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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

318期2018年05月號

出版日期:2018/05/15

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全環控智慧溫室系統 打造台灣農業新藍海

撰文╱鄒明珆

過去,人們總是以「靠天吃飯」來形容農夫收入的不穩定,尤其是地處亞熱帶、熱帶地區的台灣,更因著夏季高溫、多颱風等氣候特性,使得農業發展面臨極大挑戰。然而,拜科技所賜,完善的智慧溫室系統可降低氣候風險,為台灣農業解決困境,點燃新希望。

采青實業採用工研院研發的「全環控水耕栽培系統」,成功量產本地少見的水耕蔬菜,圖為皺葉萵苣。
采青實業採用工研院研發的「全環控水耕栽培系統」,成功量產本地少見的水耕蔬菜,圖為皺葉萵苣。


維持攝氏20到24度恆溫的水耕栽植溫室裡,粉紅帶點紫的LED光源,照在嫩綠菜葉上,呈現出夢幻的氛圍。營養液在密布的導管間汩汩循環流動,是這個空間僅有的細微聲響,綠捲鬚、奶油萵苣、皺葉萵苣與凱撒羅蔓等本地少見蔬菜,正隨著小風扇的微風搖曳著枝葉,溫室一片欣欣向榮,閉上眼睛,宛如來到世外桃源。

老五金工廠變身為水耕栽植農場

這裡是位於彰化溪湖的一座五金工廠,溪湖鎮是台灣甘藍菜、包心白菜、花椰菜的重要集散地,溪湖果菜市場更是全台三大果菜市場之一。越過大片縱橫菜畦,一幢鐵皮屋頂的高大建築物佇立田間,若不是建築內閒置的加工機,無聲卻鄭重地昭告這個五金工廠曾有的黃金年代,我們可能還不知道它一度滿載3個貨櫃的烤肉架產品,運往美國Walmart,為台灣創造不少外匯。

然而在中國大陸崛起後,工廠面臨轉型挑戰。身為五金工廠第二代,采青實業負責人馬道鑫決定回鄉幫父親的工廠轉型,在一次與朋友聊天中,得知水耕蔬菜的栽種方式,加上台灣當時爆發食安問題,他認為無毒、無蟲的水耕農業深具發展潛力,決定嘗試投入。

雖然有了轉型的方向,但對於毫無農業背景的馬道鑫來說,為進入水耕領域也著實花了相當大的心力,先是上網查詢資料,接著每天開車到桃園的水耕推廣中心學習水耕的種植觀念及技術;之後,更在親友的介紹下,認識工研院溫室系統技術中心經理花士豪,開啟他應用「全環控水耕栽培系統」來栽種高值溫室蔬菜的契機。

馬道鑫表示,最初也考慮過許多不同廠商的溫室系統,但工研院的系統有別於其他廠商規格化的設計,而是可依使用者需求,客製化調整發光源光形、發光強度、發光位置、特殊發光光譜組成、智能化營養液調配控制與自動監控補給養液等系統細節,讓他決定採用工研院的全環控溫室系統。

專為熱帶與亞熱帶氣候設計的溫室

溫室栽培技術發展歷史不算短,台灣自1950年代起,陸續引進日本、荷蘭研發的溫室系統,但由於台灣氣候條件與荷蘭、日本等溫寒帶國家有著極大的差異,多年來均存在營運成本過高、設備回收期長、產量未達預期目標等問題,而無法大規模普及與產業化。

工研院中分院溫室系統技術中心主任黃添富表示,日本與荷蘭的溫室系統主要針對溫寒帶氣候設計,以解決農業在氣候15度以下所面臨的保溫、增光等問題;而台灣位處熱帶及亞熱帶,屬於海島型氣候,面臨夏季高溫、濕熱、颱風多所導致的通風、降溫、除濕等問題,因此台灣溫室系統亟需針對在地氣候對症下藥,方能發展出適用亞熱帶氣候的溫室系統。

為此,工研院整合光機電、精密環控、材料、生技與自動化等核心技術,與農業產學研單位合作,開發出最適化光源系統、先進立體栽培設施、病原體檢測系統、節能控制及自動監控系統,打造適合亞熱帶氣候的智慧溫室系統。多年來在台灣各地已協助導入眾多不同類型作物的栽植,提升作物的產量與品質。

客製化系統 兼顧產能與節能

然而每一個「客製化」的過程都需要多次調整,才能達到最適合個案的效益。花士豪舉例:水耕蔬菜栽植最重要的環節之一就是「光」,工研院為了符合馬道鑫的需求,不斷地重複嘗試、調校。花士豪說明,工研院的最適化光源技術已在多次實驗中嘗試過不同顏色、亮度的光譜,藉此找到最適合葉菜植物生長的區間;但實際應用時,仍必須依據當時的栽植狀況加以調整,包括特別訂製燈具的發光源、光譜與發光光形等細節,並透過二次光學反射結構,讓光能量有效落在植物上方,達到節能的目的。

而自動監控系統則以感測器偵測作物狀態,可隨時監控營養液、光源等數據,即使業者不在現場,系統也會在偵測到數據變異時,自動修正並輸送適當濃度的營養液;當業者至現場管理時,只需查看外圍主控系統的顯示參數,視情況進行必要的調整。基於節能考量,馬道鑫在頂樓加裝太陽能板為系統供電,除了可將熱能轉化成電能外,也多少為位於頂樓的水耕栽植場提供遮蔽降溫,減少空調耗能。

