Aграрно производство в контролирана среда

Как можем да използваме иновативни производствени системи, за да снабдим нарастващото население на света със здравословна, питателна и устойчиво произведена храна? Понастоящем повечето сезонни селскостопански продукти все още могат да се произвеждат рентабилно в обикновена оранжерия или на полето. В същото време обаче продължава концентриране на населението в градовете, съчетано със съвременни особености в потреблението на храна и поставени цели за по-рационално ползване на ресурсите. Тези процеси показват необходимост от развитие и адаптиране на нови технологии в затворени системи, които да превърнат вертикалното земеделие и отглеждането на храна в контролирана среда в печеливши бизнес модели, удовлетворяващи бъдещото търсене на храна.

Текст: списание АгроБио Техника

Постигането на глобална продоволствена сигурност чрез нови системи за селскостопанско производство е една от основните задачи на бъдещето. Според прогнозата на ООН броят на градските жители ще се увеличи с един милиард и ще достигне 5,2 милиарда души до 2030 година. Дотогава около 60% от населението на света ще живее в градовете. 

Голяма част от тях е малко вероятно да имат достъп до прясна храна, произведена в региона.
Тенденцията на урбанизация поставя сложни предизвикателства пред настоящите селскостопански системи. Следователно са необходими решения за това как самите градове могат да допринесат повече за предлагането. В този контекст земеделието на закрито се утвърди като визионерски модел в трансформацията към по-устойчиво земеделие.

Независимост от външните условия и ресурси

Много експерти виждат отделянето на производството на храни от почвата и външните климатични влияния като лост за осигуряване на достатъчно доставки за населението в градовете в бъдеще. Логично е част от селскостопанската продукция да се премести в градовете и да се отглеждат култури там, където ще се консумират. Но земята в градските райони е ценна и покривните повърхности вече са заети до голяма степен от фотоволтаици и строителни съоръжения, така че върху тях не може да се практикува устойчиво земеделие в мащаба, който има в момента обработваемата земя. Следователно фермите в градовете в бъдеще ще увеличават площта си като се разрастват по-скоро на височина, а не хоризонтално.

Земеделието може да стане и градско

Градското земеделие набира популярност в градовете по света и с него настъпи революция в начина, по който мислим за селското стопанство. Това ново явление трансформира селското стопанство от традиционния модел на селско земеделие към иновативен, устойчив подход към производството на храни в градовете. Тъй като повече хора осъзнават предимствата на градското земеделие, като достъп до местно отглеждани продукти, повишена екологична устойчивост и засилен местен икономически растеж, тенденцията със сигурност ще продължи.

Посявайки семената на промяната, градското земеделие трансформира селското стопанство, каквото го познаваме. Хората в градовете ще могат да вземат в свои ръце поне част от производството на пресни зеленчуци за своята трапеза, ще могат да контролират качествата им и ще имат бърз достъп до тях, без да зависят от сложни вериги на доставки. Както споменахме вече, в градската среда отглеждането ще върви нагоре.

Вертикално земеделие

Ключовата дума тук е вертикално земеделие, което е концепцията за отглеждане на храна на няколко етажа. Културите се отглеждат при контролирани условия на околната среда. Това става възможно благодарение на технологиите за земеделие в контролирана околната среда. За да бъдете независими от времето и сезона с такава самостоятелна „оранжерия“ на няколко етажа, е необходимо интегрирането на иновативни технологии.

Тук важна роля играят професионалните LED системи за осветление на растенията и климатичните системи, които могат да се използват за контролиране на температурата и влажността. Корените на растенията обикновено не растат в земята, а в хидропонни системи, през които тече вода, обогатена с хранителни вещества. Задачата е да се координират техническите системи така, че всяко отделно растение да намери своите оптимални условия за отглеждане.

В такава затворена система може да се спести до 95% от потреблението на вода в сравнение с полската култивация. Има и други предимства - вертикалното земеделие създава ново пространство за отглеждане в градска среда и също така съкращава транспортните маршрути и разходите за енергия, оставяйки по-малък въглероден отпечатък. Енергийната ефективност е изключително важна за икономическата жизнеспособност на вертикалното земеделие.

На това предизвикателство може да се отговори, например с енергоспестяващи и дълготрайни светодиоди, които излъчват точно светлинните честоти, от които растенията се нуждаят за фотосинтеза. В допълнение към осветлението и напояването, технологията за контрол на климата също играе решаваща роля. Интелигентни решения, които използват отпадна топлина и повишават енергийната ефективност, също могат да бъдат интегрирани.

Силата на контейнерното отглеждане

Гъвкав подход към осигуряване на производство близо до потреблението е контейнерното отглеждане. По света вече се използват такива технологии, например GreenBox, iFarm и Bustanica. Отвън съоръженията са с размерите на нормален транспортен контейнер, но вътре има ферма. Благодарение на най-съвременната технология за автоматизация, мобилните решения за вертикално земеделие доставят пресни и местно отгледани салати, билки или кореноплодни зеленчуци през цялата година при всякакви климатични условия.

