LED’s verlichten Japanse plantenfabrieken

Paul op den Brouw, NOST Tokyo

Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.

Het aantal plantenfabrieken voor de teelt van groente en fruit in Japan groeit snel. Ongeveer de helft van de tweehonderd fabrieken die nu operationeel zijn, gebruikt kunstlicht.

Nu LED-verlichting goedkoper wordt gaan meer bedrijven over op LED’s of een combinatie van fluorescentielampen en LED’s. In Tohoku wordt nu de grootste plantenfabriek gebouwd voor de productie van tienduizend kroppen sla per dag.

Hogere productie, lagere energiekosten

In de bijlage leest u meer over de achtergronden bij deze hightech ontwikkeling in de Japanse tuinbouw:

• Rol van de overheid;
• spelers;
• afnemers;
• Nederlandse kennis.

Samenvatting

Met steun van de Japanse overheid ontstaan er steeds meer plantenfabrieken voor de teelt van groenten en fruit. Behalve zonlicht gebruiken deze fabrieken steeds vaker het licht van LED-lampen, omdat zij geleidelijk aan goedkoper worden. LED’s zijn goed in te stellen op de behoefte van de plant. Het Japanse bedrijf Mirai gaat in Tohoku een duizend vierkante meter grote plantenfabriek opzetten voor de productie van sla.

Inleiding
Meestal wordt de Japanse landbouw afgeschilderd als een krimpende sector die wordt gedomineerd door kleinschalige, weinig efficiënte boerenbedrijven die worden gerund door oude boeren. Maar in de nieuwe groeistrategie van premier Abe wordt de nationale landbouw neergezet als een sector die weer kan groeien en bloeien. In tien jaar tijd moet het landbouwinkomen van boeren en hun dorpen verdubbelen op basis van tachtig procent van de huidige landbouwgrond. De kosten van de rijstproductie moeten met veertig procent omlaag en het aantal landbouw gerelateerde bedrijven moet viermaal zo groot worden en groeien tot vijftigduizend. Tegen 2020 moet de export moet verdubbeld zijn tot ongeveer acht miljard euro.

Zeker nu de Trans-Pacific Partnership* onderhandelingen zijn begonnen moet Japan een steviger fundament leggen onder zijn landbouw. Nieuwe regels moeten het eenvoudiger maken voor bedrijven om landbouwactiviteiten op te zetten. Ook ruilverkaveling die die vele kleine stukjes landgrond bijeen brengt wordt bespreekbaar. (1)

Plantenfabrieken
Meer technologie kan één van de oplossingen zijn om de landbouw te versterken. Plantenfabrieken die groenten en fruit produceren in een gesloten omgeving lijken daaraan een belangrijke bijdrage te kunnen leveren. Immers in deze ‘plant factories’ kunnen gewassen geteeld worden zonder weersinvloeden of afhankelijkheid van de bodemkwaliteit of de ligging. Zelfs zonlicht is niet meer nodig nu steeds energiebesparendere LED-verlichting beschikbaar komt.

In de meer dan 200 Japanse plantenfabrieken worden zonlicht, fluorescentielampen en/of LED’s gebruikt.(2) Op 106 locaties wordt alleen kunstlicht gebruikt. Dat betekent volgens het ministerie van landbouw een verdriedubbeling tussen maart 2010 en maart 2011. LED’s zijn energiezuinig en worden daarom steeds meer betaalbaar. Bedrijven gaan tegenwoordig dan ook vaker over tot aanschaf van deze verlichting voor de productie van groenten of fruit.

LED’s
Zo begon het Japanse bedrijf Nisshinbo Holdings in 2011 met de verkoop van aardbeien die met behulp van kunstlicht in zijn fabriek in Tokushima werden geproduceerd. Sindsdien heeft het bedrijf zijn productie verzevenvoudigd en groeien er zeventig duizend aardbeienplanten in de fabriek. LED’s blijken dertig procent minder energie te gebruiken dan de fluorescentielampen. Daarom is Nisshinbo van plan om in 2014 alle lampen te vervangen door LED’s. (3)

De LED’s kunnen allereerst gebruikt worden om de fotosynthese van de plant te stimuleren. Planten gebruiken de energie uit licht om CO₂ en water om te zetten in suikers, die het nodig heeft om te groeien, bloeien en vruchten en zaden te produceren. Dit groeilicht ligt in het gebied van 400 tot 700 nnanometer en de hoeveelheid wordt gemeten in μmol per vierkante meter per seconde (aantal uitgezonden fotonen). Verder zenden de LED’s ook licht uit met een golflengte tussen 700 en 780 (ver rood) en groter dan 780 nm (infrarood). Dit licht wordt niet geabsorbeerd voor fotosynthese, maar zorgt voor opwarming van de plant. Bepaalde delen van het LED-licht functioneren als een signaal voor een plant. Zo stuurt blauw licht bijvoorbeeld de ontkieming van de plant. De groei en kwaliteit van een gewas kan dus gestuurd worden door de golflengte van het LED-licht en verlichtingsduur aan te passen aan de behoefte van de plant.

