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打造现代都市农业──植物工厂
让植物供应全年无休

【作者: 江城】2013年10月08日 星期二

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在本世纪末到来之前,粮食,会变成全人类最关心的问题。将来你我吃的菜,可能有愈来愈高的比例不会从土里长出来,而是在全人工栽植的室内,顶上照着萤光灯或LED光源,种植在介质材料中,吸取定时配给的养液长成。


栽种这些蔬果植物的地方,叫做「植物工厂」。 「植物工厂」并不是一个新概念,它已经历数十年的发展,一直到最近几年它才吸引许多国家政府和大型企业的目光,开始积极投入植物工厂的规划。


让植物工厂再度受到重视的几个背景原因包括有全球气候变迁、油价浮动、天灾连绵和人口增加不见​​减缓等,而直接影响粮食供应的主要原因则包括人口压力、.耕地减少、水资源问题等。


「植物工厂」塑造都市农业

植物工厂的定义,是指环境可以控制,且可依照计划「全年无休」量产植物的场所。而量产植物需要两个条件:生长环境可控制;减少植物生长的逆境。基本上,「稳态生产」是植物工厂最重要的目标,因此,植物工厂必须控制光量、养份、温度和湿度,以达到全年稳定量产的结果。


依设施类型来分,植物工厂主要有「利用太阳光」和「完全人工光」两种型态。利太阳光的植物工厂又称温室或大棚,主要是以补光照明和利用遮荫网遮蔽过多阳光来调节光罩,技术上它需要顶层的强化玻璃、换气风扇、专用的空调设施,内部通常采单层栽培。大部份的温室虽然也可以视为一种植物工厂,但是它和未来在都市中会被大量采用的「完全人工光」型植物工厂所需技术有很大差异。


「完全人工光」型植物工厂最近几年悄悄在许多都市中展开。台湾大学生物产业机电工程学系主任方炜表示,运用闲置的大楼地下室、废弃仓库或蚊子馆,崭新的现代「都会农业」生态开始成形,并将赋予这些废弃建筑更高的附加价值。例如,在一个多层楼大型建物中,可以在低楼层设置超商、餐厅,接着往上设置养鱼工厂、植物工厂、生态屋顶等,这一整栋建筑便可运用能源、氮源、碳源循环,达到资源回收再利用的目标


植物工厂依设置地点不同,采取的光源也有很大不同。从成本结构来看,完全人工光型和太阳光-人工光并用设置的成本结构有很大差异。完全人工光型由于完全仰赖人工光源,因此光照系统成本很高,耗用能源也非常大。目前许多植物工厂都使用萤光灯,另外冷阴极管和LED也颇受瞩目。


LED在植物照明的前景

由于传统植物工厂的照明系统会耗费大量能源,因此目前LED是农业照明应用中最具节能潜力的一项技术。 PIDA指出,在萤光灯植物苗工厂中,照明能耗占运行能耗高达82%。而利用LED替代传统的照明光源可以大幅减少这些农业生产的照明能耗。以荷兰为例,在温室中利用LED的补光实验显示,与传统高压钠灯和金属卤素灯等相比,LED可节能50~80%;在植物工厂中若使用传统光源每平方公尺需要配备0.5kW的光源,而LED仅需要0.27kW,耗电量可减少50%。


台湾占全球LED元件市场的25%,因而植物工厂近期成为LED产业的热门话题之一。由于农业照明与一般消费照明设计截然不同,从晶粒封装到IC都必须针对植物工厂的特性做设计,因此几乎所有台湾的LED供应商都已宣布进入此一领域,并将触角进一步往中国大陆延伸。


亿光电子两年前便与荷兰飞利浦照明、日本三菱 化学、松下(中国)电工、扬子电器、欧琳集团等数十家国际知名企业共同签署战略合作协定。就 LED 植物灯照明光源、工业控制、空调环境控制、营养液制​​剂等领域的技术创新、市场开发等签订合作意向书,以期在这块领域开发一些具潜力的LED特殊照明商品。


另外,日本公司Stanley Electric最近也推出了用于室内果树栽培的LED照明灯。该公司计算最适合果树成长的照射角度,缩小LED灯照射角,增加单位面积的照度,并配合阳光照射方式,可缩收成的时间。该公司规划近期内在市场上推出可加速植物生长的室内用LED植物照明。


