Abstrak: Ing taun-taun pungkasan, kanthi eksplorasi teknologi pertanian modern sing terus-terusan, industri pabrik tanduran uga saya maju kanthi cepet. Makalah iki ngenalake status quo, masalah sing ana lan langkah-langkah penanggulangan pangembangan teknologi pabrik tanduran lan pangembangan industri, lan ngarep-arep tren pangembangan lan prospek pabrik tanduran ing mangsa ngarep.

1. Status pangembangan teknologi saiki ing pabrik-pabrik ing Tiongkok lan ing luar negeri

1.1 Status quo pangembangan teknologi manca negara

Wiwit abad kaping 21, riset pabrik tanduran utamane fokus ing peningkatan efisiensi cahya, nggawe peralatan sistem budidaya telung dimensi multi-lapisan, lan riset lan pangembangan manajemen lan kontrol cerdas. Ing abad kaping 21, inovasi sumber cahya LED pertanian wis nggawe kemajuan, nyedhiyakake dhukungan teknis sing penting kanggo aplikasi sumber cahya hemat energi LED ing pabrik tanduran. Universitas Chiba ing Jepang wis nggawe sawetara inovasi ing sumber cahya efisiensi dhuwur, kontrol lingkungan hemat energi, lan teknik budidaya. Universitas Wageningen ing Walanda nggunakake simulasi lingkungan tanduran lan teknologi optimasi dinamis kanggo ngembangake sistem peralatan cerdas kanggo pabrik tanduran, sing nyuda biaya operasi lan nambah produktivitas tenaga kerja kanthi signifikan.

Ing taun-taun pungkasan, pabrik-pabrik wis mboko sithik nyadari semi-otomatisasi proses produksi wiwit saka nyebar, ngingu bibit, mindhah, lan panen. Jepang, Walanda, lan Amerika Serikat ana ing garis ngarep, kanthi tingkat mekanisasi, otomatisasi, lan intelijensi sing dhuwur, lan lagi berkembang menyang arah pertanian vertikal lan operasi tanpa awak.

1.2 Status pangembangan teknologi ing Tiongkok

1.2.1 Piranti teknologi aplikasi sumber cahya LED khusus lan hemat energi kanggo cahya buatan ing pabrik

Sumber cahya LED abang lan biru khusus kanggo produksi macem-macem spesies tanduran ing pabrik tanduran wis dikembangake siji-siji. Dayane antara 30 nganti 300 W, lan intensitas cahya iradiasi yaiku 80 nganti 500 μmol/(m2•s), sing bisa nyedhiyakake intensitas cahya kanthi kisaran ambang sing cocog, parameter kualitas cahya, kanggo entuk efek hemat energi efisiensi dhuwur lan adaptasi karo kabutuhan pertumbuhan lan cahya tanduran. Babagan manajemen disipasi panas sumber cahya, desain disipasi panas aktif saka kipas sumber cahya wis dikenalake, sing nyuda tingkat peluruhan cahya sumber cahya lan njamin umur sumber cahya. Kajaba iku, metode kanggo nyuda panas sumber cahya LED liwat larutan nutrisi utawa sirkulasi banyu diusulake. Babagan manajemen ruang sumber cahya, miturut hukum evolusi ukuran tanduran ing tahap tunas lan tahap sabanjure, liwat manajemen gerakan ruang vertikal sumber cahya LED, kanopi tanduran bisa dipadhangi saka jarak cedhak lan tujuan hemat energi bisa digayuh. Saiki, konsumsi energi saka sumber cahya pabrik lampu buatan bisa nyumbang 50% nganti 60% saka total konsumsi energi operasi pabrik. Sanajan LED bisa ngirit energi 50% dibandhingake karo lampu fluoresen, isih ana potensi lan kabutuhan riset babagan penghematan energi lan pangurangan konsumsi.

