الملخص: في السنوات الأخيرة، مع الاستكشاف المستمر للتكنولوجيا الزراعية الحديثة، تطورت صناعة مصانع النباتات بسرعة أيضًا. تعرض هذه الورقة الوضع الراهن والمشاكل الحالية والتدابير المضادة لتطوير تكنولوجيا المصانع وتطوير الصناعة، وتتطلع إلى اتجاه التنمية وآفاق المصانع النباتية في المستقبل.

1. الوضع الحالي لتطور التكنولوجيا في المصانع النباتية في الصين والخارج

1.1 الوضع الراهن لتطوير التكنولوجيا الأجنبية

منذ القرن الحادي والعشرين، ركزت أبحاث المصانع بشكل أساسي على تحسين كفاءة الإضاءة، وإنشاء معدات نظام زراعة ثلاثية الأبعاد متعددة الطبقات، والبحث والتطوير في الإدارة والتحكم الذكيين. في القرن الحادي والعشرين، أحرز ابتكار مصادر إضاءة LED الزراعية تقدمًا، مما يوفر دعمًا فنيًا مهمًا لتطبيق مصادر إضاءة LED الموفرة للطاقة في مصانع النباتات. قامت جامعة تشيبا في اليابان بعدد من الابتكارات في مجال مصادر الضوء عالية الكفاءة، والتحكم البيئي الموفر للطاقة، وتقنيات الزراعة. تستخدم جامعة فاجينينجن في هولندا تكنولوجيا محاكاة بيئة المحاصيل والتحسين الديناميكي لتطوير نظام معدات ذكي لمصانع النباتات، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل ويحسن إنتاجية العمل بشكل كبير.

وفي السنوات الأخيرة، أدركت المصانع النباتية تدريجياً الشبه الآلي في عمليات الإنتاج من البذر، وتربية الشتلات، والشتل، والحصاد. وتأتي اليابان وهولندا والولايات المتحدة في المقدمة، حيث تتمتع بدرجة عالية من الميكنة والأتمتة والذكاء، وتتطور في اتجاه الزراعة العمودية والتشغيل بدون طيار.

1.2 حالة تطور التكنولوجيا في الصين

1.2.1 مصدر ضوء LED متخصص ومعدات تكنولوجيا التطبيقات الموفرة للطاقة للضوء الاصطناعي في مصنع النبات

تم تطوير مصادر إضاءة LED خاصة باللونين الأحمر والأزرق لإنتاج أنواع نباتية مختلفة في مصانع النباتات الواحدة تلو الأخرى. تتراوح الطاقة من 30 إلى 300 واط، وشدة ضوء الإشعاع هي 80 إلى 500 ميكرومول/(م2•ث)، والتي يمكن أن توفر شدة الضوء مع نطاق عتبة مناسب، ومعلمات جودة الضوء، لتحقيق تأثير الكفاءة العالية. توفير الطاقة والتكيف مع احتياجات نمو النبات والإضاءة. فيما يتعلق بإدارة تبديد حرارة مصدر الضوء، تم تقديم تصميم تبديد الحرارة النشط لمروحة مصدر الضوء، مما يقلل من معدل تسوس الضوء لمصدر الضوء ويضمن عمر مصدر الضوء. بالإضافة إلى ذلك، تم اقتراح طريقة لتقليل حرارة مصدر ضوء LED من خلال محلول مغذي أو دوران الماء. فيما يتعلق بإدارة مساحة مصدر الضوء، وفقًا لقانون تطور حجم النبات في مرحلة الشتلات والمرحلة اللاحقة، من خلال إدارة حركة الفضاء الرأسية لمصدر ضوء LED، يمكن إضاءة مظلة النبات على مسافة قريبة وهدف توفير الطاقة هو حقق. في الوقت الحاضر، يمكن أن يمثل استهلاك الطاقة لمصدر ضوء مصنع الإضاءة الاصطناعية ما بين 50% إلى 60% من إجمالي استهلاك الطاقة التشغيلية لمصنع المصنع. على الرغم من أن مصابيح LED يمكن أن توفر 50% من الطاقة مقارنة بمصابيح الفلورسنت، إلا أنه لا تزال هناك إمكانية وضرورة للبحث في توفير الطاقة وتقليل الاستهلاك.

