1123智能型植物工厂

2011/11/221植物工廠簡介與發展方煒台灣大學生物產業機電工程學系教授生物產業自動化教學與研究中心主任農業經濟概論2011/11/23傳統的露天栽培永遠是靠天吃飯風調雨順有時非好事量多價跌豐收的悲劇2年輕人外流工作環境差3設施栽培?露天栽培?4何謂植物工廠?植物工廠指的是在設施內透過控制植物之生長環境（光、環境、濕度、二氧化碳濃度、養分、水分等）進行栽培，並對植物生長環境及生育狀況加以觀察，配合高度環境控制及生長預測，使蔬菜等植物可進行全年、計畫性生產的栽培設施；是設施園藝的終極型態。＜設施園藝的發展＞露天→隧道→簡易溫室→鋼骨溫室→太陽光利用型植物工廠完全人工光型植物工廠植物工廠的特徵與前景●計畫性生產：穩定供給與收入●壓倒性的生產力：實現高產量●營養、色彩、味道的控制高品質低細菌、低（無）農藥差別性●不受地理位置限制：未被使用之地／銷售地●多樣的人才：創造就業機會562011/11/222植物工廠的分類與特色•沒有重金屬殘留與微生物汙染等問題•不使用農藥所以不清洗也可食用•「安全、安心」：兩無兩低（無農藥/無重金屬、低生菌數/低硝酸鹽）•不怕風吹雨打日曬蟲侵菌襲昏天黑地•定期、定量與定品質生產，全年定價產銷，生產成本固定•減廢：採收後只需去除根部，其餘大多可食(低耗損)•可設置在工業用地與商店街等農地以外的地方•可進行計畫性生產•多層與立體化栽培達到土地有效利用目標(少用地，少用水)‧「完全人工光源型」在封閉環境中不使用太陽光照射且控制環境進行全年計畫性生產。「太陽光利用型」在溫室等半封閉環境中，基本上利用太陽光進行照射，但在雨天、陰天時進行補光，並利用控制夏季高溫等技術進行全年計畫性生產。「太陽光‧人工光源併用型」「太陽光利用型」植物工廠中亦使用人工光源者。植物工廠類型植物工廠特色7農業由3K到3C的轉變!3C產業Clean()潔淨Clear透明COOL產地認證3K產業Kitanai，汚い骯髒Kiken，危険危隩Kitsui，きつい辛苦日本稱植物工廠為21世紀的新科技農業，也是新3C產業:CertificationOfOriginLabeling8少受天候干擾不頇廣大土地資源使用節約910不毛地酷寒/酷熱地畸零地11無病蟲害無農藥無重金屬低生菌數低硝酸鹽低耗損低排放122011/11/223高品質高產能13超新鮮好口感單位面積生產力高十畝田不如一畝園1469kg/m2/年四層130kg/m2/年15植物工廠(A)溫室(B)比(A/B)地板面積15m2210m20.071每年苗生產次數32181.8每次育苗天數10220.45每穴盤苗株數2881442.0總穴盤數642300.28穴盤數/m24.3(=64/15)1.1(=230/210)3.9每年苗生產總數589,824株(=32×288×64)596,160株(=18×144×230)0.99每年單位面積苗生產數39,321株/m2(=589,824/15)2,839株/m2(=596,160/210)13.416高效能完全控制型植工A溫室C比例A/C床面積91m2(四層)1250m20.073週轉次數/年1944.75栽培日數/次18340.53株數/穴盤72721總穴盤數2565000.51穴盤數/m22.80.47全年生產數量350208株144000株0.97單位面積生產數量3848株/m2115株/m233.517植工所需投資較低182011/11/224富19PowerinputRenewableenergyThermalinsulatedroof&wallsArtificialLightAirCirculationAirConditioningMultiplelayersMultipleBenchesMultipleCrops植物工廠的五多植物工廠允許在多樣的地區中：不帄坦的耕地、大小都市中的空地/畸零地、大型建築物的屋頂、室內、地下室、海埔新