1.2.2 Teknologi lan peralatan budidaya telung dimensi multi-lapis

Celah lapisan budidaya telung dimensi multi-lapisan dadi luwih cilik amarga LED ngganti lampu neon, sing ningkatake efisiensi pemanfaatan ruang telung dimensi saka budidaya tanduran. Ana akeh panliten babagan desain dhasar bedengan budidaya. Garis-garis sing diangkat dirancang kanggo ngasilake aliran turbulen, sing bisa mbantu oyot tanduran nyerep nutrisi ing larutan nutrisi kanthi rata lan nambah konsentrasi oksigen sing larut. Nggunakake papan kolonisasi, ana rong metode kolonisasi, yaiku cangkir kolonisasi plastik kanthi ukuran sing beda-beda utawa mode kolonisasi perimeter spons. Sistem bedengan budidaya sing bisa digeser wis muncul, lan papan tanduran lan tanduran ing ndhuwure bisa didorong kanthi manual saka siji ujung menyang ujung liyane, nyadari mode produksi nandur ing salah siji ujung bedengan budidaya lan panen ing ujung liyane. Saiki, macem-macem teknologi lan peralatan budidaya tanpa tanah multi-lapisan telung dimensi adhedhasar teknologi film cair nutrisi lan teknologi aliran cairan jero wis dikembangake, lan teknologi lan peralatan kanggo budidaya substrat stroberi, budidaya aerosol sayuran godhong lan kembang wis muncul. Teknologi sing kasebut wis berkembang kanthi cepet.

1.2.3 Teknologi lan peralatan sirkulasi larutan nutrisi

Sawisé larutan nutrisi digunakaké sajrone wektu tartamtu, perlu ditambahaké banyu lan unsur mineral. Lumrahé, jumlah larutan nutrisi sing mentas disiyapake lan jumlah larutan asam-basa ditemtokake kanthi ngukur EC lan pH. Partikel sedimen utawa pengelupasan oyot sing gedhé ing larutan nutrisi kudu diilangi nganggo filter. Eksudat oyot ing larutan nutrisi bisa diilangi nganggo metode fotokatalitik kanggo nyegah alangan tanam sing terus-terusan ing hidroponik, nanging ana risiko tartamtu ing kasedhiyan nutrisi.

1.2.4 Teknologi lan peralatan kontrol lingkungan

Kebersihan udara ing ruang produksi minangka salah sawijining indikator penting kualitas udara pabrik. Kebersihan udara (indikator partikel sing melayang lan bakteri sing mapan) ing ruang produksi pabrik ing kahanan dinamis kudu dikontrol nganti tingkat ndhuwur 100.000. Input disinfeksi bahan, perawatan pancuran udara personel sing mlebu, lan sistem pemurnian udara sirkulasi udara seger (sistem filtrasi udara) kabeh minangka perlindungan dhasar. Suhu lan kelembapan, konsentrasi CO2 lan kecepatan aliran udara ing ruang produksi minangka konten penting liyane saka kontrol kualitas udara. Miturut laporan, nyetel peralatan kayata kothak pencampuran udara, saluran udara, saluran udara lan saluran udara bisa ngontrol suhu lan kelembapan, konsentrasi CO2 lan kecepatan aliran udara ing ruang produksi kanthi rata, supaya bisa entuk keseragaman spasial sing dhuwur lan nyukupi kabutuhan pabrik ing macem-macem lokasi spasial. Sistem kontrol suhu, kelembapan lan konsentrasi CO2 lan sistem udara seger diintegrasikan kanthi organik menyang sistem sirkulasi udara. Telung sistem kasebut kudu nuduhake saluran udara, saluran mlebu lan saluran metu udara, lan nyedhiyakake daya liwat kipas kanggo nggayuh sirkulasi aliran udara, filtrasi lan disinfeksi, lan nganyari lan keseragaman kualitas udara. Iki njamin manawa produksi pabrik ing pabrik bebas saka hama lan penyakit, lan ora perlu aplikasi pestisida. Ing wektu sing padha, keseragaman suhu, kelembapan, aliran udara lan konsentrasi CO2 saka unsur lingkungan pertumbuhan ing kanopi dijamin bisa nyukupi kabutuhan pertumbuhan tanduran.

