Résumé : Ces dernières années, avec l'exploration continue de la technologie agricole moderne, l'industrie de l'usine de plantes s'est également développée rapidement.Cet article présente le statu quo, les problèmes existants et les contre-mesures de développement de la technologie des usines d'usine et du développement de l'industrie, et attend avec impatience la tendance de développement et les perspectives des usines d'usine à l'avenir.

1. État actuel du développement technologique dans les usines en Chine et à l'étranger

1.1 Le statu quo du développement technologique étranger

Depuis le 21e siècle, la recherche des usines végétales s'est principalement concentrée sur l'amélioration de l'efficacité lumineuse, la création d'équipements de systèmes de culture tridimensionnels multicouches et la recherche et le développement d'une gestion et d'un contrôle intelligents.Au 21ème siècle, l'innovation des sources lumineuses à LED agricoles a fait des progrès, fournissant un support technique important pour l'application de sources lumineuses à LED à économie d'énergie dans les usines.L'Université de Chiba au Japon a fait un certain nombre d'innovations dans les sources lumineuses à haut rendement, le contrôle environnemental économe en énergie et les techniques de culture.L'Université de Wageningen aux Pays-Bas utilise la simulation de l'environnement des cultures et la technologie d'optimisation dynamique pour développer un système d'équipement intelligent pour les usines, ce qui réduit considérablement les coûts d'exploitation et améliore considérablement la productivité du travail.

Ces dernières années, les usines végétales ont progressivement réalisé la semi-automatisation des processus de production depuis le semis, la culture des semis, le repiquage et la récolte.Le Japon, les Pays-Bas et les États-Unis sont à l'avant-garde, avec un degré élevé de mécanisation, d'automatisation et d'intelligence, et se développent dans le sens de l'agriculture verticale et de l'exploitation sans pilote.

1.2 État du développement technologique en Chine

1.2.1 Source de lumière LED spécialisée et équipement de technologie d'application à économie d'énergie pour la lumière artificielle dans l'usine

Des sources de lumière LED rouges et bleues spéciales pour la production de diverses espèces végétales dans les usines de production ont été développées les unes après les autres.La puissance varie de 30 à 300 W et l'intensité lumineuse d'irradiation est de 80 à 500 μmol/(m2•s), ce qui peut fournir une intensité lumineuse avec une plage de seuil appropriée, des paramètres de qualité de la lumière, pour obtenir l'effet de haute efficacité économie d'énergie et adaptation aux besoins de croissance des plantes et d'éclairage.En termes de gestion de la dissipation thermique de la source lumineuse, la conception de dissipation thermique active du ventilateur de la source lumineuse a été introduite, ce qui réduit le taux de décroissance lumineuse de la source lumineuse et garantit la durée de vie de la source lumineuse.De plus, une méthode pour réduire la chaleur de la source de lumière LED par une solution nutritive ou une circulation d'eau est proposée.En termes de gestion de l'espace de la source lumineuse, selon la loi d'évolution de la taille de la plante au stade du semis et au stade ultérieur, grâce à la gestion du mouvement vertical de la source lumineuse à LED, la canopée de la plante peut être éclairée à courte distance et l'objectif d'économie d'énergie est atteint.À l'heure actuelle, la consommation d'énergie de la source lumineuse de l'usine de lumière artificielle peut représenter 50% à 60% de la consommation totale d'énergie de fonctionnement de l'usine de l'usine.Bien que la LED puisse économiser 50% d'énergie par rapport aux lampes fluorescentes, il existe toujours un potentiel et une nécessité de recherche sur les économies d'énergie et la réduction de la consommation.

