Abstrak: Dalam beberapa tahun terakhir, seiring dengan eksplorasi berkelanjutan teknologi pertanian modern, industri pabrik tanaman juga telah berkembang pesat. Makalah ini memperkenalkan status quo, masalah yang ada, dan langkah-langkah penanggulangan pengembangan teknologi dan industri pabrik tanaman, serta menilik tren perkembangan dan prospek pabrik tanaman di masa depan.

1. Status terkini pengembangan teknologi di pabrik-pabrik tanaman di Tiongkok dan luar negeri

1.1 Status quo pengembangan teknologi asing

Sejak abad ke-21, penelitian tentang pabrik tanaman terutama berfokus pada peningkatan efisiensi cahaya, pembuatan peralatan sistem budidaya tiga dimensi multi-lapisan, dan penelitian serta pengembangan manajemen dan kontrol cerdas. Pada abad ke-21, inovasi sumber cahaya LED pertanian telah mengalami kemajuan, memberikan dukungan teknis penting untuk penerapan sumber cahaya hemat energi LED di pabrik tanaman. Universitas Chiba di Jepang telah melakukan sejumlah inovasi dalam sumber cahaya efisiensi tinggi, pengendalian lingkungan hemat energi, dan teknik budidaya. Universitas Wageningen di Belanda menggunakan simulasi lingkungan tanaman dan teknologi optimasi dinamis untuk mengembangkan sistem peralatan cerdas untuk pabrik tanaman, yang sangat mengurangi biaya operasional dan secara signifikan meningkatkan produktivitas tenaga kerja.

Dalam beberapa tahun terakhir, pabrik tanaman secara bertahap mewujudkan semi-otomatisasi proses produksi mulai dari penyemaian, pembibitan, penanaman kembali, hingga panen. Jepang, Belanda, dan Amerika Serikat berada di garis depan, dengan tingkat mekanisasi, otomatisasi, dan kecerdasan yang tinggi, dan berkembang ke arah pertanian vertikal dan operasi tanpa awak.

1.2 Status perkembangan teknologi di Tiongkok

1.2.1 Sumber cahaya LED khusus dan peralatan teknologi aplikasi hemat energi untuk penerangan buatan di pabrik tanaman

Sumber cahaya LED merah dan biru khusus untuk produksi berbagai spesies tanaman di pabrik tanaman telah dikembangkan satu demi satu. Daya berkisar dari 30 hingga 300 W, dan intensitas cahaya radiasi adalah 80 hingga 500 μmol/(m2•s), yang dapat memberikan intensitas cahaya dengan rentang ambang batas yang sesuai, parameter kualitas cahaya, untuk mencapai efek penghematan energi yang efisien dan beradaptasi dengan kebutuhan pertumbuhan dan pencahayaan tanaman. Dalam hal manajemen pembuangan panas sumber cahaya, desain pembuangan panas aktif kipas sumber cahaya telah diperkenalkan, yang mengurangi laju penurunan cahaya sumber cahaya dan memastikan umur sumber cahaya. Selain itu, metode untuk mengurangi panas sumber cahaya LED melalui sirkulasi larutan nutrisi atau air diusulkan. Dalam hal manajemen ruang sumber cahaya, sesuai dengan hukum evolusi ukuran tanaman pada tahap bibit dan tahap selanjutnya, melalui manajemen pergerakan ruang vertikal sumber cahaya LED, kanopi tanaman dapat diterangi pada jarak dekat dan tujuan penghematan energi tercapai. Saat ini, konsumsi energi sumber cahaya buatan di pabrik tanaman dapat mencapai 50% hingga 60% dari total konsumsi energi operasional pabrik. Meskipun LED dapat menghemat energi hingga 50% dibandingkan dengan lampu neon, masih ada potensi dan kebutuhan untuk melakukan penelitian tentang penghematan energi dan pengurangan konsumsi.

