Abstrak: Dalam beberapa tahun terakhir, dengan terus mengeksplorasi teknologi pertanian modern, industri pabrik tanaman juga berkembang pesat.Makalah ini memperkenalkan status quo, masalah yang ada dan penanggulangan pengembangan teknologi pabrik pabrik dan pengembangan industri, serta menantikan tren pengembangan dan prospek pabrik pabrik di masa depan.

1. Status perkembangan teknologi saat ini di pabrik-pabrik di China dan luar negeri

1.1 Status quo perkembangan teknologi asing

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

Dalam beberapa tahun terakhir, pabrik tanaman secara bertahap menyadari semi-otomatisasi proses produksi mulai dari penaburan, pembibitan, pemindahan, dan pemanenan.Jepang, Belanda, dan Amerika Serikat berada di garis depan, dengan mekanisasi, otomatisasi, dan kecerdasan tingkat tinggi, dan sedang berkembang ke arah pertanian vertikal dan operasi tak berawak.

1.2 Status pengembangan teknologi di Cina

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

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 iradiasi adalah 80 hingga 500 μmol/(m2•s), yang dapat memberikan intensitas cahaya dengan rentang ambang yang sesuai, parameter kualitas cahaya, untuk mencapai efek efisiensi tinggi hemat energi dan beradaptasi dengan kebutuhan pertumbuhan tanaman dan pencahayaan.Dalam hal manajemen pembuangan panas sumber cahaya, desain pembuangan panas aktif dari kipas sumber cahaya telah diperkenalkan, yang mengurangi tingkat peluruhan cahaya dari sumber cahaya dan memastikan masa pakai sumber cahaya.Selain itu, diusulkan metode untuk mengurangi panas sumber cahaya LED melalui larutan nutrisi atau sirkulasi air.Dalam hal manajemen ruang sumber cahaya, menurut hukum evolusi ukuran tanaman pada tahap pembibitan dan tahap selanjutnya, melalui manajemen pergerakan ruang vertikal sumber cahaya LED, kanopi tanaman dapat diterangi dari jarak dekat dan tujuan penghematan energi adalah tercapai.Saat ini, konsumsi energi sumber cahaya pabrik tanaman cahaya buatan dapat mencapai 50% hingga 60% dari total konsumsi energi operasi pabrik tanaman.Meskipun LED dapat menghemat energi 50% dibandingkan dengan lampu neon, masih terdapat potensi dan kebutuhan penelitian tentang penghematan energi dan pengurangan konsumsi.

1.2.2 Teknologi dan peralatan budidaya tiga dimensi berlapis-lapis

Kesenjangan lapisan budidaya tiga dimensi multi-lapisan berkurang karena LED menggantikan lampu neon, yang meningkatkan efisiensi pemanfaatan ruang tiga dimensi budidaya tanaman.Ada banyak penelitian tentang desain dasar bedengan budidaya.Garis-garis yang terangkat dirancang untuk menghasilkan aliran turbulen, yang dapat membantu akar tanaman menyerap nutrisi dalam larutan nutrisi secara merata dan meningkatkan konsentrasi oksigen terlarut.Menggunakan papan kolonisasi, ada dua metode kolonisasi, yaitu cangkir kolonisasi plastik dengan ukuran berbeda atau mode kolonisasi perimeter spons.Sistem bedeng budidaya yang dapat digeser telah muncul, dan papan tanam serta tanaman di atasnya dapat didorong secara manual dari satu ujung ke ujung lainnya, mewujudkan mode produksi penanaman di salah satu ujung bedeng budidaya dan memanen di ujung lainnya.Saat ini, berbagai teknologi dan peralatan kultur tiga dimensi multi-layer yang tak dinodai berdasarkan teknologi film cairan nutrisi dan teknologi aliran cairan dalam telah dikembangkan, dan teknologi dan peralatan untuk budidaya substrat stroberi, budidaya aerosol sayuran dan bunga berdaun telah bermunculan.Teknologi yang disebutkan telah berkembang pesat.

