Resumo: Nos últimos anos, com a contínua exploração da tecnologia agrícola moderna, a indústria de fábricas de plantas também se desenvolveu rapidamente. Este artigo apresenta o estado atual, os problemas existentes e as medidas de desenvolvimento da tecnologia e do setor de fábricas de plantas, além de analisar as tendências e perspectivas futuras desse setor.

1. Situação atual do desenvolvimento tecnológico em fábricas de plantas na China e no exterior.

1.1 O status quo do desenvolvimento de tecnologia estrangeira

Desde o século XXI, a pesquisa em fábricas de plantas tem se concentrado principalmente na melhoria da eficiência luminosa, na criação de equipamentos para sistemas de cultivo tridimensionais multicamadas e na pesquisa e desenvolvimento de gestão e controle inteligentes. No século XXI, a inovação em fontes de luz LED para agricultura avançou, fornecendo importante suporte técnico para a aplicação de fontes de luz LED de baixo consumo energético em fábricas de plantas. A Universidade de Chiba, no Japão, realizou diversas inovações em fontes de luz de alta eficiência, controle ambiental com economia de energia e técnicas de cultivo. A Universidade de Wageningen, na Holanda, utiliza simulação de ambiente de cultivo e tecnologia de otimização dinâmica para desenvolver um sistema de equipamentos inteligentes para fábricas de plantas, o que reduz consideravelmente os custos operacionais e melhora significativamente a produtividade do trabalho.

Nos últimos anos, as fábricas de plantas têm gradualmente implementado a semiautomatização dos processos de produção, desde a semeadura, o cultivo de mudas, o transplante e a colheita. Japão, Holanda e Estados Unidos estão na vanguarda, com alto grau de mecanização, automação e inteligência, e estão se desenvolvendo na direção da agricultura vertical e da operação não tripulada.

1.2 Situação do desenvolvimento tecnológico na China

1.2.1 Fonte de luz LED especializada e equipamento de tecnologia de aplicação de economia de energia para iluminação artificial em fábricas.

Fontes de luz LED especiais nas cores vermelha e azul para a produção de diversas espécies vegetais em fábricas de plantas foram desenvolvidas sucessivamente. A potência varia de 30 a 300 W e a intensidade luminosa de irradiação é de 80 a 500 μmol/(m²•s), o que permite obter uma intensidade luminosa com uma faixa de limiar adequada e parâmetros de qualidade de luz ideais, alcançando alta eficiência energética e adaptando-se às necessidades de crescimento e iluminação das plantas. Em termos de gerenciamento da dissipação de calor da fonte de luz, foi introduzido um design de dissipação ativa de calor para o ventilador da fonte de luz, que reduz a taxa de degradação luminosa e garante a vida útil da fonte. Além disso, propõe-se um método para reduzir o calor da fonte de luz LED por meio da circulação de solução nutritiva ou água. Em relação ao gerenciamento espacial da fonte de luz, de acordo com a lei de evolução do tamanho da planta na fase de plântula e em estágios posteriores, por meio do gerenciamento do movimento vertical da fonte de luz LED, a copa da planta pode ser iluminada a curta distância, atingindo o objetivo de economia de energia. Atualmente, o consumo de energia da iluminação artificial em fábricas de plantas pode representar de 50% a 60% do consumo total de energia operacional dessas instalações. Embora as lâmpadas LED possam economizar até 50% de energia em comparação com as lâmpadas fluorescentes, ainda há potencial e necessidade de pesquisas sobre economia de energia e redução do consumo.

