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打造現代都市農業──植物工廠
讓植物供應全年無休

【作者: 江城】   2013年10月08日 星期二

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在本世紀末到來之前,糧食,會變成全人類最關心的問題。將來你我吃的菜,可能有愈來愈高的比例不會從土裡長出來,而是在全人工栽植的室內,頂上照著螢光燈或LED光源,種植在介質材料中,吸取定時配給的養液長成。


栽種這些蔬果植物的地方,叫做「植物工廠」。「植物工廠」並不是一個新概念,它已經歷數十年的發展,一直到最近幾年它才吸引許多國家政府和大型企業的目光,開始積極投入植物工廠的規劃。


讓植物工廠再度受到重視的幾個背景原因包括有全球氣候變遷、油價浮動、天災連綿和人口增加不見減緩等,而直接影響糧食供應的主要原因則包括人口壓力、.耕地減少、水資源問題等。


「植物工廠」塑造都市農業

植物工廠的定義,是指環境可以控制,且可依照計劃「全年無休」量產植物的場所。而量產植物需要兩個條件:生長環境可控制;減少植物生長的逆境。基本上,「穩態生產」是植物工廠最重要的目標,因此,植物工廠必須控制光量、養份、溫度和濕度,以達到全年穩定量產的結果。


依設施類型來分,植物工廠主要有「利用太陽光」和「完全人工光」兩種型態。利太陽光的植物工廠又稱溫室或大棚,主要是以補光照明和利用遮蔭網遮蔽過多陽光來調節光罩,技術上它需要頂層的強化玻璃、換氣風扇、專用的空調設施,內部通常採單層栽培。大部份的溫室雖然也可以視為一種植物工廠,但是它和未來在都市中會被大量採用的「完全人工光」型植物工廠所需技術有很大差異。


「完全人工光」型植物工廠最近幾年悄悄在許多都市中展開。台灣大學生物產業機電工程學系主任方煒表示,運用閒置的大樓地下室、廢棄倉庫或蚊子館,嶄新的現代「都會農業」生態開始成形,並將賦予這些廢棄建築更高的附加價值。例如,在一個多層樓大型建物中,可以在低樓層設置超商、餐廳,接著往上設置養魚工廠、植物工廠、生態屋頂等,這一整棟建築便可運用能源、氮源、碳源循環,達到資源回收再利用的目標


植物工廠依設置地點不同,採取的光源也有很大不同。從成本結構來看,完全人工光型和太陽光-人工光併用設置的成本結構有很大差異。完全人工光型由於完全仰賴人工光源,因此光照系統成本很高,耗用能源也非常大。目前許多植物工廠都使用螢光燈,另外冷陰極管和LED也頗受矚目。


LED在植物照明的前景

由於傳統植物工廠的照明系統會耗費大量能源,因此目前LED是農業照明應用中最具節能潛力的一項技術。PIDA指出,在螢光燈植物苗工廠中,照明能耗占運行能耗高達82%。而利用LED替代傳統的照明光源可以大幅減少這些農業生產的照明能耗。以荷蘭為例,在溫室中利用LED的補光實驗顯示,與傳統高壓鈉燈和金屬鹵素燈等相比,LED可節能50~80%;在植物工廠中若使用傳統光源每平方公尺需要配備0.5kW的光源,而LED僅需要0.27kW,耗電量可減少50%。


台灣佔全球LED元件市場的25%,因而植物工廠近期成為LED產業的熱門話題之一。由於農業照明與一般消費照明設計截然不同,從晶粒封裝到IC都必須針對植物工廠的特性做設計,因此幾乎所有台灣的LED供應商都已宣佈進入此一領域,並將觸角進一步往中國大陸延伸。


億光電子兩年前便與荷蘭飛利浦照明、日本三菱 化學、松下(中國)電工、揚子電器、歐琳集團等數十家國際知名企業共同簽署戰略合作協定。就 LED 植物燈照明光源、工業控制、空調環境控制、營養液製劑等領域的技術創新、市場開發等簽訂合作意向書,以期在這塊領域開發一些具潛力的LED特殊照明商品。


另外,日本公司Stanley Electric最近也推出了用於室內果樹栽培的LED照明燈。該公司計算最適合果樹成長的照射角度,縮小LED燈照射角,增加單位面積的照度,並配合陽光照射方式,可縮收成的時間。該公司規劃近期內在市場上推出可加速植物生長的室內用LED植物照明。


