식물공장의 미래는?

요약: 최근 몇 년 동안 현대 농업 기술의 지속적인 탐구와 함께 식물 공장 산업도 빠르게 발전했습니다.본 논문은 식물공장 기술과 산업발전의 현상과 기존 문제점 및 발전대책을 소개하고, 향후 식물공장의 발전추세와 전망을 기대한다.

1. 중국 및 해외 식물공장 기술개발 현황

1.1 해외 기술 개발 현황

21세기 이후 식물공장 연구는 광효율 향상, 다층 3차원 재배 시스템 장비 제작, 지능형 관리 및 제어 연구개발에 주력해왔다.21세기에는 농업용 LED 광원의 혁신이 진행되어 식물 공장에서 LED 에너지 절약형 광원을 적용하는 데 중요한 기술 지원을 제공합니다.일본 치바 대학은 고효율 광원, 에너지 절약형 환경 제어 및 재배 기술에서 많은 혁신을 이루었습니다.네덜란드의 Wageningen University는 작물 환경 시뮬레이션 및 동적 최적화 기술을 사용하여 식물 공장을 위한 지능형 장비 시스템을 개발하여 운영 비용을 크게 줄이고 노동 생산성을 크게 향상시킵니다.

최근 몇 년 동안 식물 공장은 파종, 묘목 재배, 이식 및 수확에 이르는 생산 공정의 반자동화를 점차 실현했습니다.일본, 네덜란드, 미국은 고도의 기계화, 자동화, 지능화를 앞세워 수직농업과 무인조작을 지향하는 방향으로 발전하고 있다.

1.2 중국의 기술 개발 현황

1.2.1 식물공장 인공조명용 특화 LED 광원 및 에너지 절감 응용기술 설비

식물 공장에서 다양한 식물 종의 생산을 위한 특수 적색 및 청색 LED 광원이 속속 개발되었습니다.전력 범위는 30 ~ 300W이고 조사 광도는 80 ~ 500μmol/(m2•s)이며, 이는 고효율 효과를 달성하기 위해 적절한 임계값 범위, 광 품질 매개변수로 광도를 제공할 수 있습니다. 에너지 절약 및 식물 성장 및 조명 요구에 적응.광원 방열 관리 측면에서 광원 팬의 능동 방열 설계가 도입되어 광원의 광 감쇠율을 줄이고 광원의 수명을 보장합니다.또한 양액이나 물 순환을 통해 LED 광원의 열을 줄이는 방법을 제안한다.광원 공간 관리 측면에서 유묘기 이후 식물 크기의 진화 법칙에 따라 LED 광원의 수직 공간 이동 관리를 통해 가까운 거리에서 식물 캐노피를 조명할 수 있으며 에너지 절약 목표는 달성.현재 인공조명 식물 공장 광원의 에너지 소비량은 식물 공장 전체 운영 에너지 소비량의 50~60%를 차지할 수 있다.LED는 형광등에 비해 에너지를 50% 절약할 수 있지만 에너지 절약과 소비 절감에 대한 연구의 가능성과 필요성은 여전하다.

1.2.2 다층 3차원 재배 기술 및 장비

형광등을 LED로 대체하여 다층입체재배의 층간격을 줄여 식물재배의 입체공간 활용효율을 높인다.재배단 바닥의 디자인에 대한 많은 연구들이 있다.융기된 줄무늬는 난류를 생성하도록 설계되어 식물 뿌리가 영양 용액의 영양분을 고르게 흡수하고 용존 산소의 농도를 높일 수 있습니다.식민지화 보드를 사용하여 두 가지 식민지화 방법, 즉 크기가 다른 플라스틱 식민지화 컵 또는 스폰지 주변 식민지화 모드가 있습니다.슬라이딩 가능한 재배 베드 시스템이 등장했으며 식재판과 그 위의 식물을 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 수동으로 밀 수 있어 재배 베드 한쪽 끝에서 심고 다른 쪽 끝에서 수확하는 생산 모드를 실현합니다.현재 영양액막기술과 심액유동기술을 기반으로 한 다양한 3차원 다층무토재배 기술 및 장비가 개발되어 딸기 기질재배, 엽채류 및 화훼류 연무재배 기술 및 장비가 개발되고 있다. 솟아올랐다.언급된 기술은 빠르게 발전했습니다.

1.2.3 양액순환기술 및 설비

양액을 일정 기간 사용한 후에는 물과 미네랄 성분을 추가해야 합니다.일반적으로 새로 준비한 양액의 양과 산-염기 용액의 양은 EC와 pH를 측정하여 결정한다.양액의 침전물이나 뿌리 박리의 큰 입자는 필터로 제거해야 합니다.양분 용액의 뿌리 삼출물은 수경재배에서 지속적인 자르기 장애물을 피하기 위해 광촉매 방법으로 제거할 수 있지만 양분 가용성에 특정 위험이 있습니다.

