要約：近年、現代の農業技術の継続的な調査により、植物工場産業も急速に発展しています。このペーパーでは、植物工場の技術と産業開発の現状、既存の問題、開発の対策を紹介し、将来の植物工場の開発動向と見通しを楽しみにしています。

1.中国および海外の植物工場における技術開発の現在の状況

1.1外国の技術開発の現状

21世紀以来、植物工場の研究は、主に光効率の改善、多層3次元栽培システム機器の作成、およびインテリジェントな管理と制御の研究開発に焦点を当ててきました。 21世紀には、農業LED光源の革新が進歩し、植物工場でのLED省エネ光源の適用に重要な技術的サポートを提供しました。日本のチバ大学は、高効率の光源、省エネ環境制御、栽培技術で多くの革新を行っています。オランダのワーゲニンゲン大学は、作物環境シミュレーションと動的最適化技術を使用して、植物工場向けのインテリジェントな機器システムを開発し、運用コストを大幅に削減し、労働生産性を大幅に向上させます。

近年、植物工場は、播種、苗の飼育、移植、収穫による生産プロセスの半自動化を徐々に実現しています。日本、オランダ、および米国は最前線にあり、高度な機械化、自動化、知性を備えており、垂直農業と無人操作の方向に発展しています。

1.2中国の技術開発状況

1.2.1植物工場の人工光のための専門LED光源と省エネアプリケーション技術機器

植物工場でさまざまな植物種を生産するための特別な赤と青のLED光源が次々と開発されました。電力は30〜300 Wの範囲で、照射光強度は80〜500μmol/（m2•s）であり、高効率の効果を実現するために、適切なしきい値範囲、軽質なパラメーターで光強度を提供できます。エネルギーを節約し、植物の成長と照明のニーズに適応します。光源熱散逸管理の観点から、光源ファンのアクティブな熱散逸設計が導入されており、光源の光減衰率が低下し、光源の寿命が確保されます。さらに、栄養溶液または水循環を介してLED光源の熱を減らす方法が提案されています。光源スペース管理に関しては、苗の段階と後期の植物サイズの進化法に従って、LED光源の垂直空間運動管理を通じて、植物のキャノピーは距離に照らされる可能性があり、省エネの目標は達成。現在、人工光植物工場の光源のエネルギー消費は、植物工場の総稼働エネルギー消費の50％から60％を占めることができます。 LEDは蛍光ランプと比較して50％のエネルギーを節約できますが、省エネと消費の削減に関する研究の可能性と必要性​​がまだあります。

1.2.2多層3次元栽培技術と機器

LEDが蛍光ランプに取って代わるため、多層3次元栽培の層ギャップは減少し、植物栽培の3次元空間利用効率を改善します。栽培床の底の設計に関する多くの研究があります。隆起したストライプは、乱流を生成するように設計されています。これは、栄養溶液中の栄養素を均等に吸収し、溶解酸素の濃度を増加させるために植物の根を植え付けるのに役立ちます。コロニー形成板を使用して、2つのコロニー形成方法、つまり、さまざまなサイズのプラスチックコロニー形成カップまたはスポンジ周囲コロニー形成モードがあります。滑らかな栽培ベッドシステムが現れ、植林板とその上の植物を手動でもう一方の端に押し込むことができ、栽培床の一方の端で植え付けの生産モードともう一方の端で収穫することができます。現在、栄養液体フィルム技術と深い液体フロー技術に基づいたさまざまな3次元多層培養技術と機器が開発されており、イチゴの基質栽培、葉の多い野菜、花のエアロゾル栽培のための技術と機器が開発されています。飛び出した。言及された技術は急速に発展しました。

1.2.3栄養溶液循環技術と機器

栄養溶液が一定期間使用された後、水と鉱物の元素を追加する必要があります。一般に、新しく調製された栄養溶液の量と酸塩基溶液の量は、ECとpHを測定することによって決定されます。栄養溶液中の堆積物または根剥離の大きな粒子は、フィルターによって除去する必要があります。栄養溶液の根滲出液は、水耕栽培の連続的な収穫障害を避けるために光触媒法によって除去できますが、栄養の入手可能性には特定のリスクがあります。

