Resumo: Nos últimos anos, com a exploração contínua da moderna tecnologia agrícola, a indústria fabril também se desenvolveu rapidamente.Este documento apresenta o status quo, os problemas existentes e as contramedidas de desenvolvimento da tecnologia de fábricas e desenvolvimento da indústria, e espera a tendência de desenvolvimento e a perspectiva de fábricas no futuro.

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

1.1 O status quo do desenvolvimento de tecnologia estrangeira

Desde o século 21, a pesquisa de fábricas de plantas se concentrou principalmente na melhoria da eficiência da luz, na criação de equipamentos de sistema de cultivo tridimensional multicamadas e na pesquisa e desenvolvimento de gerenciamento e controle inteligentes.No século 21, a inovação das fontes de luz LED agrícolas progrediu, fornecendo importante suporte técnico para a aplicação de fontes de luz LED economizadoras de energia em fábricas.A Universidade de Chiba, no Japão, fez várias inovações em fontes de luz de alta eficiência, controle ambiental com economia de energia e técnicas de cultivo.A Universidade de Wageningen, na Holanda, usa simulação de ambiente de cultivo e tecnologia de otimização dinâmica para desenvolver um sistema de equipamento inteligente para fábricas, o que reduz muito os custos operacionais e melhora significativamente a produtividade do trabalho.

Nos últimos anos, as fábricas de plantas realizaram gradualmente a semiautomação dos processos de produção desde a semeadura, cultivo de mudas, transplante e 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 Status do desenvolvimento tecnológico na China

1.2.1 Fonte de luz LED Specializd e equipamento de tecnologia de aplicação de economia de energia para luz artificial na fábrica de plantas

Fontes de luz LED vermelhas e azuis especiais para a produção de várias espécies de plantas em fábricas de plantas foram desenvolvidas uma após a outra.A potência varia de 30 a 300 W e a intensidade da luz de irradiação é de 80 a 500 μmol/(m2•s), o que pode fornecer uma intensidade de luz com uma faixa de limite apropriada, parâmetros de qualidade de luz, para obter o efeito de alta eficiência economia de energia e adaptação às necessidades de crescimento e iluminação das plantas.Em termos de gerenciamento de dissipação de calor da fonte de luz, o design de dissipação de calor ativo do ventilador da fonte de luz foi introduzido, o que reduz a taxa de decaimento da fonte de luz e garante a vida útil da fonte de luz.Além disso, é proposto um método para reduzir o calor da fonte de luz LED por meio de solução nutritiva ou circulação de água.Em termos de gerenciamento do espaço da fonte de luz, de acordo com a lei da evolução do tamanho da planta no estágio de muda e estágio posterior, através do gerenciamento do movimento do espaço vertical da fonte de luz LED, o dossel da planta pode ser iluminado a curta distância e o objetivo de economia de energia é alcançou.Atualmente, o consumo de energia da fonte de luz da fábrica de plantas de luz artificial pode representar 50% a 60% do consumo total de energia operacional da fábrica.Embora o LED possa economizar 50% de energia em comparação com as lâmpadas fluorescentes, ainda existe o potencial e a necessidade de pesquisas sobre economia de energia e redução do consumo.

1.2.2 Tecnologia e equipamento de cultivo tridimensional multicamadas

A lacuna de camada do cultivo tridimensional multicamadas é reduzida porque o LED substitui a lâmpada fluorescente, o que melhora a eficiência de utilização do espaço tridimensional do cultivo de plantas.Existem muitos estudos sobre o design do fundo do canteiro de cultivo.As faixas levantadas são projetadas para gerar fluxo turbulento, o que pode ajudar as raízes das plantas a absorver uniformemente os nutrientes na solução nutritiva e aumentar a concentração de oxigênio dissolvido.Usando a placa de colonização, existem dois métodos de colonização, ou seja, os copos de colonização de plástico de tamanhos diferentes ou o modo de colonização de perímetro de esponja.Surgiu um sistema de canteiro de cultivo deslizável, e a tábua de plantio e as plantas nela podem ser empurradas manualmente de uma ponta a outra, realizando o modo de produção de plantar em uma extremidade do canteiro de cultivo e colher na outra.Atualmente, uma variedade de tecnologia e equipamentos tridimensionais de cultura sem solo multicamadas com base em tecnologia de filme líquido nutriente e tecnologia de fluxo líquido profundo foram desenvolvidos, e a tecnologia e equipamentos para cultivo de substrato de morangos, cultivo de aerossóis de vegetais folhosos e flores surgiram.A tecnologia mencionada desenvolveu-se rapidamente.

