植物工厂

点击次数:   更新时间:2020-07-11 15:57     来源:竞技宝官网

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  植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统,是利用智能计算机和电子传感系统对植物生长的温度湿度光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制,使设施内植物的生长发育不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。

  植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段,是一种高投入、高技术、精装备的生产体系,集生物技术、工程技术和系统管理于一体,使农业生产从自然生态束缚中脱离出来.按计划周年性进行植物产品生产的工厂化农业系统,是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一,代表着未来农业的发展方向。

  植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段,是一种高投入、高技术、精装备的生产体系,集生物技

  术、工程技术和软硬件系统技术于一体,使农业生产从自然生态束缚中脱离出来,按计划周年不间断进行植物产品生产的工厂化农业系统,是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一,代表着未来农业的发展方向。2009年9月7日,国内第一例以智能控制为核心的植物工厂研发成功,并在长春农博园投入运行,该植物工厂是国内首个科学研究型的植物工厂。2016年6月,中国科学院植物研究所和福建三安集团合资成立的福建省中科生物股份有限公司(中科三安)在福建泉州建成了世界上单体面积最大(10000平方米)的全人工光型植物工厂,这也是我国第一个可以商业化运营的大型植物工厂,开创了我国“光生物产业”的先河。2017年8月,中科三安又成功实现了我国首栋5000平米大型中药材全人工光植物工厂的产业化运营,其金线莲的年产量与福建省金线莲年产最高的南靖县产量相当。

  植物工厂(plant factory)的概念最早是由日本提出来的。植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统,是利用计算机、电子传感系统、农业设施对植物生育的温度、湿度、光照、CO₂浓度以及营养液等环境条件进行自动控制,使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力型生产。植物工厂是现代农业的重要组成部分,是科学技术发展到一定阶段的必然产物,是现代生物技术建筑工程环境控制机械传动材料科学设施园艺计算机科学等多学科集成创新、知识与技术高度密集的农业生产方式。

  1957年世界上第一家植物工厂 诞生在丹麦,1974年日本等国也逐步发展起来。美国犹他州立大学试验用植物工厂种植小麦,全生育期不到2月,一年可收获4-5次。 20世纪60年代初次进行植物工厂的试,并开始推。1964年奥地利开始试验一种塔式植物工厂(高30米、面积5000平方米)。该国鲁斯纳

  公司的塔式植物工厂已在北欧、俄罗斯、中东国家采用。奥地利的一家番茄工厂,工作人员仅30人,平均日产番茄 13.7吨,生产 1公斤番茄耗电 9-10kw.h,成本只有露地的60%。1971年丹麦也建成了绿叶菜工厂,快速生产独行菜、鸭儿芹、莴苣等。1974年日本建成一座电子计算机调控的花卉蔬菜工厂,该厂由1栋2层的楼房(830m)和两栋栽培温室(每栋800m)构成,一年内生产一至两茬蔬果花卉,实现了周年生产。至1998年,日本已有用于研究展示、生产的植物工厂近四十个,其中生产用植物工厂17个。2004年,中国农业大学开发了利用嵌入网络式环境控制的人工光型密闭式植物工厂。2016年,福建省中科生物股份有限公司(中科三安)建成国际单体面积最大的全人工光植物工厂,实现植物工厂的产业化运营;2017年中科三安又成功实现了我国首例中药材的全人工光型植物工厂生产,建筑面积仅5000m的金线莲生产车间,其年产量与福建省金线莲年产最高的南靖县产量相当。

  1.根据建设规模可分为大型(5000m以上)、中型(1000~5000m)、小型(100~1000m)、微型(100m以下)四种;

  2.根据生产功能可分为植物种苗工厂、叶菜、瓜果、花卉植物工厂,还有一部分大田作物、药用植物、食用菌等;

  3.从生产、研究对象的组织尺度上来说,植物工厂又可分为植物体生产型植物工厂、组培型植物工厂、细胞生产型植物工厂(光生物反应器)。

  4.根据光能的利用方式可分为三种类型,即太阳光利用型植物工厂、全人工光利用型植物工厂、太阳光和人工光并用的综合型植物工厂。其中,全人工光利用型植物工厂又称为密闭式植物工厂,它是植物工厂发展的高级阶段。广义上来说,一切通过改变植物的生活环境的设施,包括大棚、温室、种苗繁育箱等都属于植物工厂概念范畴,但目前,比较习惯的分类方法是按照植物生长中最重要的条件之一光能来进行分类。