1.2.4環境制御技術と機器

生産スペースの空気の清潔さは、植物工場の大気質の重要な指標の1つです。動的条件下での植物工場の生産スペースにおける空気の清潔さ（懸濁粒子と沈殿した細菌の指標）は、100,000を超えるレベルに制御する必要があります。材料消毒の入力、着信人事の空気シャワー処理、および新鮮な空気循環空気浄化システム（空気ろ過システム）はすべて基本的な保護手段です。生産スペースの空気の温度と湿度、CO2濃度、気流の速度は、大気質管理のもう1つの重要な内容です。報告によると、空気の混合箱、空気ダクト、空気の入り江、空気などの機器のセットアップは、生産スペースの温度と湿度、CO2濃度、気流速度を均等に制御できます。異なる空間位置で。温度、湿度、CO2濃度制御システムと新鮮な空気システムは、循環空気システムに有機的に統合されています。 3つのシステムは、空気ダクト、エアインレット、エアコンセントを共有し、ファンに電力を供給して、空気の流れ、ろ過と消毒、および空気の質の更新と均一性を実現する必要があります。植物工場の植物生産には害虫や病気がないことが保証され、農薬散布は必要ありません。同時に、天蓋の成長環境要素の温度、湿度、気流、CO2濃度の均一性は、植物の成長のニーズを満たすことが保証されています。

2。植物工場産業の開発状況

2.1外国の植物工場産業の現状

日本では、人工光植物工場の研究開発と工業化は比較的速く、主要なレベルにあります。 2010年、日本政府は500億円を開始し、技術の研究開発と産業デモを支援しました。チバ大学や日本工場工場研究協会を含む8つの機関が参加しました。日本の将来の会社は、3,000の植物の毎日の生産量を備えた植物工場の最初の工業化デモンストレーションプロジェクトを引き受けました。 2012年、工場工場の生産コストは700円/kgでした。 2014年、宮城県のタガ城にあるモダンファクトリー工場工場が完成し、毎日10,000個の工場を備えた世界初の植物工場になりました。 2016年以来、LED植物工場は日本で工業化の速い車線に入り、壊れているか収益性の高い企業が次々と出現しました。 2018年には、50,000〜100,000の植物の1日の生産能力を持つ大規模な植物工場が次々と登場し、世界の植物工場は大規模で専門的かつインテリジェントな開発に向けて発展していました。同時に、東京電力、沖縄電力、およびその他のフィールドは植物工場に投資し始めました。 2020年、日本の植物工場が生産するレタスの市場シェアは、レタス市場全体の約10％を占めます。現在稼働中の250を超える人工光タイプの植物工場のうち、20％が損失を発生させ、50％が壊れてからレベルで、30％は収益性の高い段階にあり、栽培された植物種などが含まれます。レタス、ハーブ、苗。

オランダは、高度な機械化、自動化、インテリジェンス、および無人を備えた、植物工場向けの太陽光と人工光のアプリケーションテクノロジーの分野における現実世界のリーダーであり、現在、強力な技術と機器の完全なセットをエクスポートしています。中東、アフリカ、中国、その他の国への製品。 American Aerofarms Farmは、米国ニュージャージー州ニューアークにあり、6500 m2の面積があります。主に野菜とスパイスを栽培し、出力は年間約900 t/年です。

Aerofarmsの垂直農業

米国の豊富な会社の垂直農業工場工場では、LED照明と高さ6 mの垂直植栽フレームを採用しています。植物はプランターの側面から成長します。重力水やりに依存して、この植え付け方法は追加のポンプを必要とせず、従来の農業よりも水効率が高い。彼の農場は、1％の水のみを使用しながら、従来の農場の生産量の350倍を生産すると主張しています。