1.2.2 Technologie et équipement de culture tridimensionnelle multicouche

L'espace entre les couches de la culture tridimensionnelle multicouche est réduit car la LED remplace la lampe fluorescente, ce qui améliore l'efficacité d'utilisation de l'espace tridimensionnel de la culture des plantes.Il existe de nombreuses études sur la conception du fond du lit de culture.Les rayures surélevées sont conçues pour générer un flux turbulent, ce qui peut aider les racines des plantes à absorber uniformément les nutriments dans la solution nutritive et à augmenter la concentration d'oxygène dissous.En utilisant le tableau de colonisation, il existe deux méthodes de colonisation, à savoir les gobelets de colonisation en plastique de différentes tailles ou le mode de colonisation du périmètre en éponge.Un système de lit de culture coulissant est apparu, et la planche de plantation et les plantes qui s'y trouvent peuvent être poussées manuellement d'un bout à l'autre, réalisant le mode de production de plantation à une extrémité du lit de culture et de récolte à l'autre extrémité.À l'heure actuelle, une variété de technologies et d'équipements de culture sans sol multicouches tridimensionnels basés sur la technologie de film liquide nutritif et la technologie d'écoulement de liquide profond ont été développés, ainsi que la technologie et l'équipement pour la culture de substrats de fraises, la culture en aérosol de légumes à feuilles et fleurs ont surgi.La technologie mentionnée s'est développée rapidement.

1.2.3 Technologie et équipement de circulation des solutions nutritives

Après un certain temps d'utilisation de la solution nutritive, il est nécessaire d'ajouter de l'eau et des éléments minéraux.Généralement, la quantité de solution nutritive nouvellement préparée et la quantité de solution acide-base sont déterminées en mesurant la CE et le pH.Les grosses particules de sédiments ou d'exfoliation des racines dans la solution nutritive doivent être éliminées par un filtre.Les exsudats racinaires dans la solution nutritive peuvent être éliminés par des méthodes photocatalytiques pour éviter les obstacles de culture continus en culture hydroponique, mais il existe certains risques quant à la disponibilité des nutriments.

1.2.4 Technologie et équipement de contrôle environnemental

La propreté de l'air de l'espace de production est l'un des indicateurs importants de la qualité de l'air de l'usine.La propreté de l'air (indicateurs de particules en suspension et de bactéries déposées) dans l'espace de production de l'usine de l'usine dans des conditions dynamiques doit être contrôlée à un niveau supérieur à 100 000.L'entrée de désinfection du matériel, le traitement par douche à air du personnel entrant et le système de purification de l'air à circulation d'air frais (système de filtration de l'air) sont toutes des garanties de base.La température et l'humidité, la concentration en CO2 et la vitesse d'écoulement de l'air dans l'espace de production sont un autre élément important du contrôle de la qualité de l'air.Selon les rapports, la mise en place d'équipements tels que des boîtes de mélange d'air, des conduits d'air, des entrées et des sorties d'air peut contrôler uniformément la température et l'humidité, la concentration de CO2 et la vitesse du flux d'air dans l'espace de production, afin d'obtenir une uniformité spatiale élevée et de répondre aux besoins de l'usine. dans différentes localisations spatiales.Le système de contrôle de la température, de l'humidité et de la concentration en CO2 et le système d'air frais sont organiquement intégrés dans le système de circulation d'air.Les trois systèmes doivent partager le conduit d'air, l'entrée et la sortie d'air, et alimenter le ventilateur pour réaliser la circulation du flux d'air, la filtration et la désinfection, ainsi que la mise à jour et l'uniformité de la qualité de l'air.Il garantit que la production végétale dans l'usine de plantes est exempte de parasites et de maladies et qu'aucune application de pesticide n'est requise.Dans le même temps, l'uniformité de la température, de l'humidité, du débit d'air et de la concentration en CO2 des éléments de l'environnement de croissance dans la canopée est garantie pour répondre aux besoins de croissance des plantes.