1.2.2 تكنولوجيا ومعدات الزراعة ثلاثية الأبعاد متعددة الطبقات

تم تقليل فجوة الطبقة للزراعة ثلاثية الأبعاد متعددة الطبقات لأن LED يحل محل مصباح الفلورسنت، مما يحسن كفاءة استخدام المساحة ثلاثية الأبعاد لزراعة النباتات. هناك العديد من الدراسات حول تصميم الجزء السفلي من قاع الزراعة. تم تصميم الخطوط المرتفعة لتوليد تدفق مضطرب، مما يساعد جذور النباتات على امتصاص العناصر الغذائية في محلول المغذيات بالتساوي وزيادة تركيز الأكسجين المذاب. باستخدام لوحة الاستعمار، هناك طريقتان للاستعمار، أي أكواب الاستعمار البلاستيكية بأحجام مختلفة أو وضع الاستعمار المحيطي الإسفنجي. لقد ظهر نظام قاع الزراعة المنزلق، ويمكن دفع لوحة الزراعة والنباتات الموجودة عليها يدويًا من طرف إلى آخر، مما يحقق نمط الإنتاج للزراعة في أحد طرفي قاع الزراعة والحصاد في الطرف الآخر. في الوقت الحاضر، تم تطوير مجموعة متنوعة من تكنولوجيا ومعدات الاستزراع بدون تربة ثلاثية الأبعاد ومتعددة الطبقات القائمة على تكنولوجيا الأفلام السائلة المغذية وتكنولوجيا التدفق العميق للسوائل، والتكنولوجيا والمعدات اللازمة لزراعة الركيزة من الفراولة، وزراعة الهباء الجوي للخضروات الورقية والزهور لقد نشأت. التكنولوجيا المذكورة تطورت بسرعة.

1.2.3 تكنولوجيا ومعدات تداول المحاليل المغذية

بعد استخدام المحلول المغذي لفترة من الوقت، من الضروري إضافة الماء والعناصر المعدنية. بشكل عام، يتم تحديد كمية المحلول المغذي المحضر حديثًا وكمية المحلول الحمضي القاعدي عن طريق قياس EC وpH. يجب إزالة الجزيئات الكبيرة من الرواسب أو تقشير الجذور الموجودة في المحلول المغذي بواسطة مرشح. يمكن إزالة الإفرازات الجذرية في المحلول المغذي عن طريق طرق التحفيز الضوئي لتجنب عوائق الزراعة المستمرة في الزراعة المائية، ولكن هناك مخاطر معينة في توافر المغذيات.

1.2.4 تكنولوجيا ومعدات التحكم البيئي

تعد نظافة الهواء في مساحة الإنتاج أحد المؤشرات المهمة لجودة الهواء في المصنع. يجب التحكم في نظافة الهواء (مؤشرات الجسيمات العالقة والبكتيريا المستقرة) في مساحة الإنتاج في مصنع المصنع في ظل ظروف ديناميكية إلى مستوى أعلى من 100000. تعتبر مدخلات تطهير المواد، ومعالجة دش الهواء للموظفين القادمين، ونظام تنقية الهواء بتدوير الهواء النقي (نظام تنقية الهواء) كلها ضمانات أساسية. تعتبر درجة الحرارة والرطوبة وتركيز ثاني أكسيد الكربون وسرعة تدفق الهواء في مساحة الإنتاج محتوى مهمًا آخر للتحكم في جودة الهواء. وفقا للتقارير، فإن إعداد المعدات مثل صناديق خلط الهواء، وقنوات الهواء، ومداخل الهواء ومخارج الهواء يمكن أن يتحكم بالتساوي في درجة الحرارة والرطوبة، وتركيز ثاني أكسيد الكربون وسرعة تدفق الهواء في مساحة الإنتاج، وذلك لتحقيق التوحيد المكاني العالي وتلبية احتياجات المصنع. في مواقع مكانية مختلفة. يتم دمج نظام التحكم في درجة الحرارة والرطوبة وتركيز ثاني أكسيد الكربون ونظام الهواء النقي عضويًا في نظام الهواء الدائري. تحتاج الأنظمة الثلاثة إلى مشاركة مجرى الهواء ومدخل الهواء ومخرج الهواء، وتوفير الطاقة من خلال المروحة لتحقيق دوران تدفق الهواء، والترشيح والتطهير، وتحديث وتوحيد جودة الهواء. يضمن أن الإنتاج النباتي في المصنع خالي من الآفات والأمراض، ولا يتطلب الأمر استخدام المبيدات الحشرية. وفي الوقت نفسه، يتم ضمان توحيد درجة الحرارة والرطوبة وتدفق الهواء وتركيز ثاني أكسيد الكربون لعناصر بيئة النمو في المظلة لتلبية احتياجات نمو النبات.