По този начин те разширяват възможностите за отглеждане на култури и пренасят производството на храни в гъсто населените градски райони, като правят това с по-малко вода и торове в сравнение с конвенционалното полско отглеждане. Това важи и за най-голямата вертикална ферма в света, разположена близо до Дубай на Арабския полуостров. Тя доставя около три тона листни зеленчуци на ден на компания за кетъринг, обслужваща повече от 100 авиокомпании. За целта растенията се отглеждат на няколко етажа едно върху друго. За да наблюдавате растежа холистично, много променливи трябва да бъдат измервани и управлявани. Ключът към това е цифровизацията.

Мониторинг и контрол

Системите на закрито осигуряват напълно контролируема среда, независеща от времето, където всички желани климатични условия могат да бъдат непрекъснато наблюдавани и оптимизирани. За да могат затворените системи за култивиране да реализират пълния си потенциал, те се нуждаят от системи за автоматизация, които комбинират интелигентни контролери и сензори.

Фокусът на интереса е все повече върху контрола на процесите и събирането на данни, които стават все по-сложни в затворените системи за култивиране. Добър пример за това е хидропонното напояване, което изисква оптимизирано управление на хранителните вещества. Както надвишаването, така и по-ниското ниво спрямо оптималното, ще доведе до повреда или пълна загуба на реколтата.
Модерното оборудване за контрол и надеждните решения за напояване гарантират, че точното количество вода и хранителни вещества се използват възможно най-ефективно в точното време.

За тази цел се предлагат решения базирани на изкуствен интелект (AI), интелигентна сензорна технология и иновативна роботика, което ще позволи създаване на цялостна инфраструктура за наблюдение. Използват се различни устройства като се започне от разходомери за вода, дозатори на хранителни вещества, сензори за налягане на водата, и се стигне до сонди за проводимост за проверка на минералната концентрация и сензори за регулиране на налягането на помпите.

Решения за автоматизация

Вертикалното земеделие поставя високи изисквания към автоматизацията, тъй като растенията растат в многоетажни метални стелажи с височина до десет метра. Всяка линия има голям брой I/О (вход/изход) сигнали на отделните етажи, които трябва да бъдат насочени към системата за управление. При тези условия дизайнът на конвенционалната система изисква значителни усилия за програмиране и интегриране. За разлика от това, например свързването на всички измервателни уреди чрез технологията IO-Link е по-ефективно. Такива полеви модули не само намаляват сложността на контрола върху процеса.

Те също така предоставят повече данни от всеки сензор, намалявайки общата нужда от сензори. Пускането в експлоатация на линията от физическото окабеляване или безжичното свързване на сензорите до интегрирането и програмирането става много по-ефективно.
Поради това опериращите компании имат възможността да свържат управлението на водата, климатичния контрол и енергийния мениджмънт на оранжерията чрез централен компютър. Нещо повече: процесите и системите за култивиране могат да бъдат мащабирани добре и бъдещи проекти могат да бъдат реализирани по-лесно, съкращавайки времето до пускане в експлоатация.

Гъвкавост на транспортните системи

Най-новите технологии от автоматизацията на веригата за доставки също предлагат огромна гъвкавост. Системите за обработка на стоки или транспорт без шофьор могат да бъдат оптимално конфигурирани за процесите и помещенията във вертикалното земеделие, както и за вида и отглеждането на растенията. Совалковите системи могат да преместват стелажи с плочи за отглеждане по такъв начин, че нуждите на растенията от вода, хранителни вещества и светлина да се задоволяват денонощно, улеснявайки покълването, наблюдението, грижите и прибирането на реколтата.

Системата за отглеждане на закрито OrbiPlant, разработена от Институт за молекулярна биология и приложна екология Фраунхофер, също използва такъв метод на автоматизация. Селскостопанските продукти не се отглеждат конвенционално на полето, а вместо това вертикално в рамките на контролирани, затворени системи, за да се използва възможно най-добре ограничената селскостопанска площ в градските региони. Системата OrbiPlant се основава на собствена технология за вертикално отглеждане и поставя нови стандарти за ефективно и рентабилно отглеждане на растения на закрито.

Автоматизираното пилотно съоръжение в град Аахен култивира както годни за консумация, така и лечебни растения в рамките на площ от 24кв.м. В сравнение с други методи за вертикално земеделие на закрито, OrbiPlant предлага редица новости, свързани с процеса. Той използва интегрирана вълнообразна конвейерна система, която фиксира растенията и непрекъснато ги премества.
Получава се въртене на растенията, което ги принуждава постоянно да се пренареждат в гравитационното поле на Земята.

Този орбитален ефект задейства производството на растителни хормони, които стимулират клетъчния растеж и водят до по-голямо натрупване на биомаса. Освен това системата разполага с аеропонна напоителна система, при която корените на растенията са във въздуха и се пръскат с вода и хранителни вещества. Модулната LED технология осигурява идеално излагане на светлина, докато допълнителното обогатяване с CO₂ повишава както качеството, така и добива.

