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【极智课堂】中科三安李晶:LED植物工厂及育苗的产业化

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-03-17 16:40   来源:中国半导体照明网  浏览次数:2277
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当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,中国半导体照明网、极智头条,在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰!
 
本期,我们邀请到中国科学院植物研究所植物工厂研发中心、福建省中科生物股份有限公司研究院博士李晶带来了“LED植物工厂及育苗的产业化”的精彩主题分享,以下为主要内容:
 
一、植物工厂是颠覆传统农业生产的高科技农业产业
 
植物工厂是光、温、湿、CO2及营养等生长环境条件全智能控制的植物高效稳定生产系统。
 
不受土地、土壤、气候等环境条件制约的周年连续生产形式。将现代生物技术、建筑工程、环境控制、材料科学、设施园艺和计算机、AI大数据等多学科集成创新、知识技术高度密集的农业生产方式。
 
植物工厂具有诸多特点,比如不依赖于土壤与气候环境条件,周年稳定生产供应,高食品安全保障与高洁净度,高产(空间利用率高),人工调控下的高产品品质,节省资源、环保,舒适的劳动环境。
 
植物工厂的发展也在满足国家战略需求,在减肥、减农药和减少灌溉用水上具有重要战略意义,用水肥减少90%,不使用农药。同时可以克服环境污染对植物生长的影响,保障食品安全,应对全球气候变化,比如气候变暖、自然灾害频发等。
 
二、植物工厂发展历程及发展现状
 
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植物工厂有半人工光形式和全人工光形式,LED植物工厂经历了几个发展阶段。
 
跑道式早年在日本发展比较好,模组式摒弃了钢结构,类似搭积木,搭建省人工,速度快,使用的材料是食品级的,保证蔬菜没有污染。自动化阶段,从播种到采收前都是无人化。
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日本、中国台湾是植物工厂比较早兴起的国家和地区,发展比较好,数量比较多,其他地区比如美国、欧洲等也有LED植物工厂在不断兴起。
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三、植物工厂关键要素
 
1.植物照明是植物工厂最关键的技术之一
 
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植物在不同发育阶段的光需存在差异,系统结合光强、光周期和光照方式等不同发育阶段的光环境提供适宜光配方。从下图中可以看出,合适的光配方可以显著提高产量。同时可以降低能耗。研究光对植物的产量,降低成本有非常重要的作用。
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2.营养液
 
矿质营养主要涉及大量元素、微量元素合理配比。要关注大循环、微循环,其中稳定性非常重要,因为稳定性直接影响植物的生长,在营养液的研发和使用过程中,要关注是否更加稳定,能否保证它的洁净程度。
 
3. 栽培管理
 
由于植物工厂特别的环境,植物工厂需要配套的栽培管理技术,实现生长迅速、产量高、品质好、能耗低的目的。
 
4. 环境控制
 
因为涉及到方方面面,温度、湿度、光照、CO2浓度。需要多装备、多学科融合才能达到良好的环境控制。
 
四、中科三安植物工厂
 
福建省中科生物股份有限公司由中科院植物所和三安集团于2015年共同发起,致力于LED植物工厂产业。
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建有国际上最大的(6000m2)光生物产业研究实验室
 
中科三安设有光生物产业研究院,拥有博士(12名)、硕士为主的160多名专职研究团队。研究院拥有18个大型植物生长箱,4个50m2植物生长室,10个20-30m2植物生长室,4个500m2特种药用植物室,19个30m2特种药用植物室,1500m2植物组培研究室。
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光生物产业研究实验室配备了良好的研究设备
 
设备93台套,>5万40台套,总原值超过2000万元,创新药物研究设备仍在继续购买中。
 
湖头研发中心仪器平台(384m2)
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研究院也得到了众多支持,其中政策支持方面,是2018年中科院“十三五”八十个重点培育方向之一,2018年中国科协12个领域60个重大科技难题之一,中科院“STS”重点项目以及“弘光专项”的支持。2016年福建省重点项目。
 
中科院植物所和三安集团也提供了技术支持,其中有院士工作站,植物所成立植物工厂技术委员会和研发中心,中科院光生物学重点实验室的光生物学技术优势,三安集团LED芯片发光的优势,以及从芯片、封装到成品的全产业链保障等。
 
植物专用光谱
 
开发出80余种专用光谱配方,涵盖科学研究和农业生产领域,针对不同植物不同生长阶段,开发不同光谱。
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专用营养液系列
 
营养液方面开发了生菜、冰菜、金线莲、十字花科、花卉专用、瓜果类专用的营养液。有助于产量高、花量大。
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产量和品质与栽培模式密切相关
 
对栽培模式不断的创新研究,能够实现产量更高,更节能的效果。
 
1.产量
 
从种子萌芽到采收35天,其中优雅生菜为110g(40天150 g),白梗小白菜为120g (40天180 g)。
 
2. 生产能耗
 
优雅生菜: 9kw/kg,白梗小白菜: 8kw/kg。
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CFD流体力学模拟的基础上精准控制环境
 