2. حالة تطور صناعة المصانع النباتية

2.1 الوضع الراهن لصناعة المصانع الأجنبية

في اليابان، يتم البحث والتطوير وتصنيع مصانع الإضاءة الاصطناعية بسرعة نسبية، وهي على المستوى الرائد. وفي عام 2010، أطلقت الحكومة اليابانية مبلغ 50 مليار ين لدعم البحث والتطوير التكنولوجي والعرض الصناعي. وشاركت في المؤتمر ثماني مؤسسات من بينها جامعة تشيبا وجمعية أبحاث المصانع اليابانية. قامت شركة Japan Future بتنفيذ وتشغيل أول مشروع تجريبي للتصنيع لمصنع مصنع بطاقة إنتاجية يومية تصل إلى 3000 مصنع. وفي عام 2012، بلغت تكلفة إنتاج المصنع 700 ين/كجم. في عام 2014، تم الانتهاء من إنشاء مصنع حديث في قلعة تاجا بمحافظة مياجي، ليصبح أول مصنع لمصنع LED في العالم بإنتاج يومي يصل إلى 10,000 مصنع. منذ عام 2016، دخلت مصانع مصابيح LED المسار السريع للتصنيع في اليابان، وظهرت المؤسسات المربحة الواحدة تلو الأخرى. في عام 2018، ظهرت مصانع النباتات واسعة النطاق بقدرة إنتاجية يومية تتراوح من 50.000 إلى 100.000 مصنع واحدًا تلو الآخر، وكانت المصانع النباتية العالمية تتطور نحو تطوير واسع النطاق ومهني وذكي. وفي الوقت نفسه، بدأت شركة طوكيو للطاقة الكهربائية وأوكيناوا للطاقة الكهربائية وغيرها من المجالات في الاستثمار في المصانع. وفي عام 2020، ستشكل الحصة السوقية من الخس الذي تنتجه المصانع اليابانية حوالي 10% من سوق الخس بأكمله. من بين أكثر من 250 مصنعًا لنباتات الإضاءة الاصطناعية العاملة حاليًا، 20% منها في مرحلة تحقيق الخسارة، و50% عند مستوى التعادل، و30% في مرحلة مربحة، تتضمن أنواعًا نباتية مزروعة مثل الخس والأعشاب والشتلات.

تعد هولندا رائدة على مستوى العالم في مجال تكنولوجيا التطبيقات المدمجة للضوء الشمسي والضوء الاصطناعي لمصانع المصانع، مع درجة عالية من الميكنة والأتمتة والذكاء وعدم التشغيل، وقد قامت الآن بتصدير مجموعة كاملة من التقنيات والمعدات القوية المنتجات إلى الشرق الأوسط وأفريقيا والصين وبلدان أخرى. تقع مزرعة American AeroFarms في مدينة نيوارك بولاية نيوجيرسي بالولايات المتحدة الأمريكية بمساحة 6500 م2. وتزرع بشكل رئيسي الخضروات والتوابل، ويبلغ الإنتاج حوالي 900 طن في السنة.

الزراعة العمودية في AeroFarms

مصنع نباتات الزراعة العمودية التابع لشركة Plenty Company في الولايات المتحدة يستخدم إضاءة LED وإطار زراعة عمودي بارتفاع 6 أمتار. تنمو النباتات من جوانب المزارعون. بالاعتماد على الري بالجاذبية، لا تتطلب طريقة الزراعة هذه مضخات إضافية وهي أكثر كفاءة في استخدام المياه من الزراعة التقليدية. يدعي بلنتي أن مزرعته تنتج 350 ضعف إنتاج المزرعة التقليدية بينما تستخدم 1% فقط من المياه.

