Tekniken helt avgörande för vertikal odling

Vertikal odling betraktas alltmer som en av lösningarna på de problem som det globala systemet för livsmedelsproduktion står inför. Antti Viitanen från mätföretaget Vaisala förklarar varför mät- och kontrollteknik kommer att vara en nyckel till framgång för denna snabbt växande sektor.

Utomhusjordbruk (betesmark och odlingsmark) upptar ungefär hälften av jordens beboeliga mark, och så kallade moderna jordbruksmetoder har möjliggjort produktion av ökade matvolymer till relativt låga priser. Enligt Världsbanken är jordbruksutveckling ett av de mest kraftfulla verktygen för att utrota extrem fattigdom, öka delat välstånd och mätta beräknade 9,7 miljarder människor till 2050. Det har dock uppskattats att omkring 768 miljoner människor var hungriga 2021.

Dessutom är det jordbruk, skogsbruk och förändringar i markanvändningen som står för cirka 25 procent av utsläppen av växthusgaser som driver den globala uppvärmningen, och jordbruket använder cirka 70 procent av färskvattenförsörjningen. Dessa utmaningar förvärras naturligtvis av klimatförändringarna.

Under de senaste decennierna har tillväxten i jordbruksproduktionen haft ett högt pris; den orsakar ohållbar skada på miljön och den biologiska mångfalden. Intensiv boskapsuppfödning orsakar högre nivåer av föroreningar och ökar risken för spridning av sjukdomar, och allt större områden med monoodlade åkrar (ett växtslag åt gången) har minskat den biologiska mångfalden och behandlas ofta med gödningsmedel och jordbrukskemikalier som orsakar ytterligare miljöskador. Det finns också en ökande oro för jordbrukets effekter på markens hälsa, med skadliga effekter inklusive erosion.

Utomhusjordbruket måste bedrivas efter årstiderna, vilket innebär att de flesta grödor endast är tillgängliga vid skördetid en gång per år. Med global mat som kräver tillgång dygnet runt alla dagar på året finns det en stor efterfrågan på lagring och transkontinentala transporter, vilket ökar koldioxidavtrycket för grödor enormt.

Jordbruket är extremt känsligt för effekterna av klimatförändringar, med högre temperaturer, torka, översvämningar och extremt väder som innebär större risker för bönderna. Mat- och dryckessektorn försöker därför minska klimatrisken i sina leveranskedjor. Detta inkluderar analys av produkters koldioxidavtryck, att skapa ett krav på att minska sträckan som mat måste fraktas och att uppmuntra konsumtion av lokalt producerad mat. Minskande vattenresurser driver också behovet av bedömning av vattenfot­avtryck – återigen i syfte att minska klimatrisken i leveranskedjorna. Samtidigt bor nu mer än hälften av världens befolkning i städer och urbaniseringen fortsätter.

Jordbruksproduktion inomhus löser många av de utmaningar som beskrivs ovan. Till exempel kan grödor förses med idealiska odlingsförhållanden, oavsett årstid, samtidigt som de skyddas från variationer i vädret. Vatten kan återvinnas, och bekämpningsmedel är nästan helt onödiga. Utan jord- eller bekämpningsmedelsföroreningar förbättras vatteneffektiviteten ytterligare genom avsaknaden av krav på tvätt.

Traditionellt är växthus och odling utan jord lösningen på många jordbruksproblem, men med urbanisering och den höga kostnaden och den låga tillgängligheten av mark i stadsområden är det svårt att lösa utmaningen med fraktad mat.

Vertikal odling minskar dramatiskt det fysiska fotavtrycket för livsmedelsproduktion, men med tanke på de höga energikostnaderna är det ytterst viktigt för den ekonomiska hållbarheten med vertikal odling att den fungerar så effektivt som möjligt. Av denna anledning spelar sensorer en avgörande roll, vilket är anledningen till att Vaisalasensorer har installerats i Storbritannien av Jones Food Company (JFC) i deras befintliga vertikala gårdar och i den nya anläggningen i Lydney (JFC2) som sannolikt kommer att bli en av de största vertikala gårdarna i världen.

JFC grundades 2016 för att tillhandahålla färska lokala produkter året runt. Företagets första kommersiella vertikala gård (JFC1) startade produktionen 2018 med 5 000 kvadratmeter odlingsyta och kapacitet att producera 150 ton färskvaror per år. JFC2 ska bli mycket större med en växtyta på 15 000 kvadratmeter och en växtkapacitet på 1 000 ton per år.

Företagets arbetssätt underbygger kommersiell hållbarhet genom:

•  Stordrift – stora anläggningar ger stordriftsfördelar och möjlighet att tillgodose stora beställningar.
• Teknik – för att skapa och bibehålla idealiska odlingsförhållanden är det nödvändigt att implementera mycket effektiva övervaknings- och kontrollsystem.
•  Återanvända anläggningar – snarare än att dra på sig de höga miljö- och ekonomiska kostnaderna för en nybyggnad, har JFC aktivt sökt efter stora överflödiga byggnader. JFC2 var till exempel tidigare ett gjuteri.
• Innovation – en forskningsanläggning har etablerats för att pröva nya grödor och olika odlingsförhållanden. Återigen, noggrann övervakning och kontroll är avgörande.

JFC:s innovationscenter i Bristol har kapacitet att testa tio olika grödor under olika förhållanden samtidigt.

