中科生物植物工廠關鍵技術科技創新和產業化

文|李陽

溫室彩椒

黨的二十大報告提出，要加強企業主導的產學研深度融合，強化目標導向，提高科技成果轉化和產業化水平。在加快科技成果轉化，促進面向國家重大需求和國民經濟主戰場的技術研發工作方面，中國科學院一直在“率先行動”，2015年中國科學院植物研究所聯合福建三安集團，發揮各自在植物學領域與光電技術領域的特長，創立了福建省中科生物股份有限公司（以下簡稱“中科生物”），利用LED光譜技術應用于植物生命科學領域，致力于植物工廠的科技創新和產業化。

經過7年的發展，中科生物已走在了探索與自主創新植物工廠技術前列，已成為唯一一家具備從植物工廠科技創新到產業化推廣全產業鏈的高新技術企業。在植物工廠生產系統與裝備、植物生產專用光譜與照明燈具、植物專用營養液與穩定性調控和生產模式與專用新品種育種等方面進行了重大創新和產業化。

一、植物工廠關鍵技術創新

（一）創制了模塊式整合栽培生產系統、無人化垂直農業生產系統等成套裝備

中科生物創制了模塊式整合栽培生產系統、無人化垂直農業生產系統、節能免分栽植物工廠自動生產系統、室內多層育苗系統、集裝箱植物工廠和家庭式植物工廠系統等植物工廠成套裝備。其中,模塊式整合栽培生產系統采用全新的模組化工業設計理念，革新了傳統跑道式栽培裝備，解決了其成本高和搭建復雜的難題，成為全球首套運用于中大型植物工廠的臺套化裝備，獲得德國“紅點獎”和“中國設計智造大獎銅獎”，已出口28個國家和地區；創制出全球首套無人植物工廠生產系統，實現了從播種、育苗、分栽、生產、采收到包裝及栽培設備的清洗等植物生產全過程的自動化和無人化，解決了已有的植物工廠勞動力成本高且需求量大導致的生產成本居高不下的難題，獲“第一屆中國農業機器人創新大賽”一等獎；開發出第一代植物工廠多層育苗系統，建成了國內首個大型人工光多層育苗工廠，實現高品質種苗標準化生產；開發出的能源自給型集裝箱式植物工廠已經列裝我國西部某軍區，2018年首次在海拔超過4300米的無人區安全越冬，為邊防哨所、海島和荒漠等環境極端惡劣地區的邊防部隊周年生產蔬菜。

模塊式整合栽培生產系統

模塊式整合栽培生產系統

（二）光環境調控技術以及LED植物照明技術引領行業發展

中科生物開發出不同植物生長發育的80余種專用光譜和光環境調控技術，包括生菜、白菜等葉菜類育苗與生產，番茄、甜椒、黃瓜等瓜果類蔬菜育苗與生產，食用花卉與藍莓等花果生產，金線蓮、霍山石斛等藥用植物生產，水稻、玉米、小麥等農作物生長發育，溫室蔬菜、花卉、農作物和瓜果補光生產等光配方。基于光配方技術，結合LED優勢，實現50余種植物照明產品的量產，形成了鳳凰、大嘴鳥、飛燕、火烈鳥和云雀等5大系列植物照明產品，光環境調控技術以及LED植物照明技術處于國際領先地位，基于專用光配方開發的植物照明燈具產品已應用到34個國家和地區。

植物照明系列產品

（三）生產技術居國際植物工廠領先水平

中科生物開發出不同植物生長發育的6大類10余種通用型及專用型的植物水培營養液配方和調控技術，包括滿足生菜、小白菜等葉菜類蔬菜，番茄、黃瓜、甜辣椒等果菜類蔬菜，冰菜、酸模等特菜，金線蓮、霍山石斛等藥用植物，花卉類和藍莓等果樹類的營養液配方。開發出相應的植物工廠營養液商用產品，葉菜類蔬菜水培營養液的生產效果明顯優于傳統配方及市場競品。