2. État de développement de l'industrie des usines d'usine

2.1 Statu quo de l'industrie des usines étrangères

Au Japon, la recherche et le développement et l'industrialisation des usines de plantes à lumière artificielle sont relativement rapides et se situent au premier plan.En 2010, le gouvernement japonais a lancé 50 milliards de yens pour soutenir la recherche et le développement technologiques et la démonstration industrielle.Huit institutions, dont l'Université de Chiba et la Japan Plant Factory Research Association, ont participé.Japan Future Company a entrepris et exploité le premier projet de démonstration d'industrialisation d'une usine de plantes avec une production quotidienne de 3 000 plantes.En 2012, le coût de production de l'usine de l'usine était de 700 yens/kg.En 2014, l'usine d'usine moderne du château de Taga, dans la préfecture de Miyagi, a été achevée, devenant la première usine d'usine de LED au monde avec une production quotidienne de 10 000 plantes.Depuis 2016, les usines d'usines à LED sont entrées dans la voie rapide de l'industrialisation au Japon, et des entreprises rentables ou rentables ont émergé les unes après les autres.En 2018, des usines de plantes à grande échelle avec une capacité de production quotidienne de 50 000 à 100 000 plantes sont apparues les unes après les autres, et les usines de plantes mondiales se développaient vers un développement à grande échelle, professionnel et intelligent.Dans le même temps, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power et d'autres domaines ont commencé à investir dans des usines.En 2020, la part de marché de la laitue produite par les usines japonaises représentera environ 10 % de l'ensemble du marché de la laitue.Parmi les plus de 250 usines de plantes de type lumière artificielle actuellement en activité, 20 % sont en phase déficitaire, 50 % sont à l'équilibre et 30 % sont en phase rentable, impliquant des espèces végétales cultivées telles que laitue, herbes et semis.

Les Pays-Bas sont un véritable leader mondial dans le domaine de la technologie d'application combinée de la lumière solaire et de la lumière artificielle pour les usines, avec un degré élevé de mécanisation, d'automatisation, d'intelligence et d'absence de personnel, et ont maintenant exporté un ensemble complet de technologies et d'équipements aussi solides produits au Moyen-Orient, en Afrique, en Chine et dans d'autres pays.La ferme American AeroFarms est située à Newark, New Jersey, USA, avec une superficie de 6500 m2.Elle cultive principalement des légumes et des épices, et la production est d'environ 900 t/an.

Agriculture verticale dans AeroFarms

L'usine de plantes agricoles verticales de Plenty Company aux États-Unis adopte un éclairage LED et un cadre de plantation vertical d'une hauteur de 6 m.Les plantes poussent sur les côtés des jardinières.S'appuyant sur l'arrosage par gravité, cette méthode de plantation ne nécessite pas de pompes supplémentaires et est plus économe en eau que l'agriculture conventionnelle.Plenty affirme que sa ferme produit 350 fois la production d'une ferme conventionnelle tout en utilisant seulement 1 % de l'eau.

Usine de plantes agricoles verticales, Plenty Company

2.2 Statut de l'industrie des usines d'usine en Chine

En 2009, la première usine d'usine de production en Chine avec un contrôle intelligent comme noyau a été construite et mise en service dans le parc d'exposition agricole de Changchun.La superficie du bâtiment est de 200 m2 et les facteurs environnementaux tels que la température, l'humidité, la lumière, le CO2 et la concentration de la solution nutritive de l'usine peuvent être automatiquement surveillés en temps réel pour réaliser une gestion intelligente.

En 2010, l'usine de Tongzhou a été construite à Pékin.La structure principale adopte une structure en acier léger monocouche avec une surface de construction totale de 1289 m2.Il a la forme d'un porte-avions, symbolisant l'agriculture chinoise prenant les devants en mettant les voiles vers la technologie la plus avancée de l'agriculture moderne.L'équipement automatique pour certaines opérations de production de légumes à feuilles a été développé, ce qui a amélioré le niveau d'automatisation de la production et l'efficacité de la production de l'usine.L'usine de l'usine adopte un système de pompe à chaleur géothermique et un système de production d'énergie solaire, ce qui résout mieux le problème des coûts d'exploitation élevés de l'usine de l'usine.

Vue intérieure et extérieure de l'usine de l'usine de Tongzhou

En 2013, de nombreuses entreprises de technologie agricole ont été créées dans la zone de démonstration de haute technologie agricole de Yangling, dans la province du Shaanxi.La plupart des projets d'usines en cours de construction et d'exploitation sont situés dans des parcs de démonstration agricoles de haute technologie, qui sont principalement utilisés pour des démonstrations scientifiques populaires et des visites de loisirs.En raison de leurs limitations fonctionnelles, il est difficile pour ces usines d'usines scientifiques populaires d'atteindre le rendement élevé et le rendement élevé requis par l'industrialisation, et il leur sera difficile de devenir la forme d'industrialisation dominante à l'avenir.