1.2.4 환경 제어 기술 및 장비

생산 공간의 공기 청정도는 식물 공장의 공기 질을 나타내는 중요한 지표 중 하나입니다.동적 조건에서 식물 공장의 생산 공간의 공기 청정도(부유 입자 및 침전 박테리아의 지표)는 100,000 이상의 수준으로 제어되어야 합니다.재료 소독 투입, 들어오는 직원 에어샤워 처리, 신선한 공기 순환 공기 정화 시스템(공기 여과 시스템)은 모두 기본적인 안전 장치입니다.생산 공간 내 공기의 온도 및 습도, CO2 농도 및 기류 속도는 공기 품질 관리의 또 다른 중요한 내용입니다.보고서에 따르면 공기 혼합 상자, 공기 덕트, 공기 흡입구 및 공기 배출구와 같은 장비를 설치하면 생산 공간의 온도와 습도, CO2 농도 및 기류 속도를 균일하게 제어할 수 있으므로 높은 공간 균일성을 달성하고 공장 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 서로 다른 공간적 위치에서.온도, 습도 및 CO2 농도 제어 시스템과 신선한 공기 시스템은 순환 공기 시스템에 유기적으로 통합됩니다.세 시스템은 공기 덕트, 공기 흡입구 및 공기 배출구를 공유하고 팬을 통해 전원을 공급하여 공기 흐름의 순환, 여과 및 소독, 공기 품질의 업데이트 및 균일성을 실현해야 합니다.식물 공장의 식물 생산에 해충과 질병이 없고 살충제 살포가 필요하지 않음을 보장합니다.동시에 캐노피에 있는 성장 환경 요소의 온도, 습도, 기류 및 CO2 농도의 균일성은 식물 성장의 요구를 충족하도록 보장됩니다.

2. 식물공장산업의 발전현황

2.1 해외 식물공장 산업 현황

일본에서는 인공 조명 식물 공장의 연구 개발 및 산업화가 비교적 빠르며 선도적 인 수준에 있습니다.2010년 일본 정부는 기술 연구 개발과 산업 실증을 지원하기 위해 500억 엔을 시작했습니다.치바대학, 일본식물공장연구회 등 8개 기관이 참가했다.Japan Future Company는 1일 3,000개 식물을 생산하는 식물 공장의 첫 번째 산업화 실증 프로젝트를 착수하여 운영했습니다.2012년 식물공장의 생산원가는 700엔/kg이었다.2014년에는 미야기현 타가성에 현대식 식물공장이 준공되어 세계 최초로 1일 생산량 10,000그루의 LED 식물공장이 되었습니다.2016년 이후 LED 식물 공장은 일본에서 산업화의 빠른 차선에 진입했으며 손익분기점이나 수익성 있는 기업이 속속 등장했습니다.2018년에는 하루 5만~10만개의 식물을 생산할 수 있는 대규모 식물공장이 속속 등장했고, 글로벌 식물공장은 대규모, 전문화, 지능화 발전을 향해 발전하고 있었다.동시에 도쿄전력, 오키나와전력 등이 식물공장 투자를 시작했다.2020년에는 일본 식물 공장에서 생산되는 상추 시장 점유율이 전체 상추 시장의 약 10%를 차지할 전망이다.현재 가동 중인 250개 이상의 인공조명형 식물공장 중 20%는 적자 단계, 50%는 손익분기점, 30%는 흑자 단계에 있으며, 상추, 허브, 묘목.

네덜란드는 고도의 기계화, 자동화, 지능화, 무인화로 식물공장을 위한 태양광과 인공조명의 결합 응용 기술 분야의 진정한 세계적 리더이며, 현재 강력한 기술과 장비를 모두 수출하고 있습니다. 중동, 아프리카, 중국 및 기타 국가에 제품.American AeroFarms 농장은 미국 뉴저지 주 뉴어크에 위치하고 있으며 면적은 6500m2입니다.주로 채소와 향신료를 재배하며 생산량은 연간 약 900톤이다.

공장1AeroFarms의 수직 농업

미국 Plenty Company의 수직 재배 식물 공장은 LED 조명과 높이 6m의 수직 식재 프레임을 채택했습니다.식물은 화분의 측면에서 자랍니다.중력 급수에 의존하는 이 심기 방법은 추가 펌프가 필요하지 않으며 기존 농업보다 물 효율적입니다.Plenty는 그의 농장이 물의 1%만 사용하면서 기존 농장보다 350배의 생산량을 생산한다고 주장합니다.

