Résumé: Ces dernières années, avec l'exploration continue de la technologie agricole moderne, l'industrie de l'usine végétale 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 végétales et du développement de l'industrie, et attend avec impatience la tendance de développement et la perspective des usines végétales à l'avenir.

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

1.1 Le statu quo du développement des technologies étrangères

Depuis le 21e siècle, les recherches des usines végétales se sont principalement concentrées sur l'amélioration de l'efficacité de la lumière, la création d'équipements multi-couches du système de culture tridimensionnel et la recherche et le développement de la gestion et du contrôle intelligents. Au 21e siècle, l'innovation des sources de lumière LED agricoles a progressé, fournissant un soutien technique important pour l'application de sources lumineuses d'énergie d'énergie dans les usines de plantes. L'Université de Chiba au Japon a fait un certain nombre d'innovations dans les sources lumineuses à haute efficacité, le contrôle environnemental d'économie d'énergie et les techniques de culture. Les Pays-Bas de Wageningen utilisent la technologie de simulation et d'optimisation dynamique des cultures pour développer un système d'équipement intelligent pour les usines de plantes, 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 à partir du semis, de l'augmentation des semis, de la transplantation et de la récolte. Le Japon, les Pays-Bas et les États-Unis sont à l'avant-garde, avec un haut degré de mécanisation, d'automatisation et d'intelligence, et se développent dans le sens de l'agriculture verticale et du fonctionnement sans pilote.

1.2 Statut de développement technologique en Chine

1.2.1 Spécialise de lumière LED Source et technologie d'application d'économie d'énergie pour la lumière artificielle dans l'usine de plantes

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

1.2.2 Technologie et équipement de culture tridimensionnels multi-couches

L'écart de couche de la culture tridimensionnelle multicouche est réduit car la LED remplace la lampe fluorescente, ce qui améliore l'efficacité de l'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 débit turbulent, ce qui peut aider à planter les racines pour absorber uniformément les nutriments dans la solution nutritive et augmenter la concentration d'oxygène dissous. En utilisant le conseil de colonisation, il existe deux méthodes de colonisation, c'est-à-dire les tasses de colonisation en plastique de différentes tailles ou le mode de colonisation du périmètre éponge. Un système de lits de culture éliminable est apparu, et la planche de plantation et les plantes dessus peuvent être poussées manuellement d'un bout à l'autre, réalisant le mode de production de la plantation à une extrémité du lit de culture et la récolte à l'autre extrémité. À l'heure actuelle, une variété de technologies et d'équipements de culture sans couche multi-couches en trois dimensions basés sur la technologie des films liquides et une technologie de flux liquide profonds ont été développés, et la technologie et l'équipement pour la culture du substrat des fraises, la culture d'aérosols de légumes et de fleurs feuillues ont surgi. La technologie mentionnée s'est développée rapidement.

1.2.3 Technologie et équipement de circulation de la solution nutritive

Une fois que la solution nutritive a été utilisée pendant un certain temps, 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. De grandes particules de sédiments ou d'exfoliation racinaire dans la solution nutritive doivent être éliminées par un filtre. Les exsudats racinaires dans la solution nutritionnelle peuvent être éliminés par des méthodes photocatalytiques pour éviter les obstacles de culture continue dans l'hydroponie, mais il existe certains risques dans 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 végétale. La propreté de l'air (indicateurs des particules en suspension et des bactéries collées) dans l'espace de production de l'usine de plantes dans des conditions dynamiques doit être contrôlée à un niveau supérieur à 100 000. Intrée de désinfection des matériaux, traitement de la douche à air du personnel entrant et système de purification d'air de circulation de l'air frais (système de filtration d'air) sont toutes des garanties de base. La température et l'humidité, la concentration en CO2 et la vitesse du débit d'air de l'air dans l'espace de production sont un autre contenu important du contrôle de la qualité de l'air. Selon les rapports, la configuration d'équipements tels que les boîtes de mélange d'air, les conduits d'air, les entrées d'air et les prises d'air peuvent contrôler uniformément la température et l'humidité, la concentration en CO2 et la vitesse du flux d'air dans l'espace de production, afin d'obtenir une uniformité spatiale élevée et répondre aux besoins des plantes Dans différents emplacements spatiaux. 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 d'air circulant. Les trois systèmes doivent partager le conduit d'air, l'entrée d'air et la sortie d'air, et fournir de la puissance dans le ventilateur pour réaliser la circulation du débit d'air, de la filtration et de la désinfection, ainsi que la mise à jour et l'uniformité de la qualité de l'air. Il garantit que la production d'usine dans l'usine de plantes est exempte de ravageurs et de maladies, et aucune application de pesticide n'est requise. Dans le même temps, l'uniformité de la température, de l'humidité, du flux 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 la croissance des plantes.