En 2015, un important fabricant de puces LED en Chine a coopéré avec l'Institut de botanique de l'Académie chinoise des sciences pour initier conjointement la création d'une usine d'usine.Il est passé de l'industrie optoélectronique à l'industrie "photobiologique", et est devenu un précédent pour les fabricants chinois de LED à investir dans la construction d'usines d'usines en cours d'industrialisation.Sa Plant Factory s'est engagée à réaliser des investissements industriels dans la photobiologie émergente, qui intègre la recherche scientifique, la production, la démonstration, l'incubation et d'autres fonctions, avec un capital social de 100 millions de yuans.En juin 2016, cette Plant Factory avec un bâtiment de 3 étages couvrant une superficie de 3 000 m2 et une zone de culture de plus de 10 000 m2 a été achevée et mise en service.D'ici mai 2017, l'échelle de production journalière sera de 1 500 kg de légumes feuilles, soit l'équivalent de 15 000 plants de laitue par jour.

Vues de cette entreprise

3. Problèmes et contre-mesures face au développement des usines végétales

3.1 Problèmes

3.1.1 Coût de construction élevé

Les usines de plantes doivent produire des cultures dans un environnement fermé.Par conséquent, il est nécessaire de construire des projets et des équipements de soutien, notamment des structures de maintenance externes, des systèmes de climatisation, des sources de lumière artificielle, des systèmes de culture multicouches, la circulation de solutions nutritives et des systèmes de contrôle informatique.Le coût de construction est relativement élevé.

3.1.2 Coût de fonctionnement élevé

La plupart des sources lumineuses requises par les usines végétales proviennent de lampes LED, qui consomment beaucoup d'électricité tout en fournissant des spectres correspondants pour la croissance des différentes cultures.Les équipements tels que la climatisation, la ventilation et les pompes à eau dans le processus de production des usines consomment également de l'électricité, de sorte que les factures d'électricité représentent une dépense énorme.Selon les statistiques, parmi les coûts de production des usines, les coûts d'électricité représentent 29 %, les coûts de main-d'œuvre représentent 26 %, l'amortissement des immobilisations représente 23 %, l'emballage et le transport représentent 12 % et les matériaux de production représentent 10 %.

Répartition des coûts de production pour l'usine de l'usine

3.1.3 Faible niveau d'automatisation

L'usine de plantes actuellement appliquée a un faible niveau d'automatisation et des processus tels que le semis, le repiquage, la plantation sur le terrain et la récolte nécessitent toujours des opérations manuelles, ce qui entraîne des coûts de main-d'œuvre élevés.

3.1.4 Variétés limitées de cultures pouvant être cultivées

À l'heure actuelle, les types de cultures adaptées aux usines de plantes sont très limités, principalement des légumes à feuilles vertes qui poussent rapidement, acceptent facilement les sources de lumière artificielle et ont une canopée basse.La plantation à grande échelle ne peut pas être effectuée pour des besoins de plantation complexes (comme les cultures qui doivent être pollinisées, etc.).

3.2 Stratégie de développement

Compte tenu des problèmes rencontrés par l'industrie des usines, il est nécessaire d'effectuer des recherches sous divers aspects tels que la technologie et le fonctionnement.En réponse aux problèmes actuels, les contre-mesures sont les suivantes.

(1) Renforcer la recherche sur la technologie intelligente des usines végétales et améliorer le niveau de gestion intensive et raffinée.Le développement d'un système de gestion et de contrôle intelligent aide à réaliser une gestion intensive et raffinée des usines de l'usine, ce qui peut réduire considérablement les coûts de main-d'œuvre et économiser de la main-d'œuvre.

(2) Développer un équipement technique d'usine intensif et efficace pour atteindre une qualité et un rendement annuels élevés.Le développement d'installations et d'équipements de culture à haut rendement, de technologies et d'équipements d'éclairage à économie d'énergie, etc., pour améliorer le niveau intelligent des usines, est propice à la réalisation d'une production annuelle à haut rendement.

(3) Mener des recherches sur la technologie de culture industrielle pour les plantes à haute valeur ajoutée telles que les plantes médicinales, les plantes médicinales et les légumes rares, augmenter les types de cultures cultivées dans les usines de plantes, élargir les canaux de profit et améliorer le point de départ du profit .