由於參數可調彈性大,加上自動化程度高,馬道鑫採用「全環控水耕栽培系統」後,只需1人,就可照顧20坪3層共17座的水耕植栽空間,平均每月收成量達240公斤,與傳統栽植模式相比,產量提高了,人力減少了,可望解決目前台灣農業勞動力不足的問題。

馬道鑫現在每周固定前往溫室一到兩次,其餘時間都花在拓銷上,「通路是目前最大的挑戰,」馬道鑫說,目前他的菜除了少數幾家餐廳固定訂菜之外,多以「採青鮮蔬」品牌在網路銷售。由於是全環控溫室種植,菜種不受天候、天災與季節影響,馬道鑫也學會在夏天種茼蒿、菠菜,冬天就種高價的裂葉芝麻葉、羽衣甘籃或綠捲鬚萵苣等,以獲得最大效益。未來,馬道鑫希望逐步擴大栽種範圍,目標是將工廠2樓到3樓的400坪空間全部用作水耕栽植,讓老五金工廠變身為綠意盎然的水耕栽植場。

智慧溫室系統 催生帝王級白舞菇

除了高值蔬菜之外,栽培過程迥異於一般綠色植物的菌菇類,也能透過全環控系統來培植。近10年國內以太空包成功栽培,加上環控栽植技術的進步,杏鮑菇、鴻喜菇等已從稀有珍饈,成為家常食材。具有抗癌、可增強免疫力的白舞菇,因為需要高含氧、高濕度的生長環境,僅生長於日本及中國大陸山區,量少價昂。但透過工研院的環控系統,已讓稀有白舞菇在地處亞熱帶地區的中台灣實驗室中,美麗綻放。

工研院的「白舞菇研究栽培計畫」與亞洲大學健康學院院長林俊義合作,由專攻植物及植物病理的林俊義帶領團隊負責白舞菇菌絲培育,再由工研院接續開發蕈菇類自動化栽培系統,達到白舞菇量產的目標。

黃添富說明,白舞菇的栽培過程從接菌、走菌到出菇,需花費2個月的時間,且在40天的走菌期間,完全不能讓菇群受到汙染,菌絲在尚未形成足夠強壯的族群前,只要一點點環境變異,就會造成整個菌絲群壞死。如此「嬌弱」的特性,使得白舞菇自動化量產系統的開發更添難度。黃添富指出,目前業界僅能以太空包栽培方式出菇;然而,太空包栽培過程難以機械定位抓取的特性,也造成接菌、搔菌的過程中需仰賴大量的人力。

為利於自動化生產,工研院開發出適合白舞菇的新型栽培瓶。研發過程中,除需注意瓶子本身的長、寬、高比例及硬度要適合機器手臂抓取外,更為關鍵的還是瓶蓋的特殊設計,「光是這個瓶蓋,我們就實驗了好幾次,」黃添富表示。

黃添富進一步說明,培育白舞菇的過程中,有一個重要的步驟即是去皮搔菌,此步驟是要給出菇前的白舞菇菌絲群適當的環境刺激,使之順利出菇,「如同蓮霧在生長過程中需要在枝幹基部環刻一圈,切斷營養輸送使蓮霧樹勢弱化,進而誘發其結果實、留後代的概念一樣。」工研院針對白舞菇開發設計的瓶蓋,除了能讓菇菌順利爬滿、降低走菌過程中受到其他菌種汙染的機率外,還能讓去皮搔菌的過程更加順利。

傳統採收白舞菇需百名人力,採用工研院的技術後,白舞菇栽植可大幅自動化,採收所需人力降至40人左右,且採收良率較傳統做法提升至90%以上。黃添富表示,由於白舞菇生長環境需要高氧、高濕,這套自動化溫室生長監控栽培系統也加裝感測器,讓溫室內的溼度與氧氣濃度盡可能均勻,使每一朵白舞菇在出菇後的外型條件趨近一致,提高市場競爭力。

工研院所開發的智慧溫室系統技術,期望以符合成本效益的科技減少環境變異與干擾,打造適合作物生長的場域。在長遠規劃下,當以台灣為解決方案的溫室系統建置愈成熟,擁有更多不同的成功案例後,能進一步輸出至熱帶與亞熱帶氣候區,創造溫室作物每年2億元以上的外銷產值,形成新興產業區塊。

采青實業負責人馬道鑫(右)將老五金工廠變身成為綠意盎然的水耕栽植廠。圖左為工研院溫室系統技術中心經理花士豪。
采青實業負責人馬道鑫(右)將老五金工廠變身成為綠意盎然的水耕栽植廠。圖左為工研院溫室系統技術中心經理花士豪。

在工研院溫室系統技術中心主任黃添富(左二)的帶領下,研發出適合亞熱帶地區的智慧溫室系統技術。
在工研院溫室系統技術中心主任黃添富(左二)的帶領下,研發出適合亞熱帶地區的智慧溫室系統技術。

工研院與亞洲大學合作「白舞菇研究栽培計畫」,以智慧溫室系統技術的精準調控白舞菇生長所需環境(右),並打造出專屬的新型栽培瓶(左)。
工研院與亞洲大學合作「白舞菇研究栽培計畫」,以智慧溫室系統技術的精準調控白舞菇生長所需環境(右),並打造出專屬的新型栽培瓶(左)。

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