2. Status Pengembangan Industri Pabrik

2.1 Status quo industri pabrik pabrik asing

Ing Jepang, riset, pangembangan, lan industrialisasi pabrik lampu buatan relatif cepet, lan ana ing tingkat sing unggul. Ing taun 2010, pamrentah Jepang ngluncurake 50 milyar yen kanggo ndhukung riset, pangembangan teknologi lan demonstrasi industri. Wolung institusi kalebu Universitas Chiba lan Asosiasi Riset Pabrik Tanaman Jepang melu. Perusahaan Masa Depan Jepang nindakake lan ngoperasikake proyek demonstrasi industrialisasi pertama saka pabrik pabrik kanthi output saben dina 3.000 pabrik. Ing taun 2012, biaya produksi pabrik pabrik kasebut yaiku 700 yen/kg. Ing taun 2014, pabrik pabrik modern ing Kastil Taga, Prefektur Miyagi rampung, dadi pabrik pabrik LED pertama ing donya kanthi output saben dina 10.000 pabrik. Wiwit taun 2016, pabrik pabrik LED wis mlebu jalur industrialisasi sing cepet ing Jepang, lan perusahaan sing impas utawa nguntungake wis muncul siji-sijine. Ing taun 2018, pabrik-pabrik pabrik skala gedhe kanthi kapasitas produksi saben dina 50.000 nganti 100.000 pabrik muncul siji-siji, lan pabrik-pabrik pabrik global berkembang menyang pembangunan skala gedhe, profesional, lan cerdas. Ing wektu sing padha, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power, lan bidang liyane wiwit nandur modal ing pabrik-pabrik pabrik. Ing taun 2020, pangsa pasar selada sing diprodhuksi dening pabrik-pabrik pabrik Jepang bakal nyumbang udakara 10% saka kabeh pasar selada. Saka luwih saka 250 pabrik pabrik tipe cahya buatan sing saiki beroperasi, 20% ana ing tahap rugi, 50% ana ing tingkat titik impas, lan 30% ana ing tahap nguntungake, sing nglibatake spesies tanduran budidaya kayata selada, jamu, lan bibit.

Walanda minangka pimpinan donya ing babagan teknologi aplikasi gabungan cahya surya lan cahya buatan kanggo pabrik, kanthi tingkat mekanisasi, otomatisasi, intelijen, lan ora ana wong sing kerja, lan saiki wis ngekspor sakumpulan teknologi lan peralatan lengkap minangka produk sing kuwat menyang Timur Tengah, Afrika, China, lan negara liya. Kebon American AeroFarms dumunung ing Newark, New Jersey, AS, kanthi jembar 6500 m2. Utamane nandur sayuran lan rempah-rempah, lan output udakara 900 ton/taun.

Pertanian vertikal ing AeroFarms

Pabrik tanduran pertanian vertikal saka Plenty Company ing Amerika Serikat nggunakake lampu LED lan pigura tanduran vertikal kanthi dhuwur 6 m. Tanduran thukul saka sisih pot. Gumantung karo penyiraman gravitasi, cara nandur iki ora mbutuhake pompa tambahan lan luwih efisien banyu tinimbang pertanian konvensional. Plenty ngaku yen pertaniane ngasilake output 350 kali lipat saka pertanian konvensional nalika mung nggunakake 1% banyu.

Pabrik tanduran pertanian vertikal, Perusahaan Plenty

2.2 Status industri pabrik ing Tiongkok

Ing taun 2009, pabrik produksi pertama ing Tiongkok kanthi kontrol cerdas minangka inti dibangun lan dioperasikake ing Taman Expo Pertanian Changchun. Jembar bangunan 200 m2, lan faktor lingkungan kayata suhu, kelembapan, cahya, CO2 lan konsentrasi larutan nutrisi saka pabrik kasebut bisa dipantau kanthi otomatis kanthi wektu nyata kanggo nggayuh manajemen cerdas.

Ing taun 2010, Pabrik Tongzhou dibangun ing Beijing. Struktur utama nggunakake struktur baja ringan lapisan tunggal kanthi total area konstruksi 1289 m2. Bentuke kaya kapal induk, nglambangake pertanian Tiongkok sing mimpin pelayaran menyang teknologi pertanian modern sing paling canggih. Peralatan otomatis kanggo sawetara operasi produksi sayuran godhong wis dikembangake, sing wis ningkatake tingkat otomatisasi produksi lan efisiensi produksi pabrik. Pabrik kasebut nggunakake sistem pompa panas sumber lemah lan sistem pembangkit listrik tenaga surya, sing luwih apik ngatasi masalah biaya operasi sing dhuwur kanggo pabrik kasebut.

Pemandangan njero lan njaba Pabrik Pabrik Tongzhou

Ing taun 2013, akeh perusahaan teknologi pertanian sing diadegake ing Zona Demonstrasi Teknologi Tinggi Pertanian Yangling, Provinsi Shaanxi. Umume proyek pabrik pabrik sing lagi dibangun lan dioperasikake dumunung ing taman demonstrasi teknologi tinggi pertanian, sing utamane digunakake kanggo demonstrasi ilmu pengetahuan populer lan wisata rekreasi. Amarga watesan fungsine, angel kanggo pabrik-pabrik pabrik ilmu pengetahuan populer iki kanggo entuk asil sing dhuwur lan efisiensi sing dibutuhake dening industrialisasi, lan bakal angel kanggo dadi bentuk industrialisasi utama ing mangsa ngarep.

