요약: 최근 현대 농업기술의 지속적인 탐구와 함께 식물공장 산업도 급속히 발전하고 있다. 본 논문에서는 식물공장 기술과 산업발전의 현황과 기존 문제점, 발전대책을 소개하고, 향후 식물공장의 발전 동향과 전망을 기대한다.

1. 중국 및 해외 식물공장의 기술개발 현황

1.1 해외 기술개발 현황

21세기 이후 식물공장 연구는 주로 광효율 향상, 다층 입체 재배 시스템 장비 제작, 지능형 관리 및 제어 연구개발에 집중되어 왔다. 21세기에는 농업용 LED 광원의 혁신이 진전되어 식물 공장에서 LED 에너지 절약형 광원을 적용하는 데 중요한 기술 지원을 제공했습니다. 일본 치바대학교는 고효율 광원, 에너지 절약형 환경 제어, 재배 기술 분야에서 수많은 혁신을 이루었습니다. 네덜란드 Wageningen University는 작물 환경 시뮬레이션과 동적 최적화 기술을 사용하여 식물 공장용 지능형 장비 시스템을 개발하여 운영 비용을 크게 절감하고 노동 생산성을 크게 향상시켰습니다.

최근 몇 년 동안 식물 공장에서는 파종, 육묘, 이식, 수확까지 생산 과정의 반자동화를 점차 실현하고 있습니다. 일본, 네덜란드, 미국 등이 고도의 기계화, 자동화, 지능화를 앞세워 수직농업과 무인작전 방향으로 발전하고 있다.

1.2 중국의 기술개발 현황

1.2.1 식물공장 인공조명용 LED 광원 및 에너지 절약형 응용 기술 장비

식물공장에서 다양한 식물종을 생산하기 위한 특수 적색, 청색 LED 광원이 속속 개발되고 있다. 전력 범위는 30~300W이고 조사 광도는 80~500μmol/(m2·s)입니다. 이는 적절한 임계값 범위, 광 품질 매개변수로 광도를 제공하여 고효율 효과를 달성할 수 있습니다. 에너지 절약 및 식물 성장 및 조명 요구에 적응. 광원 방열 관리 측면에서 광원 팬의 능동 방열 설계가 도입되어 광원의 감쇠율을 줄이고 광원의 수명을 보장합니다. 또한, 양액이나 물 순환을 통해 LED 광원의 열을 감소시키는 방법도 제안된다. 광원 공간 관리 측면에서는 묘목 단계 및 후기 단계의 식물 크기 진화 법칙에 따라 LED 광원의 수직 공간 이동 관리를 통해 식물 캐노피를 가까운 거리에서 조명할 수 있으며 에너지 절약 목표는 다음과 같습니다. 달성. 현재 인공조명 공장 광원의 에너지 소비는 식물 공장 전체 운영 에너지 소비의 50~60%를 차지할 수 있다. LED는 형광등에 비해 에너지를 50% 절감할 수 있지만, 여전히 에너지 절약과 소비 저감에 대한 연구의 가능성과 필요성이 남아있습니다.

1.2.2 다층 3차원 재배 기술 및 장비

다층 입체재배의 층간격이 형광등을 LED로 대체하여 줄어들어 식물 재배의 입체적 공간 활용 효율이 향상됩니다. 재배단 바닥의 디자인에 관한 많은 연구가 있다. 돌출된 줄무늬는 난류를 생성하도록 설계되어 식물 뿌리가 영양 용액의 영양분을 고르게 흡수하고 용존 산소 농도를 높이는 데 도움이 될 수 있습니다. 식민지화 보드를 사용하면 두 가지 식민지화 방법, 즉 다양한 크기의 플라스틱 식민지화 컵 또는 스폰지 주변 식민지화 모드가 있습니다. 슬라이딩식 재배 베드 시스템이 등장했으며, 식재판과 그 위에 있는 식물을 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 수동으로 밀어 넣을 수 있어 재배 베드 한쪽 끝에서 심고 다른 쪽 끝에서 수확하는 생산 모드가 실현됩니다. 현재 영양액막기술과 심액흐름기술을 바탕으로 다양한 3차원 다층무토양 재배 기술 및 장비가 개발되어 있으며, 딸기의 기질재배, 잎채소 및 화훼의 에어로졸 재배에 대한 기술 및 장비가 개발되어 있다. 생겨났습니다. 언급된 기술은 빠르게 발전했습니다.