1.2.3 Teknologi dan peralatan sirkulasi larutan nutrisi

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

1.2.4 Teknologi dan peralatan pengendalian lingkungan

Kebersihan udara ruang produksi merupakan salah satu indikator penting kualitas udara pabrik pabrik.Kebersihan udara (indikator partikel tersuspensi dan bakteri menetap) di ruang produksi pabrik pabrik dalam kondisi dinamis harus dikontrol ke tingkat di atas 100.000.Input disinfeksi material, perawatan shower udara personel yang masuk, dan sistem pemurnian udara sirkulasi udara segar (sistem penyaringan udara) semuanya merupakan perlindungan dasar.Suhu dan kelembaban, konsentrasi CO2 dan kecepatan aliran udara di ruang produksi merupakan kandungan penting lainnya dari kontrol kualitas udara.Menurut laporan, menyiapkan peralatan seperti kotak pencampur udara, saluran udara, saluran masuk udara, dan saluran keluar udara dapat mengontrol suhu dan kelembapan secara merata, konsentrasi CO2, dan kecepatan aliran udara di ruang produksi, sehingga mencapai keseragaman spasial yang tinggi dan memenuhi kebutuhan pabrik. pada lokasi spasial yang berbeda.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, dan menyediakan daya melalui kipas untuk mewujudkan sirkulasi aliran udara, penyaringan dan desinfeksi, serta pembaruan dan keseragaman kualitas udara.Ini memastikan bahwa produksi tanaman di pabrik tanaman bebas dari hama dan penyakit, dan tidak diperlukan aplikasi pestisida.Sementara itu, keseragaman suhu, kelembaban, aliran udara dan konsentrasi CO2 dari unsur-unsur lingkungan tumbuh di kanopi dijamin dapat memenuhi kebutuhan pertumbuhan tanaman.

2. Status Perkembangan Industri Pabrik Tanaman

2.1 Status quo industri pabrik tanaman asing

Di Jepang, penelitian dan pengembangan serta industrialisasi pabrik tanaman cahaya buatan relatif cepat, dan berada di level terdepan.Pada tahun 2010, pemerintah Jepang meluncurkan 50 miliar yen untuk mendukung penelitian dan pengembangan teknologi dan demonstrasi industri.Delapan institusi termasuk Universitas Chiba dan Asosiasi Riset Pabrik Pabrik Jepang berpartisipasi.Japan Future Company melakukan dan mengoperasikan proyek percontohan industrialisasi pertama dari pabrik pabrik dengan produksi harian 3.000 pabrik.Pada tahun 2012, biaya produksi pabrik sebesar 700 yen/kg.Pada tahun 2014, pabrik pabrik modern di Kastil Taga, Prefektur Miyagi selesai dibangun, menjadi pabrik pabrik LED pertama di dunia dengan produksi harian 10.000 pabrik.Sejak 2016, pabrik tanaman LED telah memasuki jalur cepat industrialisasi di Jepang, dan perusahaan yang mencapai titik impas atau menguntungkan muncul satu demi satu.Pada tahun 2018, pabrik pabrik skala besar dengan kapasitas produksi harian 50.000 hingga 100.000 pabrik muncul satu demi satu, dan pabrik pabrik 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-pabrik.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 buatan ringan yang saat ini beroperasi, 20% berada dalam tahap merugi, 50% berada pada tingkat impas, dan 30% berada dalam tahap menguntungkan, melibatkan spesies tanaman budidaya seperti selada, herba, dan bibit.

Belanda adalah pemimpin dunia nyata dalam bidang teknologi aplikasi gabungan cahaya matahari dan cahaya buatan untuk pabrik tanaman, dengan mekanisasi, otomatisasi, kecerdasan, dan tak berawak tingkat tinggi, dan kini telah mengekspor satu set lengkap teknologi dan peralatan yang kuat produk ke Timur Tengah, Afrika, Cina dan negara-negara lain.Peternakan American AeroFarms terletak di Newark, New Jersey, AS, dengan luas 6500 m2.Ini terutama menanam sayuran dan rempah-rempah, dan hasilnya sekitar 900 ton/tahun.

