基本介紹
- 中文名：植物工廠
- 定義：通過設施內高精度環境控制
- 概述：現代設施農業發展的高級階段
- 特徵：對植物生長環境因子的精確控制
概述,定義,歷史發展,分類,主要特徵,環境條件,產量,營養供給,光照管理,建造成本,研究意義,中國製造,工廠介紹,工廠特色,
概述
植物工廠是現代設施農業發展的高級階段，是一種高投入、高技術、精裝備的生產體系，集生物技術、工程技術和軟硬體系統技術於一體，使農業生產從自然生態束縛中脫離出來，按計畫周年不間斷進行植物產品生產的工廠化農業系統，是農業產業化進程中吸收套用高新技術成果最具活力和潛力的領域之一，代表著未來農業的發展方向。2009年9月7日，國內第一例以智慧型控制為核心的植物工廠研發成功，並在長春農博園投入運行，該植物工廠是國內首個科學研究型的植物工廠。2016年6月，中國科學院植物研究所和福建三安集團合資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單體面積最大（10000平方米）的全人工光型植物工廠，這也是我國第一個可以商業化運營的大型植物工廠，開創了我國“光生物產業”的先河。2017年8月，中科三安又成功實現了我國首棟5000平米大型中藥材全人工光植物工廠的產業化運營，其金線蓮的年產量與福建省金線蓮年產最高的南靖縣產量相當。
植物工廠立體水培生菜
植物工廠立體水培生菜定義
植物工廠（plant factory）的概念最早是由日本提出來的。植物工廠是通過設施內高精度環境控制實現農作物周年連續生產的高效農業系統，是利用計算機、電子感測系統、農業設施對植物生育的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養液等環境條件進行自動控制，使設施內植物生育不受或很少受自然條件制約的省力型生產。植物工廠是現代農業的重要組成部分，是科學技術發展到一定階段的必然產物，是現代生物技術、建築工程、環境控制、機械傳動、材料科學、設施園藝和計算機科學等多學科集成創新、知識與技術高度密集的農業生產方式。
歷史發展
1957年世界上第一家植物工廠 誕生在丹麥，1974年日本等國也逐步發展起來。美國猶他州立大學試驗用植物工廠種植小麥，全生育期不到2月，一年可收穫4－5次。 20世紀60年代初次進行植物工廠的試，並開始推。1964年奧地利開始試驗一種塔式植物工廠（高30米、面積5000平方米）。該國魯斯納公司的塔式植物工廠已在北歐、俄羅斯、中東國家採用。奧地利的一家番茄工廠，工作人員僅30人，平均日產番茄 13.7噸，生產 1公斤番茄耗電 9－10kw.h，成本只有露地的60%。1971年丹麥也建成了綠葉菜工廠，快速生產獨行菜、鴨兒芹、萵苣等。1974年日本建成一座電子計算機調控的花卉蔬菜工廠，該廠由1棟2層的樓房（830m）和兩棟栽培溫室（每棟800m）構成，一年內生產一至兩茬蔬果花卉，實現了周年生產。至1998年，日本已有用於研究展示、生產的植物工廠近四十個，其中生產用植物工廠17個。2004年，中國農業大學開發了利用嵌入網路式環境控制的人工光型密閉式植物工廠。2016年，福建省中科生物股份有限公司（中科三安）建成國際單體面積最大的全人工光植物工廠，實現植物工廠的產業化運營；2017年中科三安又成功實現了我國首例中藥材的全人工光型植物工廠生產，建築面積僅5000m的金線蓮生產車間，其年產量與福建省金線蓮年產最高的南靖縣產量相當。
植物工廠
植物工廠分類
按照不同的劃分方式，植物工廠可分為以下幾類：
1.根據建設規模可分為大型（5000m以上）、中型（1000~5000m）、小型（100~1000m）、微型（100m以下）四種；
2.根據生產功能可分為植物種苗工廠、葉菜、瓜果、花卉植物工廠，還有一部分大田作物、藥用植物、食用菌等；
3.從生產、研究對象的組織尺度上來說，植物工廠又可分為植物體生產型植物工廠、組培型植物工廠、細胞生產型植物工廠（光生物反應器）。
