The Netherlands
June 27, 2024
In principle, essential macronutrients of the human diet, like protein, could technically be produced in controlled environment agriculture (CEA). This aspect becomes relevant in the era of protein transition, marked by an increasing consumer interest in plant-based protein and environmental challenges faced by conventional farming. However, the real question is: what does the indoor cultivation of protein crops imply in terms of resource use? To address this, a study was conducted by the Greenhouse Horticulture and Flower Bulbs Business Unit of Wageningen University & Research using a vertical farm experiment focusing on two soybean cultivars. The results were published early this year.
Protein crops (such as legumes) for human consumption and animal feed are mainly grown in open fields. Compared with major arable crops (e.g. wheat), legumes deliver ecological benefits to cropping systems (such as improved soil quality and fertility). On the other hand, there are many drawbacks associated with open-field cultivations such as high water and land use, erratic yields due to unfavorable climatic conditions and susceptibility to pests and diseases. Controlled environment agriculture, such as greenhouses and vertical farm systems, is less (or not at all) dependent on the outdoor climate, allows growth factors to be steered (depending on the degree of technology implemented) and crop responses to be studied.
WUR investigated whether soybeans can be grown indoors, under controlled conditions, and if so: how and with what resources. For the study, two soybean cultivars were grown in two double-layer cells of an experimental vertical farm (Bleiswijk, NL).
Soybean (Glycine max L. Merr.) was chosen as reference crop because, among the plant-based protein sources, it has the highest protein content and a quality closest to animal proteins.
With a variable plant density to optimise area use, and because of the ability to have more crop cycles per year, protein yield per square meter of crop was about eight times higher than in the open field. Assuming soy as the only protein source in the diet, the resources needed to get total yearly protein requirement of a reference adult would be 20 m2 of crop area, 2.4 m3 of water and 16MWh in the VF, versus 164 m2, 111 m3 and 0.009 KWh in the field.
While the vertical farm allows for a substantially more efficient use of soil area and water for protein production compared to traditional open fields, this advantage is counterbalanced by notably higher electricity consumption, for both lighting (which is naturally provided in the field) and climate control.
Researcher Isabella Righini: “The cultivation of soybeans in a vertical farm is not commercially feasible, but this did not come as a surprise. Given current electricity prices (as well as product prices), it is unlikely to justify the production of simple protein crops in such a system. However, this study was a necessary step to collect baseline data on yield and resources of a protein crop, and for this purpose, a vertical farm is an excellent research tool. The study lays the foundation for future research into the cultivation of soybeans in CEA systems that take advantage of (freely available) sunlight, such as greenhouses”.
Kunnen sojabonen in een beschermde omgeving worden geteeld?
In principe zouden essentiële macronutriënten van het menselijke dieet, zoals eiwitten, kunnen worden geproduceerd in gecontroleerde teelt (Controlled Environment Agriculture of CEA). Dit aspect wordt relevant in het tijdperk van de eiwittransitie. Wat betekent de gecontroleerde teelt van eiwitgewassen op het gebied van hulpbronnen? Om dit aan te pakken is door de Business Unit Glastuinbouw en Bloembollen van Wageningen University & Research onderzoek gedaan naar een Vertical Farm (VF) experiment gericht op twee sojabonenrassen. De resultaten zijn begin dit jaar gepubliceerd.
Eiwitgewassen (zoals peulvruchten) voor menselijke consumptie en veevoer worden vooral in de open grond verbouwd. Vergeleken met de belangrijkste akkerbouwgewassen (bijvoorbeeld tarwe) leveren peulvruchten ecologische voordelen op voor teeltsystemen (zoals verbeterde bodemkwaliteit en vruchtbaarheid). Aan de andere kant zijn er veel nadelen verbonden aan teelten in de volle grond, zoals een hoog water- en landgebruik, onregelmatige opbrengsten als gevolg van ongunstige klimatologische omstandigheden en de vatbaarheid voor plagen en ziekten.
Gecontroleerde tuinbouw (CEA), zoals kassen en verticale landbouwsystemen, is minder (of helemaal niet) afhankelijk van het buitenklimaat, maakt het mogelijk om groeifactoren te sturen (afhankelijk van de mate van geïmplementeerde technologie) en gewasreacties te bestuderen.
WUR onderzocht daarom of sojabonen binnen, onder gecontroleerde omstandigheden, geteeld kunnen worden, en zo ja: hoe en met welke middelen. Voor het onderzoek werden twee sojabonencultivars gekweekt in twee dubbellaagse cellen van een experimentele vertical farm (in Bleiswijk). Als referentiegewas werd sojabonen (Glycine max L. Merr.) gekozen omdat deze van de plantaardige eiwitbronnen het hoogste eiwitgehalte heeft en een kwaliteit heeft die het dichtst bij dierlijke eiwitten ligt.
Met een variabele plantdichtheid voor een optimale benutting van de ruimte en vanwege de mogelijkheid om meer gewascycli per jaar te hebben, was de eiwitopbrengst per vierkante meter gewas ongeveer acht keer hoger dan in het open veld. Ervan uitgaande dat soja de enige eiwitbron in het dieet is, zouden de middelen die nodig zijn om aan de totale jaarlijkse eiwitbehoefte van een referentievolwassene te voldoen 20 m2 gewasoppervlak, 2,4 m3 water en 16 MWh in de VF bedragen, versus 164 m2, 111 m3 en 0,009 m3 KWh in het veld.
Een vertical farm heeft een substantieel efficiënter gebruik van bodemoppervlak en water voor eiwitproductie vergeleken met traditionele open velden. Dit voordeel wordt gecompenseerd door een aanzienlijk hoger elektriciteitsverbruik, voor zowel verlichting (die van nature in het veld wordt geleverd) als klimaatbeheersing.
Onderzoeker Isabella Righini: “De teelt van sojabonen in een vertical farm is commercieel niet haalbaar, maar dat was niet verrassend. Gezien de huidige elektriciteitsprijzen (en ook de productprijzen) is het onwaarschijnlijk dat dit de productie van eenvoudige eiwitgewassen in een dergelijk systeem rechtvaardigt. Dit onderzoek was echter een noodzakelijke stap om basisgegevens te verzamelen over de opbrengst en hulpbronnen van een eiwitgewas, en voor dit doel is een vertical farm een uitstekend onderzoeksinstrument. Het onderzoek legt de basis voor toekomstig onderzoek naar de teelt van sojabonen in CEA-systemen die profiteren van (vrij beschikbaar) zonlicht, zoals kassen.”
Topics
Species