1.2.2 Teknologi dan peralatan budidaya tiga dimensi berlapis-lapis

Celah antar lapisan pada budidaya tiga dimensi multi-lapisan berkurang karena LED menggantikan lampu neon, yang meningkatkan efisiensi pemanfaatan ruang tiga dimensi dalam budidaya tanaman. Terdapat banyak penelitian tentang desain dasar bedengan budidaya. Garis-garis yang ditinggikan dirancang untuk menghasilkan aliran turbulen, yang dapat membantu akar tanaman menyerap nutrisi dalam larutan nutrisi secara merata dan meningkatkan konsentrasi oksigen terlarut. Dengan menggunakan papan kolonisasi, terdapat dua metode kolonisasi, yaitu cangkir kolonisasi plastik dengan ukuran berbeda atau mode kolonisasi perimeter spons. Sistem bedengan budidaya geser telah muncul, dan papan tanam serta tanaman di atasnya dapat didorong secara manual dari satu ujung ke ujung lainnya, mewujudkan mode produksi penanaman di satu ujung bedengan budidaya dan panen di ujung lainnya. Saat ini, berbagai teknologi dan peralatan budidaya tanpa tanah multi-lapisan tiga dimensi berdasarkan teknologi lapisan cairan nutrisi dan teknologi aliran cairan dalam telah dikembangkan, dan teknologi serta peralatan untuk budidaya substrat stroberi, budidaya aerosol sayuran berdaun dan bunga telah bermunculan. Teknologi yang disebutkan telah berkembang pesat.

1.2.3 Teknologi dan peralatan sirkulasi larutan nutrisi

Setelah larutan nutrisi digunakan dalam jangka waktu tertentu, perlu ditambahkan air dan unsur mineral. Umumnya, jumlah larutan nutrisi yang baru disiapkan dan jumlah larutan asam-basa ditentukan dengan mengukur EC dan pH. Partikel sedimen besar atau eksudat akar dalam larutan nutrisi perlu dihilangkan dengan penyaringan. Eksudat akar dalam larutan nutrisi dapat dihilangkan dengan metode fotokatalitik untuk menghindari hambatan penanaman berkelanjutan dalam hidroponik, tetapi ada risiko tertentu terhadap ketersediaan nutrisi.

1.2.4 Teknologi dan peralatan pengendalian lingkungan

Kebersihan udara di ruang produksi merupakan salah satu indikator penting kualitas udara di pabrik. Kebersihan udara (indikator partikel tersuspensi dan bakteri yang mengendap) di ruang produksi pabrik dalam kondisi dinamis harus dikendalikan hingga level di atas 100.000. Disinfeksi material yang masuk, perawatan disinfektan udara bagi personel yang masuk, dan sistem pemurnian udara sirkulasi udara segar (sistem filtrasi udara) merupakan pengamanan dasar. Suhu dan kelembaban, konsentrasi CO2, dan kecepatan aliran udara di ruang produksi merupakan konten penting lainnya dari pengendalian kualitas udara. Menurut laporan, pemasangan peralatan seperti kotak pencampur udara, saluran udara, saluran masuk dan keluar udara dapat mengontrol suhu dan kelembaban, konsentrasi CO2, dan kecepatan aliran udara di ruang produksi secara merata, sehingga mencapai keseragaman spasial yang tinggi dan memenuhi kebutuhan pabrik di berbagai lokasi spasial. Sistem kontrol suhu, kelembaban, dan konsentrasi CO2 serta sistem udara segar terintegrasi secara organik ke dalam sistem sirkulasi udara. Ketiga sistem tersebut perlu berbagi saluran udara, saluran masuk udara, dan saluran keluar udara, serta menyediakan daya melalui kipas untuk mewujudkan sirkulasi aliran udara, penyaringan dan disinfeksi, serta pembaruan dan keseragaman kualitas udara. Hal ini memastikan bahwa produksi tanaman di pabrik tanaman bebas dari hama dan penyakit, dan tidak memerlukan penggunaan pestisida. Pada saat yang sama, keseragaman suhu, kelembaban, aliran udara, dan konsentrasi CO2 dari elemen lingkungan pertumbuhan di kanopi dijamin untuk memenuhi kebutuhan pertumbuhan tanaman.

2. Status Perkembangan Industri Pabrik Tanaman

2.1 Status quo industri pabrik tanaman impor

Di Jepang, penelitian dan pengembangan serta industrialisasi pabrik tanaman penerangan buatan relatif cepat, dan berada di tingkat terdepan. Pada tahun 2010, pemerintah Jepang meluncurkan dana sebesar 50 miliar yen untuk mendukung penelitian dan pengembangan teknologi serta demonstrasi industri. Delapan lembaga, termasuk Universitas Chiba dan Asosiasi Penelitian Pabrik Tanaman Jepang, berpartisipasi. Japan Future Company melaksanakan dan mengoperasikan proyek demonstrasi industrialisasi pertama pabrik tanaman dengan produksi harian 3.000 tanaman. Pada tahun 2012, biaya produksi pabrik tanaman tersebut adalah 700 yen/kg. Pada tahun 2014, pabrik tanaman modern di Kastil Taga, Prefektur Miyagi, selesai dibangun, menjadi pabrik tanaman LED pertama di dunia dengan produksi harian 10.000 tanaman. Sejak tahun 2016, pabrik tanaman LED telah memasuki jalur cepat industrialisasi di Jepang, dan perusahaan yang mencapai titik impas atau menguntungkan telah bermunculan satu demi satu. Pada tahun 2018, pabrik tanaman skala besar dengan kapasitas produksi harian 50.000 hingga 100.000 tanaman muncul satu demi satu, dan pabrik tanaman global berkembang menuju pengembangan skala besar, profesional, dan cerdas. Pada saat yang sama, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power, dan bidang lainnya mulai berinvestasi di pabrik tanaman. Pada tahun 2020, pangsa pasar selada yang diproduksi oleh pabrik tanaman Jepang akan mencapai sekitar 10% dari seluruh pasar selada. Di antara lebih dari 250 pabrik tanaman tipe lampu buatan yang saat ini beroperasi, 20% berada pada tahap merugi, 50% berada pada titik impas, dan 30% berada pada tahap menguntungkan, yang melibatkan spesies tanaman budidaya seperti selada, herba, dan bibit.