4.根據光能的利用方式可分為三種類型，即太陽光利用型植物工廠、全人工光利用型植物工廠、太陽光和人工光並用的綜合型植物工廠。其中，全人工光利用型植物工廠又稱為密閉式植物工廠，它是植物工廠發展的高級階段。廣義上來說，一切通過改變植物的生活環境的設施，包括大棚、溫室、種苗繁育箱等都屬於植物工廠概念範疇，但目前，比較習慣的分類方法是按照植物生長中最重要的條件之一光能來進行分類。
主要特徵
植物工廠的共同特徵是：有固定的設施；利用計算機和多種感測裝置實行自動化、半自動化對植物生長發育所需的溫度、濕度、光照強度、光照時間和CO2濃度進行自動調控；採用營養液栽培技術；產品的數量和質量大幅度提高。
環境條件
植物工廠一般要求一個等級不同的潔淨栽培空間，室內外空氣交換要通過帶有空氣過濾裝置的空調來實現，溫度、濕度、二氧化碳濃度數據都可通過內外的監視器獲得。植物工廠可以給植物提供合適生長環境的系統設備，分為蔬菜育苗和栽培兩部分。植物工廠以節能LED植物生長燈為光源，採用製冷—加熱雙向調溫控濕、光照—二氧化碳耦聯光合與氣肥調控、營養液線上檢測與控制等相互關聯的控制子系統，可實時對植物工廠的溫度、濕度、光照、氣流、二氧化碳濃度以及營養液等環境要素進行自動監控，實現智慧型化管理。通常情況下，葉用萵苣類植物工廠內的晝夜溫度在18~23℃，濕度在65%~75%。二氧化碳濃度根據不同植物的不同需求，一般在400~1 200ppm。
植物工廠
植物工廠產量
通過對植物生長環境的高精度控制，植物的生長几乎不受自然條件的制約，生長周期縮短。現在工廠內種植的生菜、小白菜等，20天左右就能收穫，而在露地栽培中則需要一個月到40天。除了生長周期短，空間利用率高和一年四季不間斷生產是植物工廠的重要特點，植物工廠具有立體栽培的優勢，栽培模組的層數隨著廠房的高度增加而增加。在中科三安的全人工光型植物工廠內，廠房內的栽培層數在10層內可調，每年可進行15-20次葉菜生產，單位面積產量相當於露地栽培的70~100倍。
營養供給
植物工廠採用循環流動的營養液來滿足植物的生長，不管何種類型的植物工廠，營養液栽培的基本原理都是將植物所需養分配置成科學合理的離子態營養液，通過輸送，滿足栽培作物的需求。營養液提供了植物生長所需的各種元素，包括氮磷鉀等大量元素及鐵錳鋅等微量元素，因此沒有必要使用土壤栽培。無土栽培的技術現在已經非常成熟，所栽培植物的生長比土培快很多，安全性的管控也更加有效。
植物工廠水培小白菜
植物工廠水培小白菜植物工廠的營養液配置、滅菌、輸送、回收都有專門的設施裝置、電子儀器來完成，可實現營養液定量、自動供應，可實時監控營養液濃度、成分、酸鹼度變化，通過自動補液，始終為植物創造最優的營養液環境；營養液的流動速度和溫度都保持在植物需要的適宜水平，以保證植物的最優勢生長。
光照管理
光照管理是植物工廠高效生產和成本降低的關鍵因素之一。在高精度環境控制的植物工廠中，LED照明作為新一代植物光源，它較傳統農業領域的人工光源，具有光量可調整、光質可調整、冷卻負荷低與允許提高單位面積栽培量等特點。在現代化農業的不斷發展和節能環保的需求下，LED植物照明將逐步替換目前使用的傳統螢光燈，成為植物生產過程中光環境調控的主要工具。
光環境的精準調控主要包含光譜、光照強度和光周期3個方面，也即是所謂的“光配方”。在太陽光中，只有5%左右的不同波長的光對光合作用產生影響，大量的光不能被植物利用，這與植物生長所需的必須光質種類是不連續的、有選擇性和可替代性有關。紅光、藍光是植物正常生長發育、完成生活史的必須光質，在紅藍光基礎上添加一些特殊光質成分可有效地促進農作物的增產或刺激藥用植物有效次生代謝物質的大量積累。在一定的光照強度範圍內，植物的光合速率隨光照強度的增加而加速。但也不是可以一味地提高光照強度，過高的光照一方面導致光抑制現象，影響產量和品質，另一方面也浪費了大量的電能，增加投資成本；在平衡產量、品質與能耗的關係上，往往要同時考慮光照強度和光照時間，針對每一種蔬菜或者每一個發育階段，滿足其每日的光需量。適宜的光照強度和光照時間在保證產量和節省成本方面能起到事半功倍的作用。