Ing taun 2015, produsen chip LED utama ing Tiongkok kerja sama karo Institut Botani Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok kanggo miwiti bareng madege perusahaan pabrik. Perusahaan iki wis pindah saka industri optoelektronik menyang industri "fotobiologis", lan wis dadi preseden kanggo produsen LED Tiongkok kanggo nandur modal ing pambangunan pabrik pabrik ing industrialisasi. Pabrik Pabrike setya nggawe investasi industri ing fotobiologi sing lagi berkembang, sing nggabungake riset ilmiah, produksi, demonstrasi, inkubasi, lan fungsi liyane, kanthi modal terdaftar 100 yuta yuan. Ing wulan Juni 2016, Pabrik Pabrik iki kanthi bangunan 3 lantai sing jembaré 3.000 m2 lan area budidaya luwih saka 10.000 m2 wis rampung lan dioperasikake. Ing Mei 2017, skala produksi saben dina bakal dadi 1.500 kg sayuran godhong, padha karo 15.000 tanduran selada saben dina.

Pandangan babagan perusahaan iki

3. Masalah lan langkah-langkah penanggulangan sing diadhepi pangembangan pabrik

3.1 Masalah

3.1.1 Biaya konstruksi sing dhuwur

Pabrik-pabrik tanduran kudu ngasilake panen ing lingkungan sing ditutup. Mulane, perlu dibangun proyek lan peralatan pendukung kalebu struktur perawatan eksternal, sistem AC, sumber cahya buatan, sistem budidaya multi-lapisan, sirkulasi larutan nutrisi, lan sistem kontrol komputer. Biaya konstruksine relatif dhuwur.

3.1.2 Biaya operasi sing dhuwur

Sebagéan gedhé sumber cahya sing dibutuhake pabrik asalé saka lampu LED, sing ngonsumsi akèh listrik nalika nyedhiyakake spektrum sing cocog kanggo tuwuhing macem-macem tanduran. Peralatan kaya ta AC, ventilasi, lan pompa banyu ing proses produksi pabrik uga ngonsumsi listrik, mula tagihan listrik minangka biaya sing gedhé banget. Miturut statistik, ing antarane biaya produksi pabrik, biaya listrik nyumbang 29%, biaya tenaga kerja nyumbang 26%, penyusutan aset tetep nyumbang 23%, kemasan lan transportasi nyumbang 12%, lan bahan produksi nyumbang 10%.

Rincian biaya produksi kanggo pabrik

3.1.3 Tingkat otomatisasi sing kurang

Pabrik sing digunakake saiki nduweni tingkat otomatisasi sing kurang, lan proses kayata bibit, transplantasi, nandur ing lapangan, lan panen isih mbutuhake operasi manual, sing nyebabake biaya tenaga kerja sing dhuwur.

3.1.4 Macem-macem tanduran sing bisa ditandur winates

Saiki, jinis tanduran sing cocog kanggo pabrik tanduran isih winates banget, utamane sayuran godhong ijo sing cepet thukul, gampang nampa sumber cahya buatan, lan nduweni kanopi sing cendhek. Tandur skala gedhe ora bisa ditindakake kanggo syarat tanduran sing kompleks (kayata tanduran sing kudu diserbuki, lan liya-liyane).

3.2 Strategi Pangembangan

Ngelingi masalah sing diadhepi industri pabrik, perlu ditindakake riset saka macem-macem aspek kayata teknologi lan operasi. Kanggo nanggepi masalah saiki, langkah-langkah penanggulangane yaiku kaya ing ngisor iki.

(1) Nguatake riset babagan teknologi cerdas pabrik lan ningkatake tingkat manajemen intensif lan sing wis disempurnakake. Pangembangan sistem manajemen lan kontrol cerdas mbantu entuk manajemen pabrik sing intensif lan sing wis disempurnakake, sing bisa nyuda biaya tenaga kerja lan ngirit tenaga kerja.

(2) Ngembangake peralatan teknis pabrik sing intensif lan efisien kanggo entuk kualitas dhuwur lan panen sing dhuwur saben taun. Pangembangan fasilitas lan peralatan budidaya sing efisien, teknologi lan peralatan lampu hemat energi, lan liya-liyane, kanggo ningkatake tingkat cerdas pabrik, kondusif kanggo realisasi produksi efisiensi dhuwur saben taun.

(3) Nindakake riset babagan teknologi budidaya industri kanggo tanduran sing nduweni nilai tambah dhuwur kayata tanduran obat, tanduran perawatan kesehatan, lan sayuran langka, nambah jinis tanduran sing ditandur ing pabrik tanduran, ngembangake saluran keuntungan, lan ningkatake titik wiwitan keuntungan.