Justin Au på innovationscentret förklarar:

– Detta är fundamentalt viktigt för företagets framgång. När en kund kontaktar oss och letar efter en specifik gröda kan vi snabbt genomföra försök för att fastställa de optimala odlingsförhållandena för den grödan och i varje skede av dess utveckling. Övervaknings- och styrsystemet gör att vi kan ändra både intensiteten och spektrat av ljus från lysdioderna, näringsämnen i bevattningsvattnet samt temperatur, luftfuktighet och koldioxidnivåer i odlingsrummen.

– När de optimala förutsättningarna har etablerats för en specifik gröda kan vi vara säkra på att vi kommer att kunna odla den i stor skala och uppfylla kundens krav. Vårt mål är att öka effektiviteten så att vi kan konkurrera med befintliga hyllprodukter men med de betydande hållbarhetsfördelar som vertikalt jordbruk ger.

– För närvarande odlar vi örter som basilika, dill, persilja, koriander, mynta och gräslök; sallader som sallat, ruccola, pak choi, spenat, man­gold, grönkål och vattenkrasse, samt andra grödor som jordgubbar. Det är ingen tvekan om att utbudet av grödor som vi kan odla kommersiellt med vertikalt jordbruk kommer fortsätta att expandera.

Vatten återvinns ständigt på alla JFC-anläggningar med kontinuerliga mätningar av pH-värden och konduktivitet som hjälper till att säkerställa regleringen av växtnäringsämnen med lösta gödningsmedel. Sensorerna mäter temperatur, luftfuktighet och koldioxid, som alla har betydande inverkan på växternas tillväxt.

Taket på den nya anläggningen är helt täckt med solpaneler och 100 procent av energin kommer från förnybara källor. Regnvatten kommer att skördas och filtreras, och nästan 95 procent av vattnet kommer att återvinnas.

JFC:s styrsystem har designats av teknikchef Christoph Grundmann, som har tidigare erfarenhet av arbete inom satellitkommunikation med BBC och Arqiva, och design och implementering av kraftverkskontrollsystem. Övervaknings- och kontrollsystemen på alla JFC:s anläggningar fungerar bra, utan betydande stillestånd.

Styrsystemet hos JFC:s innovationscenter programmerades och beställdes av Luke Grundmann, som var särskilt imponerad av anslutningen och konfigururationen av Modbus RTU-sensorer med generisk USB till RS485-omvandlare och gratisprogram.

Christoph Grundmann använder Vaisalasensorer som standard, efter tidigare erfarenhet av dem i ett styrsystem för spannmålstorkning. Temperatur och luftfuktighet vid JFC-anläggningarna styrs av ett separat HVAC-system, men Christoph Grundmann säger:

– HVAC-systemet på JFC1 hade egna sensorer, men vi har ersatt dem med Vaisalas. På JFC2 kommer vi att använda sensorerna för att kontrollera och validera de mätningar som görs av HVAC-systemet, och ingripa vid behov.

Den första skörden för JFC2 sker sommaren 2023, och med 15 olika lagers odling blir varje hektar 15 gånger mer produktiv. Taket på den nya anläggningen är helt täckt med solpaneler och 100 procent av energin kommer från förnybara källor. Regnvatten kommer att skördas och filtreras, och nästan 95 procent av vattnet kommer att återvinnas.

För att maximera effektiviteten av odlingsförhållandena i JFC2 kommer hela anläggningen att övervakas av ett nätverk av sensorer inklusive: 46 RH/Temp-sensorer; 12 koldioxidsensorer; 10 Temp/RH/CO2-sensorer; 2 atmosfärstrycksensorer och en WXT 530-serie multiparameter väderstation.

Sensorers noggrannhet och tillförlitlighet kommer att vara avgörande för effektiviteten i den pågående efterfrågestyrda hanteringen av växternas tillväxtförhållanden, eftersom noggranna mätningar hjälper till att maximera växtproduktionen, samtidigt som man undviker slöseri och minimerar kostnader.

De huvudsakliga fördelarna med vertikalt jordbruk framför traditionella metoder är nästan alla relaterade till hållbarhet. Mark och biologisk mångfald är oskadd; växthusgasutsläppen är avsevärt lägre; vatteneffektiviteten är dramatiskt förbättrad utan onödig avdunstning, borrhålsutarmning eller urlakning. Utrymmet används effektivt för att tillgodose en urban miljö där det behövs, och för att minska de många milen med frakt av mat. Viktigt är att färskvaror kan vara tillgängliga alla dagar året runt, oavsett väder eller årstid.

De eskalerande kostnaderna för livsmedelsproduktion innebär dock att framgången för nya vertikala gårdar kommer att bero på förmågan att övervaka och kontrollera data effektivt, vilket är anledningen till att sensorkvaliteten är så viktig.

Christoph Grundmann planerar att ytterligare förbättra JFC:s hållbarhetsegenskaper med till exempel koldioxid från anaerob rötning (som inte kräver syre). Han utvärderar också den beräknade daggpunkten från sensorerna för att avgöra om detta skulle vara ett smartare sätt att styra HVAC-systemen. Dessutom tittar han på entalpimätningar för inre och yttre miljöer för att bestämma den mest effektiva HVAC-återcirkulationen (friskluftsförhållandet).

Text: Antti Viitanen