2014/5/15

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植物工廠 1/3

方煒

台大生機系教授兼主任

2014/05/09

weifang@ntu.edu.tw

綠色生物科技 大綱

1. 植物工廠簡介 2. 植物工廠經營模式與產業化推動

3. 植物工廠環境監控與自動化

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Made-up words

Fertilization + Irrigation Fertigation Evaporation + Transpiration Evapotranspiration

Aquaculture + Hydroponics Aquaponics

Plant Factory

Vertical Farming

甚麼是 植物工廠?

• 植物

– 生命

– 農業的本質

• 產品行銷

– 商業：讓資本獲利的行為

農工商 融合的平台

• 工廠

– 工業的支撐 – 穩態量產 – 可排程、可品管 – 風險可控管

士

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台語之美

隨便 請裁

青菜？

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台語之美

地方

地點 所在

多了與人的連結

多了情感的聯繫

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台語之美

幹什麼？ 創啥米？

搞什麼？ 編什夢？

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創啥米？

創造可以穩定量產高品質短期葉菜類的好所在

高品質

無農藥

無重金屬

無蟲卵

無塵土

低生菌數

低硝酸鹽

穩定量產

定時

定量

定品質

定價格

甚麼是 植物工廠?

一種環境控制的

一種對環境友善的

一種高效能的

一種可穩態量產的

一種可確保產品品質的

一種可確保產品安全的

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植物生產系統

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植物工廠可做到穩態量產

穩態指的是對四定的要求

穩態量產為優質產銷的 先決條件

四定： 定期、定量、定質、定價 (定成本)

人類當前的三大課題

•失業

•貧窮

•氣候變遷 12

美國總統歐巴馬在柏林的演說

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要解決人類當前的三大課題

•失業

•貧窮

•氣候變遷

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推動 “高效節能植物工廠” 是可行的對策

Glonacal

Global National Local

Made-up word

•充足 •發展

•有限 •永續

環境 資源

食物 人類

GloNacal Issues

Global 全球

National 國家

Local 地區

Made-up word

Crisis Oppor-tunity

Crisi-tunity Bio-diversity Population Food security Climate change Limited resource …etc

Sustainable environment

Thanks to the advancement of science and technology

Enough food Live longer, better

危機

轉機

生機

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Food & Feed

農糧與飼料

Reforestation, Desert Rehabilitation &

Urban Green Spaces

造林、減緩沙漠化與都市綠化

Industrial products,

Bio-fuel & Biomass

工業製品與生質燃料

Medicinal & Horticultural Plants for

Mental & Physical Health/Care

醫藥植物用於心理及

生理之保健治療

要解決環境/食物/飼料/能源/醫療等問題 需要數以億計的植物 人們對於以下社會情勢的關心

帶動起植物工廠的蓬勃發展

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類別 社會情勢

與食物相關

消費者對於蔬果安心、安全、無農藥之要求

市場對於穩定提供食品之要求

地產地消

生命週期評估 (Life Cycle Assessment)

食物里程 (Food mileage)

優良農法 (Good Agricultural Practice)

與環境相關 溫室效應、減少二氧化碳排放量、氣象異常、環境保護等地球課題

與資源相關 石油價格上漲、節省能源、水資源匱乏

植物工廠 PF

1. 太陽光利用型 （精密溫室）

綜合型 (人工光源 + 太陽光)

2. 完全控制型 (人工光源) PF_AL

環境可控制且允許全年穩態量產植物的設施

21世紀生產型農業的核心價值

• 高效

• 節能、節水、節地

• 在地生產、在地消費

• 人土不二

• 健康、安全

• 糧食自給

• 還地於山林

• 環保、永續

• 生態循環

美國

荷蘭

日本 – Controlled-environment 環控

– Artificial light only 人工光源

– Multi-shelf 多層

– 5 constants 五定

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產能、產程、成本、售價、品質

PF_AL

植物工廠建築示意圖

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傳統農業

• (田) 大田 農藝作物、糧食作物

• (園)：小田、設施 園藝作物 (蔬菜、花卉)