(4) Effectuer des recherches sur les usines de plantes à usage domestique et commercial, enrichir les types d'usines de plantes et atteindre une rentabilité continue avec diverses fonctions.

4. Tendance de développement et perspectives de Plant Factory

4.1 Tendance du développement technologique

4.1.1 Intellectualisation complète du processus

Basé sur le mécanisme de fusion et de prévention des pertes de l'art de la machine du système de robot de culture, des effecteurs finaux de plantation et de récolte flexibles et non destructifs à grande vitesse, un positionnement précis de l'espace multidimensionnel distribué et des méthodes de contrôle collaboratif multimodal multi-machines, et semis sans pilote, efficace et non destructif dans les usines de grande hauteur - Des robots intelligents et des équipements de support tels que la plantation, la récolte et l'emballage doivent être créés, réalisant ainsi le fonctionnement sans pilote de l'ensemble du processus.

4.1.2 Rendre le contrôle de la production plus intelligent

Sur la base du mécanisme de réponse de la croissance et du développement des cultures au rayonnement lumineux, à la température, à l'humidité, à la concentration de CO2, à la concentration en éléments nutritifs de la solution nutritive et à la CE, un modèle quantitatif de rétroaction culture-environnement devrait être construit.Un modèle de base stratégique devrait être établi pour analyser dynamiquement les informations sur la vie des légumes feuillus et les paramètres de l'environnement de production.Le diagnostic d'identification dynamique en ligne et le système de contrôle des processus de l'environnement doivent également être mis en place.Un système décisionnel collaboratif multi-machines d'intelligence artificielle pour l'ensemble du processus de production d'une usine agricole verticale à haut volume devrait être créé.

4.1.3 Production bas carbone et économie d'énergie

Établir un système de gestion de l'énergie qui utilise des sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire et éolienne pour compléter la transmission de l'énergie et contrôler la consommation d'énergie pour atteindre des objectifs de gestion de l'énergie optimaux.Capter et réutiliser les émissions de CO2 pour aider la production agricole.

4.1.3 Valeur élevée des variétés premium

Des stratégies réalisables doivent être adoptées pour sélectionner différentes variétés à haute valeur ajoutée pour les expériences de plantation, créer une base de données d'experts en technologie de culture, mener des recherches sur la technologie de culture, la sélection de la densité, la disposition des chaumes, l'adaptabilité des variétés et des équipements, et élaborer des spécifications techniques de culture standard.

4.2 Perspectives de développement de l'industrie

Les usines végétales peuvent se débarrasser des contraintes des ressources et de l'environnement, réaliser la production agricole industrialisée et attirer la nouvelle génération de main-d'œuvre pour s'engager dans la production agricole.L'innovation technologique clé et l'industrialisation des usines chinoises sont en train de devenir un leader mondial.Avec l'application accélérée de la source lumineuse LED, de la numérisation, de l'automatisation et des technologies intelligentes dans le domaine des usines, les usines attireront davantage d'investissements en capital, de rassemblement de talents et d'utilisation de plus de nouvelles énergies, de nouveaux matériaux et de nouveaux équipements.De cette manière, l'intégration en profondeur des technologies de l'information et des installations et équipements peut être réalisée, le niveau intelligent et sans personnel des installations et des équipements peut être amélioré, la réduction continue de la consommation d'énergie du système et des coûts d'exploitation grâce à l'innovation continue, et la la culture des marchés spécialisés, les usines de plantes intelligentes inaugurera la période dorée du développement.

Selon des études de marché, la taille du marché mondial de l'agriculture verticale en 2020 n'est que de 2,9 milliards de dollars américains, et on s'attend à ce que d'ici 2025, la taille du marché mondial de l'agriculture verticale atteigne 30 milliards de dollars américains.En résumé, les usines d'usine ont de larges perspectives d'application et un espace de développement.

Auteur : Zengchan Zhou, Weidong, etc.

Informations sur la citation :Situation actuelle et perspectives de développement de l'industrie des usines d'usine [J].Technologie du génie agricole, 2022, 42(1): 18-23.de Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.