1.2.3 Tecnologia e equipamentos de circulação de soluções nutritivas

Após o uso da solução nutritiva por um período de tempo, 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 de CE e pH.Grandes partículas de sedimento ou esfoliação da raiz na solução nutritiva precisam ser removidas por um filtro.Os exsudatos da raiz na solução nutritiva podem ser removidos por métodos fotocatalíticos para evitar obstáculos contínuos ao cultivo em hidroponia, mas existem certos riscos na disponibilidade de nutrientes.

1.2.4 Tecnologia e equipamentos de controle ambiental

A limpeza do ar do espaço de produção é um dos indicadores importantes da qualidade do ar da fábrica.A limpeza do ar (indicadores de partículas suspensas e bactérias sedimentadas) no espaço de produção da planta fabril sob condições dinâmicas deve ser controlada para um nível acima de 100.000.Entrada de desinfecção de material, tratamento de chuveiro de ar de entrada de pessoal e sistema de purificação de ar de circulação de ar fresco (sistema de filtragem de ar) são salvaguardas básicas.A temperatura e a umidade, a concentração de CO2 e a velocidade do fluxo de ar no espaço de produção são outro conteúdo importante do controle da qualidade do ar.De acordo com relatórios, a configuração de equipamentos como caixas de mistura 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 planta. em diferentes localizações espaciais.O sistema de controle de temperatura, umidade e concentração de CO2 e o sistema de ar fresco são organicamente integrados 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, filtragem e desinfecção e atualização e uniformidade da qualidade do ar.Ele garante que a produção vegetal na fábrica esteja livre de pragas e doenças, não sendo necessária a aplicação de pesticidas.Ao mesmo tempo, a uniformidade da temperatura, umidade, fluxo de ar e concentração de CO2 dos elementos do ambiente de crescimento no dossel é garantida para atender às necessidades de crescimento da planta.

2. Status de Desenvolvimento da Indústria de Fábricas de Plantas

2.1 Status quo da indústria fabril estrangeira

No Japão, a pesquisa, desenvolvimento e industrialização de fábricas de plantas de luz artificial são relativamente rápidas e estão no nível de liderança.Em 2010, o governo japonês lançou 50 bilhões de ienes para apoiar pesquisa e desenvolvimento de tecnologia e demonstração industrial.Oito instituições, incluindo a Universidade de Chiba e a Japan Plant Factory Research Association, participaram.A Japan Future Company empreendeu e operou o primeiro projeto de demonstração de industrialização de uma fábrica com produção diária de 3.000 plantas.Em 2012, o custo de produção da fábrica foi de 700 ienes/kg.Em 2014, a moderna fábrica de plantas em Taga Castle, Miyagi Prefecture foi concluída, tornando-se a primeira fábrica de LEDs do mundo com uma produção diária de 10.000 plantas.Desde 2016, as fábricas de LEDs entraram na via rápida da industrialização no Japão, e empresas lucrativas ou de equilíbrio surgiram uma após a outra.Em 2018, fábricas de plantas em grande escala com capacidade de produção diária de 50.000 a 100.000 plantas apareceram uma após a outra, e as fábricas de plantas globais estavam se desenvolvendo em larga escala, desenvolvimento profissional e inteligente.Ao mesmo tempo, a Tokyo Electric Power, a Okinawa Electric Power e outras áreas começaram a investir em fábricas.Em 2020, a participação de mercado da alface produzida pelas fábricas japonesas representará cerca de 10% de todo o mercado de alface.Entre as mais de 250 fábricas de plantas de luz artificial atualmente em operação, 20% estão em estágio deficitário, 50% em nível de equilíbrio e 30% em estágio lucrativo, envolvendo espécies vegetais cultivadas como alface, ervas e mudas.

