中科生物植物工厂关键技术科技创新和产业化.pdf

06 特别策划 Specially Curated 中科生物植物工厂关键技术科技 创新和产业化 文 李阳 温室彩椒 责编 杨平 07 中国农村科技 2023 年 2 月 党的二十大报告提出 要加强企业主导的产学 研深度融合 强化目标导向 提高科技成果转化和 产业化水平 在加快科技成果转化 促进面向国家 重大需求和国民经济主战场的技术研发工作方面 中国科学院一直在 率先行动 2015 年中国科 学院植物研究所联合福建三安集团 发挥各自在植 物学领域与光电技术领域的特长 创立了福建省中 科生物股份有限公司 以下简称 中科生物 利用 LED 光谱技术应用于植物生命科学领域 致 力于植物工厂的科技创新和产业化 经过 7 年的发展 中科生物已走在了探索与自 主创新植物工厂技术前列 已成为唯一一家具备从 植物工厂科技创新到产业化推广全产业链的高新技 术企业 在植物工厂生产系统与装备 植物生产专 用光谱与照明灯具 植物专用营养液与稳定性调控 和生产模式与专用新品种育种等方面进行了重大创 新和产业化 中科生物创制了模块式整合栽培生产系统 无 人化垂直农业生产系统 节能免分栽植物工厂自动 生产系统 室内多层育苗系统 集装箱植物工厂和 家庭式植物工厂系统等植物工厂成套装备 其中 模块式整合栽培生产系统采用全新的模组化工业设 计理念 革新了传统跑道式栽培装备 解决了其成 本高和搭建复杂的难题 成为全球首套运用于中大 型植物工厂的台套化装备 获得德国 红点奖 和 中 国设计智造大奖铜奖 已出口 28 个国家和地区 创制出全球首套无人植物工厂生产系统 实现了从 播种 育苗 分栽 生产 采收到包装及栽培设备 的清洗等植物生产全过程的自动化和无人化 解决 了已有的植物工厂劳动力成本高且需求量大导致的 生产成本居高不下的难题 获 第一届中国农业机 器人创新大赛 一等奖 开发出第一代植物工厂多 层育苗系统 建成了国内首个大型人工光多层育苗 工厂 实现高品质种苗标准化生产 开发出的能源 自给型集装箱式植物工厂已经列装我国西部某军 区 2018 年首次在海拔超过 4300 米的无人区安全 一 植物工厂关键技术创新 一 创制了模块式整合栽培生产系统 无人 化垂直农业生产系统等成套装备 模块式整合栽培生产系统 模块式整合栽培生产系统 越冬 为边防哨所 海岛和荒漠等环境极端恶劣地 区的边防部队周年生产蔬菜 中科生物开发出不同植物生长发育的 80 余种 专用光谱和光环境调控技术 包括生菜 白菜等叶 菜类育苗与生产 番茄 甜椒 黄瓜等瓜果类蔬菜 育苗与生产 食用花卉与蓝莓等花果生产 金线莲 霍山石斛等药用植物生产 水稻 玉米 小麦等农 作物生长发育 温室蔬菜 花卉 农作物和瓜果补 光生产等光配方 基于光配方技术 结合LED优势 实现 50 余种植物照明产品的量产 形成了凤凰 大嘴鸟 飞燕 火烈鸟和云雀等 5 大系列植物照明 产品 光环境调控技术以及 LED 植物照明技术处 于国际领先地位 基于专用光配方开发的植物照明 灯具产品已应用到 34 个国家和地区 二 光环境调控技术以及 LED 植物照明技术 引领行业发展 08 特别策划 Specially Curated 温条件的连续开花结果 一年 2 至 3 次采收 蓝莓 实现一年四季在任何需要的时间向市场提供新采收 的果实 产量高 果实大 品质好 打破了蓝莓一 年只进行一季采收的经济生产的传统模式 成为今 后植物工厂的一个全新发展方向 首次建立了可大规模产业化的立体式 潮汐式 的集约化育苗体系 已经应用到茄果类 番茄 辣 椒 甜椒 茄子 瓜类 黄瓜 西瓜 甜瓜 西 葫芦 架豆 大葱 樱桃萝卜 不结球白菜 西 兰花 火龙果 百香果等作物的育苗 育苗时间比 传统育苗缩短 1 3 1 2 其中黄瓜成苗 13 