(4) Nindakake riset babagan pabrik kanggo keperluan rumah tangga lan komersial, ngayakake jinis pabrik, lan entuk bathi sing terus-terusan kanthi macem-macem fungsi.

4. Tren lan Prospek Pengembangan Pabrik

4.1 Tren Pangembangan Teknologi

4.1.1 Intelektualisasi proses lengkap

Adhedhasar mekanisme fusi mesin-seni lan pencegahan kerugian saka sistem tanaman-robot, efektor pungkasan tanduran lan panen sing fleksibel lan ora ngrusak kecepatan tinggi, posisi akurat ruang multi-dimensi sing disebar lan metode kontrol kolaboratif multi-mesin multi-modal, lan panyebaran tanpa awak, efisien lan ora ngrusak ing pabrik pabrik dhuwur - Robot cerdas lan peralatan pendukung kayata tanduran-panen-pengemasan kudu digawe, saengga bisa nggayuh operasi tanpa awak saka kabeh proses.

4.1.2 Nggawe kontrol produksi luwih cerdas

Adhedhasar mekanisme respon pertumbuhan lan perkembangan tanduran marang radiasi cahya, suhu, kelembapan, konsentrasi CO2, konsentrasi nutrisi larutan nutrisi, lan EC, model kuantitatif umpan balik lingkungan tanduran kudu dibangun. Model inti strategis kudu digawe kanggo nganalisis informasi urip sayuran godhong lan parameter lingkungan produksi kanthi dinamis. Diagnosis identifikasi dinamis online lan sistem kontrol proses lingkungan uga kudu digawe. Sistem pengambilan keputusan kecerdasan buatan kolaboratif multi-mesin kanggo kabeh proses produksi pabrik pertanian vertikal volume dhuwur kudu digawe.

4.1.3 Produksi karbon rendah lan penghematan energi

Nggawe sistem manajemen energi sing nggunakake sumber energi terbarukan kayata surya lan angin kanggo ngrampungake transmisi daya lan ngontrol konsumsi energi kanggo entuk target manajemen energi sing optimal. Nangkep lan nggunakake maneh emisi CO2 kanggo mbantu produksi panen.

4.1.3 Nilai dhuwur saka varietas premium

Strategi sing bisa ditindakake kudu ditindakake kanggo ngembangake macem-macem varietas sing nduweni nilai tambah dhuwur kanggo eksperimen tanduran, mbangun database ahli teknologi budidaya, nindakake riset babagan teknologi budidaya, pemilihan kapadhetan, pengaturan tunggul, adaptasi varietas lan peralatan, lan mbentuk spesifikasi teknis budidaya standar.

4.2 Prospek pangembangan industri

Pabrik-pabrik pabrik bisa nyingkirake kendala sumber daya lan lingkungan, nggayuh produksi pertanian industri, lan narik kawigaten generasi tenaga kerja anyar kanggo melu produksi pertanian. Inovasi teknologi lan industrialisasi utama pabrik-pabrik pabrik China dadi pimpinan donya. Kanthi aplikasi sumber cahya LED sing cepet, digitalisasi, otomatisasi, lan teknologi cerdas ing bidang pabrik, pabrik-pabrik pabrik bakal narik kawigaten investasi modal sing luwih akeh, pangumpulan bakat, lan panggunaan energi anyar, bahan anyar, lan peralatan anyar sing luwih akeh. Kanthi cara iki, integrasi teknologi informasi lan fasilitas lan peralatan sing jero bisa diwujudake, tingkat fasilitas lan peralatan sing cerdas lan tanpa awak bisa ditingkatake, pangurangan konsumsi energi sistem lan biaya operasi sing terus-terusan liwat inovasi sing terus-terusan, lan budidaya pasar khusus sing bertahap, pabrik-pabrik pabrik cerdas bakal nggawa periode emas pembangunan.

Miturut laporan riset pasar, ukuran pasar pertanian vertikal global ing taun 2020 mung US$2,9 milyar, lan diarepake ing taun 2025, ukuran pasar pertanian vertikal global bakal tekan US$30 milyar. Ringkesane, pabrik-pabrik duwe prospek aplikasi lan ruang pengembangan sing amba.

Pengarang: Zengchan Zhou, Weidong, lsp

Informasi kutipan:Kahanan Saiki lan Prospek Pangembangan Industri Pabrik [J]. Teknologi Teknik Pertanian, 2022, 42(1): 18-23.dening Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.