A Holanda é um verdadeiro líder mundial no campo da tecnologia de aplicação combinada de luz solar e luz artificial para fábricas de plantas, com alto grau de mecanização, automação, inteligência e falta de pessoal, e já exportou um conjunto completo de tecnologias e equipamentos tão fortes produtos para o Oriente Médio, África, China e outros países.A fazenda American AeroFarms está localizada em Newark, New Jersey, EUA, com uma área de 6500 m2.Cultiva principalmente vegetais e especiarias, e a produção é de cerca de 900 t/ano.

Agricultura vertical em AeroFarms

A fábrica de plantas agrícolas verticais da Plenty Company nos Estados Unidos adota iluminação LED e um quadro de plantio vertical com altura de 6 m.As plantas crescem dos lados dos plantadores.Baseando-se na irrigação por gravidade, este método de plantio não requer bombas adicionais e é mais eficiente em termos de água do que a agricultura convencional.Plenty afirma que sua fazenda produz 350 vezes mais do que uma fazenda convencional, usando apenas 1% da água.

Fábrica de plantas agrícolas verticais, Plenty Company

2.2 Status da indústria fabril na China

Em 2009, a primeira fábrica de produção na China com controle inteligente como núcleo foi construída e colocada em operação no Changchun Agricultural Expo Park.A área construída é de 200 m2, e os fatores ambientais, como temperatura, umidade, luz, CO2 e concentração da solução nutritiva da fábrica da planta, podem ser monitorados automaticamente em tempo real para realizar um gerenciamento inteligente.

Em 2010, a Tongzhou Plant Factory foi construída em Pequim.A estrutura principal adota uma estrutura de aço leve de camada única com uma área total de construção de 1289 m2.Tem a forma de um porta-aviões, simbolizando a agricultura chinesa assumindo a liderança em zarpar para a tecnologia mais avançada da agricultura moderna.Foi desenvolvido o equipamento automático para algumas operações de produção de vegetais folhosos, o que melhorou o nível de automação da produção e a eficiência de produção da fábrica.A fábrica da planta adota um sistema de bomba de calor geotérmica e um sistema de geração de energia solar, o que resolve melhor o problema dos altos custos operacionais da fábrica.

Visão interna e externa da fábrica da fábrica de Tongzhou

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

Em 2015, um importante fabricante de chips de LED na China cooperou com o Instituto de Botânica da Academia Chinesa de Ciências para iniciar em conjunto o estabelecimento de uma fábrica de plantas.Passou da indústria optoeletrônica para a indústria “fotobiológica” e se tornou um precedente para os fabricantes chineses de LED investirem na construção de fábricas de plantas em industrialização.Sua Fábrica de Plantas está empenhada em fazer investimentos industriais em fotobiologia emergente, que integra pesquisa científica, produção, demonstração, incubação e outras funções, com um capital registrado de 100 milhões de yuans.Em junho de 2016, foi concluída e colocada em funcionamento esta Fábrica com um edifício de 3 pisos com uma área de 3.000 m2 e uma área de cultivo superior a 10.000 m2.Até maio de 2017, a escala de produção diária será de 1.500 kg de hortaliças folhosas, equivalente a 15.000 pés de alface por dia.

Visualizações desta empresa

3. Problemas e contramedidas para o desenvolvimento de fábricas de plantas

3.1 Problemas

3.1.1 Alto custo de construção

As fábricas de plantas precisam produzir colheitas 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 multicamadas, circulação de soluções nutritivas e sistemas de controle computadorizado.O custo de construção é relativamente alto.

3.1.2 Alto custo de operação

A maioria das fontes de luz exigidas pelas fábricas de plantas vem de lâmpadas LED, que consomem muita eletricidade e fornecem espectros correspondentes para o crescimento de diferentes culturas.Equipamentos como ar condicionado, ventilação e bombas de água no processo de produção das fábricas também consomem eletricidade, portanto, as contas de eletricidade são uma despesa enorme.Segundo as estatísticas, entre os custos de produção das fábricas, os custos de eletricidade representam 29%, os custos de mão de obra representam 26%, a depreciação de ativos fixos representa 23%, embalagem e transporte representam 12% e os materiais de produção representam 10%.

Detalhamento do custo de produção da planta fábrica

3.1.3 Baixo nível de automação

A fábrica de plantas atualmente aplicada possui baixo nível de automação, e processos como mudas, transplantes, plantio no 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 vegetais de folhas verdes que crescem rapidamente, aceitam facilmente fontes de luz artificial e têm copa baixa.O plantio em grande escala não pode ser realizado para requisitos de plantio complexos (como culturas que precisam ser polinizadas, etc.).