Belanda adalah pemimpin dunia sejati di bidang teknologi aplikasi gabungan cahaya matahari dan cahaya buatan untuk pabrik tanaman, dengan tingkat mekanisasi, otomatisasi, kecerdasan, dan tanpa awak yang tinggi, dan kini telah mengekspor seperangkat teknologi dan peralatan lengkap sebagai produk unggulan ke Timur Tengah, Afrika, Cina, dan negara-negara lain. Peternakan AeroFarms Amerika terletak di Newark, New Jersey, AS, dengan luas 6500 m2. Peternakan ini terutama menanam sayuran dan rempah-rempah, dan hasilnya sekitar 900 ton/tahun.

Pertanian vertikal di AeroFarms

Pabrik tanaman pertanian vertikal milik Plenty Company di Amerika Serikat menggunakan pencahayaan LED dan rangka tanam vertikal dengan ketinggian 6 m. Tanaman tumbuh dari sisi-sisi wadah tanam. Dengan mengandalkan penyiraman gravitasi, metode penanaman ini tidak memerlukan pompa tambahan dan lebih hemat air daripada pertanian konvensional. Plenty mengklaim pertaniannya menghasilkan 350 kali lipat hasil pertanian konvensional hanya dengan menggunakan 1% air.

Pabrik tanaman pertanian vertikal, Plenty Company

2.2 Status industri pabrik tanaman di Cina

Pada tahun 2009, pabrik produksi pertama di Tiongkok dengan kendali cerdas sebagai intinya dibangun dan mulai beroperasi di Taman Pameran Pertanian Changchun. Luas bangunannya adalah 200 m2, dan faktor lingkungan seperti suhu, kelembaban, cahaya, CO2, dan konsentrasi larutan nutrisi di pabrik tanaman dapat dipantau secara otomatis secara real-time untuk mewujudkan manajemen cerdas.

Pada tahun 2010, Pabrik Tanaman Tongzhou dibangun di Beijing. Struktur utamanya menggunakan struktur baja ringan satu lapis dengan total luas bangunan 1289 m2. Bentuknya menyerupai kapal induk, melambangkan pertanian Tiongkok yang memimpin dalam berlayar menuju teknologi pertanian modern yang paling canggih. Peralatan otomatis untuk beberapa operasi produksi sayuran berdaun telah dikembangkan, yang telah meningkatkan tingkat otomatisasi produksi dan efisiensi produksi pabrik tanaman. Pabrik tanaman ini mengadopsi sistem pompa panas sumber tanah dan sistem pembangkit listrik tenaga surya, yang lebih baik mengatasi masalah biaya operasional yang tinggi untuk pabrik tanaman.

Pemandangan bagian dalam dan luar Pabrik Tongzhou

Pada tahun 2013, banyak perusahaan teknologi pertanian didirikan di Zona Demonstrasi Teknologi Tinggi Pertanian Yangling, Provinsi Shaanxi. Sebagian besar proyek pabrik tanaman yang sedang dibangun dan beroperasi berlokasi di taman demonstrasi teknologi tinggi pertanian, yang terutama digunakan untuk demonstrasi sains populer dan wisata rekreasi. Karena keterbatasan fungsinya, sulit bagi pabrik tanaman sains populer ini untuk mencapai hasil panen dan efisiensi tinggi yang dibutuhkan oleh industrialisasi, dan akan sulit bagi mereka untuk menjadi bentuk industrialisasi utama di masa depan.