1.2.3 양액순환 기술 및 장비

일정 기간 동안 영양 용액을 사용한 후에는 물과 미네랄 요소를 추가해야 합니다. 일반적으로 새로 제조되는 영양액의 양과 산염기 용액의 양은 EC와 pH를 측정하여 결정됩니다. 영양 용액에 있는 큰 침전물 입자나 뿌리 박리물은 필터로 제거해야 합니다. 양분 용액의 뿌리 삼출물은 수경재배에서 지속적인 자르기 장애를 피하기 위해 광촉매 방법으로 제거할 수 있지만 양분 가용성에는 특정 위험이 있습니다.

1.2.4 환경제어 기술 및 장비

생산공간의 공기청정도는 식물공장의 공기질을 나타내는 중요한 지표 중 하나입니다. 동적 조건에서 식물공장 생산 공간의 공기 청정도(부유 입자 및 침전 박테리아 지표)를 100,000 이상 수준으로 제어해야 합니다. 물질 소독 투입, 출입 인원 에어 샤워 처리, 신선한 공기 순환 공기 정화 시스템(공기 여과 시스템)은 모두 기본적인 안전 장치입니다. 생산 공간 내 공기의 온도와 습도, CO2 농도, 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 공기 흐름 속도를 균등하게 제어하여 높은 공간 균일성을 달성하고 공장 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 다양한 공간적 위치에 있습니다. 온도, 습도, CO2 농도 조절 시스템과 신선한 공기 시스템이 순환 공기 시스템에 유기적으로 통합되어 있습니다. 세 가지 시스템은 공기 덕트, 공기 흡입구 및 공기 배출구를 공유하고 팬을 통해 전력을 공급하여 공기 흐름 순환, 여과 및 소독, 공기 품질 업데이트 및 균일성을 실현해야 합니다. 이는 식물 공장의 식물 생산에 해충과 질병이 없고 살충제가 필요하지 않음을 보장합니다. 동시에 캐노피 내 성장 환경 요소의 온도, 습도, 기류 및 CO2 농도의 균일성이 식물 성장 요구를 충족하도록 보장됩니다.

2. 식물공장산업의 발전현황

2.1 해외 플랜트공장산업 현황

일본에서는 인공조명식물공장의 연구개발과 산업화가 상대적으로 빠르며 선도적인 수준에 있다. 2010년 일본 정부는 기술 연구개발과 산업 실증을 지원하기 위해 500억 엔을 투자했습니다. 치바대학, 일본식물공장연구회 등 8개 기관이 참여했다. Japan Future Company는 일일 생산량이 3,000개에 달하는 식물 공장의 첫 번째 산업화 실증 프로젝트를 수행 및 운영했습니다. 2012년 식물공장 생산원가는 700엔/kg이었다. 2014년에는 미야기현 타가성에 현대식 공장 공장이 완공되어 하루 10,000개 식물을 생산하는 세계 최초의 LED 식물 공장이 되었습니다. 2016년부터 일본 LED 플랜트 공장이 산업화의 빠른 속도로 진입하며 손익분기점 또는 흑자 기업이 속속 등장했다. 2018년에는 하루 생산능력이 5만~10만개에 달하는 대규모 식물공장이 속속 등장하며, 글로벌 식물공장은 대규모, 전문화, 지능화 발전을 향해 발전하고 있다. 동시에 도쿄전력, 오키나와전력 등에서도 식물공장 투자를 시작했다. 2020년 일본 식물공장에서 생산되는 상추의 시장점유율은 전체 상추시장의 약 10%를 차지할 전망이다. 현재 가동 중인 250개 이상의 인공광형 식물공장 중 20%는 적자 단계, 50%는 손익분기점, 30%는 흑자 단계에 있으며, 양상추, 허브, 묘목.

네덜란드는 식물공장용 태양광과 인공조명 복합응용기술 분야에서 고도의 기계화, 자동화, 지능화, 무인화 기술을 갖춘 실질적인 선두주자로서, 현재는 강력한 기술과 장비를 수출하고 있습니다. 중동, 아프리카, 중국 및 기타 국가에 제품을 공급합니다. American AeroFarms 농장은 미국 뉴저지 주 뉴어크에 위치하고 있으며 면적은 6500m2입니다. 주로 야채와 향신료를 재배하며 생산량은 연간 약 900톤이다.

AeroFarms의 수직 농업

미국 플렌티컴퍼니(Plenty Company)의 수직농장 식물 공장은 LED 조명과 높이 6m의 수직 식재 프레임을 채택했다. 식물은 화분의 측면에서 자랍니다. 중력 급수에 의존하는 이 식재 방법은 추가 펌프가 필요하지 않으며 기존 농업보다 물 효율성이 더 높습니다. Plenty는 그의 농장이 기존 농장의 350배에 달하는 생산량을 달성하면서도 물은 1%만 사용한다고 주장합니다.