1.2.2 Tecnologia e equipamentos de cultivo tridimensional multicamadas

A lacuna entre as camadas no cultivo tridimensional multicamadas é reduzida devido à substituição das lâmpadas fluorescentes por LEDs, o que melhora a eficiência da utilização do espaço tridimensional no cultivo de plantas. Existem muitos estudos sobre o design do fundo do leito de cultivo. As faixas elevadas são projetadas para gerar fluxo turbulento, o que auxilia as raízes das plantas a absorverem os nutrientes da solução nutritiva de maneira uniforme e aumenta a concentração de oxigênio dissolvido. Utilizando a placa de colonização, existem dois métodos de colonização: com copos de plástico de diferentes tamanhos ou com esponja no perímetro. Surgiu um sistema de leito de cultivo deslizante, no qual a placa de plantio e as plantas podem ser movidas manualmente de uma extremidade à outra, permitindo o plantio em uma extremidade do leito de cultivo e a colheita na outra. Atualmente, diversas tecnologias e equipamentos para cultivo hidropônico tridimensional multicamadas, baseados na tecnologia de película líquida nutritiva e na tecnologia de fluxo líquido profundo, foram desenvolvidos, e tecnologias e equipamentos para o cultivo em substrato de morangos, cultivo aerossol de hortaliças folhosas e flores surgiram. As tecnologias mencionadas têm se desenvolvido rapidamente.

1.2.3 Tecnologia e equipamentos de circulação de solução nutritiva

Após um período de uso da solução nutritiva, é necessário adicionar água e elementos minerais. Geralmente, a quantidade de solução nutritiva recém-preparada e a quantidade de solução ácido-base são determinadas pela medição da condutividade elétrica (CE) e do pH. Partículas grandes de sedimentos ou exsudatos radiculares presentes na solução nutritiva precisam ser removidos por filtração. Os exsudatos radiculares na solução nutritiva podem ser removidos por métodos fotocatalíticos para evitar problemas no cultivo contínuo em hidroponia, mas isso apresenta certos riscos em relação à disponibilidade de nutrientes.

1.2.4 Tecnologia e equipamentos de controle ambiental

A limpeza do ar no espaço de produção é um dos indicadores importantes da qualidade do ar em uma fábrica. A limpeza do ar (indicadores de partículas em suspensão e bactérias sedimentadas) no espaço de produção da fábrica, em condições dinâmicas, deve ser controlada para um nível acima de 100.000. A desinfecção de materiais na entrada, o tratamento do ar pelos funcionários que chegam e um sistema de purificação do ar com circulação de ar fresco (sistema de filtragem de ar) são medidas básicas de segurança. A temperatura e a umidade, a concentração de CO2 e a velocidade do fluxo de ar no espaço de produção são outros aspectos importantes do controle da qualidade do ar. De acordo com relatos, a instalação de equipamentos como misturadores de ar, dutos de ar, entradas e saídas de ar pode controlar uniformemente a temperatura e a umidade, a concentração de CO2 e a velocidade do fluxo de ar no espaço de produção, de modo a alcançar alta uniformidade espacial e atender às necessidades da fábrica em diferentes locais. O sistema de controle de temperatura, umidade e concentração de CO2 e o sistema de ar fresco são integrados organicamente ao sistema de circulação de ar. Os três sistemas precisam compartilhar o duto de ar, a entrada e a saída de ar, e fornecer energia através do ventilador para realizar a circulação do fluxo de ar, a filtragem e a desinfecção, além de garantir a renovação e a uniformidade da qualidade do ar. Isso assegura que a produção vegetal na estufa esteja livre de pragas e doenças, dispensando a aplicação de pesticidas. Ao mesmo tempo, garante-se a uniformidade da temperatura, umidade, fluxo de ar e concentração de CO2 no ambiente de cultivo, atendendo às necessidades do crescimento das plantas.