مصنع النباتات الزراعية العمودية، شركة بلنتي

2.2 حالة صناعة المصانع في الصين

في عام 2009، تم بناء أول مصنع إنتاج في الصين مع التحكم الذكي كقلب أساسي ووضعه قيد التشغيل في حديقة Changchun الزراعية للمعارض. تبلغ مساحة المبنى 200 متر مربع، ويمكن مراقبة العوامل البيئية مثل درجة الحرارة والرطوبة والضوء وثاني أكسيد الكربون وتركيز المحاليل الغذائية لمصنع المصنع تلقائيًا في الوقت الفعلي لتحقيق الإدارة الذكية.

في عام 2010، تم بناء مصنع Tongzhou Plant في بكين. يعتمد الهيكل الرئيسي على هيكل فولاذي خفيف ذو طبقة واحدة بمساحة بناء إجمالية تبلغ 1289 مترًا مربعًا. وهي على شكل حاملة طائرات، ترمز إلى أخذ الزراعة الصينية زمام المبادرة في الإبحار إلى التكنولوجيا الأكثر تقدمًا في الزراعة الحديثة. تم تطوير المعدات الأوتوماتيكية لبعض عمليات إنتاج الخضار الورقية، مما أدى إلى تحسين مستوى أتمتة الإنتاج وكفاءة الإنتاج في مصنع المصنع. يعتمد مصنع المصنع نظام المضخة الحرارية الأرضية ونظام توليد الطاقة الشمسية، مما يحل مشكلة تكاليف التشغيل المرتفعة لمصنع المصنع بشكل أفضل.

منظر داخلي وخارجي لمصنع Tongzhou Plant

في عام 2013، تم تأسيس العديد من شركات التكنولوجيا الزراعية في المنطقة النموذجية الزراعية ذات التقنية العالية في يانغلينغ، مقاطعة شنشي. تقع معظم مشاريع المصانع قيد الإنشاء والتشغيل في حدائق توضيحية زراعية عالية التقنية، والتي تستخدم بشكل أساسي في العروض العلمية الشعبية ومشاهدة المعالم الترفيهية. ونظرًا للقيود الوظيفية، يصعب على هذه المصانع العلمية الشعبية تحقيق الإنتاجية العالية والكفاءة العالية التي يتطلبها التصنيع، وسيكون من الصعب عليها أن تصبح الشكل السائد للتصنيع في المستقبل.

في عام 2015، تعاونت إحدى الشركات المصنعة الرئيسية لرقاقات LED في الصين مع معهد علم النبات التابع للأكاديمية الصينية للعلوم للبدء بشكل مشترك في إنشاء شركة مصنع للنباتات. لقد انتقلت من صناعة الإلكترونيات الضوئية إلى صناعة "البيولوجية الضوئية"، وأصبحت سابقة لمصنعي LED الصينيين للاستثمار في بناء مصانع نباتية في مجال التصنيع. يلتزم مصنعها بالقيام بالاستثمار الصناعي في علم الأحياء الضوئية الناشئ، والذي يدمج البحث العلمي والإنتاج والتوضيح والحضانة وغيرها من الوظائف، برأس مال مسجل قدره 100 مليون يوان. في يونيو 2016، تم الانتهاء من بناء هذا المصنع المكون من 3 طوابق بمساحة 3000 متر مربع ومساحة زراعة تزيد عن 10000 متر مربع ووضعه في الخدمة. وبحلول مايو 2017، سيكون حجم الإنتاج اليومي 1500 كجم من الخضار الورقية، أي ما يعادل 15000 نبات خس يوميًا.

وجهات نظر هذه الشركة

3. المشكلات والتدابير المضادة التي تواجه تطوير المصانع النباتية

3.1 المشاكل

3.1.1 ارتفاع تكلفة البناء

تحتاج المصانع النباتية إلى إنتاج المحاصيل في بيئة مغلقة. لذلك، من الضروري بناء المشاريع والمعدات الداعمة بما في ذلك هياكل الصيانة الخارجية، وأنظمة تكييف الهواء، ومصادر الضوء الاصطناعي، وأنظمة الزراعة متعددة الطبقات، وتدوير المحاليل الغذائية، وأنظمة التحكم بالكمبيوتر. تكلفة البناء مرتفعة نسبيا.