原創性突破植物生產技術和栽培模式，實現從生菜和白菜種子從萌發到采收35天達到單株120克的產量，生菜、小白菜公斤耗電量低于8千瓦時，遠低于國際植物工廠生菜公斤耗電量10-12千瓦時；開發出果菜類蔬菜植物工廠栽培技術，坐果量大、產量高，每年每平方米占地面積可收獲黃瓜超過250千克、櫻桃番茄100千克、甜椒120千克，且品質優，黃瓜可溶性固形物含量高于4%，櫻桃番茄和甜椒高于9%；開發藍莓植物工廠專用配套栽培技術，首次實現藍莓在植物工廠中無需使用低溫條件的連續開花結果，一年2至3次采收。藍莓實現一年四季在任何需要的時間向市場提供新采收的果實，產量高、果實大、品質好，打破了藍莓一年只進行一季采收的經濟生產的傳統模式，成為今后植物工廠的一個全新發展方向。

首次建立了可大規模產業化的立體式+潮汐式的集約化育苗體系，已經應用到茄果類（番茄、辣椒、甜椒、茄子）、瓜類（黃瓜、西瓜、甜瓜、西葫蘆）、架豆、大蔥、櫻桃蘿卜、不結球白菜、西蘭花、火龍果、百香果等作物的育苗。育苗時間比傳統育苗縮短1/3-1/2，其中黃瓜成苗13天（傳統育苗23-25天）、番茄成苗20天（傳統育苗約50天）、甜（辣）椒成苗28天（傳統育苗40-50天），且生產成本與傳統溫室育苗方式基本相當。

中科生物首次建立了藥用植物金線蓮植物工廠生產技術體系。在育苗方面，革新了傳統組培莖段培養和固體培養基培養的生產模式，創造了金線蓮胚狀體成苗體系和液體組培技術。胚狀體成苗技術一年擴繁系數較傳統技術提高23倍，液體組培體系組培4個月植株單株鮮重提高30%以上，6個月超過50%，種植時清洗效率提高30%；開發出了全新的金線蓮植物工廠種植技術及大規模產業化的生產系統，所生產的金線蓮生長速度快，產品功能性化合物含量高，金線蓮苷和總黃酮含量比產地其他傳統生產的20家企業平均高約50%，且不同批次產品含量穩定。目前，該技術已應用到國際上最大的商業化藥用植物工廠內，實現規模化生產。

（四）建立植物工廠育種加速技術體系，育成首個植物工廠專用的生菜品種

利用植物工廠優勢，中科生物通過精準控制光質與光照時間，調節不同作物生長階段的營養液濃度，設定最佳環境溫度與濕度，縮短作物營養生長期和加速其進入生殖生理狀態，并實現盡早開花，創造出全新的植物工廠育種加速器。植物工廠育種加速器適宜于所有的作物種類，能克服南繁基地僅適宜夏季作物且需異地種植的缺陷。與傳統室外或溫室育種相比，主要作物由每年繁殖1-2代增加到每年3-4代，植株生長周期縮短15%-20%，種子采收周期縮短40%-50%。并且通過兩年多的努力，在2020年育成2個不燒心、不焦邊、生長速度快、產量高的生菜新品種（已申請DUS保護），這也成為首例利用植物工廠育種加速器育成的作物新品種。

二、植物工廠技術成果

為獲得科研成果的知識產權保護，中科生物已申請涵蓋植物工廠裝備、植物專用光譜技術與燈具、營養液技術、栽培技術等領域的專利成果511件，含發明專利和實用新型專利分別為241件和220件；為進一步保護核心專利在主要市場國家的權益，擴展申請了美國、歐盟、日本等國外專利220件（含65項PCT)。截至目前，已累計獲得授權專利370件，其中國內發明專利和實用新型專利分別為57件和210件，國外發明專利58件。

三、植物工廠產業化

中科生物自主研發的植物工廠裝備和技術已出口到歐美亞澳等國家和地區，已成為國際上植物工廠系統解決方案的重要供應商，是一家在國際植物工廠領域有重大影響力的光生物產業企業。

