2013年5月1日

給植物一個舒服的家—植物工廠的工程需求

提供適合植物生長所需之環境條件,理當可達到快、好和健康的目的。創造理想的環境牽涉許多工程技術,包括照明、空調、能源、潔淨滅菌、土木與建築等,當中許多為台灣產業的強項。

作者/周瑞仁(任教台灣大學生物產業機電工程學系)

傳統露地栽培方式深受環境的影響,而植物工廠的生產模式卻可提供植物生長所需的光、溫、水、養、氣等環境條件,它被視為現階段最高等級的設施農業生產模式。植物工廠生產的作物有很大的優勢,包括清潔乾淨、無重金屬、無農藥、低生菌數、低硝酸鹽、高營養價值。為了達到上述目的,建構植物工廠不單需從植物栽培技術的角度來思考,也需從工程的角度來下手。植物工廠相關的工程技術包括照明、空調、能源、潔淨滅菌、土建、感測、自動化等技術,這些技術當中有多項台灣擁有的核心優勢。篇幅所限,本文僅針對建構完全人工光源型(又稱為密閉型)植物工廠所需的工程技術加以介紹。

植物工廠基本上是利用工程的方法提供植物所需的光、溫、水、養、氣等環境條件。「光」即光照,包括適宜的光頻率、光強度與光週期(照光與不照光加起來的時間);「溫」即空氣溫度、營養液或介質溫度;「水」,除了一般我們所說的水之外,還包括空氣相對濕度與介質濕度;「養」即營養液或肥料;「氣」則指光合作用所需的二氧化碳與呼吸作用需要的氧氣,以及適當的風速等。由於環境可調控,因此密閉式植物工廠的栽培方式可以增加密度、生長期得以縮短,同時利用多層立體式的栽培方式,整體生產效率可大幅提升,每單位面積產量可達露地栽培的數十倍之多。除此之外,傳統栽培方式因為過度使用農藥與化肥,造成環境的汙染與食品安全上的顧慮,而密閉式植物工廠因為嚴格管控人員和物品的進出,即使出入都需要經過氣浴與消毒,這些措施可以有效地抑制病害蟲或微生物的侵入,因此不需要噴灑農藥。還有植物工廠的用水可循環再利用,與露地栽培排放至大地不同,可以節省高達95%以上的用水量,農藥與肥料也不會流入河川、湖泊或地下水中。因此植物工廠的生產方式被視之為21世紀解決糧食、水資源與環境等三大問題的關鍵技術之一。

近年來台大陸續開發並建置四種型式的植物工廠,分別為貨櫃型植物工廠、家電型植物工廠、光熱複合移動型植物工廠,以及研發與量產併用型植物工廠(圖一)。

 
圖一:各種型式的植物工廠。
(A)貨櫃型植物工廠,(B)家電型植物工廠,
(C)光熱複合移動型植物工廠,(D)量產與研發併用型植物工廠。

以下就(一)植物工廠空間規畫、設施配置與建置;(二)空氣中相對濕度的維持與二氧化碳的供給;(三)栽培環境與營養液系統的建立;(四)光照環境的提供;(五)溫度環境的調控;(六)作業自動化與監控系統;等六個方面說明植物工廠的工程需求。

植物工廠的工程需求
植物工廠空間規畫、設施配置與建置
完全人工光源型植物工廠的建築結構為封閉式,密閉性高,屋頂及牆壁材料採不透光、耐久性高、隔熱性好的覆蓋材料,可降低戶外環境對室內環境的影響,室內環境可調控。同時,由於封閉結構,室內與外界的大氣和土壤隔離,可有效防止病蟲害的入侵,可以實現無農藥的農業生產。人員進出手足須經消毒或包覆,並需換穿潔淨衣經過氣浴室除塵。植物工廠內部可大略分為幾部份:準備區、栽培區,收穫、包裝與儲藏區,監控室與機房,人員換裝與氣浴及消毒區,進出貨區等(圖二)。
圖二:植物工廠配置圖。

建置之前須對空間需求與功能做一通盤的考量與完整的布局,方能做出正確的規畫與設計,尤其工廠內、外的人員進出與物料輸送動線至關重要,進出貨區與原物料或成品的距離,以及周邊交通路線是否順暢,參觀與安全逃生路線亦須一併考慮在內。頻繁的訪客出入往往造成試驗研究或作業上的干擾,對於病害蟲的管制也形成缺口,觀景窗的設置除了解決上述問題之外,訪客無須消毒與換裝,對訪客、對作業人員都可省卻許多麻煩與困擾。除此之外水電管道的配置、排水與廢料清運的順暢性亦需考量。

空氣中相對濕度的維持與二氧化碳氣體的供給
相對濕度的高低直接影響植物光合作用的強度與病害發生的機會。相對濕度低,植物葉面的蒸發量大,植物體內水份太少,光合作用降低,生長效率差;相對濕度高,植物葉面的蒸發量小,植物體內水份若過多,將導致莖葉增大,也會影響產量,相對濕度高於90%,廠內則容易發生病蟲害。因此必須根據不同的作物與生長階段對空氣的相對濕度進行調節。常見的加濕方法有濕簾吹風加濕、旋轉離心式造霧與超音波造霧加濕等。

二氧化碳(CO2)濃度與植物的光合作用息息相關。綠色植物在光照下,由葉綠體將水(H2O)與二氧化碳合成有機物,並釋放氧(O2),將光能轉變為貯藏在作物中的化學能,此過程稱之為光合作用。大氣中二氧化碳(CO2)的含量大約400 ppm(百萬分率,單位:毫克∕公斤)左右,為了提高光合作用與成長速率,在完全人工光源型植物工廠內栽種綠色植物的CO2濃度一般會提高到1000 ppm 的水準上下。關於CO2濃度的調控,比較方便的方法為將氣態的CO2壓縮於鋼瓶內成為液態,配以流量計,加裝CO2感測器,控制閥門的開閉即可調控CO2在適當的濃度下。【更詳細的內容,請參閱第521期科學月刊】

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