3.1.2 ارتفاع تكلفة التشغيل

معظم مصادر الإضاءة التي تحتاجها المصانع تأتي من مصابيح LED التي تستهلك الكثير من الكهرباء مع توفير أطياف مقابلة لنمو المحاصيل المختلفة. المعدات مثل تكييف الهواء والتهوية ومضخات المياه في عملية إنتاج مصانع النباتات تستهلك أيضًا الكهرباء، لذا فإن فواتير الكهرباء تمثل نفقات ضخمة. وفقًا للإحصاءات، من بين تكاليف إنتاج المصانع، تمثل تكاليف الكهرباء 29%، وتكاليف العمالة 26%، واستهلاك الأصول الثابتة 23%، والتعبئة والنقل 12%، ومواد الإنتاج 10%.

تفصيل تكلفة الإنتاج لمصنع المصنع

3.1.3 انخفاض مستوى الأتمتة

يتمتع المصنع المطبق حاليًا بمستوى منخفض من الأتمتة، ولا تزال العمليات مثل الشتلات والزرع والزراعة الميدانية والحصاد تتطلب عمليات يدوية، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف العمالة.

3.1.4 أصناف محدودة من المحاصيل التي يمكن زراعتها

في الوقت الحاضر، أنواع المحاصيل المناسبة للمصانع النباتية محدودة للغاية، خاصة الخضار الورقية الخضراء التي تنمو بسرعة، وتتقبل مصادر الضوء الاصطناعي بسهولة، ولها مظلة منخفضة. لا يمكن إجراء زراعة واسعة النطاق لمتطلبات زراعة معقدة (مثل المحاصيل التي تحتاج إلى التلقيح، وما إلى ذلك).

3.2 استراتيجية التنمية

ونظرا للمشاكل التي تواجهها صناعة المصانع، فمن الضروري إجراء البحوث من جوانب مختلفة مثل التكنولوجيا والتشغيل. وردا على المشاكل الحالية، فإن التدابير المضادة هي كما يلي.

(1) تعزيز البحث في مجال التكنولوجيا الذكية للمصانع النباتية وتحسين مستوى الإدارة المكثفة والمكررة. إن تطوير نظام الإدارة والتحكم الذكي يساعد على تحقيق إدارة مكثفة ومحسنة لمصانع النباتات، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من تكاليف العمالة وتوفر العمالة.

(2) تطوير معدات فنية مكثفة وفعالة للمصانع لتحقيق جودة عالية وإنتاجية سنوية. إن تطوير مرافق ومعدات زراعة عالية الكفاءة، وتكنولوجيا ومعدات الإضاءة الموفرة للطاقة، وما إلى ذلك، لتحسين المستوى الذكي لمصانع النباتات، يفضي إلى تحقيق إنتاج سنوي عالي الكفاءة.

(3) إجراء أبحاث حول تكنولوجيا الزراعة الصناعية للنباتات ذات القيمة المضافة العالية مثل النباتات الطبية ونباتات الرعاية الصحية والخضروات النادرة، وزيادة أنواع المحاصيل المزروعة في مصانع النباتات، وتوسيع قنوات الربح، وتحسين نقطة انطلاق الربح .

(4) إجراء البحوث على المصانع النباتية للاستخدام المنزلي والتجاري وإثراء أنواع المصانع النباتية وتحقيق الربحية المستمرة بوظائفها المختلفة.

4. اتجاه التنمية وآفاق مصنع النبات

4.1 اتجاه تطوير التكنولوجيا

4.1.1 الإدراك الكامل للعملية

استنادًا إلى آلية دمج فن الآلة ومنع الخسارة في نظام روبوت المحاصيل، والمؤثرات النهائية للزراعة والحصاد المرنة وغير المدمرة عالية السرعة، وتحديد المواقع الدقيقة الموزعة متعددة الأبعاد وطرق التحكم التعاونية متعددة الوسائط، والبذر غير المأهول والفعال وغير المدمر في المصانع الشاهقة - ينبغي إنشاء روبوتات ذكية ومعدات داعمة مثل التعبئة والحصاد والزرع، وبالتالي تحقيق التشغيل غير المأهول للعملية برمتها.