金線蓮工廠化生產技術在生產中的應用

（一）建成了全國面積最大、植物工廠類型和種植品種最多的植物工廠生產示范基地

中科生物在福建省泉州市安溪縣建設了占地面積200畝的植物工廠生產示范基地。2016年利用公司自己研發的模塊式整合栽培生產系統裝備，建成了全球首個建筑面積1萬平方米的大型商業化蔬菜植物工廠，進行生菜的生產與銷售，探索我國植物工廠蔬菜生產的盈利模式。“這一植物工廠的建成標志著我國的植物工廠真正由示范階段進入了產業化階段。”之后，團隊陸續建成了全球首個商業化烹飪類蔬菜（2017年）、商業化食用花卉（2017年）、商業化藥用植物（2017年）等植物工廠，植物產品在商超、高檔飯店與賓館銷售；同時建立了示范推廣性質的果菜類蔬菜植物工廠（2019年）、藍莓植物工廠（2020年）、茶葉植物工廠（2020年）、集裝箱植物工廠（2017年）和無人化垂直農業生產系統植物工廠（2018年）。商業化生產與示范植物工廠在國內外產生了重要影響，共有國內外1700多批3萬余人次來基地參觀學習，促進了全球植物工廠產業的快速發展。

（二）代表中國先進植物工廠技術的裝備技術出口多個發達國家和地區

在國內，中科生物研發的模塊式整合栽培生產系統的植物工廠已在25個省（市、自治區)推廣應用，如2016年利用自主研發的裝備和技術建成全球單體面積最大的1萬平方米植物工廠，日產1.8噸無農藥、無重金屬污染的高品質蔬菜，成為了2017年金磚國家領導人廈門會晤餐宴的唯一生食類蔬菜；在國際上，模塊式整合栽培生產系統的植物工廠被推廣到含歐美在內的27個國家和地區。全自動化智能生產系統實現植物工廠真正意義上的數字化、無人化，兩座自動化植物工廠落地陜西和海南，分別服務于楊凌國家農高區和三亞種子創新研究院；集裝箱式植物工廠除在國內推廣應用外，也開始向馬來西亞出口。作物育苗生產系統植物工廠，已應用于蔬菜和煙草的規模化育苗。

中科生物還致力于服務國防后勤保障的國家戰略需求。2018年能源自供型集裝箱植物工廠安裝在我國海拔超過4300米的邊防站，首次實現了特高海拔地區的蔬菜周年生產；2019年啟動“陸軍機關暖心惠兵樣板工程”，一批集裝箱植物工廠已列裝陸軍部隊，部分安裝在了海拔超過5000米的無人區邊防哨所；2021年模塊式整合栽培生產系統植物工廠首次安裝在沙漠腹地的酒泉衛星發射中心，為航天員的蔬菜安全供給提供保障；2019年特別研制的艦船專用植物工廠安裝在了海軍大型艦船上，開創了保障海軍戰士海外執行任務期間新鮮蔬菜供給的先河。

楊凌自動化植物工廠

四、植物工廠產業化產生的影響

中科生物的植物工廠成套裝備與生產關鍵技術創新成果得到大規模推廣應用，極大地推動了我國乃至全球植物工廠產業的快速發展，為解決土地資源緊缺、環境污染與食品安全等問題，提供了全新途徑，也為未來保障我國大糧食安全開辟出重要的發展方向。在裝備和技術方面，團隊創新成果的應用，一改我國早期植物工廠（2009年我國建成首個試驗性質的 100m2LED植物工廠）完全依賴進口的局面，2016年項目團隊建成全球首個1萬平方米植物工廠。植物工廠科技創新和產業化成果引起社會的廣泛關注，獲得中科院、科技部和當地政府的大力支持，植物工廠成功突破關鍵技術，并成為新興前沿技術；中科生物先后通過知識產權貫標和兩化融合管理體系認證，獲得了“國家高新技術企業”“福建省科技小巨人領軍企業”“福建省科技型企業”“福建省院士工作站”“福建省智能制造示范企業”“博士后科研工作站”“福建省植物工廠工程研究中心”“泉州市院士示范工作站”和“新型研發機構”等榮譽稱號。促進了我國植物工廠裝備與關鍵技術躍居國際領跑地位，提高了裝備產品技術的國際競爭力。近幾年，成果在全球范圍內推廣，在行業內形成巨大的示范效應，產生了顯著的社會效益與間接經濟效益。

西藏集裝箱植物工廠