• 由產值的觀點來看：十畝田不如一畝園

農田

< 3 kg/m2/yr

環控溫室

傳統農業的侷限性

不論是田或是園

• 免除不了靠天吃飯的無奈 量多價跌

• 免除不了天候的影響 減產

• 免除不了病蟲害的影響 用藥

• 滿足不了消費者食的安心的基本訴求

傳統農業的侷限性

避免不了連作障礙 需要輪作或休耕 土地利用率低

強調適地適作 強調吃當季

適地：天候適合 適作：土壤適合 當季：時令適合

產地 通常遠離消費地

增加中間儲運需求 多損耗、多能耗

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傳統農業的侷限性

農業機械的使用 需要用油

農村人口老化 只剩下老人與狗

有機農地、休耕地及一般農地缺乏 區隔性

有機卻難保證無農藥

新農業 •新農民：知識型

•新觀念：環保、節能、節水 立體化、高效能

•在地生產、在地消費

平面 立體

垂直農場

植物工廠帶來七種變化

室外變室內

農場變工廠

平面變立體

工作變輕鬆

環境變舒適

務農變上班

收穫變穩定

農忙農閒 菜土 菜金

農忙農閒 菜土 菜金

傳統農業

科技農業

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Light 風

光

水 養

氣

SD

產品

環境

系統運作

系統運作

產品品質

經營 行銷

系統設計

高效能植物工廠：致富之道

富

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電能：市電、 再生能源 (風力、太陽能、 燃料電池、生質能源)

絕熱材料： 屋頂 四壁 地板 人工光源

空氣調節 內循環

多層式 立體栽培床架

多種作物 多種栽培系統

完全人工光控制型植物工廠

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41

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都市農業的典範 • 都會型植物工廠

• 透過環境控制調節技術，天天是當季

• 透過短程輸送，儲運需求最小化， 節能又減碳，確實做到食在地

各種形式的作物生產系統

Open Field Net house/

Greenhouse

AL aided

Greenhouse PF w/ AL

Sun

Lamp

Multi-layer

Risk/Resource used

Quality

Cost

Varieties

interrelated Target for research.

Traditional Agriculture

植物工廠產業的推動

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進口量大、單價高

生菜只能冬季生產 進口替代

植物工廠的產品

高營養、好賣相

超新鮮、超方便、超省水 (免洗)

低硝酸鹽、低損耗、低生菌數

無農藥、無重金屬、無蟲卵、無土、無塵

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吃出健康 吃出養生 吃出品質

基本訴求

安全健康方便的(鮮食)蔬菜哪裡找？

無農藥殘留

無重金屬污染

無蟲卵

無輻射汙染

低生菌數

低硝酸鹽

免清洗

超新鮮

高營養

只有植物工廠

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1超、1高、1免 2低、3無

4好、5定、6變 7多、8不怕

植物工廠產業的推動

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多蓋植物工廠 可以減少健保支出

台灣洗腎人口比例 世界領先

醫食同源 You are what you eat.

養生產業 老人化 社會

三高問題 慢性病

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在農村推動建設植物工場

• 開創新的農產業

• 擴大農村就業機會

• 讓年輕人留農

• 讓到都市工作的年輕人回流到農村

• 讓農學院學生持續在農業發展

• 減緩農村與都市的人口差距

• 讓消費者吃到真正 5A 等級的蔬菜 – 低硝酸鹽、低生菌數、無農藥、無重金屬、無蟲卵

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廢耕地 汙染地 貧瘠地 皆可用

農漁會 包產銷

植物工廠帶來的六變 11變

室外變室內

農場變工廠

平面變立體

工作變輕鬆

環境變舒適

產量變固定

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土耕變水耕

產程變穩定

農人變工人

銷售變在地

收入變穩定

植物工廠的七多 • 多種形式：量產型、研究型、嗜好型、家用型、

社區型、貨櫃型、示範型、… • 多種地方：地下室、廢棄教室/廠辦、畸零地、

市區、鄉村、工/農/商業用地、住宅、大樓、餐廳、賣場、…

• 多種天候：沙漠 ~ 極地 (有水有電就可) • 多種人力：老中青、男女、輕度殘障 • 多種系統：水耕、噴霧耕、介質耕 • 多層層架：2 ~ 10層或更多 • 多種作物：葉菜、種苗、香料、藥草、…

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植物工廠的八不怕 • 不怕風吹、雨打、蟲侵、菌襲

• 不怕烈日、陰雨、嚴寒、酷暑

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九不怕連日乾旱 十不怕暴雨水淹 十一不怕油價漲跌 十二不怕水價起伏

以技術面為核心支持消費面與生產面

生產面

穩態 生產

全年 生產

高 效率

省水

消費面

新鮮

無 農藥

營養

方便

一些論點

• 吃蔬菜要吃當季?

• 吃蔬菜要吃有機?

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植物工廠的蔬菜，天天是當季

新鮮比有機更重要

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一些論點

• 農業要適地適作， 然後運往消費地?

