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植物工廠 (下)
作者:國立臺灣大學生物產業機電工程學系 方煒教授


植物工廠的發展已超過了半個世紀,過去大多見於學術研究,多年來在歐、美、日與台灣等地都有在產業界推動的先例,但均以失敗收場,直到近幾年在日本才又蓬勃發展。

早期的發展主要針對隔熱材、自動化設備、光源種類與效率、空調設備效能等。近年來亦針對栽培環境的控制技術 (包括光環境溫濕度控制,特別是二氧化碳補充技術)、養液調整技術、排水技術、培地調整技術、培地容器技術、移動技術、整列技術、播種與收穫省力化技術等做更精進的研究。所有研究的重點分別針對產品品質提升、生長促進、栽培環境最適化、收穫率提升、病害預防等方面。

在人工光源的利用上,由早期的金屬燈、低壓鈉燈、高壓鈉燈、螢光燈管,到近期的冷陰極管與發光二極體都是探討的對象。目前仍以高效率的螢光燈管為主,後二者極具潛力,最末者目前仍存在單價過高的問題。低光量代表需要更多的燈具,也代表產生更多的廢熱,更代表需要加大燈具與植物的距離,距離拉大,光量更弱,於是更需要增加燈具,需要更多空調以移走額外熱能,於是不僅初始成本提高,操作成本也提高。這是早期植物工廠失敗的主因。



筆者在1994年執行國科會”精密溫室與植物工廠之可行性評估”研究計畫的結論即點出具備全環控能力的精密溫室值得推廣,以高經濟價值的作物為首選,譬如花卉作物,以蝴蝶蘭花梗苗的栽培為代表;植物工廠存在成本高與作物選擇性少 (需符合單位空間與單位時間內的獲利達到某一程度以上) 的限制。此些限制因素在十多年後的今天仍然存在,但考量全球人口暴增、全球暖化與人們對飲食安全的需求與願意付出高價格只求食品安全的高需求下,各國發展植物工廠早已是必要的一項技術,其中以日本為最積極。

台灣具備發展植物工廠的優勢,首先是工業優勢,台灣本身的半導體產業發達,相關產業舉凡空調、無塵室、隔熱資材、節能燈具、控制系統、滅菌技術、機電設備等廠商眾多,這些也都是建構植物工廠需要的設備。其次是人才的優勢,台灣的高學歷人才不能說不豐富,但許多是學非所用。每年農學院與生命科學院的畢業生有數千人,但扣除進一步深造的人數,留在農業界服務的人恐怕不足5%,這都是教育資源的浪費。植物工廠可吸引年輕人留在農業界。其三是有許多現成的廠房可立即改裝,譬如各縣市廢棄的蚊子館與各企業停用的工廠等。

台灣過去在80年代推動溫室水耕栽培,曾經成為風潮,但後續一間間關廠。主要原因在於夏季無法栽培、蔬菜口感不佳、硝酸鹽含量高等問題。但這些因素都不會在植物工廠內重現。譬如夏季無法栽培的主因在於溫度,尤其是因為水溫提高造成溶氧量降低,植物根系無法呼吸導致容易腐敗。口感不佳則是養液配方的問題,一成不變的高氮肥配方,容易造成硝酸鹽與亞硝酸鹽含量過高,缺乏回饋控制的灌溉與營養管理模式,當然栽培的蔬菜口感差且硝酸鹽濃度高。

過去水耕的失敗經驗在農政官員、農民與研究者的心中可能已經形成魔障。另外,在某些消費者心中甚至有著無土栽培的蔬菜代表缺乏日月精華的迷思。這些都是台灣推動植物工廠有待跨越的障礙。

近年來植物工廠在日本頗盛行,作物選擇以符合前述單位空間單位時間的獲利達到某一程度以上指標的短期葉菜類 (譬如萵苣、生菜、菠菜、青蔥、水菜與鴨兒芹等) 或種苗或藥草為主。迄今已有36家完全使用人工光源的完全控制型植物工廠與14家結合太陽光與人工光源的綜合型植物工廠。前者採立體栽培方式,最高有十層,使用的廠房面積不大,栽培區地板面積多在200坪以內;後者為配備人工光源單層栽培的精密溫室。

植物工廠在日本得以盛行的主因有六:首先是土地成本高,溫室面積較小為常態,其次是夏天高溫、高光,便宜的環控不可得,此二者是限制溫室發展的原因,但也是促成植物工廠發展的主因;其三是溫室內水耕栽培葉菜類本來就頗為流行,以植物工廠栽培水耕蔬菜,消費者可完全接受;其四是消費者對高品質蔬菜需求量大,也願意出高價購買;其五則是相關耗電設備效能提升,尤其是燈管與空調設備,前者以使用T5燈管為主,比過去的T12燈管至少提升了30 % 以上的效能,空調設備的效能(COP)近年來也提升了兩倍以上;其六則是日本政府大力宣導與推廣,高比例 (50%) 的補助,而且補助對象不分企業或農民。日本政府(經濟產業省與農林水產省)近期宣布將投資146億日圓補助企業或農民團體設立另外100間可量產短期葉菜類的工廠。



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