2. Situação Atual do Desenvolvimento da Indústria de Fábricas de Plantas

2.1 Situação atual da indústria de fábricas de plantas estrangeiras

No Japão, a pesquisa, o desenvolvimento e a industrialização de fábricas de plantas com luz artificial estão ocorrendo em ritmo acelerado e se encontram em um nível de liderança. Em 2010, o governo japonês destinou 50 bilhões de ienes para apoiar a pesquisa e o desenvolvimento tecnológico e a demonstração industrial. Oito instituições, incluindo a Universidade de Chiba e a Associação Japonesa de Pesquisa de Fábricas de Plantas, participaram do projeto. A Japan Future Company assumiu e operou o primeiro projeto de demonstração de industrialização de uma fábrica de plantas com uma produção diária de 3.000 plantas. Em 2012, o custo de produção da fábrica de plantas era de 700 ienes/kg. Em 2014, foi concluída a moderna fábrica de plantas no Castelo de Taga, na província de Miyagi, tornando-se a primeira fábrica de plantas com LED do mundo com uma produção diária de 10.000 plantas. Desde 2016, as fábricas de plantas com LED entraram na via expressa da industrialização no Japão, e empresas lucrativas ou que atingiram o ponto de equilíbrio surgiram em grande número. Em 2018, grandes fábricas de plantas com capacidade de produção diária de 50.000 a 100.000 plantas surgiram uma após a outra, e as fábricas de plantas globais estavam se desenvolvendo em direção a um crescimento em larga escala, profissional e inteligente. Ao mesmo tempo, empresas como a Tokyo Electric Power e a Okinawa Electric Power começaram a investir em fábricas de plantas. Em 2020, a participação de mercado da alface produzida por fábricas de plantas japonesas representará cerca de 10% do mercado total de alface. Das mais de 250 fábricas de plantas com iluminação artificial atualmente em operação, 20% estão em fase de prejuízo, 50% estão no ponto de equilíbrio e 30% são lucrativas, envolvendo espécies de plantas cultivadas como alface, ervas e mudas.

A Holanda é líder mundial na aplicação combinada de energia solar e artificial em fábricas de plantas, com alto grau de mecanização, automação, inteligência e operação autônoma. Atualmente, exporta um conjunto completo de tecnologias e equipamentos como produtos de destaque para o Oriente Médio, África, China e outros países. A fazenda American AeroFarms está localizada em Newark, Nova Jersey, EUA, com uma área de 6.500 m². Ela cultiva principalmente vegetais e especiarias, com uma produção de cerca de 900 toneladas por ano.

Agricultura vertical em AeroFarms

A fábrica de cultivo vertical da Plenty Company, nos Estados Unidos, utiliza iluminação LED e uma estrutura de plantio vertical com 6 metros de altura. As plantas crescem nas laterais dos vasos. Com irrigação por gravidade, esse método de cultivo dispensa bombas adicionais e é mais eficiente no uso da água do que a agricultura convencional. A Plenty afirma que sua fazenda produz 350 vezes mais do que uma fazenda convencional, utilizando apenas 1% da água.

Fábrica de cultivo vertical, Plenty Company

2.2 Situação atual da indústria de fábricas na China

Em 2009, a primeira fábrica de plantas de produção na China com controle inteligente como elemento central foi construída e entrou em operação no Parque de Exposições Agrícolas de Changchun. A área construída é de 200 m², e fatores ambientais como temperatura, umidade, luz, CO2 e concentração da solução nutritiva da fábrica podem ser monitorados automaticamente em tempo real para realizar uma gestão inteligente.

Em 2010, foi construída a Fábrica de Plantas de Tongzhou, em Pequim. A estrutura principal adota uma estrutura leve de aço de camada única, com uma área total de construção de 1289 m². Seu formato lembra um porta-aviões, simbolizando a liderança da agricultura chinesa na adoção das tecnologias mais avançadas da agricultura moderna. Equipamentos automatizados para algumas operações de produção de hortaliças folhosas foram desenvolvidos, o que aumentou o nível de automação e a eficiência da produção na fábrica. A fábrica também utiliza um sistema de bomba de calor geotérmica e um sistema de geração de energia solar, o que contribui para reduzir os altos custos operacionais.

Vista interna e externa da fábrica de plantas de Tongzhou.

Em 2013, muitas empresas de tecnologia agrícola foram estabelecidas na Zona de Demonstração de Alta Tecnologia Agrícola de Yangling, na província de Shaanxi. A maioria dos projetos de fábricas de plantas em construção e operação está localizada em parques de demonstração de alta tecnologia agrícola, que são usados ​​principalmente para demonstrações de ciência popular e turismo. Devido às suas limitações funcionais, é difícil para essas fábricas de plantas atingirem o alto rendimento e a alta eficiência exigidos pela industrialização, e será difícil para elas se tornarem a principal forma de industrialização no futuro.