天 传统 育苗 23 25 天 番茄成苗 20 天 传统育苗约 50 天 甜 辣 椒成苗 28 天 传统育苗 40 50 天 且生产成本与传统温室育苗方式基本相当 中科生物首次建立了药用植物金线莲植物工厂 生产技术体系 在育苗方面 革新了传统组培茎段 培养和固体培养基培养的生产模式 创造了金线莲 胚状体成苗体系和液体组培技术 胚状体成苗技术 中科生物开发出不同植物生长发育的 6 大类 10 余种通用型及专用型的植物水培营养液配方和调控 技术 包括满足生菜 小白菜等叶菜类蔬菜 番茄 黄瓜 甜辣椒等果菜类蔬菜 冰菜 酸模等特菜 金线莲 霍山石斛等药用植物 花卉类和蓝莓等果 树类的营养液配方 开发出相应的植物工厂营养液 商用产品 叶菜类蔬菜水培营养液的生产效果明显 优于传统配方及市场竞品 原创性突破植物生产技术和栽培模式 实现从 生菜和白菜种子从萌发到采收 35 天达到单株 120 克的产量 生菜 小白菜公斤耗电量低于 8 千瓦时 远低于国际植物工厂生菜公斤耗电量10 12千瓦 时 开发出果菜类蔬菜植物工厂栽培技术 坐果量 大 产量高 每年每平方米占地面积可收获黄瓜超 过 250 千克 樱桃番茄 100 千克 甜椒 120 千克 且品质优 黄瓜可溶性固形物含量高于 4 樱桃 番茄和甜椒高于 9 开发蓝莓植物工厂专用配套 栽培技术 首次实现蓝莓在植物工厂中无需使用低 三 生产技术居国际植物工厂领先水平 植物照明系列产品 09 中国农村科技 2023 年 2 月 四 建立植物工厂育种加速技术体系 育成 首个植物工厂专用的生菜品种 二 植物工厂技术成果 三 植物工厂产业化 一 建成了全国面积最大 植物工厂类型和 种植品种最多的植物工厂生产示范基地 为获得科研成果的知识产权保护 中科生物已 申请涵盖植物工厂装备 植物专用光谱技术与灯具 营养液技术 栽培技术等领域的专利成果 511 件 含发明专利和实用新型专利分别为241件和220件 为进一步保护核心专利在主要市场国家的权益 扩 展申请了美国 欧盟 日本等国外专利 220 件 含 65项PCT 截至目前 已累计获得授权专利370件 其中国内发明专利和实用新型专利分别为 57 件和 210 件 国外发明专利 58 件 中科生物自主研发的植物工厂装备和技术已出 口到欧美亚澳等国家和地区 已成为国际上植物工 中科生物在福建省泉州市安溪县建设了占地面 积200亩的植物工厂生产示范基地 2016年利用 公司自己研发的模块式整合栽培生产系统装备 建 成了全球首个建筑面积 1 万平方米的大型商业化蔬 菜植物工厂 进行生菜的生产与销售 探索我国植 物工厂蔬菜生产的盈利模式 这一植物工厂的建 成标志着我国的植物工厂真正由示范阶段进入了产 业化阶段 之后 团队陆续建成了全球首个商业 化烹饪类蔬菜 2017 年 商业化食用花卉 2017 年 商业化药用植物 2017年 等植物工厂 植物产品在商超 高档饭店与宾馆销售 同时建立 了示范推广性质的果菜类蔬菜植物工厂 2019年 蓝莓植物工厂 2020 年 茶叶植物工厂 2020 年 集装箱植物工厂 2017年 和无人化垂直 农业生产系统植物工厂 2018 年 商业化生产 与示范植物工厂在国内外产生了重要影响 共有国 内外 1700 多批 3 万余人次来基地参观学习 促进 了全球植物工厂产业的快速发展 金线莲工厂化生产技术在生产中的应用 利用植物工厂优势 中科生物通过精准控制光 质与光照时间 调节不同作物生长阶段的营养液浓 度 设定最佳环境温度与湿度 缩短作物营养生长 期和加速其进入生殖生理状态 并实现尽早开花 创造出全新的植物工厂育种加速器 植物工厂育种 加速器适宜于所有的作物种类 能克服南繁基地仅 适宜夏季作物且需异地种植的缺陷 与传统室外或 温室育种相比 主要作物由每年繁殖 1 2 代增加到 