Professor Hiroyuki Watanabe van de Tamagawa Universiteit werkt samen met het bedrijf Nishimatsu Construction aan een plantenfabriek voor de productie van sla met behulp van LED-licht. Volgens Watanabe is deze sla rijk aan vitamine-C en polyfenolen. De LED-sla heeft 2,6 maal meer antioxidant-activiteit dan normale sla. De nieuwe sla blijft ook langer vers na het oogsten. Het rode LED-licht stimuleert de zachtzoete smaak van de sla en het blauwe licht het vitamine C-gehalte, aldus Watanabe. Hij heeft veel gegevens verzameld over licht, golflengten en andere factoren die sneller tot een grotere opbrengst aan grote kroppen sla leiden. In het veld is de opbrengst ongeveer 500 tot 600 kroppen per 100 vierkante meter per jaar. In de plantenfabriek van de Tamagawa Universiteit kunnen op datzelfde oppervlak anderhalf miljoen kroppen geproduceerd worden, omdat de sla op rekken groeit met veertien planken, sneller volgroeid zijn en niet beïnvloed worden door externe factoren als het weer. (4)

Mirai Inc.
Mirai Inc., een Japans bedrijf uit de prefectuur Chiba vlakbij Tokio, dat plantenfabrieken ontwikkelt en zelf gewassen verbouwt, is van plan in de prefectuur van Miyagi een duizend vierkante meter grote plantenfabriek met LED’s neer te zetten. De nieuwe fabriek is onderdeel van de wederopbouwactiviteiten in Tohoku na de aardbeving, tsunami en kernramp. In september zullen de bouwwerkzaamheden van start gaan, zodat de fabriek in maart volgend jaar in gebruik genomen kan worden. De bouw vindt plaats met steun van het Ministry of Economy, Trade and Industry (METI), dat twee derde van de kosten financiert. Deze steun maakt deel uit van een overheidsprogramma dat de massaproductie van groenten en fruitgewassen stimuleert. Het doel is om uiteindelijk deze technologieën te exporteren naar landen zoals China. De groenten die in de nieuwe kas geteeld worden, zullen aan lokale supermarkten worden verkocht. De jaarlijkse omzet moet rond drie miljoen euro uitkomen.

Mirai heeft de LED-verlichting ontwikkeld in samenwerking met GE Japan. In vergelijking met fabrieken met fluorescentielampen kan de productie onder LED-licht met vijftig procent omhoog, terwijl er veertig procent minder energie nodig is. Ondanks de hoge aanschafkosten van LED-verlichting komt een dergelijke plantenfabriek dicht in de buurt van winstgevendheid. Mirai hoopt dan ook meer van dit type plantenfabrieken te gaan bouwen. Mirai is de afgelopen tijd jaarlijks in omvang verdubbeld door de groei in orders voor de bouw en operationele productie van plantenfabrieken. In maart dit jaar bereikte de omzet vier miljoen euro.

Figuur 1.  Mirai’s plantenfabriek voor slaproductie onder gemengd kunstlicht van fluorescentielampen en LED’s in Chiba (bron: zie ref. 6).

Mirai’s president, Shigeru Shigamura, is ervan overtuigd dat plantenfabrieken geen tijdelijke hype zijn. Hij ziet de plantenfabrieken als het begin van een nieuwe industrialisatie. Hij adviseert de Japanse landbouworganisatie Japan Agriculture niet alleen over het nauwkeurig afstellen van de LED-verlichting, maar ook over het aanpassen van de CO₂-concentratie, samenstelling van de nutriënten en andere belangrijke parameters voor het klimaat in de plantenfabriek. Shigamura verkreeg zijn kennis over plantenfabrieken als graduate student aan de Chiba Universiteit (5).