Em 2015, um importante fabricante de chips de LED na China, em parceria com o Instituto de Botânica da Academia Chinesa de Ciências, iniciou a criação de uma fábrica de plantas. Essa iniciativa representou uma transição da indústria optoeletrônica para a indústria fotobiológica, tornando-se um precedente para fabricantes chineses de LED que investem na construção de fábricas de plantas em seu processo de industrialização. A fábrica, com um capital social de 100 milhões de yuans, dedica-se ao investimento industrial na área emergente da fotobiologia, integrando pesquisa científica, produção, demonstração, incubação e outras funções. Em junho de 2016, a fábrica, com um prédio de três andares e área de 3.000 m², além de uma área de cultivo de mais de 10.000 m², foi concluída e entrou em operação. Em maio de 2017, a produção diária atingiu 1.500 kg de hortaliças folhosas, o equivalente a 15.000 pés de alface por dia.

Opiniões sobre esta empresa

3. Problemas e contramedidas que o desenvolvimento de fábricas de plantas enfrenta.

3.1 Problemas

3.1.1 Alto custo de construção

As fábricas de plantas precisam produzir cultivos em um ambiente fechado. Portanto, é necessário construir projetos e equipamentos de apoio, incluindo estruturas externas de manutenção, sistemas de ar condicionado, fontes de luz artificial, sistemas de cultivo em múltiplos níveis, circulação de solução nutritiva e sistemas de controle computadorizados. O custo de construção é relativamente alto.

3.1.2 Alto custo operacional

A maior parte da iluminação necessária para fábricas de plantas provém de lâmpadas LED, que consomem muita eletricidade, embora forneçam os espectros de luz adequados para o crescimento de diferentes culturas. Equipamentos como ar condicionado, ventilação e bombas d'água, utilizados no processo produtivo dessas fábricas, também consomem energia, o que eleva consideravelmente o custo da eletricidade. Segundo as estatísticas, entre os custos de produção de fábricas de plantas, os custos com eletricidade representam 29%, os custos com mão de obra 26%, a depreciação de ativos fixos 23%, a embalagem e o transporte 12% e os materiais de produção 10%.

Detalhamento do custo de produção para fábrica de plantas

3.1.3 Baixo nível de automação

A fábrica de plantas atualmente utilizada apresenta um baixo nível de automação, e processos como semeadura, transplante, plantio em campo e colheita ainda exigem operações manuais, resultando em altos custos de mão de obra.

3.1.4 Variedades limitadas de culturas que podem ser cultivadas

Atualmente, os tipos de culturas adequadas para fábricas de plantas são muito limitados, principalmente hortaliças folhosas verdes de crescimento rápido, que se adaptam bem à luz artificial e possuem copa baixa. O plantio em larga escala não é viável devido às suas complexas exigências (como no caso de culturas que necessitam de polinização, etc.).

3.2 Estratégia de Desenvolvimento

Tendo em vista os problemas enfrentados pela indústria de fábricas de plantas, é necessário realizar pesquisas sob diversas perspectivas, como tecnologia e operação. Em resposta aos problemas atuais, as contramedidas são as seguintes.

(1) Fortalecer a pesquisa em tecnologia inteligente de fábricas e melhorar o nível de gestão intensiva e refinada. O desenvolvimento de um sistema inteligente de gestão e controle ajuda a alcançar a gestão intensiva e refinada de fábricas, o que pode reduzir significativamente os custos de mão de obra e economizar recursos humanos.

(2) Desenvolver equipamentos técnicos intensivos e eficientes para fábricas de plantas, visando alcançar alta qualidade e alto rendimento anual. O desenvolvimento de instalações e equipamentos de cultivo de alta eficiência, tecnologia e equipamentos de iluminação com economia de energia, etc., para melhorar o nível de inteligência das fábricas de plantas, é propício à realização de produção anual de alta eficiência.