  植物工厂的共同特征是:有固定的设施;利用计算机和多种传感装置实行自动化、半自动化对植物生长发育所需的温度、湿度、光照强度、光照时间和CO₂浓度进行自动调控;采用营养液栽培技术;产品的数量和质量大幅度提高。

  植物工厂一般要求一个等级不同的洁净栽培空间,室内外空气交换要通过带有空气过滤装置的空调来实现,温度、湿度、二氧化碳浓度数据都可通过内外的监视器获得。植物工厂可以给植物提供合适生长环境的系统设备,分为蔬菜育苗和栽培两部分。植物工厂以节能LED植物生长灯为光源,采用

  制冷—加热双向调温控湿、光照—二氧化碳耦联光合与气肥调控、营养液在线检测与控制等相互关联的控制子系统,可实时对植物工厂的温度、湿度、光照、气流、二氧化碳浓度以及营养液等环境要素进行自动监控,实现智能化管理。通常情况下,叶用莴苣类植物工厂内的昼夜温度在18~23℃,湿度在65%~75%。二氧化碳浓度根据不同植物的不同需求,一般在400~1 200ppm。

  通过对植物生长环境的高精度控制,植物的生长几乎不受自然条件的制约,生长周期缩短。现在工厂内种植的生菜、小白菜等,20天左右就能收获,而在露地栽培中则需要一个月到40天。除了生长周期短,空间利用率高和一年四季不间断生产是植物工厂的重要特点,植物工厂具有立体栽培的优势,栽培模组的层数随着厂房的高度增加而增加。在中科三安的全人工光型植物工厂内,厂房内的栽培层数在10层内可调,每年可进行15-20次叶菜生产,单位面积产量相当于露地栽培的70~100倍。

  植物工厂采用循环流动的营养液来满足植物的生长,不管何种类型的植物工厂,营养液

  栽培的基本原理都是将植物所需养分配置成科学合理的离子态营养液,通过输送,满足栽培作物的需求。营养液提供了植物生长所需的各种元素,包括氮磷钾等大量元素及铁锰锌等微量元素,因此没有必要使用土壤栽培。无土栽培的技术现在已经非常成熟,所栽培植物的生长比土培快很多,安全性的管控也更加有效。

  植物工厂的营养液配置、灭菌、输送、回收都有专门的设施装置、电子仪器来完成,可实现营养液定量、自动供应,可实时监控营养液浓度、成分、酸碱度变化,通过自动补液,始终为植物创造最优的营养液环境;营养液的流动速度和温度都保持在植物需要的适宜水平,以保证植物的最优势生长。

  光照管理是植物工厂高效生产和成本降低的关键因素之一。在高精度环境控制的植物工厂中,LED照明作为新一代植物光源,它较传统农业领域的人工光源,具有光量可调整、光质可调整、冷却负荷低与允许提高单位面积栽培量等特点。在现代化农业的不断发展和节能环保的需求下,LED植物照明将逐步替换目前使用的传统荧光灯,成为植物生产过程中光环境调控的主要工具。

  光环境的精准调控主要包含光谱、光照强度和光周期3个方面,也即是所谓的“光配方”。在太阳光中,只有5%左右的不同波长的光对光合作用产生影响,大量的光不能被植物利用,这与植物生长所需的必须光质种类是不连续的、有选择性和可替代性有关。红光、蓝光是植物正常生长发育、完成生活史的必须光质,在红蓝光基础上添加一些特殊光质成分可有效地促进农作物的增产或刺激药用植物有效次生代谢物质的大量积累。在一定的光照强度范围内,植物的光合速率随光照强度的增加而加速。但也不是可以一味地提高光照强度,过高的光照一方面导致光抑制现象,影响产量和品质,另一方面也浪费了大量的电能,增加投资成本;在平衡产量、品质与能耗的关系上,往往要同时考虑光照强度和光照时间,针对每一种蔬菜或者每一个发育阶段,满足其每日的光需量。适宜的光照强度和光照时间在保证产量和节省成本方面能起到事半功倍的作用。