Pada tahun 2015, sebuah produsen chip LED besar di Tiongkok bekerja sama dengan Institut Botani Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok untuk bersama-sama memulai pendirian perusahaan pabrik tanaman. Perusahaan ini telah beralih dari industri optoelektronik ke industri "fotobiologi", dan menjadi preseden bagi produsen LED Tiongkok untuk berinvestasi dalam pembangunan pabrik tanaman dalam industrialisasi. Pabrik Tanaman ini berkomitmen untuk melakukan investasi industri di bidang fotobiologi yang sedang berkembang, yang mengintegrasikan penelitian ilmiah, produksi, demonstrasi, inkubasi, dan fungsi lainnya, dengan modal terdaftar sebesar 100 juta yuan. Pada Juni 2016, Pabrik Tanaman ini dengan bangunan 3 lantai seluas 3.000 m2 dan area budidaya lebih dari 10.000 m2 selesai dibangun dan mulai beroperasi. Pada Mei 2017, skala produksi harian mencapai 1.500 kg sayuran berdaun, setara dengan 15.000 tanaman selada per hari.

Pandangan perusahaan ini

3. Masalah dan langkah-langkah penanggulangan yang dihadapi dalam pengembangan pabrik tanaman

3.1 Masalah

3.1.1 Biaya konstruksi yang tinggi

Pabrik tanaman perlu memproduksi tanaman dalam lingkungan tertutup. Oleh karena itu, perlu dibangun proyek dan peralatan pendukung termasuk struktur perawatan eksternal, sistem pendingin udara, sumber cahaya buatan, sistem budidaya berlapis-lapis, sirkulasi larutan nutrisi, dan sistem kontrol komputer. Biaya konstruksinya relatif tinggi.

3.1.2 Biaya operasional tinggi

Sebagian besar sumber cahaya yang dibutuhkan oleh pabrik tanaman berasal dari lampu LED, yang mengkonsumsi banyak listrik sekaligus menyediakan spektrum yang sesuai untuk pertumbuhan berbagai tanaman. Peralatan seperti pendingin udara, ventilasi, dan pompa air dalam proses produksi pabrik tanaman juga mengkonsumsi listrik, sehingga tagihan listrik menjadi pengeluaran yang sangat besar. Menurut statistik, di antara biaya produksi pabrik tanaman, biaya listrik mencapai 29%, biaya tenaga kerja mencapai 26%, penyusutan aset tetap mencapai 23%, pengemasan dan transportasi mencapai 12%, dan bahan produksi mencapai 10%.

Rincian biaya produksi untuk pabrik tanaman

3.1.3 Tingkat otomatisasi rendah

Pabrik tanaman yang diterapkan saat ini memiliki tingkat otomatisasi yang rendah, dan proses seperti penyemaian, pemindahan bibit, penanaman di lahan, dan panen masih memerlukan operasi manual, sehingga mengakibatkan biaya tenaga kerja yang tinggi.

3.1.4 Keterbatasan varietas tanaman yang dapat dibudidayakan

Saat ini, jenis tanaman yang cocok untuk pabrik tanaman sangat terbatas, terutama sayuran berdaun hijau yang tumbuh cepat, mudah menerima sumber cahaya buatan, dan memiliki kanopi rendah. Penanaman skala besar tidak dapat dilakukan untuk kebutuhan penanaman yang kompleks (seperti tanaman yang perlu diserbuki, dll.).

3.2 Strategi Pembangunan

Mengingat permasalahan yang dihadapi oleh industri pabrik tanaman, perlu dilakukan penelitian dari berbagai aspek seperti teknologi dan operasional. Sebagai respons terhadap permasalahan saat ini, langkah-langkah penanggulangan adalah sebagai berikut.

(1) Memperkuat penelitian tentang teknologi cerdas pabrik tanaman dan meningkatkan tingkat manajemen intensif dan canggih. Pengembangan sistem manajemen dan kontrol cerdas membantu mencapai manajemen intensif dan canggih pabrik tanaman, yang dapat sangat mengurangi biaya tenaga kerja dan menghemat tenaga kerja.

(2) Mengembangkan peralatan teknis pabrik tanaman yang intensif dan efisien untuk mencapai kualitas dan hasil panen tahunan yang tinggi. Pengembangan fasilitas dan peralatan budidaya yang efisien, teknologi dan peralatan penerangan hemat energi, dll., untuk meningkatkan tingkat kecerdasan pabrik tanaman, bermanfaat bagi terwujudnya produksi tahunan yang efisien.

(3) Melakukan penelitian tentang teknologi budidaya industri untuk tanaman bernilai tambah tinggi seperti tanaman obat, tanaman kesehatan, dan sayuran langka, meningkatkan jenis tanaman yang dibudidayakan di pabrik tanaman, memperluas saluran keuntungan, dan meningkatkan titik awal keuntungan.

