要約：近年、現代の農業技術の継続的な探究に伴い、植物工場産業も急速に発展しています。植物工場技術と産業発展の現状，既存の問題点と発展対策について紹介し，今後の植物工場の発展動向と展望を展望した。

1. 中国および海外の植物工場の技術開発の現状

1.1 海外技術開発の現状

21世紀に入ってからの植物工場の研究は、光効率の向上、多層三次元栽培システム装置の創出、知的管理・制御の研究開発が中心となってきました。 21世紀に入り、農業用LED光源の技術革新が進み、植物工場におけるLED省エネ光源の応用に重要な技術的サポートを提供しています。日本の千葉大学は、高効率光源、省エネ環境制御、栽培技術などで数々の革新を行ってきました。オランダのヴァーヘニンゲン大学は、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、植物工場用のインテリジェント機器システムを開発しています。これにより、運営コストが大幅に削減され、労働生産性が大幅に向上します。

近年、植物工場では播種、育苗、移植、収穫までの生産工程が半自動化されつつあります。日本、オランダ、アメリカは最先端の機械化、自動化、知能化を進め、垂直農業や無人化の方向に発展しています。

1.2 中国における技術開発状況

1.2.1 植物工場における人工光に特化したLED光源と省エネ応用技術装置

植物工場でさまざまな植物を生産するための赤色や青色の特殊なLED光源が次々に開発されています。出力範囲は30〜300 W、照射光強度は80〜500 μmol/(m2・s)で、適切な閾値範囲、光品質パラメータを備えた光強度を提供し、高効率の効果を達成できます。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。光源の放熱管理に関しては、光源ファンのアクティブな放熱設計が導入されており、光源の光減衰率が低減され、光源の寿命が確保されます。さらに、養液や水を循環させてLED光源の熱を下げる方法も提案されています。光源空間管理の面では、苗期以降の植物サイズの進化の法則に従い、LED光源の垂直空間移動管理により、植物の樹冠を至近距離で照明することができ、省エネを実現します。達成。現在、人工光植物工場光源のエネルギー消費量は、植物工場の総稼働エネルギー消費量の50％から60％を占める可能性があります。 LED は蛍光灯と比較して 50% のエネルギーを節約できますが、エネルギーの節約と消費量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 多層三次元培養技術と装置

蛍光灯をLEDに置き換えることで多層立体栽培の層間距離が減少し、植物栽培の三次元空間利用効率が向上します。栽培ベッドの底部のデザインについては多くの研究がなされています。盛り上がったストライプは乱流を生成するように設計されており、植物の根が養液中の栄養素を均一に吸収し、溶存酸素濃度を高めるのに役立ちます。コロニー形成ボードを使用すると、異なるサイズのプラスチックコロニー カップまたはスポンジ周囲コロニー形成モードの 2 つのコロニー形成方法があります。植栽台とその上の植物を端から端まで手で押して移動できるスライド式栽培床システムが登場し、栽培床の一方の端で植えて、もう一方の端で収穫するという生産形態を実現しました。現在、養液膜技術や深層液流技術をベースとした様々な三次元多層無土栽培技術・装置が開発され、イチゴの基質栽培、葉物野菜や花卉のエアロゾル栽培などの技術・装置が開発されています。芽生えてきました。前述の技術は急速に発展しました。

1.2.3 養液循環技術と設備

栄養溶液を一定期間使用した後、水とミネラル要素を追加する必要があります。一般に、新しく調製し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。養液中の大きな粒子の沈殿物や根の剥離はフィルターで除去する必要があります。水耕栽培における連作障害を避けるために、養液中の根の滲出液を光触媒法で除去することができますが、養分の利用可能性には一定のリスクが伴います。

1.2.4 環境制御技術と設備

生産空間の空気清浄度は、植物工場の空気の質を表す重要な指標の一つです。動的な条件下にある植物工場の生産空間の空気清浄度（浮遊粒子や定着細菌の指標）は10万以上のレベルに管理される必要があります。材料の消毒投入、入ってくる職員のエアシャワー処理、新鮮な空気の循環空気浄化システム (空気濾過システム) はすべて基本的な安全対策です。生産空間の空気の温度と湿度、CO2濃度、気流速度も空気品質管理の重要な内容です。報告書によると、エアミキシングボックス、エアダクト、吸気口、排気口などの設備を設置することで、生産空間内の温度、湿度、CO2濃度、気流速度を均一に制御し、高い空間均一性を実現し、工場のニーズに応えることができるとのことです。さまざまな空間的位置にあります。温度、湿度、CO2 濃度の制御システムと外気システムが空気循環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、空気流の循環、濾過と消毒、空気品質の更新と均一化を実現するために、エアダクト、空気入口、空気出口を共有し、ファンを通じて電力を供給する必要があります。植物工場での植物生産には害虫や病気が発生しないことが保証され、農薬散布も必要ありません。同時に、樹冠内の生育環境要素の温度、湿度、気流、CO2濃度の均一性が保証され、植物生育のニーズを満たすことが保証されます。