  为了更好地促进植物的生长发育,以及提高产量、品质等特殊指标,通过定制的光配方来实现植物工厂内的光环境精准调控。根据植物的生长环境区别设计,选取对光合作用贡献最大的光往往在提高光能利用效率和增产的同时,更节能。更为理想的“光配方”应该是在一个完全封闭的环境中,像工业生产一样去种植作物。定制的“光配方”意味着更快的生长速度、更高的产量和更优秀的品质{生命世界2017.4}。

  商业化植物工厂的成本分为一次性投资、设备折旧、生产管理三个方面。植物工厂的投入成本与建设规模有关,根据我国首个商业化大型植物工厂(中科三安)的数据计算,建设1000m以下的小型植物工厂(包括内部装修、设备、设施),每平米的成本在15000元-20000元之间,建设5000-10000平米的中型植物工厂,每平米的成本在8000元-10000元,建设10000m以上的大型植物工厂,建设成本会下降至8000元/m以下。这里需要特别指出,一些研究型植物工厂的成本无法为商业化建设运营成本提供准确参考。

  在植物工厂的应用推广方面,降低建设成本、开发新材料、利用新能源、提高产量、用高自动化设备降低人工使用数量都是未来植物工厂提质增效的重要途径。

  植物工厂技术的突破将会解决人类发展面临的诸多瓶颈,甚至可以实现在荒漠、戈壁、海岛、水面等非可耕地,以及在城市的摩天大楼里进行正常生产。利用取之不尽的太阳能和其它各种清洁能源,加上一定的种子、水源和矿质营养,就可源源不断地为人类生产所需要的农产品。因此被认为是21世纪解决粮食安全、人口、资源、环境问题的重要途径,也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段。

  福建省中科生物股份有限公司,创立于2015年,是中国科学院植物研究所所与福建三安集团共同发起

  的合资企业。公司总部位于福建省安溪县,设有植物工厂研究院和植物工厂产业化基地。公司利用中科院植物所在植物科学领域的研发成果,结合三安集团旗下核心企业三安光电领先的LED光源技术,进行光生物技术产业转化,应用于现代设施农业及生物制药领域。公司设有光生物产业研究院,从事包括植物工厂技术开发在内的光生物技术应用研究,为光生物产业提供技术支撑。首个产业化基地位于安溪县湖头光电产业园区,是利用LED光谱技术,采用自动化环境控制及智能化装备,在十万级净化厂房内进行植物工厂化种植,主要生产高品质的安全蔬菜、保健品及抗肿瘤等重大疾病医药中间体材料。

  中科三安植物工厂产业化基地,是集工业制造、信息技术、光电技术、生物技术为一体的高科技现代设施农业。福建省中科生物股份有限公司植物工厂产业化项目整合了先进的自动化农业生产科技及领先的

  生长调节技术,以及高附加值的光生物栽培及提取技术,具有较高的技术含量和附加值。公司首个产业化基地设于安溪县湖头光电产业园区,基地占地500亩,利用LED光谱技术,采用自动化环境控制及智能化装备,在十万级净化厂房进行植物工厂化种植,主要生产高品质的安全蔬菜、保健品、特种药用植物生产及抗肿瘤等重大疾病医药中间体材料等。项目于2016年元月开工建设,首栋10000m植物工厂于2016年6月开始投产,目前该栋植物工厂已实现年产高品质蔬菜700多吨。首栋5000m金线月开始投产,可实现年产40吨金线莲鲜品。

  项目完全依靠自主创新,在营养液栽培技术、立体式模组化智能装备等方面取得了重大突破,相较欧美日的栽培装置具有极大的技术、成本以及产能优势,成功向国际市场输出了具有企业自主知识产权的全球领先的系统装备和相关技术。2016年底,公司设立北美分公司,致力于推动境外植物工厂的投建及境外企业的收并购计划。同时,公司在高附加值的中草药以及针对创新药的原料生产加工也逐步开展,产业对促进福建省及至全国植物工厂建设具有显著的示范与带动效应。目前,产业化基地一期第二批药用植物栽培工厂、二代植物工厂等3幢厂房陆续改造完成;公司2000m光生物产业实验室于2017年初启用,也为企业的行业技术中心建设及技术研发的深入推进创造了更为有利的条件。

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