Pertanian vertikal di AeroFarms

Pabrik tanaman vertical farming milik Plenty Company di Amerika Serikat ini mengadopsi pencahayaan LED dan kerangka tanam vertikal dengan ketinggian 6 m.Tanaman tumbuh dari sisi pekebun.Mengandalkan penyiraman secara gravitasi, metode penanaman ini tidak memerlukan tambahan pompa dan lebih hemat air dibandingkan dengan bercocok tanam konvensional.Banyak yang mengklaim pertaniannya menghasilkan 350 kali lipat hasil pertanian konvensional dengan hanya menggunakan 1% air.

Pabrik tanaman pertanian vertikal, Banyak Perusahaan

2.2 Status industri pabrik pabrik di China

Pada tahun 2009, pabrik pabrik produksi pertama di China dengan kontrol cerdas sebagai intinya dibangun dan dioperasikan di Taman Pameran Pertanian Changchun.Luas bangunan adalah 200 m2, dan faktor lingkungan seperti suhu, kelembaban, cahaya, CO2 dan konsentrasi larutan nutrisi dari pabrik tanaman dapat dipantau secara otomatis secara real time untuk mewujudkan manajemen yang cerdas.

Pada tahun 2010, Pabrik Pabrik Tongzhou dibangun di Beijing.Struktur utama mengadopsi struktur baja ringan lapis tunggal dengan total luas bangunan 1289 m2.Bentuknya seperti kapal induk, melambangkan pertanian Cina yang memimpin dalam berlayar menuju teknologi pertanian modern yang paling maju.Peralatan otomatis untuk beberapa operasi produksi sayuran berdaun telah dikembangkan, yang telah meningkatkan tingkat otomasi produksi dan efisiensi produksi pabrik tanaman.Pabrik pabrik mengadopsi sistem pompa panas sumber tanah dan sistem pembangkit tenaga surya, yang lebih baik memecahkan masalah biaya operasi yang tinggi untuk pabrik pabrik.

Tampilan dalam dan luar Pabrik Pabrik Tongzhou

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

Pada 2015, produsen chip LED utama di Tiongkok bekerja sama dengan Institut Botani Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok untuk bersama-sama memprakarsai pendirian perusahaan pabrik tanaman.Ini telah beralih dari industri optoelektronik ke industri "fotobiologis", dan telah menjadi preseden bagi produsen LED China untuk berinvestasi dalam pembangunan pabrik tanaman dalam industrialisasi.Pabrik Pabriknya berkomitmen untuk melakukan investasi industri dalam fotobiologi baru, yang mengintegrasikan penelitian ilmiah, produksi, demonstrasi, inkubasi, dan fungsi lainnya, dengan modal terdaftar 100 juta yuan.Pada bulan Juni 2016, Plant Factory dengan bangunan 3 lantai seluas 3.000 m2 dan area budidaya lebih dari 10.000 m2 ini selesai dibangun dan dioperasikan.Pada Mei 2017, skala produksi harian akan mencapai 1.500 kg sayuran daun atau setara dengan 15.000 tanaman selada per hari.

Pandangan perusahaan ini

3. Permasalahan dan penanggulangan yang dihadapi pembangunan pabrik pabrik

3.1 Masalah

3.1.1 Biaya konstruksi tinggi

Pabrik tanaman perlu menghasilkan tanaman di lingkungan tertutup.Oleh karena itu, perlu dibangun proyek dan peralatan pendukung termasuk struktur pemeliharaan eksternal, sistem pendingin udara, sumber cahaya buatan, sistem budidaya multi-layer, sirkulasi larutan nutrisi, dan sistem kontrol komputer.Biaya pembangunannya relatif tinggi.

3.1.2 Biaya operasi tinggi

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

Rincian biaya produksi untuk pabrik pabrik

3.1.3 Otomatisasi tingkat rendah

Pabrik tanaman yang diterapkan saat ini memiliki otomatisasi tingkat rendah, dan proses seperti pembibitan, pemindahan, penanaman lapangan, dan pemanenan masih membutuhkan operasi manual, sehingga biaya tenaga kerja tinggi.

3.1.4 Varietas tanaman yang dapat dibudidayakan terbatas

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 yang rendah.Penanaman skala besar tidak dapat dilakukan untuk kebutuhan penanaman yang kompleks (seperti tanaman yang perlu diserbuki, dll).