垂直農業工場工場、たくさんの会社

2.2中国のステータスプラント工場産業

2009年、中国で最初の生産工場工場であり、コアが建設され、チャンチュン農業エキスポパークで稼働したため、インテリジェントコントロールが施行されました。建物エリアは200 m2であり、植物工場の温度、湿度、光、CO2、栄養溶液濃度などの環境要因をリアルタイムで自動的に監視して、インテリジェントな管理を実現できます。

2010年、Tonghou Plant Factoryは北京に建設されました。メイン構造は、総建設エリアが1289 m2の単一層の光鋼構造を採用しています。それは航空機の航空会社のように形作られており、中国の農業が現代の農業の最も先進的な技術に出航することを主導していることを象徴しています。緑豊かな野菜生産の一部の操作のための自動機器が開発されており、これにより、植物工場の生産自動化レベルと生産効率が向上しました。プラントファクトリーは、地上源ヒートポンプシステムと太陽光発電システムを採用しており、プラント工場の高い運用コストの問題をよりよく解決します。

Tongzhou Plant Factoryの内側と外側のビュー

2013年、多くの農業技術企業は、シャーンクシ州の農業ハイテクデモンストレーションゾーンをヤングリングすることに設立されました。建設と運用中の植物工場プロジェクトのほとんどは、主に人気のある科学のデモンストレーションとレジャー観光に使用されている農業ハイテクデモンストレーションパークにあります。機能的な制限のため、これらの人気のある科学プラント工場が工業化に必要な高収量と高効率を達成することは困難であり、将来、彼らが工業化の主流になることは困難です。

2015年、中国の主要なLEDチップメーカーが、中国科学アカデミー植物学研究所と協力して、植物工場企業の設立を共同で開始しました。光電子産業から「光生物学的」産業に至り、中国の主導者が工業化における植物工場の建設に投資する先例となっています。その工場工場は、科学的研究、生産、デモンストレーション、インキュベーション、その他の機能を統合し、1億元の登録資本を統合する新興光生物学への産業投資を行うことに取り組んでいます。 2016年6月、この工場工場は、3,000 m2の面積をカバーする3階建ての建物と10,000 m2を超える栽培エリアを備えた建物を完成させ、稼働させました。 2017年5月までに、毎日の生産尺度は1,500 kgの緑豊かな野菜になり、1日あたり15,000個のレタス植物に相当します。

この会社の見解

3。植物工場の開発に直面している問題と対策

3.1問題

3.1.1高い建設費

植物工場は、閉鎖環境で作物を生産する必要があります。したがって、外部メンテナンス構造、空調システム、人工光源、多層栽培システム、栄養溶液循環、コンピューター制御システムなど、サポートプロジェクトと機器を構築する必要があります。建設コストは比較的高くなっています。

3.1.2高操作コスト

植物工場で必要な光源のほとんどは、LEDライトからのものであり、さまざまな作物の成長に対応するスペクトルを提供しながら、多くの電力を消費します。植物工場の生産プロセスにおけるエアコン、換気、ウォーターポンプなどの機器も電力を消費するため、電気料金は莫大な費用です。統計によると、植物工場の生産コストの中で、電力コストは29％を占め、人件費は26％、固定資産の減価償却費は23％、包装と輸送は12％、生産材料は10％を占めています。

植物工場の生産コストの破壊

3.1.3自動レベルの低いレベル

現在適用されている工場工場には自動化が低く、苗、移植、畑の植え付け、収穫などのプロセスには依然として手動操作が必要であり、その結果、人件費が高くなります。

3.1.4栽培できる限られた品種の作物

現在、植物工場に適した作物の種類は非常に限られており、主に緑の葉野菜が急速に成長し、人工光源を簡単に受け入れ、天蓋が低いです。複雑な植え付け要件（受粉する必要がある作物など）のために、大規模な植え付けを実施することはできません。

3.2開発戦略

工場工場業界が直面している問題を考慮して、テクノロジーや運用などのさまざまな側面から研究を実施する必要があります。現在の問題に応じて、対策は次のとおりです。

（1）植物工場のインテリジェントな技術に関する研究を強化し、集中的で洗練された管理のレベルを改善する。インテリジェントな管理および制御システムの開発は、植物工場の集中的かつ洗練された管理を達成するのに役立ちます。これにより、人件費を大幅に削減し、労働力を節約できます。