為了更好地促進植物的生長發育，以及提高產量、品質等特殊指標，通過定製的光配方來實現植物工廠內的光環境精準調控。根據植物的生長環境區別設計，選取對光合作用貢獻最大的光往往在提高光能利用效率和增產的同時，更節能。更為理想的“光配方”應該是在一個完全封閉的環境中，像工業生產一樣去種植作物。定製的“光配方”意味著更快的生長速度、更高的產量和更優秀的品質{生命世界2017.4}。
建造成本
商業化植物工廠的成本分為一次性投資、設備折舊、生產管理三個方面。植物工廠的投入成本與建設規模有關，根據我國首個商業化大型植物工廠（中科三安）的數據計算，建設1000m以下的小型植物工廠(包括內部裝修、設備、設施)，每平米的成本在15000元-20000元之間，建設5000-10000平米的中型植物工廠，每平米的成本在8000元-10000元，建設10000m以上的大型植物工廠，建設成本會下降至8000元/m以下。這裡需要特別指出，一些研究型植物工廠的成本無法為商業化建設運營成本提供準確參考。
在植物工廠的套用推廣方面，降低建設成本、開發新材料、利用新能源、提高產量、用高自動化設備降低人工使用數量都是未來植物工廠提質增效的重要途徑。
研究意義
植物工廠技術的突破將會解決人類發展面臨的諸多瓶頸，甚至可以實現在荒漠、戈壁、海島、水面等非可耕地，以及在城市的摩天大樓里進行正常生產。利用取之不盡的太陽能和其它各種清潔能源，加上一定的種子、水源和礦質營養，就可源源不斷地為人類生產所需要的農產品。因此被認為是21世紀解決糧食安全、人口、資源、環境問題的重要途徑，也是未來航天工程、月球和其他星球探索過程中實現食物自給的重要手段。
中國製造
福建省中科生物股份有限公司，創立於2015年，是中國科學院植物研究所所與福建三安集團共同發起的合資企業。公司總部位於福建省安溪縣，設有植物工廠研究院和植物工廠產業化基地。公司利用中科院植物所在植物科學領域的研發成果，結合三安集團旗下核心企業三安光電領先的LED光源技術，進行光生物技術產業轉化，套用於現代設施農業及生物製藥領域。公司設有光生物產業研究院，從事包括植物工廠技術開發在內的光生物技術套用研究，為光生物產業提供技術支撐。首個產業化基地位於安溪縣湖頭光電產業園區，是利用LED光譜技術，採用自動化環境控制及智慧型化裝備，在十萬級淨化廠房內進行植物工廠化種植，主要生產高品質的安全蔬菜、保健品及抗腫瘤等重大疾病醫藥中間體材料。
植物工廠水培冰菜
植物工廠水培冰菜工廠介紹
中科三安植物工廠產業化基地，是集工業製造、信息技術、光電技術、生物技術為一體的高科技現代設施農業。福建省中科生物股份有限公司植物工廠產業化項目整合了先進的自動化農業生產科技及領先的生長調節技術，以及高附加值的光生物栽培及提取技術，具有較高的技術含量和附加值。公司首個產業化基地設於安溪縣湖頭光電產業園區，基地占地500畝，利用LED光譜技術，採用自動化環境控制及智慧型化裝備，在十萬級淨化廠房進行植物工廠化種植，主要生產高品質的安全蔬菜、保健品、特種藥用植物生產及抗腫瘤等重大疾病醫藥中間體材料等。項目於2016年元月開工建設，首棟10000m植物工廠於2016年6月開始投產，目前該棟植物工廠已實現年產高品質蔬菜700多噸。首棟5000m金線蓮植物工廠2017年7月開始投產，可實現年產40噸金線蓮鮮品。
植物工廠里的金線蓮
植物工廠里的金線蓮工廠特色
項目完全依靠自主創新，在營養液栽培技術、立體式模組化智慧型裝備等方面取得了重大突破，相較歐美日的栽培裝置具有極大的技術、成本以及產能優勢，成功向國際市場輸出了具有企業自主智慧財產權的全球領先的系統裝備和相關技術。2016年底，公司設立北美分公司，致力於推動境外植物工廠的投建及境外企業的收併購計畫。同時，公司在高附加值的中草藥以及針對創新藥的原料生產加工也逐步開展，產業對促進福建省及至全國植物工廠建設具有顯著的示範與帶動效應。目前，產業化基地一期第二批藥用植物栽培工廠、二代植物工廠等3幢廠房陸續改造完成；公司2000m光生物產業實驗室於2017年初啟用，也為企業的行業技術中心建設及技術研發的深入推進創造了更為有利的條件。