将计算机数据分析建立模型,然后对环境控制做模拟,将环境参数和大数据分析结合在一起,做环境模拟,通过模拟来调整厂房里的实际情况,保证环境控制稳定。
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植物工厂装备研发
 
模块式整合栽培系统ZKM1(PCT国际专利),革新了传统跑道式植物工厂。将水电集合在模组中,模组化设计能快速安装和拆卸(2个人30分钟),成本低(是传统跑道式装备的40%-50%)。已在很多国家进行销售,反响不错。
 
此外,中科三安开发了自动化栽培模组,目前已进入中试,预计今年底到明年初,正式产业化。
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植物专用灯具
 
开发出6大类40余种植物照明灯具,具有以下特点:
 
(1)灯具寿命长,光衰小,使用36000小时。
 
(2)材质耐用,重量轻;
 
(3)光效达2.1umol/J;
 
(4)安全可靠,产品通过CCC、CE或者ETL安全认证;
 
(5)散热好,灯具表面温度低;
 
(6)防护等级达IP65;
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中科生物植物专用灯具的特点与优势
 
(1)寿命长,光衰小,使用36000小时。
 
(2)材质耐用,重量轻;
 
(3)光效达 2.1umol/J;
 
(4)安全可靠,产品通过CCC、CE或者ETL安全认证;
 
(5)散热好,灯具表面温度低;
 
(6)防护等级达IP65;
 
(7)光分布均匀
 
光谱可调:大嘴鸟系列,适宜科研。
 
可定制任何光质的单色光专用灯具。
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植物工厂未来将向无人化、生产智能、管理智能、任务智能等方向发展。
 
中科三安的商业化LED植物工厂
 
从2016年起,每天生产1.5吨蔬菜,销售到周边超市、酒店、会员等。福建植物工厂供给厦门、泉州、福州。金寨植物工厂供给安徽及上海。美国拉斯维加斯的植物工厂供给附件赌场及酒店。其中,一万平米的厂房,位于福建安溪,首期5千平米,位于美国拉斯维加斯。
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药用植物的有机种植, 1.5万平米,位于福建安溪
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美国旧金山 福建安溪(研究)
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极端环境下的特殊运用
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4大类100余款植物专用/通用LED灯具
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五、LED植物工厂育苗
 
植物工厂育苗是在全封闭可控的环境,只使用人工光源,实现稳定、快速、高效的立体式育苗。是最先进的一种育苗方式。
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全人工光型工厂化育苗
 
2019年5月,首栋产业化的育苗植物工厂在山西省长治市投产,包括2000m2的育苗植物工厂。
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为什么开展植物工厂育苗
 
(1)最佳的生长环境,生长速度快,节省成本。壮苗,缓苗快、植株健壮、结果早;
 
(2)全年稳定、高效的育苗;
 
(3)立体栽培:容积率高,育苗量大;
 
(4)不受外界环境的影响,应对频发的自然灾害;
 
(5)减少肥料、灌溉用水;
 
(6)无病虫害,不使用农药、不传染病害;
 
(7)不使用激素;
 
(8)就近育苗,减少运输;
 
植物工厂育苗重要技术及装备
 
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全人工光植物工厂育苗的特点
 
环境优良可控,植株长势好,生长迅速,长势旺盛,无徒长,根系发达,缓苗时间短,
 
定植后生长快速,结果快。
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育苗
 
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植物工厂种苗质量评价
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节本增效途径
 
(1)优良的设计,减少建筑投资,比如厂房、暖通、动力、能源回收,高容积率,高效率,低能耗。
 
(2)降低照明能耗,LED代替高压钠灯、专用光谱+高效节能灯具、最佳的光照策略。
 
(3)环境控制,专业的环境调控策略,最优的环境控制参数,提高产能,降低能耗。
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(4)快速生长,质量好提早出苗,提早结果;壮苗。
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(5)减少劳动力,比如播种、移动、日常管理,提高机械化和自动化,优良的育苗模组设计。
 
(6)嫁接苗,高价值苗
 
六、未来趋势
 
植物工厂装备角度,走向低成本、高自动化,高集约化。多学科融合,将现代生物技术、设施园艺、建筑工程、环境控制、材料科学和大数据融合,低成本,高效率。
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植物专用光谱开发与灯具
 
密闭环境下,光谱和灯具好,效益才能更好,长势更好,成本更低。需要针对药用植物和特种药用植物、经济作物、植物补光等开发光谱与专用灯具。
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开发植物工厂作物生产新种类及其高产优质生产技术
 
比如瓜果与茄果类蔬菜,食用花卉,果树(蓝莓与草莓),药用植物(霍山石斛、人参、三七)等。
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植物工厂专用蔬菜品种育种
 
目前植物工厂没有特别的专用品种,很多品种都是拿温室的,或相关的一些品种拿过来,在植物工厂使用,需要开发专用的育种品种来,需要的是长势更快,品质更好,但是对抗病性的要求没有那么高。需要开发一些专门的适合植物工厂的品种。
 
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(文字根据直播内容编辑整理,略有删减,更多详细内容请参考直播内容)
 
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