수직농업 식물공장, 플렌티컴퍼니

2.2 중국의 식물공장 산업현황

2009년에는 장춘농업박람원에 지능형 제어를 핵심으로 하는 중국 최초의 생산 공장이 건설되어 가동에 들어갔습니다. 건축 면적은 200m2이며, 식물 공장의 온도, 습도, 빛, CO2, 양액 농도 등 환경 요소를 실시간 자동 모니터링하여 지능형 관리를 실현할 수 있습니다.

2010년에는 베이징에 Tongzhou Plant Factory가 설립되었습니다. 주요 구조는 총 건축 면적이 1289m2인 단층 경강 구조를 채택했습니다. 이는 항공모함 모양으로 현대 농업의 가장 진보된 기술을 향해 항해하는 데 앞장서는 중국 농업을 상징합니다. 엽채류 생산의 일부 작업에 대한 자동화 설비를 개발하여 식물공장의 생산 자동화 수준과 생산 효율을 향상시켰습니다. 식물 공장은 지열 열 펌프 시스템과 태양광 발전 시스템을 채택하여 식물 공장의 높은 운영 비용 문제를 더 잘 해결합니다.

통주공장 내부 및 외부전경

2013년 산시성 양링농업첨단기술시범구에 많은 농업기술회사가 설립됐다. 건설·운영 중인 식물공장 프로젝트의 대부분은 농업첨단시범단지에 위치해 있어 주로 대중과학 시연과 레저관광에 활용된다. 이들 대중과학 식물공장은 기능적 한계로 인해 산업화가 요구하는 높은 수율과 고효율을 달성하기 어렵고, 향후 산업화의 주류 형태로 자리잡기도 어려울 것이다.

2015년 중국의 주요 LED 칩 제조업체는 중국과학원 식물학연구소와 협력하여 식물공장 회사 설립에 공동으로 착수했습니다. 광전자 산업에서 '광생물학' 산업으로 넘어오면서 중국 LED 제조사들이 산업화 과정에서 식물공장 건설에 투자하는 선례가 됐다. 식물 공장은 등록 자본금 1억 위안으로 과학 연구, 생산, 시연, 인큐베이션 및 기타 기능을 통합하는 신흥 광생물학 분야에 산업 투자를 하기 위해 최선을 다하고 있습니다. 2016년 6월, 지상 3층 건물 연면적 3,000㎡, 재배면적 10,000㎡ 이상의 식물공장을 완공하고 가동에 들어갔다. 2017년 5월까지 일일 생산량은 잎채소 1,500kg으로 하루 상추 15,000그루에 해당합니다.

이 회사의 견해

3. 식물공장 발전의 문제점과 대책

3.1 문제점

3.1.1 높은 건설비용

식물공장은 폐쇄된 환경에서 작물을 생산해야 합니다. 따라서 외부 유지관리 구조물, 공조 시스템, 인공광원, 다층 재배 시스템, 양액 순환, 컴퓨터 제어 시스템 등을 포함한 지원 프로젝트 및 장비 구축이 필요하다. 건설 비용이 상대적으로 높습니다.

3.1.2 높은 운영 비용

식물 공장에 필요한 대부분의 광원은 LED 조명에서 나오며, 이는 다양한 작물의 성장에 적합한 스펙트럼을 제공하면서 많은 전력을 소비합니다. 식물공장의 생산과정에서 공조, 환기, 물펌프 등의 설비도 전기를 소모하므로 전기요금이 막대한 비용이 듭니다. 통계에 따르면, 식물공장의 생산비 중 전력비가 29%, 인건비가 26%, 고정자산 감가상각비가 23%, 포장 및 운송비가 12%, 생산자재가 10%를 차지한다.

식물공장 생산원가 내역

3.1.3 낮은 수준의 자동화

현재 적용되는 식물공장은 자동화 수준이 낮고, 묘목, 이식, 밭파종, 수확 등의 공정이 여전히 수작업을 필요로 하여 인건비가 많이 든다.

3.1.4 재배할 수 있는 작물의 제한된 품종

현재 식물공장에 적합한 작물의 종류는 매우 제한적이며, 주로 빠르게 자라며 인공광원을 쉽게 받아들이고 캐노피가 낮은 녹색 잎채소를 중심으로 합니다. 복잡한 식재 요구 사항(예: 수분이 필요한 작물 등)의 경우 대규모 식재를 수행할 수 없습니다.