2. Statut de développement de l'industrie de l'usine végétale

2.1 Statu quo de l'industrie des usines d'usine étrangère

Au Japon, la recherche et le développement et l'industrialisation des usines d'artifice artificiel sont relativement rapides et ils sont au niveau principal. En 2010, le gouvernement japonais a lancé 50 milliards de yens pour soutenir la recherche et le développement technologiques et la démonstration industrielle. Huit établissements dont l'Université 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 d'usine avec une production quotidienne de 3 000 usines. En 2012, le coût de production de l'usine de plantes était de 700 yens / kg. En 2014, Modern Factory Plant Factory à Taga Castle, la préfecture de Miyagi a été achevée, devenant la première usine de plantes LED au monde avec une production quotidienne de 10 000 plantes. Depuis 2016, les usines d'usine LED sont entrées dans la voie rapide de l'industrialisation au Japon, et les entreprises de seuil de rentabilité ou de rentables ont émergé les unes après les autres. En 2018, des usines de plantes à grande échelle d'une capacité de production quotidienne de 50 000 à 100 000 usines 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 champs ont commencé à investir dans des usines de plantes. En 2020, la part de marché de la laitue produite par les usines de plantes 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 fonctionnement, 20% sont en stade de perte de perte, 50% sont au niveau du seuil de rentabilité et 30% sont à un stade rentable, impliquant des espèces végétales cultivées telles que Laitue, herbes et semis.

Les Pays-Bas sont un leader du monde réel dans le domaine de la technologie des applications combinées de la lumière solaire et de la lumière artificielle pour les usines de plantes, avec un haut degré de mécanisation, d'automatisation, d'intelligence et de non-pilote, et a maintenant exporté un ensemble complet de technologies et d'équipements aussi forts Produits au Moyen-Orient, en Afrique, en Chine et dans d'autres pays. American Aerofarms Farm est situé à Newark, New Jersey, États-Unis, avec une superficie de 6500 m2. Il cultive principalement des légumes et des épices, et la sortie est d'environ 900 t / an.

Agriculture verticale dans les aéro-bras

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

Usine d'usine d'agriculture verticale, beaucoup de compagnie

2.2 Industrie de l'usine de statut en Chine

En 2009, la première usine de production en Chine avec un contrôle intelligent, car le noyau a été construit et mis en service dans le parc agricole de Changchun. La zone de construction est de 200 m2, et les facteurs environnementaux tels que la température, l'humidité, la lumière, le CO2 et la concentration en solution nutritionnelle de l'usine végétale peuvent être automatiquement surveillés en temps réel pour réaliser une gestion intelligente.

En 2010, l'usine de plantes de Tongzhou construite à Pékin. La structure principale adopte une structure en acier clair à couche unique avec une zone de construction totale de 1289 m2. Il est en forme de porte-avions, symbolisant l'agriculture chinoise prenant les devants en mettant en voile la technologie la plus avancée de l'agriculture moderne. L'équipement automatique de 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 de plantes. L'usine d'usine adopte un système de pompe à chaleur à la source terrestre et un système de production d'énergie solaire, ce qui résout mieux le problème des coûts d'exploitation élevés pour l'usine de plantes.

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

En 2013, de nombreuses sociétés technologiques agricoles ont été créées dans la zone de démonstration agricole de haute technologie de Yangling, la province du Shaanxi. La plupart des projets d'usine d'usine en construction et en fonctionnement sont situés dans des parcs de démonstration de haute technologie agricoles, qui sont principalement utilisés pour les démonstrations scientifiques populaires et les visites de loisirs. En raison de leurs limitations fonctionnelles, il est difficile pour ces usines de plantations scientifiques populaires d'atteindre le rendement élevé et l'efficacité élevée requise par l'industrialisation, et il sera difficile pour eux de devenir la forme d'industrialisation traditionnelle à l'avenir.

En 2015, un grand 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 entreprise d'usine d'usine. Il est passé de l'industrie optoélectronique à l'industrie «photobiologique» et est devenu un précédent pour les fabricants de LED chinois à investir dans la construction d'usines de plantes dans l'industrialisation. Son usine d'usine s'engage à faire 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 enregistré de 100 millions de yuans. En juin 2016, cette usine d'usine avec un bâtiment de 3 étages couvrant une superficie de 3 000 m2 et une zone de culture de plus de 10 000 m2 ont été achevées et mises en service. En mai 2017, l'échelle de production quotidienne sera de 1 500 kg de légumes à feuilles, ce qui équivaut à 15 000 plants de laitue par jour.

Vues de cette entreprise

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

3.1 Problèmes

3.1.1 Coût de construction élevé

Les usines végétales doivent produire des cultures dans un environnement fermé. Par conséquent, il est nécessaire de construire des projets et des équipements de support, notamment des structures de maintenance externes, des systèmes de climatisation, des sources de lumière artificielle, des systèmes de culture multicouches, une circulation des 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 des lumières LED, qui consomment beaucoup d'électricité tout en fournissant des spectres correspondants pour la croissance de différentes cultures. Des équipements tels que la climatisation, la ventilation et les pompes à eau dans le processus de production des usines de plantes consomment également de l'électricité, de sorte que les factures d'électricité sont une énorme dépense. Selon les statistiques, parmi les coûts de production des usines d'usine, les coûts de l'électricité représentent 29%, les coûts de main-d'œuvre représentent 26%, l'amortissement des actifs fixes représente 23%, l'emballage et le transport représentent 12% et les matériaux de production représentent 10%.