但無論何種人工光源,都存在著電光轉換損失和廢熱問題,在密閉室內的廢熱更需要耗用大量空調來排放;其次是燈具必須有能夠集中照射栽種區和導出熱源的設計,才能提高種植效率,這又牽涉到LED晶粒封裝和燈具機構設計,因此植物工廠的人工光源選擇是相當重要的一環。


打造植物供廠供應鏈

「植物工業未來的發展趨勢將朝向大型區域性生產為主,並進而演進為以出口為導向。」工研院產業服務中心主任劉佳明指出,「未來台灣有希望發展出一種結合資訊、自動化、農業科技,以資通訊技術為基礎的植物工廠,並向外輸出。」


但台灣的植物工程技術現今仍然面臨幾項關鍵挑戰,「包括植物生長監控、病害自動偵測與防制、CO2濃度監控、產期調控、節能、關鍵模組與材料、系統整合與控制等。」



圖一
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劉佳明說,這些過程都需要不斷地最佳化,例如用非破壞性檢測來決定該為植物供給多少養液,達到最佳生產效率。這其中又牽涉到了灑水/供肥/噴藥和植床等自動控制系統;雨水回收/儲水和水質處理系統;以及溫度調控自動控制系統等。


此外,劉佳明也表示,台灣植物工廠協會(TPFIDA)正在推動運用廢棄的玻璃來開發高值化環保成長介質。運用多孔隙玻璃製成的高值化介質將有助於節省水資源和養液。


儘管台灣有著強大的ICT產業基礎,但由於植物工廠是高度跨領域整合的新興技術產業,它必須整合農業技術、環境科學和工業技術三大領域,將育種、育苖、植物/農藥管理、病蟲害防治和氣候/水質/土壤監測,以及光電/材料技術、生產/運輸管理、食品加工等專業技術整合在一起,對業者來說仍然是非常大的挑戰。


植物工廠的另一個關鍵問題在於成本。電費通常佔植物工廠生產成本的30%以上,若能有廉價電源(如太陽光電)與效率高、光質佳的人工燈光,降低生產成本,植物工廠將更為吸引人。


也因此,包括太陽光電、風力發電、生質燃料也都是後續發展植物工廠時納入考量的能源技術。但這些技術領域目前仍然極為分散,從上游到中下游還需要相當長的整合期,才能發展出專門針對植物工廠的完整產業鏈。


市場規模有多大?

產業化是植物工廠的最終目標。理想情況下,都市中的植物工廠可以成為由企業負責的大規模植物產銷供貨中心,也可以形成食品服務工業,如在飯店、公寓或學等任何地點開設店產店銷的都市農場門市,或是為醫療產業生產專用植物,也可以打造出專為殘障障人士提供就業機會的植物工廠。


據PIDA統計,目前台灣產值約占全球的5%,2013年預估可創造出4,400萬美元(13億台幣)的產值。而全球植物工廠市場產值2013年預估有9億美元,到2016年更可成長到40億美元。


有關植物工廠的幾個問題

植物工廠的理想目標,就是能全年穩態地供應各種蔬果。雖然一般植物在0℃~40℃都能生存,但植物的最佳生長溫度卻是在15℃~25℃。因此,因應溫帶、熱帶及寒帶等地域,都必須依靠科技調控來解決溫度和光照問題,讓植物穩定生長。但作為一個消費者,對植物工廠卻也有著幾個問題:


  • 1. 植物工廠是節能還是消耗更多能源?


  • 2. 植物工廠和基因改造食物相同嗎?


  • 3. 打破作物生長規律的植物工廠,將不利自然界循環?



都市的屋頂花園能帶來一片綠意盎然的清涼角落,但植物工廠是否會成為另一個排放光照和空調廢熱的地球暖化推手?植物工廠需要穩定的光照,在完全人工光型的設施中,任何光源都會產生廢熱,加上空調排除廢熱耗用的能量,應該行光合作用供應地球氧氣的植物移居到都市大樓內之後,還會扮演相同的角色嗎?



圖二
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其次是基因改造。植物工廠和基因改造完全不同。依照目前植物工廠的定義,它只是改變植物的生長條件和環境,以便更好地控制植物的生長過程。


在擁有聰明才智的人類努力下,幾乎所有技術問題都能解決。廢熱排放問題終會有相應技術可用。為了達到最佳收獲率,未來或許會出現專門栽種植物的摩天大樓,由大型企業在全球連鎖經營;或是植物工廠會朝區域經濟的方向發展,在每一個有需求的地區形成自己的特定供應系統。


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