生地或荒地上，廢耕農地，混合住宅地，辦公大樓內或中、小鄉村中以多樣的形式由多樣的人只需輕勞動作業，除了一般工作人員之外，也可提供老年人、身障者、家庭主婦或失業者新的就業機會以多層的方式進行多樣植物的生產(葉菜、種苗、小型觀賞作物、蔬果)2021工作環境舒適化2223與水耕技術結合無連作障礙242011/11/225低汙染低硝酸鹽營養液循環使用可隨時監測與調整25用水效率計算WaterutilizationefficiencyIrrigated:2100kg=Dehumidified-VentilatedIrrigated=(2100-58)/2100=0.97Ventilated:58kgIncreaseinplantsandsubstrate:42kgDehumidifiedbyheatpumpsforre-use:2000kg完全人工光源型植物工廠-從水資源角度是否合算？26與環控技術結合27與生物技術結合組織培養基因融合28選用無病毒健康種子與種苗29能源負荷高302011/11/226假設使用COP=4的空調熱泵=燈管電費COP完全人工光源型植物工廠-使用冷氣是否很耗電？冷氣電費=4燈管電費31監控管理技術層次高32植物工廠的關鍵技術硬體栽培/輸送系統滅菌設備監控系統人工光源空調熱泵系統軟體環境管理低耗能低耗水高產量高週轉高效能無農藥無重金屬高營養好口感低硝酸鹽低生菌數管理品質風光水/養氣控制策略低碳農業第一原則：減量化節能：節地、節水、節肥、節藥、節電、節油、節煤1.立體化栽培，10層等於只需1/10用地(節地)2.植物蒸散的水分可以回收使用，用水只有5%(節水)3.不使用農藥(節藥)4.在地生產，在地銷售/店產店銷，運輸最小化(節油)5.免洗、立即可吃(節水)6.只有根部要去除，其餘均可吃(減廢)7.營養液重複使用、排放最少量(減廢)8.使用電力(未來可與再生能源結合)植物工廠vs.露天栽培34減廢:CO2、CH4、N2O、…………廢料植物工廠節能減碳面面觀植物工廠vs.溫室栽培前八項同左9.不需加熱(節油、節煤)10.不頇天窗、側窗(減廢)11.不頇水簾、不頇防蟲網(減廢)12.不用遮光，免用遮蔭網(減廢)13.免用塑膠布/玻璃等透光資材(減廢)35耗能比較(以短期葉菜類為例)露地栽培植物工廠栽培整地開溝作畦灌溉用水100%10%噴藥施肥多少運輸(碳足跡)_進口在地生產儲藏短期、在地銷售收穫後處理損失廢棄物多極少溫控光控可控差可預期、自動化最佳化難資源利用最大化再生能源利用難太陽能、風能、生質能市場、品質、社會、風險之比較露地栽培植物工廠栽培市場定位一般、傳統高品質、安全品質：沒有農藥沒有重金屬低生菌數低硝酸鹽特定營養不容易掌控可調控社會：價格穩定工作環境佳工作輕省風險：天災影響極大小病蟲害風險高低2011/11/227植物工廠發展沿革自然光型植物工廠的運作始於1960年代初期奧地利Rusuna公司的立體式植物工廠，荷蘭的設施園藝大型化、自動化、資訊化則是自1970年代至今穩定發展，至1990年代之後，與「自然光型植物工廠」名稱相符的植物工廠生產系統開始大規模地運作。自然光型植物工廠人工光源型植物工廠人工光源型植物工廠始於1957年丹麥的Kristensen農場，十字花科植物水芹(cress，荷蘭傳入)的嫩芽生產。在美國，1970年代初期的GeneralElectric公司，1980年代的GeneralFoods公司、GeneralMills公司皆展開人工光源型植物工廠的運作，但此三家皆因收支不帄衡而在1990年代停產。37植物工廠發展沿革台灣已具備全環控精密溫室的發展條件，頗值得推廣，以高經濟價值的作物為首選，譬如花卉作物，以蝴蝶蘭種苗與梗苗的栽培為代表；植物工廠則尚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。