3.2 Strategi Pengembangan

Melihat permasalahan yang dihadapi industri pabrik pabrik, maka perlu dilakukan penelitian dari berbagai aspek seperti teknologi dan operasional.Menanggapi permasalahan yang ada, penanggulangannya adalah sebagai berikut.

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

(2) Mengembangkan peralatan teknis pabrik pabrik yang intensif dan efisien untuk mencapai kualitas tinggi dan hasil tahunan yang tinggi.Pengembangan fasilitas dan peralatan budidaya efisiensi tinggi, teknologi dan peralatan pencahayaan hemat energi, dll., Untuk meningkatkan tingkat kecerdasan pabrik tanaman, kondusif untuk realisasi produksi efisiensi tinggi tahunan.

(3) Melaksanakan penelitian teknologi budidaya industri 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 pabrik tanaman untuk keperluan rumah tangga dan komersial, memperkaya jenis pabrik tanaman, dan mencapai profitabilitas berkelanjutan dengan berbagai fungsi.

4. Trend Perkembangan dan Prospek Plant Factory

4.1 Tren Perkembangan Teknologi

4.1.1 Intelektualisasi proses penuh

Berdasarkan mekanisme fusi mesin-seni dan pencegahan kerugian dari sistem robot-tanaman, efektor akhir penanaman dan pemanenan fleksibel dan non-destruktif berkecepatan tinggi, pendistribusian posisi akurat ruang multi-dimensi dan metode kontrol kolaboratif multi-mesin multi-modal, dan penaburan tak berawak, efisien dan tidak merusak di pabrik tanaman bertingkat tinggi -Robot cerdas dan peralatan pendukung seperti penanaman-panen-pengepakan harus dibuat, sehingga mewujudkan operasi tak berawak dari keseluruhan proses.

4.1.2 Membuat kontrol produksi menjadi lebih cerdas

Berdasarkan mekanisme respons pertumbuhan dan perkembangan tanaman terhadap radiasi cahaya, suhu, kelembaban, konsentrasi CO2, konsentrasi nutrisi larutan nutrisi, dan EC, model kuantitatif umpan balik tanaman-lingkungan harus dibangun.Model inti strategis harus ditetapkan untuk menganalisis informasi kehidupan sayuran berdaun dan parameter lingkungan produksi secara dinamis.Diagnosis identifikasi dinamis online dan sistem kontrol proses lingkungan juga harus ditetapkan.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 matahari dan angin untuk menyelesaikan transmisi daya dan mengendalikan konsumsi energi untuk mencapai tujuan manajemen energi yang optimal.Menangkap dan menggunakan kembali emisi CO2 untuk membantu produksi tanaman.

4.1.3 Varietas premium bernilai tinggi

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 tunggul, adaptasi varietas dan peralatan, dan membentuk spesifikasi teknis budidaya standar.

4.2 Prospek pengembangan industri

Pabrik tanaman dapat menghilangkan kendala sumber daya dan lingkungan, mewujudkan produksi industri pertanian, dan menarik generasi baru tenaga kerja untuk terlibat dalam produksi pertanian.Inovasi teknologi utama dan industrialisasi pabrik pabrik China menjadi pemimpin dunia.Dengan percepatan penerapan sumber cahaya LED, digitalisasi, otomasi, dan teknologi cerdas di bidang pabrik pabrik, pabrik pabrik akan menarik lebih banyak investasi modal, pengumpulan bakat, dan penggunaan lebih banyak energi baru, material baru, dan peralatan baru.Dengan cara ini, integrasi teknologi informasi dan fasilitas serta peralatan yang mendalam dapat diwujudkan, tingkat fasilitas dan peralatan yang cerdas dan tak berawak dapat ditingkatkan, pengurangan terus menerus konsumsi energi sistem dan biaya pengoperasian melalui inovasi berkelanjutan, dan bertahap budidaya pasar khusus, pabrik tanaman cerdas akan mengantarkan periode emas 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 pabrik memiliki prospek aplikasi dan ruang pengembangan yang luas.

Penulis: Zengchan Zhou, Weidong, dll

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