(3) Realizar pesquisas sobre tecnologia de cultivo industrial para plantas de alto valor agregado, como plantas medicinais, plantas de saúde e vegetais raros, aumentar os tipos de culturas cultivadas em fábricas de plantas, ampliar os canais de lucro e melhorar o ponto de partida do lucro.

(4) Realizar pesquisas sobre fábricas de plantas para uso doméstico e comercial, enriquecer os tipos de fábricas de plantas e alcançar rentabilidade contínua com várias funções.

4. Tendências e Perspectivas de Desenvolvimento da Fábrica de Plantas

4.1 Tendências de Desenvolvimento Tecnológico

4.1.1 Intelectualização de todo o processo

Com base na fusão entre máquinas e arte e no mecanismo de prevenção de perdas do sistema robótico agrícola, devem ser criados robôs inteligentes e equipamentos de apoio, como máquinas de plantio, colheita e embalagem, para plantio, colheita e embalagem, visando a operação autônoma, eficiente e não destrutiva de todo o processo em fábricas de plantas de grande altura.

4.1.2 Tornar o controle de produção mais inteligente

Com base no mecanismo de resposta do crescimento e desenvolvimento das culturas à radiação luminosa, temperatura, umidade, concentração de CO2, concentração de nutrientes na solução nutritiva e condutividade elétrica (CE), deve-se construir um modelo quantitativo de retroalimentação entre a cultura e o ambiente. Um modelo central estratégico deve ser estabelecido para analisar dinamicamente as informações sobre o ciclo de vida das hortaliças folhosas e os parâmetros do ambiente de produção. Também deve ser implementado um sistema online de diagnóstico dinâmico e controle de processos ambientais. Além disso, deve ser criado um sistema colaborativo de tomada de decisão por inteligência artificial com múltiplas máquinas para todo o processo produtivo de uma fábrica agrícola vertical de grande escala.

4.1.3 Produção com baixo teor de carbono e economia de energia

Implementar um sistema de gestão de energia que utilize fontes de energia renováveis, como a solar e a eólica, para completar a transmissão de energia e controlar o consumo de energia, visando atingir metas de gestão energética otimizadas. Capturar e reutilizar as emissões de CO2 para auxiliar a produção agrícola.

4.1.3 Alto valor das variedades premium

Devem ser adotadas estratégias viáveis ​​para o melhoramento genético de diferentes variedades de alto valor agregado para experimentos de plantio, a criação de um banco de dados de especialistas em tecnologia de cultivo, a realização de pesquisas sobre tecnologia de cultivo, seleção de densidade, arranjo de resteva, adaptabilidade de variedades e equipamentos, e a formulação de especificações técnicas padrão para o cultivo.

4.2 Perspectivas de desenvolvimento da indústria

As fábricas de plantas podem superar as limitações de recursos e ambientais, viabilizar a produção agrícola industrializada e atrair a nova geração de mão de obra para o setor. A inovação tecnológica e a industrialização das fábricas de plantas na China estão se tornando líderes mundiais. Com a aplicação acelerada de fontes de luz LED, digitalização, automação e tecnologias inteligentes no setor, haverá maior atração de investimentos, recrutamento de talentos e utilização de novas energias, novos materiais e novos equipamentos. Dessa forma, será possível a integração profunda da tecnologia da informação com as instalações e equipamentos, o nível de inteligência e automação das instalações e equipamentos poderá ser aprimorado, o consumo de energia e os custos operacionais do sistema poderão ser reduzidos continuamente por meio da inovação constante, e mercados especializados poderão ser gradualmente cultivados. Assim, as fábricas de plantas inteligentes entrarão em um período áureo de desenvolvimento.

De acordo com relatórios de pesquisa de mercado, o tamanho do mercado global de agricultura vertical em 2020 foi de apenas US$ 2,9 bilhões, e espera-se que, até 2025, esse mercado atinja US$ 30 bilhões. Em resumo, as fábricas de plantas têm amplas perspectivas de aplicação e espaço para desenvolvimento.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong, etc.

Informações de citação:Situação atual e perspectivas de desenvolvimento da indústria de fábricas de plantas [J]. Tecnologia de engenharia agrícola, 2022, 42(1): 18-23.por Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.