2. 植物工場産業の発展状況

2.1 海外植物工場産業の現状

日本における人工光型植物工場の研究開発・産業化は比較的早く、トップレベルにあります。 2010年、日本政府は技術研究開発と産業実証を支援するために500億円の資金を投入した。千葉大学や日本植物工場研究協会など８機関が参加した。ジャパン・フューチャー・カンパニーは、日量3,000株の植物工場の初の産業化実証プロジェクトを受託・運営した。 2012年の植物工場の生産コストは700円/kgでした。 2014年、宮城県多賀城に1日1万本の生産が可能な世界初のLED植物工場となる近代型植物工場が完成しました。 2016年以降、日本ではLED植物工場が工業化の高速レーンに参入し、損益分岐点または黒字企業が次々と誕生している。 2018年には、日量5万～10万本の生産能力を持つ大規模植物工場が続々と登場し、世界の植物工場は大規模化、専門化、インテリジェント化に向けて発展しつつある。同時に東京電力や沖縄電力などが植物工場への投資を始めた。 2020年には日本の植物工場が生産するレタスのシェアはレタス市場全体の約10％を占めると予想されています。現在250棟以上稼働している人工光型植物工場のうち、2割が赤字、5割が損益分岐点、3割が黒字段階であり、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、無人化​​を備えた、植物工場における太陽光と人工光の複合応用技術の分野における実質的な世界のリーダーであり、現在では強力な技術と設備のフルセットを輸出しています。中東、アフリカ、中国、その他の国への製品。 American AeroFarms 農場は、米国ニュージャージー州ニューアークにあり、面積は 6500 平方メートルです。主に野菜や香辛料を栽培しており、年間生産量は約900トン。

AeroFarms の垂直農業

米国プレンティ社の垂直農法型植物工場は、LED照明と高さ6mの垂直植栽フレームを採用。プランターの側面から植物が育ちます。重力散水に依存するこの植栽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くなります。プレンティ氏の農場は、水をわずか 1% しか使用せずに、従来の農場の 350 倍の生産量を生産していると主張しています。

垂直農法型植物工場 プレンティ社

2.2 中国の植物工場産業の現状

2009年、インテリジェント制御を中核とした中国初の生産植物工場が長春農業博覧園に建設され、稼働を開始した。建築面積は200㎡で、植物工場内の温度、湿度、光、CO2、養液濃度などの環境要因をリアルタイムで自動監視し、インテリジェントな管理を実現します。

2010年、北京に通州植物工場が建設されました。主要構造は単層軽量鉄骨造を採用し、総建築面積は1289平方メートル。空母のような形をしており、中国農業が最先端の現代農業技術への船出を先導していることを象徴している。葉物野菜生産の一部作業を自動化する設備を開発し、植物工場の生産自動化レベルと生産効率を向上させました。植物工場は地中熱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、植物工場の運営コストが高いという問題をよりよく解決しています。

通州植物工場の内観と外観

2013年、陝西省楊陵農業ハイテク実証区に多くの農業技術企業が設立された。建設・運営中の植物工場プロジェクトのほとんどは農業ハイテク実証園内に位置しており、主に人気の科学実証やレジャー観光に利用されている。こうした普及が進んでいる科学用植物工場は機能の限界から、工業化に必要な高収量・高効率を達成することが難しく、将来的に工業化の主流となることは難しいと考えられます。

2015年、中国の大手LEDチップメーカーは中国科学院植物研究所と協力し、共同で植物工場会社の設立を開始した。これはオプトエレクトロニクス産業から「フォトバイオロジカル」産業へと移行し、中国のLEDメーカーが工業化における植物工場の建設に投資する前例となった。同社の植物工場は、登録資本金1億元で、科学研究、生産、実証、培養などの機能を統合した新興光生物学への産業投資に取り組んでいる。 2016年6月、3階建て、敷地面積3,000㎡、栽培面積10,000㎡を超える植物工場が完成し、稼働を開始しました。 2017年5月までに日量1,500kgの葉物野菜の生産規模となり、レタス15,000本に相当します。

この会社の考え方

3. 植物工場開発の課題と対策

3.1 問題点

3.1.1 建設コストが高い

植物工場は閉鎖された環境で作物を生産する必要があります。そのため、外部メンテナンス構造、空調システム、人工光源、多層培養システム、養液循環システム、コンピュータ制御システムなどの支援プロジェクトと設備を構築する必要があります。建設費は比較的高額です。