(4) Melakukan penelitian tentang pabrik tanaman untuk penggunaan rumah tangga dan komersial, memperkaya jenis pabrik tanaman, dan mencapai profitabilitas berkelanjutan dengan berbagai fungsi.

4. Tren Perkembangan dan Prospek Pabrik Tanaman

4.1 Tren Perkembangan Teknologi

4.1.1 Intelektualisasi proses secara menyeluruh

Berdasarkan fusi seni mesin dan mekanisme pencegahan kehilangan pada sistem robot tanaman, maka perlu diciptakan alat tanam dan panen berkecepatan tinggi, fleksibel, dan tidak merusak, penentuan posisi akurat ruang multidimensi terdistribusi, dan metode kontrol kolaboratif multi-modal multi-mesin, serta penanaman tanpa awak, efisien, dan tidak merusak di pabrik tanaman bertingkat tinggi - robot cerdas dan peralatan pendukung seperti penanaman-panen-pengemasan harus diciptakan, sehingga mewujudkan pengoperasian tanpa awak dari seluruh proses.

4.1.2 Jadikan pengendalian produksi lebih cerdas

Berdasarkan mekanisme respons pertumbuhan dan perkembangan tanaman terhadap radiasi cahaya, suhu, kelembaban, konsentrasi CO2, konsentrasi nutrisi larutan, dan EC, model kuantitatif umpan balik tanaman-lingkungan harus dibangun. Model inti strategis harus dibentuk untuk menganalisis secara dinamis informasi kehidupan sayuran berdaun dan parameter lingkungan produksi. Sistem diagnosis identifikasi dinamis online dan kontrol proses lingkungan juga harus dibangun. Sistem pengambilan keputusan kecerdasan buatan kolaboratif multi-mesin untuk seluruh proses produksi pabrik pertanian vertikal bervolume tinggi harus dibuat.

4.1.3 Produksi rendah karbon dan penghematan energi

Membangun sistem manajemen energi yang memanfaatkan sumber energi terbarukan seperti tenaga surya dan angin untuk menyelesaikan transmisi daya dan mengendalikan konsumsi energi guna mencapai tujuan manajemen energi yang optimal. Menangkap dan menggunakan kembali emisi CO2 untuk membantu produksi tanaman.

4.1.3 Nilai tinggi dari varietas premium

Strategi yang layak harus diambil untuk membiakkan berbagai varietas bernilai tambah tinggi untuk percobaan penanaman, membangun basis data ahli teknologi budidaya, melakukan penelitian tentang teknologi budidaya, pemilihan kepadatan, pengaturan sisa tanaman, kemampuan adaptasi varietas dan peralatan, serta membentuk spesifikasi teknis budidaya standar.

4.2 Prospek pengembangan industri

Pabrik tanaman dapat menghilangkan kendala sumber daya dan lingkungan, mewujudkan produksi pertanian yang terindustrialisasi, dan menarik generasi baru tenaga kerja untuk terlibat dalam produksi pertanian. Inovasi teknologi utama dan industrialisasi pabrik tanaman di Tiongkok menjadikannya pemimpin dunia. Dengan percepatan penerapan sumber cahaya LED, digitalisasi, otomatisasi, dan teknologi cerdas di bidang pabrik tanaman, pabrik tanaman akan menarik lebih banyak investasi modal, pengumpulan talenta, dan penggunaan lebih banyak energi baru, material baru, dan peralatan baru. Dengan cara ini, integrasi mendalam antara teknologi informasi dan fasilitas serta peralatan dapat diwujudkan, tingkat kecerdasan dan pengoperasian otomatis fasilitas dan peralatan dapat ditingkatkan, pengurangan konsumsi energi sistem dan biaya operasional secara berkelanjutan melalui inovasi berkelanjutan, dan pengembangan pasar khusus secara bertahap, pabrik tanaman cerdas akan memasuki masa keemasan pembangunan.

Menurut laporan riset pasar, ukuran pasar pertanian vertikal global pada tahun 2020 hanya US$2,9 miliar, dan diperkirakan pada tahun 2025, ukuran pasar pertanian vertikal global akan mencapai US$30 miliar. Singkatnya, pabrik tanaman memiliki prospek aplikasi dan ruang pengembangan yang luas.

Penulis: Zengchan Zhou, Weidong, dll

Informasi kutipan:Situasi dan Prospek Perkembangan Industri Pabrik Tanaman Saat Ini [J]. Teknologi Rekayasa Pertanian, 2022, 42(1): 18-23.oleh Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, dkk.