3.2 Estratégia de Desenvolvimento

Tendo em vista os problemas enfrentados pela indústria fabril de plantas, faz-se necessário a realização de pesquisas sob vários aspectos 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 gerenciamento intensivo e refinado.O desenvolvimento de um sistema inteligente de gerenciamento e controle ajuda a obter um gerenciamento intensivo e refinado das fábricas, o que pode reduzir significativamente os custos de mão-de-obra e economizar mão-de-obra.

(2) Desenvolver equipamento técnico de fábrica intensivo e eficiente para alcançar alta qualidade e 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 inteligente 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 obter lucratividade contínua com várias funções.

4. Tendência de Desenvolvimento e Perspectiva da Planta Fábrica

4.1 Tendência de Desenvolvimento Tecnológico

4.1.1 Intelectualização de processo completo

Com base na fusão da arte da máquina e no mecanismo de prevenção de perdas do sistema de colheita-robô, efetores finais de colheita e plantio flexíveis e não destrutivos de alta velocidade, posicionamento preciso do espaço multidimensional distribuído e métodos de controle colaborativo multimodal multimáquina, e semeadura não tripulada, eficiente e não destrutiva em fábricas de plantas altas - Robôs inteligentes e equipamentos de apoio, como plantio-colheita-embalagem, devem ser criados, realizando assim a operação não tripulada de todo o processo.

4.1.2 Tornar o controle de produção mais inteligente

Com base no mecanismo de resposta do crescimento e desenvolvimento da cultura à radiação luminosa, temperatura, umidade, concentração de CO2, concentração de nutrientes da solução nutritiva e CE, um modelo quantitativo de retroalimentação do ambiente da cultura deve ser construído.Um modelo central estratégico deve ser estabelecido para analisar dinamicamente as informações sobre a vida dos vegetais folhosos e os parâmetros do ambiente de produção.Também deve ser estabelecido o diagnóstico de identificação dinâmica on-line e o sistema de controle de processo do ambiente.Deve ser criado um sistema colaborativo de tomada de decisão de inteligência artificial multimáquinas para todo o processo produtivo de uma fábrica agrícola vertical de alto volume.

4.1.3 Produção de baixo carbono e economia de energia

Estabelecer um sistema de gerenciamento de energia que utiliza fontes de energia renováveis, como solar e eólica, para completar a transmissão de energia e controlar o consumo de energia para atingir as metas ideais de gerenciamento de energia.Capturar e reutilizar as emissões de CO2 para ajudar na produção agrícola.

4.1.3 Alto valor das variedades premium

Estratégias viáveis ​​devem ser adotadas para criar diferentes variedades de alto valor agregado para experimentos de plantio, construir um banco de dados de especialistas em tecnologia de cultivo, conduzir pesquisas sobre tecnologia de cultivo, seleção de densidade, arranjo de restolho, variedade e adaptabilidade de equipamentos e formar especificações técnicas de cultivo padrão.

4.2 Perspectivas de desenvolvimento da indústria

As fábricas de plantas podem se livrar das restrições de recursos e do meio ambiente, realizar a produção industrializada da agricultura e atrair a nova geração de força de trabalho para se engajar na produção agrícola.A principal inovação tecnológica e industrialização das fábricas da China está se tornando líder mundial.Com a aplicação acelerada da fonte de luz LED, digitalização, automação e tecnologias inteligentes no campo das fábricas, as fábricas atrairão mais investimentos de capital, coleta de talentos e o uso de mais energia nova, novos materiais e novos equipamentos.Desta forma, a integração profunda da tecnologia da informação e das instalações e equipamentos pode ser realizada, o nível inteligente e não tripulado de instalações e equipamentos pode ser aprimorado, a redução contínua do consumo de energia do sistema e dos custos operacionais por meio da inovação contínua e a gradual cultivo de mercados especializados, fábricas de plantas inteligentes darão início a um período áureo de desenvolvimento.

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

Autor: Zengchan Zhou, Weidong, etc

Informações de citação:Situação Atual e Perspectivas de Desenvolvimento da Indústria Fabril [J].Tecnologia de Engenharia Agrícola, 2022, 42(1): 18-23.por Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li e outros.