3.1.2 高い運用コスト

植物工場に必要な光源のほとんどは LED ライトであり、さまざまな作物の成長に対応するスペクトルを提供する一方で、大量の電力を消費します。植物工場の生産工程では空調や換気、送水ポンプなどの設備も電力を消費するため、電気代は莫大な費用となります。統計によると、植物工場の生産コストのうち、電気代が29％、人件費が26％、固定資産減価償却費が23％、梱包・輸送費が12％、生産資材が10％となっています。

植物工場の生産コストの内訳

3.1.3 低レベルの自動化

現在導入されている植物工場は自動化度が低く、苗の植え付け、移植、田植え、収穫などの工程は依然として手作業が必要であり、人件費が高くなっています。

3.1.4 栽培できる作物の品種が限られている

現時点では、植物工場に適した作物の種類は非常に限られており、成長が早く、人工光源を受け入れやすく、樹冠が低い緑黄色野菜が主となっています。複雑な植栽要件（受粉が必要な作物など）の場合、大規模な植栽は実行できません。

3.2 開発戦略

植物工場産業が抱える課題を踏まえ、技術や運営など多方面から研究を進める必要がある。現状の問題点に対する対策は以下の通りです。

(1) 植物工場の知能化技術の研究を強化し、集中的かつ洗練された管理レベルを向上させる。インテリジェントな管理制御システムの開発は、植物工場の集中的かつ高度な管理を実現し、人件費を大幅に削減し、省力化を実現します。

(2) 年間高品質、高収量を達成するため、集約的かつ効率的な植物工場技術設備を開発する。植物工場の知能化を図るため、高効率栽培施設・設備や省エネ照明技術・設備等の開発を進め、年間の高効率生産を実現します。

(3) 薬用植物、保健植物、希少野菜等の高付加価値植物の工業的栽培技術の研究を実施し、植物工場で栽培できる作物の種類を増やし、収益チャネルを拡大し、収益の起点を向上させる。

(4) 家庭用・業務用植物工場の研究を行い、植物工場の種類を充実させ、様々な機能で継続的な収益を実現します。

4. 植物工場の開発動向と展望

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マシンアート融合および紛失防止メカニズム、高速かつ柔軟で非破壊的な植栽および収穫エンドエフェクター、分散型多次元空間の正確な位置決め、およびマルチモーダルマルチマシン協調制御方法に基づいて、高層植物工場における無人効率的・非破壊播種の実現 - 知能ロボットや定植・収穫・梱包などの支援機器を開発し、全工程の無人化を実現する。

4.1.2 生産管理をよりスマートに

光放射、温度、湿度、CO2濃度、養液の栄養濃度、およびECに対する作物の成長と発達の応答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。葉物野菜の生命情報と生産環境パラメータを動的に分析するための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およびプロセス制御システムも確立する必要があります。大量生産の垂直農業工場の生産プロセス全体のための、マルチマシンの協調的な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ルギー

太陽光や風力などの再生可能エネルギーを利用して送電までを行うエネルギーマネジメントシステムを構築し、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します。 CO2排出量を回収して再利用し、作物の生産を支援します。

4.1.3 高級品種の価値の高さ

植栽実験用の高付加価値品種の育成、栽培技術専門家のデータベースの構築、栽培技術、密度選定、株分け、品種と設備の適合性などの研究、標準的な栽培技術仕様の策定など、実現可能な戦略を講じる必要がある。

4.2 産業発展の見通し

植物工場は資源や環境の制約を取り除き、農業生産の工業化を実現し、農業生産に従事する新世代の労働力を呼び込むことができます。中国の植物工場の重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。植物工場の分野における LED 光源、デジタル化、自動化、インテリジェント技術の応用の加速により、植物工場は、より多くの設備投資、人材の収集、およびより多くの新エネルギー、新材料、新設備の使用を呼び込むでしょう。このようにして、情報技術と施設および設備の徹底的な統合が実現され、施設および設備のインテリジェントかつ無人レベルが向上し、継続的な革新を通じてシステムのエネルギー消費と運用コストが継続的に削減され、段階的に専門市場の開拓、インテリジェント植物工場は発展の黄金期を迎えるでしょう。

市場調査レポートによると、2020年の世界の垂直農業市場規模はわずか29億米ドルですが、2025年までに世界の垂直農業市場規模は300億米ドルに達すると予想されています。要約すると、植物工場には幅広い応用の可能性と開発の余地があります。

著者：Zengchan Zhou、Weidong 他

引用情報:植物工場産業発展の現状と展望 [J]。農業工学技術、2022、42(1): 18-23。Zengchan Zhou、Wei Dong、Xiugang Li、他