每年 3 4 代 植株生长周期缩短 15 20 种子 采收周期缩短40 50 并且通过两年多的努力 在 2020 年育成 2 个不烧心 不焦边 生长速度快 产量高的生菜新品种 已申请 DUS 保护 这也 成为首例利用植物工厂育种加速器育成的作物新品 种 一年扩繁系数较传统技术提高 23 倍 液体组培体 系组培 4 个月植株单株鲜重提高 30 以上 6 个月 超过 50 种植时清洗效率提高 30 开发出了全 新的金线莲植物工厂种植技术及大规模产业化的生 产系统 所生产的金线莲生长速度快 产品功能性 化合物含量高 金线莲苷和总黄酮含量比产地其他 传统生产的 20 家企业平均高约 50 且不同批次 产品含量稳定 目前 该技术已应用到国际上最大 的商业化药用植物工厂内 实现规模化生产 厂系统解决方案的重要供应商 是一家在国际植物 工厂领域有重大影响力的光生物产业企业 10 特别策划 Specially Curated 的局面 2016年项目团队建成全球首个1万平方 米植物工厂 植物工厂科技创新和产业化成果引起 社会的广泛关注 获得中科院 科技部和当地政府 的大力支持 植物工厂成功突破关键技术 并成为 新兴前沿技术 中科生物先后通过知识产权贯标和 两化融合管理体系认证 获得了 国家高新技术企 业 福建省科技小巨人领军企业 福建省科技 型企业 福建省院士工作站 福建省智能制造 示范企业 博士后科研工作站 福建省植物工 厂工程研究中心 泉州市院士示范工作站 和 新 型研发机构 等荣誉称号 促进了我国植物工厂装 备与关键技术跃居国际领跑地位 提高了装备产品 技术的国际竞争力 近几年 成果在全球范围内推 广 在行业内形成巨大的示范效应 产生了显著的 社会效益与间接经济效益 作者单位 中国科学院植物研究所 四 植物工厂产业化产生的影响 中科生物的植物工厂成套装备与生产关键技术 创新成果得到大规模推广应用 极大地推动了我国 乃至全球植物工厂产业的快速发展 为解决土地资 源紧缺 环境污染与食品安全等问题 提供了全新 途径 也为未来保障我国大粮食安全开辟出重要的 发展方向 在装备和技术方面 团队创新成果的应 用 一改我国早期植物工厂 2009 年我国建成首 个试验性质的 100m 2 LED 植物工厂 完全依赖进口 西藏集装箱植物工厂 二 代表中国先进植物工厂技术的装备技术 出口多个发达国家和地区 中科生物还致力于服务国防后勤保障的国家战 略需求 2018 年能源自供型集装箱植物工厂安装 在我国海拔超过 4300 米的边防站 首次实现了特 高海拔地区的蔬菜周年生产 2019 年启动 陆军 机关暖心惠兵样板工程 一批集装箱植物工厂已 在国内 中科生物研发的模块式整合栽培生产 系统的植物工厂已在 25 个省 市 自治区 推广 应用 如 2016 年利用自主研发的装备和技术建成 全球单体面积最大的1万平方米植物工厂 日产 1 8 吨无农药 无重金属污染的高品质蔬菜 成为 了 2017 年金砖国家领导人厦门会晤餐宴的唯一生 食类蔬菜 在国际上 模块式整合栽培生产系统的 植物工厂被推广到含欧美在内的27个国家和地区 全自动化智能生产系统实现植物工厂真正意义上的 数字化 无人化 两座自动化植物工厂落地陕西和 海南 分别服务于杨凌国家农高区和三亚种子创新 研究院 集装箱式植物工厂除在国内推广应用外 也开始向马来西亚出口 作物育苗生产系统植物工 厂 已应用于蔬菜和烟草的规模化育苗 杨凌自动化植物工厂 列装陆军部队 部分安装在了海拔超过 5000 米的 无人区边防哨所 2021 年模块式整合栽培生产系 统植物工厂首次安装在沙漠腹地的酒泉卫星发射中 心 为航天员的蔬菜安全供给提供保障 2019 年 特别研制的舰船专用植物工厂安装在了海军大型舰 船上 开创了保障海军战士海外执行任务期间新鲜 蔬菜供给的先河