掌握關鍵技術 智慧設計植物工廠

植物工廠結合IT與農業技術，設計出植物生長的最佳環境，目前植物工廠可分為「全人工型」與「太陽光型」，兩者都有其關鍵技術，只要充分掌握，將可打造出最具智慧的植物工廠系統...

在糧食短缺與食品安全問題層出不窮之下，植物工廠這幾年成為農業與IT產業的當紅議題。但何謂「植物工廠」？從字面意思上，可將此名詞分為「植物」與「工廠」兩段，「植物」是目標，「工廠」是手段，意即用工廠的思維與作法來量產植物，透過高度控制，營造出適合植物生長的各種條件，包括光、濕度、溫度、二氧化碳濃度、養分、水質等，使植物可以全年計畫性生長，其環境不受天然氣候影響，具備定期、定量、定品質特點。

全人工與陽光型  作物種類不同

植物工廠目前可分為「全人工」與「太陽光」兩種型態。顧名思義，前者是全然利用全人工光線培育植物，後者則以陽光為主，兩者適合的作物不同，所需的控制方式也大致相同。

全人工型不受天候左右，加上作物可往上層層堆疊，因此只要少量的土地面積，就可以大量生產作物。全人工型可以隨需求控制環境條件，因此作物的維他命與礦物質也較高，不過其缺點在於除設備成本外，電費是其營運的最大支出成本。根據業界估計，目前全人工型的植物工廠，其電費約佔總支出的70%左右，全人工型植物工廠主要生產作物以葉菜類為主，如萵苣、菠菜等，日本在這方面技術目前領先全球。

太陽光型則是使用陽光的栽培系統，這類作法通常被視為溫室栽培與水耕栽培的延伸。太陽光型植物工廠受氣候影響較重，尤其是夏天，幾乎無法進行無農藥栽培，雖然光源以陽光為主，不用另外支付電費，不過由於無法像全人工控制型的植物工廠，其栽培床架可往上堆疊，因此太陽光型需要大面積土地才能有一定產量，土地利用率偏低，此類生產的作物果菜與葉菜類都適合，太陽光型植物工廠，目前技術領先國家為荷蘭。

就發展趨勢來看，全人工型是植物工廠的未來主流，相較於陽光型，全人工型無論在能源、環保、生產效率、安全、品質、空間等，都遠優於太陽光型。在資源方面，現在植物工廠在能源控管方面相當嚴格，尤其是在水資源部份，工廠內植物與栽培液蒸騰出來的95%水分，可以被回收當成灌溉之用，相較於一般溫室的水再利用率只有0.02%，全人工型高出4,750倍；此外栽培過程中含有肥料的水，一般不會排出系統外部，而是在系統內循環再使用，這使得肥料的使用量可以降至最低，也不至污染外部水源，達到環保目的。

空間利用部份，就目前的技術來看，全人工型植物工廠的地板使用面積約為太陽光型的1/10。分析兩者成本，全人工型的主要成本為電費，太陽光型則為土地與隨土地面積遞增的初期設備購置費用，不過全人工型植物工廠產品訴諸無農藥殘留，加上口感比太陽光型更佳，因此若再將售價因素計入，全人工型的投資報酬率會更好。

在作物安全與品質部份，由於太陽光型並非完全密閉空間，而且土壤中會有一定的昆蟲種類，在害蟲、病原菌的危害下，農藥的使用成為必須，而全人工型的隔熱外壁沒有縫隙，可使天然災害與病蟲害機率降至最低，進行最安全、穩定的計畫生產，且其光、溫度傷度、二氧化碳濃度都可被控制，其品質不但趨於一致，植物的授粉、開花、結果，也都可依所需調整。

植物工廠的關鍵設計

全人工型植物工廠所使用的系統，主要由感測器與控制器所組成，其工廠內部分為育苗室、栽培室、機械室、出貨室等四部份。一般來說，育苗室與栽培室等於是工廠的產線，因此所佔的面積最大，機械室與出貨室則盡可能縮小空間，以達最大土地利用效率。育苗室與栽培室也是自動化系統的主要設置地點，為了避免外界的環境干擾，其屋頂與牆壁都會使用隔熱材質，內壁漆成白色，若使用燈管式光源，則會在燈管兩側或床架邊貼上反光材料，以使光線做最有效利用。

太陽光型植物工廠則通常以玻璃或塑膠布等透明材質作為建築外體，另外也會選擇隔熱性高、可吸收反射光線效果的被覆材料。就發展現況來看，太陽光型的關鍵技術包括隔熱材質、自動化設備、空調設備等。

無論是全人工型或太陽光型，其多數技術都相通，包括：1.養液調整與給排水技術；2.栽培介質調整與栽培容器技術；3.收穫技術與整列技術；4.播種技術與移動技術；5.溫濕度控制技術與水體供氧技術；6.光控制技術。

這六類技術涉及了植物地上與地下兩部份的環境控制，而這些技術都是透過感測器與自動控制設備的整合，前端感測器24小時偵測溫濕度、光線、水涵氧量等植物環境，當環境變化達到設定參數值時，立即啟動自動化設備加以調整，若環境未有大幅變化，則將訊號數據定時傳輸至後方系統，累積為龐大數據庫，除了栽培參考外，也作為生產履歷的依據。

值得注意的是，上述的六大技術並非獨立運作，而是必須環環相扣緊密結合，且這些技術的根本目標是使植物在最適當環境下，盡可能快速且健全的生長。此外，既同時有「工廠」之名，其成本控制也是必須的，尤其是設備折舊佔植物工廠相當高的費用比例，如何降低此一費用，將是植物工廠業者必須嚴正面對的課題。

全人工型植物工廠的首要課題是降低照明設備成本與提高照明效率，再來則是降溫，目前這類型植物工廠的空調主要是降低燈具所發出的熱能，因此主要的空調設備為冷氣，暖氣需求則相當少，至於電力，則可避開電費較高的白天，選擇在低電費的夜間開啟照明，以節省龐大的電費支出。

至於太陽型植物工廠，由於受陽光的影響較大，夏天需要降溫，冬天則需要增溫，台灣由於地處亞熱帶，夏天相當炎熱而冬天低溫有限，因此主要問題會是在夏天的降溫，植物工廠通常是密閉空間，內部不易散熱，熱能容易聚集，影響植物生長，不過如果長時間開啟空調設備，電費將會帶來沈重的負荷，因此現在的作法是引進便宜降溫方式，像是只針對養液進行局部冷卻或只在夜間間歇冷卻。

產學合作提升良率

歸納所有的技術，植物工廠的環境控制無非是在「風」、「光」、「水」、「養」、「氣」五大部分進行調節。「風」指的是溫濕度與氣流，「光」是光的質量、週期、勻度，「水」是水質、水量、給水時間，「養」是養液裡的養份、濃度、酸鹼值、溶氧量等，「氣」則是空氣中的二氧化碳濃度。要能使這五大部分達到最佳數值，需要透過大量的數據才能培養出專業經驗，因此除了親力親為的實際操作外，系統所累積的龐大數據，更會是業者的最佳幫手。

植物工廠目前仍屬於萌芽期，嚴格來說，多數廠商的經驗都不豐富，大家都是且戰且走，一邊觀察別人的作法，一邊累積自己的經驗，要在如此艱困的環境下獲利實屬不易，業者建議可與研究機構密切合作，以產學合作的方式提高產品良率，縮短導入的艱困期，以使產品能早日量產化。