（2）集中的で効率的な植物工場の技術機器を開発して、年間高品質で高利回りを達成します。高効率栽培施設と機器、省エネ照明技術や機器などの開発は、植物工場のインテリジェントレベルを改善するために、年間高効率生産の実現に役立ちます。

（3）薬用植物、ヘルスケア植物、希少野菜などの高付加価値植物の産業栽培技術に関する研究を実施し、植物工場で栽培されている作物の種類を増やし、利益チャネルを拡大し、利益の出発点を改善する。

（4）家庭用および商業用の植物工場に関する研究を実施し、植物工場の種類を豊かにし、さまざまな機能で継続的な収益性を達成します。

4。植物工場の開発動向と見通し

4.1技術開発動向

4.1.1フルプロセスの知的化

作物ロボットシステムの機械的融合および損失防止メカニズム、高速柔軟性および非破壊的な植え付けエンドエフェクター、分散された多次元空間正確な位置決めおよびマルチモーダルマルチマシン共同制御方法、無人で効率的で非破壊的な播種高層植物工場での播種 - インテリジェントロボットと植え付けハーベストパッキングなどのサポート機器はしたがって、プロセス全体の無人操作を実現します。

4.1.2生産制御をより賢くする

光放射、温度、湿度、CO2濃度、栄養溶液の栄養濃度、およびECに対する作物の成長と発達の反応メカニズムに基づいて、作物環境フィードバックの定量的モデルを構築する必要があります。葉の多い野菜の生活情報と生産環境パラメーターを動的に分析するために、戦略的コアモデルを確立する必要があります。環境のオンライン動的識別診断とプロセス制御システムも確立する必要があります。大量の垂直農業工場の生産プロセス全体のマルチマシン共同人工知能意思決定システムを作成する必要があります。

4.1.3低炭素生産と省エネ

太陽光や風などの再生可能エネルギー源を利用して、電力感染を完了し、エネルギー消費を制御して最適なエネルギー管理目標を達成するエネルギー管理システムを確立します。作物の生産を支援するために、CO2排出量の捕獲と再利用。

4.1.3プレミアム品種の高い値

実現可能な戦略は、植え付け実験のためにさまざまな高付加価値品種を繁殖させ、栽培技術の専門家のデータベースを構築し、栽培技術、密度選択、無精ひげの配置、品種と機器の適応性に関する研究を実施し、標準栽培技術仕様を形成するために行われるべきです。

4.2業界開発の見通し

植物工場は、資源と環境の制約を取り除き、農業の工業化された生産を実現し、新世代の労働力を引き付けて農業生産に従事することができます。中国の植物工場の主要な技術革新と工業化は、世界のリーダーになりつつあります。 LED光源、デジタル化、自動化、および植物工場の分野でのインテリジェントテクノロジーの適用により、植物工場は、より多くの資本投資、人材の集まり、より多くの新しいエネルギー、新しい材料、新しい機器の使用を引き付けます。このようにして、情報技術と施設と機器の詳細な統合を実現することができます。インテリジェントで無人の施設と機器のレベルを改善し、システムエネルギー消費と継続的なイノベーションによる運用コストの継続的な削減、および緩やかな専門的な市場の栽培、インテリジェントな植物工場は、黄金の開発時代を導きます。

市場調査の報告によると、2020年の世界的な垂直農業市場規模はわずか29億米ドルであり、2025年までに世界的な垂直農業市場規模が300億米ドルに達すると予想されます。要約すると、植物工場には幅広いアプリケーションの見通しと開発スペースがあります。

著者：Zengchan Zhou、Weidongなど

引用情報：植物工場産業開発の現在の状況と見通し[J]。農業工学技術、2022、42（1）：18-23。Zengchan Zhou、Wei Dong、Xiugang Li、他