但无论何种人工光源,都存在着电光转换损失和废热问题,在密闭室内的废热更需要耗用大量空调来排放;其次是灯具必须有能够集中照射栽种区和导出热源的设计,才能提高种植效率,这又牵涉到LED晶粒封装和灯具机构设计,因此植物工厂的人工光源选择是相当重要的一环。


打造植物工厂供应链

「植物工业未来的发展趋势将朝向大型区域性生产为主,并进而演进为以出口为导向。」工研院产业服务中心主任刘佳明指出,「未来台湾有希望发展出一种结合资讯、自动化、农业科技,以资通讯技术为基础的植物工厂,并向外输出。」


但台湾的植物工程技术现今仍然面临几项关键挑战,「包括植物生长监控、病害自动侦测与防制、CO2浓度监控、产期调控、节能、关键模组与材料、系统整合与控制等。 」



图一
图一

刘佳明说,这些过程都需要不断地最佳化,例如用非破坏性检测来决定该为植物供给多少养液,达到最佳生产效率。这其中又牵涉到了洒水/供肥/喷药和植床等自动控制系统;雨水回收/储水和水质处理系统;以及温度调控自动控制系统等。


此外,刘佳明也表示,台湾植物工厂协会(TPFIDA)正在推动运用废弃的玻璃来开发高值化环保成长介质。运用多孔隙玻璃制成的高值化介质将有助于节省水资源和养液。


尽管台湾有着强大的ICT产业基础,但由于植物工厂是高度跨领域整合的新兴技术产业,它必须整合农业技术、环境科学和工业技术三大领域,将育种、育苖、植物/农药管理、病虫害防治和气候/水质/土壤监测,以及光电/材料技术、生产/运输管理、食品加工等专业技术整合在一起,对业者来说仍然是非常大的挑战。


植物工厂的另一个关键问题在于成本。电费通常占植物工厂生产成本的30%以上,若能有廉价电源(如太阳光电)与效率高、光质佳的人工灯光,降低生产成本,植物工厂将更为吸引人。


也因此,包括太阳光电、风力发电、生质燃料也都是后续发展植物工厂时纳入考量的能源技术。但这些技术领域目前仍然极为分散,从上游到中下游还需要相当长的整合期,才能发展出专门针对植物工厂的完整产业链。


市场规模有多大?

产业化是植物工厂的最终目标。理想情况下,都市中的植物工厂可以成为由企业负责的大规模植物产销供货中心,也可以形成食品服务工业,如在饭店、公寓或学等任何地点开设店产店销的都市农场门市,或是为医疗产业生产专用植物,也可以打造出专为残障障人士提供就业机会的植物工厂。


据PIDA统计,目前台湾产值约占全球的5%,2013年预估可创造出4,400万美元(13亿台币)的产值。而全球植物工厂市场产值2013年预估有9亿美元,到2016年更可成长到40亿美元。


有关植物工厂的几个问题

植物工厂的理想目标,就是能全年稳态地供应各种蔬果。虽然一般植物在0℃~40℃都能生存,但植物的最佳生长温度却是在15℃~25℃。因此,因应温带、热带及寒带等地域,都必须依靠科技调控来解决温度和光照问题,让植物稳定生长。但作为一个消费者,对植物工厂却也有着几个问题:


  • 1. 植物工厂是节能还是消耗更多能源?


  • 2. 植物工厂和基因改造食物相同吗?


  • 3. 打破作物生长规律的植物工厂,将不利自然界循环?



都市的屋顶花园能带来一片绿意盎然的清凉角落,但植物工厂是否会成为另一个排放光照和空调废热的地球暖化推手?植物工厂需要稳定的光照,在完全人工光型的设施中,任何光源都会产生废热,加上空调排除废热耗用的能量,应该行光合作用供应地球氧气的植物移居到都市大楼内之后,还会扮演相同的角色吗?



图二
图二

其次是基因改造。植物工厂和基因改造完全不同。依照目前植物工厂的定义,它只是改变植物的生长条件和环境,以便更好地控制植物的生长过程。


在拥有聪明才智的人类努力下,几乎所有技术问题都能解决。废热排放问题终会有相应技术可用。为了达到最佳收获率,未来或许会出现专门栽种植物的摩天大楼,由大型企业在全球连锁经营;或是植物工厂会朝区域经济的方向发展,在每一个有需求的地区形成自己的特定供应系统。


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