3.2 개발 전략

식물공장 산업이 직면한 문제점을 고려하여 기술, 운영 등 다방면의 연구가 필요하다. 현재의 문제점에 대한 대책은 다음과 같습니다.

(1) 식물공장의 지능형 기술 연구를 강화하고, 집중적이고 정교한 관리 수준을 향상시킨다. 지능형 관리 및 제어 시스템의 개발은 식물공장의 집중적이고 정교한 관리를 달성하는데 도움이 되며, 이를 통해 인건비를 크게 절감하고 노동력을 절약할 수 있습니다.

(2) 연간 고품질, 고수율 달성을 위해 집약적이고 효율적인 식물공장 기술장비를 개발한다. 식물공장의 지능화 수준을 향상시키기 위한 고효율 재배 시설 및 장비, 에너지 절약형 조명 기술 및 장비 등의 개발은 연간 고효율 생산 실현에 도움이 됩니다.

(3) 약용식물, 건강관리식물, 희귀채소 등 고부가가치 식물에 대한 산업적 재배기술 연구를 수행하고, 식물공장에서 재배되는 작물의 종류를 늘리며, 수익채널을 확대하고 수익원점을 개선한다. .

(4) 가정용 및 상업용 식물공장에 대한 연구를 수행하고, 식물공장의 종류를 풍부화하며, 다양한 기능으로 지속적인 수익성을 달성합니다.

4. 식물공장의 발전 동향 및 전망

4.1 기술개발 동향

4.1.1 전체 프로세스 지능화

작물-로봇 시스템의 기계-예술 융합 및 손실 방지 메커니즘, 고속의 유연하고 비파괴적인 식재 및 수확 엔드 이펙터, 분산 다차원 공간 정확한 위치 지정 및 다중 모드 다중 기계 공동 제어 방법을 기반으로, 고층 식물공장의 무인화, 효율적, 비파괴 파종 - 지능형 로봇과 파종-수확-포장 등 지원장비를 만들어 전 과정의 무인화를 실현해야 한다.

4.1.2 생산 관리를 더욱 스마트하게

광복사, 온도, 습도, CO2 농도, 양액의 양액 농도, EC에 대한 작물 생장 및 발달의 반응 메커니즘을 기반으로 작물 환경 피드백의 정량적 모델을 구축해야 합니다. 엽채류 생명정보와 생산환경변수를 동적으로 분석하기 위한 전략적 핵심모델을 구축해야 한다. 환경의 온라인 동적 식별 진단 및 프로세스 제어 시스템도 구축되어야 합니다. 대용량 수직 농업 공장의 전체 생산 과정에 대한 다중 기계 협업 인공 지능 의사 결정 시스템을 구축해야 합니다.

4.1.3 저탄소 생산 및 에너지 절약

태양광, 풍력 등 신재생에너지원을 활용하여 송전을 완료하고 에너지 소비를 제어하여 최적의 에너지 관리 목표를 달성하는 에너지 관리 시스템을 구축합니다. 작물 생산을 돕기 위해 CO2 배출을 포집하고 재사용합니다.

4.1.3 프리미엄 품종의 높은 가치

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 위한 실현 가능한 전략을 취해야 합니다.

4.2 산업 발전 전망

식물공장은 자원과 환경의 제약을 없애고 농업의 산업화된 생산을 실현하며 농업 생산에 종사할 새로운 세대의 노동력을 유치할 수 있습니다. 중국 식물공장의 핵심 기술혁신과 산업화는 세계적 리더로 거듭나고 있다. 식물공장 분야에서 LED 광원 적용, 디지털화, 자동화, 지능형 기술의 가속화로 식물공장은 더 많은 자본 투자, 인재 수집, 더 많은 신에너지, 신소재, 신장비 사용을 유치할 것입니다. 이를 통해 정보기술과 시설 및 장비의 심층적인 통합을 실현하고, 시설 및 장비의 지능화, 무인화 수준을 향상시키며, 지속적인 혁신을 통해 시스템 에너지 소비 및 운영비용을 지속적으로 절감하고, 점진적인 전문 시장 육성, 지능형 식물 공장 개발의 황금기를 맞이할 것입니다.

시장조사 보고서에 따르면 2020년 세계 수직농업 시장 규모는 29억 달러에 불과하며, 2025년에는 세계 수직농업 시장 규모가 300억 달러에 이를 것으로 예상된다. 요약하면, 식물공장은 광범위한 응용 전망과 개발 공간을 가지고 있습니다.

저자: Zengchan Zhou, Weidong 등

인용 정보:식물공장산업 발전현황과 전망 [J]. 농업공학기술, 2022, 42(1): 18-23.작성자: Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li 외.