Chiba Universiteit
Met steun van het Ministry of Agriculture, Forestry and  Fisheries (MAFF) is indertijd bij de Chiba Universiteit, vlakbij Kashiwanoha een aantal plantenfabrieken opgezet met een totaal oppervlak van 13.350 vierkante meter.  Vijf plantenfabrieken maken gebruik van zonlicht en een tweetal geheel van kunstlicht. Het onderzoek vindt hier plaats in een consortium van zestig grote en kleine bedrijven, onderverdeeld in negen kleinere verbanden: vijf voor tomatenproductie met zonlicht, twee voor slaproductie met kunstlicht, één voor plantenfabrieken voor thuisgebruik, kantoren, scholen, ziekenhuizen, winkelcentra, et cetera en één verband voor interdisciplinair onderzoek.

In veel van de kleinere verbanden worden Nederlandse technieken, materialen of systemen gebruikt. In één van de tomatenconsortia, met Itochu, Kasei, Matex, AGC-Greentech, Monsanto Japan, Takada Seeds, Nepon, Otsuka AgriTechno, Priva en Seiwa als deelnemende bedrijven, werd bijvoorbeeld gewerkt aan de verbetering van de productie van tomaten met dertig procent. Het klimaat van deze zonlichtkas wordt op een Nederlandse manier bestuurd wat betreft temperatuur, CO₂-toevoeging en irrigatie door hardware en software van Priva. Het project bereikt het geoogde resultaat van 500 ton per hectare.

Plantenfabriek consortium onder leiding van Mirai Inc.

Mirai (leiding) Chiba Universiteit (organisatie) Iwatani (CO2, onkruidbestrijding) Kajima Construction (ontwerp fabriek) Showa Denko (LED’s) Panasonic (fluorescentielampen) Marubeni (marketing) Toyo Valve (sterilisatie nutriënten)

Beide projecten met slaproductie op basis van kunstlicht zijn gericht op verlaging van de productiekosten  (naar 70 procent) en hogere productie (naar 135 procent) door gebruik te maken van een combinatie van fluorescentielampen met nieuwe reflectoren en LED-verlichting. Eén plantenfabriek is gericht op massaproductie van sla in vier lagen boven elkaar, die na twintig dagen geoogst kan worden (1920 kroppen per dag). Aan dit project neemt ook Mirai deel. Het bedrijf slaagde erin de productie op te voeren naar 3.000 kroppen per dag. Het andere project is gericht op de productie van grote knapperige kroppen ijsbergsla, geleid door het bedrijf Wago. Ook hier vindt productie plaats in meerdere lagen boven elkaar. Door teelt met een week te verlengen wil men grotere kroppen realiseren met twintig procent toename van de productiviteit met een verlichtingstijd, lagere stroomkosten en minder afval. (6)

Chemische en farmaceutische industrie
De chemische en farmaceutische industrie raken ook steeds meer geïnteresseerd in plantenfabrieken. Zo is Mitsubishi Chemical Holding Corporation in zee gegaan met het Canadese bedrijf Medicago voor het opzetten van de productie van vaccins in de bladeren van tabaksplanten. Voor onderzoekers van de Tamagawa Universiteit vormen deze vaccins een uitdaging om vaccins in sojabonenplanten te ontwikkelen. Op die manier kunnen ‘eetbare vaccins’ geproduceerd worden die beschermen tegen de griep, net zoals een griepprik. (5,7).

* Onderhandelingen over vrijhandelsverdrag tussen Australië, Brunei, Chili, Canada, Maleisië, Mexico, Nieuw Zeeland, Peru, Singapore, Verenigde Staten en Vietnam sinds 2010, waaraan Japan graag wil deelnemen.

Bronnen:

1. In farm sector, Abe sees fertile soil, The Nikkei Weekly, July 8, 2013.
2. Ministry of Economy, Trade and Industry (METI), Plant factories.
3. Japanese firms putting more focus on farm business, House of Japan, 7 January 2013.
4. H. Watanabe (Tamagawa University, Machida, Tokyo), Development of plant factories using LED lighting, Research Journal of Food and Agriculture (Oct 2009); A new approach to food production – Planned vegetable production a reality Plant Factory, Japan Quality Review, July 7, 2012.
5. World’s largest vegetable factory to help Tohoku/LEDs cast agriculture in new light, The Nikkei Weekly, July 24, 2013.
6. International Meeting of Plant Factory 2012, Accomplishments of Plant Factory Project at Chiba University.
7. Paul op den Brouw en Carla Boonstra, Plantenfabrieken in Japan, 27 januari ,2012.