Събиране и управление на данни

За доброто управление е необходимо събиране на данни, мониторинг и анализ. Стартиращи и компании с опит в земеделието в контролирана среда отделят специално внимание на аспектите, които правят производството им на закрито интелигентно. Ето какво споделя Педро Силва, директор софтуер и IoT в основаната през 2013г. компания Infarm, разработила система за вертикално земеделие на закрито: „Сто милиарда е броят точки, от които сме събрали данни“.

Но откъде е всичко това? Събират се сензорни данни от всяко растение няколко пъти всяка минута. Те правят това с помощта на своята модулна софтуерна платформа, която следи, контролира и управлява цялата им свързана с облака земеделска мрежа. Тя позволява да записват данни за температура, влажност, CO₂ и pH, както и данни за инвентара и приходите.

Защо се събират тези данни? Казано просто, това помага на компаниите да растат по-добре. С постоянния поток от данни може по-ефективно да се използват ресурси като пространство, вода, торове, CO₂ и енергия, като едновременно резултатите за продукцията са подобрени. Събраните данни се анализират, интерпретират, визуализират и обогатяват, за да се вземат правилните управленски решения.

Модулност и интегриране

Системите са модулни и фермите се поставят в различни градски локации, ориентирани към клиентите, като хранителни магазини, ресторанти, търговски центрове и училища, като по този начин позволяват на крайния клиент действително сам да избира продукцията. Система е проектирана да бъде безкрайно мащабируема - вие просто добавяте повече модули, ако пространството позволява и всичко е базирано на облак. Това означава, че фермите могат да бъдат наблюдавани и контролирани от контролен център. Той е управляван от данни, комбинация от IoT, Big Data и облачни анализи.

Всяка земеделска единица е индивидуална екосистема, създаваща точната среда, от която растенията се нуждаят. Чрез интелигентните системи могат да се разработят рецепти за отглеждане, които приспособяват светлинния спектър, температурата, pH и хранителните вещества, така че да се осигури максимално естествено развитие на всяко растение по отношение на вкус, цвят и хранителни качества. Системите могат да се управляват дистанционно от централната система за управление, за да се осигури правилният светлинен спектър, температура, рН и нива на хранителни вещества за културите.

Автоматизирано управление от всяка точка

Подобно на Infarm, компанията Freight Farms дава решение Farmhand за 24/7 наблюдение, контрол, автоматизация и планиране на фермата. Таблото за управление ви дава пълна картина на това, което се случва във вашата ферма, показвайки текущите условия в контейнерната ферма заедно със снимки от камери. Лесните за преглед данни за фермата и простите превключващи контроли улесняват дистанционното включване и изключване на компонентите на фермата, всичко това от комфорта на вашия дом, офис или шезлонг край басейна.

В случай на непланирано събитие или погрешно отчитане на сензора, Farmhand ще ви изпрати известие. В този момент можете да видите всички данни в реално време чрез приложението и да направите необходимите корекции. Проследява се и ефективността. Производителността не се отнася само до добиви, също така ви е необходимо да знаете колко ефективни са вашите операции, когато става въпрос за използване на вода и електричество. Приложението ви дава тази представа и е ключът към измерването на устойчивостта на вашата цялостна система.

Очаквани тенденции

Земеделието на закрито в контролирана среда ще допълни доставката на здравословна и богата на витамини храна в обозримо бъдеще. Когато говорим за отглеждане в контролирана среда, вертикалното земеделие е може би най-позната иновативна форма на такава земеделска практика. Заедно с него обаче, сила набират и технологии като клетъчно земеделие, аквапоника, производство на растителни, микробни и клетъчни алтернативни протеини, водорасли и насекоми, които също са в сектора на земеделието в контролирана среда.

Заедно с новите технологии, ние все още се нуждаем от производство на открито и в оранжерии. Силните страни на затворените селскостопански системи се проявяват главно там, където конвенционалните методи на селското стопанство достигат своите граници. Разгледаните примери показват, че визията за отглеждане на закрито може да се реализира рентабилно само по интердисциплинарен начин - с комбинация от наука, производствени технологии и бизнес.

С нарастващата нужда от устойчиво и ефективно производство на храни, земеделието в контролирана среда представя обещаващи решения за бъдещето. Чрез иновации като вертикалното земеделие, автоматизацията и IoT технологиите, производството на храни може да бъде значително подобрено, като отговори на изискванията на бързо разрастващите се градове и същевременно намали екологичния отпечатък.

Градското земеделие, контейнерното отглеждане и интелигентните системи за мониторинг на ресурси като вода и енергия позволяват създаването на по-устойчиви модели за хранителна сигурност. Така тези технологии не само осигуряват свежи и питателни храни на населението, но също така демонстрират как една визионерска концепция може да трансформира традиционното земеделие, като съчетае научен и технологичен напредък с устойчиви бизнес модели. С комбинирането на открито и затворено производство, се отварят нови хоризонти за земеделие, което ефективно използва ресурсите и е насочено към бъдещите нужди на обществото