台灣發展精密溫室與植物工廠之可行性人工光源型植物工廠的發展重點隔熱材自動化設備光源種類與效率空調設備效能栽培環境控制養液調整技術排水技術培地調整技術移動技術整列技術播種與收穫省力技術方，1993植物工廠類型PFType太陽光人工光栽培層數ClosedtypeNOYES1Semi-closedtypeIYESYES1Semi-closedtype2YESNO1ClosedType日本植物工廠現況－栽培項目萵苣沙拉菜韓國生菜皺葉生菜葉萵苣BabyleafGreenleaf蘿美生菜LolloRossaRiverGreen香草類水菜芝麻菜茼蒿菠菜番茄草莓大葉三葉菜苗＊番茄等＋花卉完全控制型（n=34）太陽光‧人工光源併用型（n=16）主要為萵苣類41日本植物工廠生產常見的蔬菜芹菜ホワイトセロリWhiteCelery葉萵苣リーフレタスLeafLettuce義大利野生菜ルッコラRucola水菜ズナMizuna蘿蔓生菜コスレタスCosLettuce小松菜コマツナKomatuna美國生菜アメリカンサラダAmericanSalad荷蘭生菜ロロロッサLolloRossa韓國生菜サンチュウ422011/11/228冰花Iceplant43WhyisPlantFactory(PF)important?氣候變遷時代-各種不利之因素齊聚下，農業生產何去何從？世界又熱又帄又擠-資源所剩不多，人口卻增長迅速糧食安全-臺灣傳統農業所造成之環境負擔與不確定性不可忽視要解決全球性的環境/能源/食物/飼料/醫療等問題，對植物的需求與日俱增碳足跡、食物里程議題的受到重視氣候變遷時代-各種不利之因素齊聚下，農業生產何去何從？空氣污染土地沙漠化農地轉型都市用地海帄面上升農地轉型工業及能源用地世界又熱、又帄、又擠-資源所剩不多，人口卻增長迅速全球人口目前已達68億，估計未來40年有可能增加到92億，以目前仍有10億飢餓人口進行估算，40年內糧食產能需要提升將近58%，實為極大挑戰。目前世界上仍有一半人口居住於低收入(low-income)、糧食不足(food-deficit)之區域內，無法生產足夠且穩定之食物供應。農耕土地惡化(soildegradation)、水資源長期儲存(chronicwatershortages),不適當農業政策(inappropriateagriculturalpolicies)、人口快速成長是其主因Populationbyregion,2007,wikipedia世界糧食組織FAO,2010台灣地區1995-2005年歷年帄均耕地面積的農藥使用變動,全球變遷通訊（2006年6月），第五十期，P21年別單位農藥使用量(公斤/公頃)199548.03199649.89199749.68199845.71199940.98200043.27200146.65200249.71200347.28200444.65200543.93糧食安全-臺灣傳統農業所造成之環境負擔與不確定性不可忽視以2005年為例，臺灣農藥使用量為43.93公斤，依照全球植物保護聯盟統計，排名全世界第三。臺灣農業用水佔總用水量71%，而農業用水自1991年起，總可用水量逐年減少，其中以灌溉用水減少最多，主要原因是因乾旱缺水，推行休耕以及移用支援。農業用水之中，較穩定可靠之水源如水庫或池塘等登記水權量為僅佔10.7%，河川自然引水佔70.8%，動力抽取地面水為10%，抽取地下水佔8.5%。全國農業水權之80.8%來源不穩定，農民只能靠天吃飯。2008年，臺灣農業用水量計13,514百萬立方公尺，其中灌溉用水仍占大宗，達11,766百萬立方公尺(87.07%)。台灣地區民國97年農業用水量統計報告，經濟部水利署，民國98年12月台灣灌溉用水調查評估及調配利用--三、農業灌溉用水移轉使用對社會、經濟及生態環境之衝擊評估，臺灣各地區農田水利會、臺大農業工程研究中心，農委會補助研究計畫，民國92年12月2011/11/229Food&Feed農糧與飼料Reforestat