공장2수직농장 공장, 플렌티컴퍼니

2.2 중국 식물공장 산업 현황

2009년에는 지능형 제어를 핵심으로 하는 중국 최초의 생산 공장 공장이 창춘 농업 박람회 공원에 건설되어 가동되었습니다.건축면적은 200㎡로 식물공장의 온도, 습도, 빛, CO2, 양액농도 등 환경요인을 실시간으로 자동 모니터링하여 지능형 관리를 실현한다.

2010년에는 베이징에 통저우 공장을 세웠습니다.주요 구조는 총 건축 면적이 1289m2인 단층 경강 구조를 채택합니다.항공모함 모양으로 현대 농업의 첨단 기술을 선도하는 중국 농업을 상징합니다.엽채류 생산의 일부 작업을 위한 자동화 장비가 개발되어 식물 공장의 생산 자동화 수준과 생산 효율성이 향상되었습니다.식물공장은 지열원 히트펌프 시스템과 태양광 발전 시스템을 채택하여 식물공장의 높은 운영비용 문제를 더 잘 해결합니다.

공장3 공장4퉁저우 식물공장 내부 및 외부 전경

2013년 산시성 양링 농업 하이테크 시범구에 많은 농업 기술 회사가 설립되었습니다.건설 및 운영 중인 대부분의 식물공장 프로젝트는 농업첨단시범단지에 위치하며 주로 대중과학 시연과 레저 관광에 이용된다.이러한 인기 과학 플랜트 공장은 기능적 한계로 인해 산업화에서 요구하는 고수율 및 고효율을 달성하기 어렵고 향후 산업화의 주류 형태가 되기 어려울 것입니다.

2015년 중국의 주요 LED 칩 제조업체는 중국 과학원 식물학 연구소와 공동으로 식물 공장 회사 설립을 시작했습니다.그것은 광전자 산업에서 "광 생물학" 산업으로 넘어갔고 중국 LED 제조업체가 산업화에서 식물 공장 건설에 투자하는 선례가 되었습니다.그것의 식물 공장은 1억 위안의 등록 자본으로 과학적 연구, 생산, 시연, 부화 및 기타 기능을 통합하는 신흥 광생물학에 산업 투자를 하기 위해 노력하고 있습니다.2016년 6월, 3,000m2 부지에 10,000m2 이상의 재배면적을 가진 3층 건물의 식물공장이 준공되어 가동에 들어갔습니다.2017년 5월까지 일일 생산 규모는 잎채소 1,500kg이 될 것이며, 이는 일일 상추 15,000그루에 해당합니다.

공장5이 회사의 견해

3. 식물공장 발전의 문제점과 대책

3.1 문제

3.1.1 높은 공사비

식물 공장은 폐쇄된 환경에서 작물을 생산해야 합니다.따라서 외부 정비구조물, 공조시스템, 인공광원, 다층재배시스템, 양액순환시스템, 전산제어시스템 등의 지원사업 및 장비 구축이 필요하다.건설 비용이 상대적으로 높습니다.

3.1.2 높은 운영 비용

식물 공장에 필요한 대부분의 광원은 다양한 작물의 성장에 해당하는 스펙트럼을 제공하면서 많은 전기를 소비하는 LED 조명에서 나옵니다.식물공장의 생산과정에서 공조, 환기, 물펌프 등의 설비도 전기를 소비하기 때문에 전기료가 막대한 비용이다.통계에 따르면 식물공장의 생산원가 중 전기비가 29%, 인건비가 26%, 고정자산 감가상각비가 23%, 포장 및 운송비가 12%, 생산자재가 10%를 차지한다.

공장6식물공장의 생산원가 내역

3.1.3 낮은 수준의 자동화

현재 적용된 식물공장은 자동화 수준이 낮고 육묘, 이식, 밭식재, 수확 등의 공정은 여전히 ​​수작업이 필요해 인건비가 많이 든다.

3.1.4 재배할 수 있는 작물의 제한된 품종

현재 식물 공장에 적합한 작물의 종류는 매우 제한적이며 주로 빠르게 자라며 인공 광원을 쉽게 받아들이고 캐노피가 낮은 녹색 잎이 많은 채소입니다.복잡한 식재 요구 사항(예: 수분이 필요한 작물 등)에 대해서는 대규모 식재를 수행할 수 없습니다.

3.2 개발 전략

식물공장산업이 안고 있는 문제점을 감안하여 기술, 운영 등 다양한 측면에서 연구가 필요하다.현재의 문제에 대한 대응책은 다음과 같습니다.