Éclatement du coût de production pour l'usine de plantes

3.1.3 Bas niveau d'automatisation

L'usine de plantes actuellement appliquée a un faible niveau d'automatisation, et des processus tels que les semis, la transplantation, la plantation de terrain et la récolte nécessitent toujours des opérations manuelles, entraînant des coûts de main-d'œuvre élevés.

3.1.4 Variétés limitées de cultures qui peuvent être cultivées

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

3.2 Stratégie de développement

Compte tenu des problèmes rencontrés par l'industrie de l'usine des usines, il est nécessaire d'effectuer des recherches à partir de 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 de plantes et améliorer le niveau de gestion intensive et raffinée. Le développement d'un système de gestion et de contrôle intelligents aide à atteindre une gestion intensive et raffinée des usines d'usine, ce qui peut considérablement réduire les coûts de main-d'œuvre et économiser la main-d'œuvre.

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

(3) Effectuer des recherches sur la technologie de culture industrielle pour les plantes à haute valeur ajoutée telles que les plantes médicinales, les usines de soins de santé 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 commerciales, enrichir les types d'usines végétales et obtenir une rentabilité continue avec diverses fonctions.

4. Tendance de développement et perspective de l'usine végétale

4.1 tendance de développement technologique

4.1.1 Intellectualisation du processus complet

Sur la base du mécanisme de prévention de la fusion et des pertes machine-art du système de ROBOT des cultures, des effecteurs finaux de plantation et de récolte flexibles et non destructeurs à grande vitesse, un positionnement précis de l'espace multidimensionnel distribué et des méthodes de contrôle collaboratif multi-modal multi-modales, et des semis sans pilote, efficaces et non destructeurs dans les usines de plantes de grande hauteur - les robots intelligents et les équipements de soutien tels que l'emballage de la plantation être créé, 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 aux rayonnements légers, à la température, à l'humidité, à la concentration en CO2, à la concentration en nutriments de la solution nutritive et à la CE, un modèle quantitatif de rétroaction de l'environnement des cultures doit être construit. Un modèle de base stratégique doit être établi pour analyser dynamiquement les informations sur les informations sur la vie végétale et l'environnement de production. Le diagnostic d'identification dynamique en ligne et le système de contrôle des processus de l'environnement doivent également être établis. Un système de prise de décision de l'intelligence artificielle de l'intelligence artificielle multi-machine pour l'ensemble du processus de production d'une usine agricole verticale à volume à volume devrait être créée.

4.1.3 Production et économie d'énergie faible en carbone

L'établissement d'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 d'énergie et contrôler la consommation d'énergie pour atteindre des objectifs optimaux de gestion de l'énergie. Capturer et réutiliser les émissions de CO2 pour faciliter la production agricole.

4.1.3 Valeur élevée des variétés premium

Des stratégies réalisables doivent être prises pour élever différentes variétés à valeur ajoutée pour la plantation d'expériences, construire une base de données d'experts en technologie de culture, mener des recherches sur la technologie de la culture, la sélection de densité, l'arrangement des chaumes, la variété et l'adaptabilité de l'équipement et forment 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 industrialisée de l'agriculture et attirer la nouvelle génération de main-d'œuvre pour s'engager dans la production agricole. L'innovation et l'industrialisation technologiques clés des usines végétales chinoises devient un leader mondial. Avec l'application accélérée de la source de lumière LED, de la numérisation, de l'automatisation et des technologies intelligentes dans le domaine des usines de plantes, les usines d'usine attireront plus d'investissement en capital, de collecte de talents et de l'utilisation de plus de nouvelles énergies, de nouveaux matériaux et de nouveaux équipements. De cette manière, l'intégration approfondie des technologies de l'information et des installations et de l'équipement peut être réalisée, le niveau intelligent et sans pilote d'installations et d'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 à l'innovation progressive et à la progression Cultivation de marchés spécialisés, les usines végétales intelligentes inaugureront la période de développement dorée.

Selon les rapports d'études de marché, la taille mondiale du marché de l'agriculture verticale en 2020 n'est que de 2,9 milliards de dollars américains, et il est prévu qu'en 2025, la taille mondiale du marché de l'agriculture verticale atteindra 30 milliards de dollars américains. En résumé, les usines végétales ont de larges perspectives d'application et des espaces de développement.

Auteur: Zengchan Zhou, Weidong, etc.

Informations sur la citation:Situation actuelle et perspectives de développement de l'industrie des usines végétales [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022, 42 (1): 18-23.Par Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.