4.1.2 جعل التحكم في الإنتاج أكثر ذكاءً

استناداً إلى آلية استجابة نمو المحاصيل وتطورها للإشعاع الضوئي، ودرجة الحرارة، والرطوبة، وتركيز ثاني أكسيد الكربون، وتركيز المغذيات في محلول المغذيات، والمفوضية الأوروبية، ينبغي بناء نموذج كمي لردود الفعل بين المحاصيل والبيئة. ينبغي إنشاء نموذج أساسي استراتيجي للتحليل الديناميكي لمعلومات حياة الخضروات الورقية ومعلمات بيئة الإنتاج. وينبغي أيضًا إنشاء نظام تشخيص الهوية الديناميكي عبر الإنترنت ونظام التحكم في العمليات للبيئة. ينبغي إنشاء نظام تعاوني متعدد الآلات لاتخاذ القرار بالذكاء الاصطناعي لعملية الإنتاج الكاملة لمصنع زراعي عمودي كبير الحجم.

4.1.3 إنتاج منخفض الكربون وتوفير الطاقة

إنشاء نظام لإدارة الطاقة يستخدم مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لاستكمال نقل الطاقة والتحكم في استهلاك الطاقة لتحقيق أهداف إدارة الطاقة المثلى. التقاط وإعادة استخدام انبعاثات ثاني أكسيد الكربون للمساعدة في إنتاج المحاصيل.

4.1.3 القيمة العالية للأصناف المتميزة

وينبغي اتخاذ استراتيجيات مجدية لتربية أصناف مختلفة ذات قيمة مضافة عالية لإجراء تجارب الزراعة، وبناء قاعدة بيانات لخبراء تكنولوجيا الزراعة، وإجراء البحوث حول تكنولوجيا الزراعة، واختيار الكثافة، وترتيب القصبات، والتنوع والقدرة على التكيف مع المعدات، وتشكيل المواصفات الفنية القياسية للزراعة.

4.2 آفاق تطوير الصناعة

يمكن للمصانع النباتية أن تتخلص من قيود الموارد والبيئة، وتحقق الإنتاج الصناعي الزراعي، وتجذب الجيل الجديد من القوى العاملة للانخراط في الإنتاج الزراعي. أصبح الابتكار التكنولوجي الرئيسي وتصنيع المصانع في الصين رائدا على مستوى العالم. ومع التطبيق المتسارع لمصدر ضوء LED، والرقمنة، والأتمتة، والتقنيات الذكية في مجال مصانع النباتات، ستجذب مصانع المصانع المزيد من استثمار رأس المال، وجمع المواهب، واستخدام المزيد من الطاقة الجديدة، والمواد الجديدة، والمعدات الجديدة. وبهذه الطريقة، يمكن تحقيق التكامل المتعمق بين تكنولوجيا المعلومات والمرافق والمعدات، ويمكن تحسين المستوى الذكي وغير المأهول للمرافق والمعدات، والتخفيض المستمر لاستهلاك طاقة النظام وتكاليف التشغيل من خلال الابتكار المستمر، والتدريج زراعة الأسواق المتخصصة، والمصانع النباتية الذكية سوف تستهل فترة ذهبية من التطور.

وفقًا لتقارير أبحاث السوق، يبلغ حجم سوق الزراعة العمودية العالمية في عام 2020 2.9 مليار دولار أمريكي فقط، ومن المتوقع أنه بحلول عام 2025، سيصل حجم سوق الزراعة العمودية العالمية إلى 30 مليار دولار أمريكي. باختصار، تتمتع المصانع النباتية بآفاق تطبيق واسعة ومساحة تطوير.

المؤلف: Zengchan Zhou، Weidong، إلخ

معلومات الاقتباس:الوضع الحالي وآفاق تطوير صناعة المصانع [J]. تكنولوجيا الهندسة الزراعية، 2022، 42(1): 18-23.بواسطة زينجتشان تشو، وي دونغ، شيوغانغ لي، وآخرون.