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打造現代都市農業──植物工廠│CTIMES

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打造現代都市農業──植物工廠│CTIMES

糧食缺乏成為全球問題,植物工廠也成為解決方案之一。透過自然光與人工光,植物工廠可全年無修供應糧食。然而植物工廠會否成為地球暖化的另一製造源,值得探究。【撰文/江城】

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。

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。

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。

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。」

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?

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。

最後是自然生態循環。許多五、六年級生或許會有赤腳在菜園農田中追逐蜻蜓蝴蝶,閃避密蜂的回憶。正是這些自然界生物與植物的合作共同創造了一幅幅美麗的田園景色。在完全隔絕蟲害、污染和風雨侵襲的植物工廠中,這種景象將不復再見。當一切都人工化之後,我們是否還認為有權利決定該保留多少自然的部份給地球?

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。

◆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。

 【全文刊載於《CTIMES雜誌》2013年10月號】-- CTIMES粉絲團

 

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