55 高損耗、高油耗、高售價

2011: 199元/142 g

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2014: 315元/142 g

2012: 249元/142 g

1.4 NT$/g

1.75 NT$/g

2 NT$/g

2.2 NT$/g

2013: 288元/142 g

強調地產地消的農業

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低損耗、低油耗 台大農產品展售中心植物工廠 生鮮蔬菜 0.5 NT$/g 低售價

香港超市萵苣類生菜、菠菜與芽苗菜

產地 銷售點 品名 單價

HK$/100 g

NT$/100 g (1:4.167)

香港 7/11 混裝苗菜 (16 HK$/30 g by iVeggie) 53.3 222

美國 Wellcome 各種生菜與混裝苗菜 (盒裝) 48.9 203

香港 FreshMart 菠菜 (by UF) 45 187

美國 Wellcome 各種生菜與混裝苗菜 (袋裝) 44.9 187

美國 CitySuper 混裝苗菜 (62 HK$/142g) 43.7 182

美國 Wellcome 各種生菜與混裝苗菜 34.9 141

香港 FreshMart 奶油、皺葉生菜 (by UF) 40 167

香港 FreshMart 羅馬、橡葉、綠卷鬚生菜(by UF) 30 125

美國 Wellcome 奶油萵苣 27.9 112

澳洲 FreshMart 混裝苗菜 21 87

澳洲 Wellcome 各式芽菜 (15.9/125 g) 12.72 53

台大

金寶

庭茂

寰宇綠色、

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LOCAL for LOCAL

會成為主流

一些論點

• 使用人工光不靠陽光，沒有日月精華

• 不種在地上，沒有地氣

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如果日月精華、地氣可以量測，請告訴我。 植物在人工環境下可以活得更好，因為不需要去抵抗逆境，可把全部精力用於成長。

一些論點

• 使用化學肥料不是有機

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確實不是有機，有機液態肥料的產業還不成熟，一旦成熟隨時可轉換。

一些論點

• 水耕栽培的植物沒有“凍頭”，室溫下容易萎凋

• 口感太嫩，不清脆

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正確，因為水耕栽培的植物沒有缺水逆境的經驗，葉片沒有發展角質層，木質部纖維沒有木質化，確實在開放空間下容易因脫水而成萎凋狀，但口感較嫩

採收後一般是密封包裝 (生菌數低，低溫可至少存放三週)

是否清脆要看品種，嫩、脆、綿、嗆均有之

• 軟體系統的整合 • 各類作物的標準化栽培法

– 播種、育苗、育成

• 新產品的開發 • 葉菜、香料 • 中草藥、小型果菜、小型觀賞作物 • 芽菜、苗菜、嫩葉 • 特色作物

– 富營養：高鈣 (小松菜)、高Vit.A, Vit.C (嫩葉)、(冰花) – 防癌養生：(花椰菜苗) – 特殊風味：芝麻菜

• 新應用市場的開發：以苗菜作為飼料 • 相關資材的開發

農工商融合_農業區塊

• 硬體系統的整合

– 多層式栽培床架 • 浮板

• 循環灌溉系統

– 室內滅菌系統 • 空氣環境

• 水體環境

– 氣體環境監控系統

– 水體環境監控系統

– 人工光源

– 隔熱庫板資材

– 資通訊技術的結合

– 自動化技術的整合 • 播種機、收穫機

• 水平輸送裝置

• 上下架輸送裝置

• 家電型 • 貨櫃型 • 家具型 • 研究型 • 量產型 • 環境監控單元 • 影像監控單元 • 電力系統 • 變電系統 • 穩壓系統

農工商融合_工業區塊

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• 硬體的行銷與授權使用

• 相關資材的銷售

• 軟體的行銷與授權使用

• 蔬果產品行銷通路的擴建

• 異業結盟商機的擴展 – 餐廳/超市/店鋪：示範、小規模量產

– 建築：家庭農場、社區農場

– 加工、生技醫療、飼料產業等

農工商融合_商業區塊 具更寬廣的格局

• 植物工廠涉及製造業、服務業以及包含福利及保健在內的健康產業

• 植物工廠是可滿足多樣性需求的產業

• 植物工廠是可以同時綜合解決環保問題、糧食問題、能源資源問題、高齡化及貧富差距問題的基礎技術之一

結論

現階段

以 食品安全 議題為主

–超新鮮：local for local

–超健康：低生菌數、低硝酸鹽

–高營養：Vit. C, Vit. E, Ca, Fe, 抗氧化

–超安全：無農藥、無重金屬、無蟲卵、無塵土

–超方便：免洗即食

以進口替代為主要目標

–食在地

–富在地

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未來 食育議題 療癒議題

糧食安全議題等

植物工廠能對人類社會 做出巨大的貢獻

結論

願景 透過植物工廠的推動

透過與植物的親近，體會生命之美

了解食物、環境、資源與健康的關係

惜福、感恩，珍惜這個獨一無二的地球

Q & A

weifang@ntu.edu.tw