(1) 식물 공장의 지능형 기술에 대한 연구를 강화하고 집중적이고 세련된 관리 수준을 향상시킵니다.지능형 관리 및 제어 시스템의 개발은 인건비를 크게 절감하고 노동력을 절약할 수 있는 식물 공장의 집중적이고 세련된 관리를 달성하는 데 도움이 됩니다.

(2) 집중적이고 효율적인 식물 공장 기술 장비를 개발하여 연간 고품질 및 고수율을 달성하십시오.고효율 재배 설비 및 장비, 에너지 절약형 조명 기술 및 장비 등을 개발하여 식물 공장의 지능화 수준을 향상시켜 연간 고효율 생산을 실현하는 데 도움이 됩니다.

(3) 약용식물, 건강식물, 희소채소 등 고부가가치 식물의 산업재배 기술 연구, 식물공장 재배작물 증량, 수익경로 확대, 수익기점 개선 .

(4) 가정용 및 상업용 식물 공장에 대한 연구를 수행하고 식물 공장의 유형을 풍부하게 하며 다양한 기능으로 지속적인 수익성을 달성합니다.

4. 식물공장 개발 동향 및 전망

4.1 기술 개발 동향

4.1.1 전체 프로세스 지능화

작물-로봇 시스템의 기계 예술 융합 및 손실 방지 메커니즘, 고속 유연하고 비파괴적인 파종 및 수확 엔드 이펙터, 분산된 다차원 공간 정확한 위치 지정 및 다중 모드 다중 기계 협업 제어 방법을 기반으로, 초고층 식물 공장에서 무인, 효율적, 비파괴 파종 -심기-수확-포장과 같은 지능형 로봇과 지원 장비를 만들어 전체 프로세스의 무인 운영을 실현해야 합니다.

4.1.2 더 스마트한 생산 관리

광복사, 온도, 습도, CO2농도, 양액의 양분농도, EC에 대한 작물의 생장과 발달의 반응기전을 바탕으로 작물-환경 되먹임의 정량적 모델을 구축해야 한다.엽채류의 생명정보와 생산환경변수를 동적으로 분석하기 위한 전략적 핵심모델을 수립해야 한다.환경의 온라인 동적 식별 진단 및 프로세스 제어 시스템도 구축해야 합니다.대량 수직 농업 공장의 전체 생산 프로세스에 대한 다중 기계 협업 인공 지능 의사 결정 시스템을 만들어야 합니다.

4.1.3 저탄소 생산 및 에너지 절약

태양광, 풍력 등 신재생에너지를 활용한 에너지 관리 시스템을 구축하여 송전을 완료하고 에너지 소비를 통제하여 최적의 에너지 관리 목표를 달성합니다.작물 생산을 돕기 위해 CO2 배출량을 포착하고 재사용합니다.

4.1.3 프리미엄 품종의 고부가가치

재배 실험을 위한 다양한 고부가가치 품종을 육종하고, 재배 기술 전문가 데이터베이스를 구축하고, 재배 기술, 밀도 선택, 그루터기 배열, 품종 및 장비 적응성에 대한 연구를 수행하고 표준 재배 기술 사양을 형성하기 위해 실행 가능한 전략을 취해야 합니다.

4.2 산업 발전 전망

식물 공장은 자원과 환경의 제약을 제거하고 농업의 산업화된 생산을 실현하며 농업 생산에 종사할 새로운 세대의 노동력을 유치할 수 있습니다.중국 식물 공장의 핵심 기술 혁신과 산업화는 세계적 리더가 되고 있습니다.식물 공장 분야에서 LED 광원, 디지털화, 자동화 및 지능형 기술의 가속화된 적용으로 식물 공장은 더 많은 자본 투자, 인재 수집 및 더 많은 신에너지, 신소재 및 새로운 장비의 사용을 유치할 것입니다.이를 통해 정보기술과 설비·장비의 심층적 통합을 실현하고, 설비·장비의 지능화·무인화 수준을 향상시킬 수 있으며, 지속적인 혁신을 통해 시스템 에너지 소비와 운영비용을 지속적으로 절감하고, 전문 시장 육성, 지능형 식물 공장은 발전의 황금기를 맞이할 것입니다.

시장 조사 보고서에 따르면 2020년 전 세계 수직 농업 시장 규모는 29억 달러에 불과하며 2025년에는 전 세계 수직 농업 시장 규모가 300억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.요약하면, 식물 공장은 광범위한 응용 전망과 개발 공간을 가지고 있습니다.

저자: Zengchan Zhou, Weidong 등

인용 정보:식물공장 산업발전의 현황과 전망[J].농업 공학 기술, 2022, 42(1): 18-23.Zhou Zengchan, Wei Dong, Xiugang Li 등.


게시 시간: 2022년 3월 23일