dadurch sollen intelligente Roboter und unterstützende Ausrüstung wie Pflanz-, Ernte- und Verpackungsanlagen geschaffen werden, um den unbemannten Betrieb des gesamten Prozesses zu realisieren.

4.1.2 Produktionssteuerung intelligenter gestalten

Auf Grundlage der Reaktionsmechanismen von Pflanzenwachstum und -entwicklung auf Lichteinstrahlung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO₂-Konzentration, Nährstoffkonzentration der Nährlösung und elektrische Leitfähigkeit (EC) sollte ein quantitatives Modell der Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Umwelt erstellt werden. Ein strategisches Kernmodell zur dynamischen Analyse von Lebenszyklusinformationen von Blattgemüse und Produktionsumgebungsparametern sollte entwickelt werden. Zudem sollte ein System zur dynamischen Online-Identifizierung, Diagnose und Prozesssteuerung der Umwelt etabliert werden. Ein kollaboratives KI-Entscheidungssystem für mehrere Maschinen zur Steuerung des gesamten Produktionsprozesses einer vertikalen Agrarfabrik mit hohem Durchsatz sollte geschaffen werden.

4.1.3 CO2-arme Produktion und Energieeinsparung

Die Einrichtung eines Energiemanagementsystems, das erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windenergie nutzt, um die Stromübertragung zu gewährleisten und den Energieverbrauch zu steuern, um optimale Energiemanagementziele zu erreichen. Die Abscheidung und Wiederverwendung von CO₂-Emissionen zur Unterstützung der Pflanzenproduktion.

4.1.3 Hoher Wert von Premiumsorten

Es sollten praktikable Strategien verfolgt werden, um verschiedene hochwertige Sorten für Anbauversuche zu züchten, eine Datenbank mit Experten für Anbautechnologie aufzubauen, Forschungen zur Anbautechnologie, zur Wahl der Pflanzdichte, zur Stoppelanordnung, zur Sorten- und Geräteanpassungsfähigkeit durchzuführen und standardisierte technische Anbauspezifikationen zu erstellen.

4.2 Entwicklungsperspektiven der Branche

Pflanzenfabriken können Ressourcen- und Umweltbeschränkungen überwinden, die industrielle Landwirtschaft vorantreiben und die neue Generation von Arbeitskräften für die Agrarproduktion gewinnen. Chinas Pflanzenfabriken entwickeln sich dank ihrer Schlüsseltechnologien und ihrer Industrialisierung zu einem weltweit führenden Standort. Mit dem beschleunigten Einsatz von LED-Lichtquellen, Digitalisierung, Automatisierung und intelligenten Technologien werden Pflanzenfabriken mehr Kapitalinvestitionen und Fachkräfte anziehen und verstärkt auf neue Energien, Materialien und Anlagen setzen. So lassen sich Informationstechnologie und Anlagen umfassend integrieren, der Automatisierungsgrad der Anlagen steigern, der Energieverbrauch und die Betriebskosten durch kontinuierliche Innovationen senken und spezialisierte Märkte schrittweise erschließen. Intelligente Pflanzenfabriken werden damit eine Blütezeit erleben.

Laut Marktforschungsberichten betrug der weltweite Markt für vertikale Landwirtschaft im Jahr 2020 lediglich 2,9 Milliarden US-Dollar. Bis 2025 wird jedoch mit einem Anstieg auf 30 Milliarden US-Dollar gerechnet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Pflanzenfabriken ein breites Anwendungsspektrum und großes Entwicklungspotenzial bieten.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong usw

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