要約：近年、近代農業技術の継続的な探求に伴い、植物工場産業も急速に発展しています。本稿では、植物工場技術と産業発展の現状、課題、発展対策を紹介し、今後の植物工場の発展動向と展望を展望します。

1. 中国および海外における植物工場の技術開発の現状

1.1 外国の技術開発の現状

21世紀以降、植物工場の研究は主に光効率の向上、多層立体栽培システム設備の開発、そしてインテリジェントな管理制御の研究開発に焦点を当ててきました。21世紀には農業用LED光源の革新が進み、植物工場におけるLED省エネ光源の応用に重要な技術的支援を提供しました。日本の千葉大学は、高効率光源、省エネ環境制御、栽培技術において数々の革新を遂げてきました。オランダのワーゲニンゲン大学は、作物環境シミュレーションと動的最適化技術を用いて、植物工場向けのインテリジェント設備システムを開発し、運用コストを大幅に削減し、労働生産性を大幅に向上させています。

近年、植物工場は播種、育苗、移植、収穫に至るまでの生産工程の半自動化が徐々に実現されつつあります。日本、オランダ、米国は高度な機械化、自動化、知能化を背景に、垂直農業や無人化の方向へ発展を遂げています。

1.2 中国における技術開発の状況

1.2.1 植物工場における人工光のための特殊なLED光源と省エネ応用技術設備

植物工場における各種植物生産用の専用赤色および青色LED光源が相次いで開発されている。出力は30～300W、照射光量は80～500μmol/(m²・s)であり、適切な閾値範囲の光強度、光質パラメータを提供することで、高効率の省エネ効果を実現し、植物の生育と照明のニーズに適応している。光源の放熱管理に関しては、光源ファンのアクティブ放熱設計が導入され、光源の光減衰率を低減し、光源の寿命を確保している。また、養液や水循環を通じてLED光源の熱を低減する方法も提案されている。光源空間管理に関しては、苗期および後期の植物サイズの進化法則に基づき、LED光源の垂直空間移動管理を通じて、植物のキャノピーを至近距離で照明し、省エネ目標を達成している。現在、植物工場の人工光源のエネルギー消費量は、植物工場全体の稼働エネルギー消費量の50%から60%を占めています。LEDは蛍光灯に比べて50%のエネルギーを節約できますが、省エネと消費量削減に関する研究には依然として潜在力と必要性が残っています。

1.2.2 多層三次元栽培技術と設備

多層立体栽培では、蛍光灯の代わりにLEDを使用することで層間ギャップが縮小され、植物栽培の立体空間利用効率が向上します。栽培ベッドの底部の設計については多くの研究が行われており、隆起した縞模様は乱流を発生させるように設計されており、植物の根が養液中の養分を均一に吸収し、溶存酸素濃度を高めるのに役立ちます。コロニー形成板を使用する場合、異なるサイズのプラスチックコロニー形成カップまたはスポンジ周囲コロニー形成モードの2つのコロニー形成方法があります。スライド式の栽培ベッドシステムが登場し、植栽板とその上の植物を手動で端から端まで押すことができ、栽培ベッドの一方の端で植え、もう一方の端で収穫するという生産モードを実現しています。現在、養液膜技術や深層液流技術を基盤とした様々な三次元多層無土壌栽培技術・設備が開発され、イチゴの培地栽培、葉菜類や花卉のエアゾール栽培などの技術・設備も登場しており、これらの技術は急速に発展しています。

1.2.3 養液循環技術と装置

養液を一定期間使用した後、水とミネラルを補充する必要があります。一般的に、新たに調製する養液の量と酸塩基溶液の量は、ECとpHを測定することで決定されます。養液中の大きな沈殿物や根の剥離物は、フィルターで除去する必要があります。養液中の根の滲出液は、水耕栽培における連作障害を回避するために光触媒法で除去できますが、栄養素の利用可能性には一定のリスクが伴います。

1.2.4 環境制御技術と設備

生産空間の空気清浄度は、植物工場の空気質の重要な指標の一つです。動態条件下での植物工場の生産空間の空気清浄度（浮遊粒子と沈殿細菌の指標）は、10万以上に制御する必要があります。材料の消毒投入、入室者のエアシャワー処理、外気循環空気浄化システム（空気濾過システム）は、いずれも基本的な安全対策です。生産空間内の空気の温度、湿度、CO2濃度、気流速度も、空気質管理の重要な内容です。報告によると、空気混合ボックス、エアダクト、吸気口、排気口などの設備を設置することで、生産空間内の温度、湿度、CO2濃度、気流速度を均一に制御し、高い空間均一性を実現し、異なる空間位置にある植物のニーズを満たすことができます。温度、湿度、CO2濃度制御システムと外気システムは、循環空気システムに有機的に統合されています。これら3つのシステムは、送風ダクト、吸気口、排気口を共有し、ファンを介して動力を供給することで、気流の循環、濾過・消毒、空気質の更新・均一化を実現します。これにより、植物工場における植物生産において、害虫や病気の発生を防ぎ、農薬散布が不要になります。同時に、キャノピー内の生育環境要素である温度、湿度、気流、CO2濃度の均一性が保証され、植物の生育ニーズを満たします。

2. 植物工場産業の発展状況

2.1 海外の植物工場産業の現状

日本では、人工光型植物工場の研究開発と産業化が比較的速く、トップレベルにあります。2010年、日本政府は技術研究開発と産業実証を支援するために500億円を打ち出しました。千葉大学や日本植物工場研究協会など8つの機関が参加しました。日本未来社は、日産3,000株の植物工場の初の産業化実証プロジェクトを担い、運営しました。2012年、植物工場の生産コストは700円/kgでした。2014年には、宮城県多賀城市に近代型植物工場が完成し、日産10,000株の世界初のLED植物工場となりました。2016年以降、LED植物工場は日本で産業化のハイレーンに入り、損益分岐点または黒字化する企業が続々と登場しています。 2018年には、1日5万～10万株の生産能力を持つ大規模植物工場が相次いで登場し、世界の植物工場は大規模化、専門化、スマート化へと発展を遂げました。同時に、東京電力、沖縄電力なども植物工場への投資を始めました。2020年には、日本の植物工場で生産されるレタスの市場シェアは、レタス市場全体の約10％を占めることになります。現在稼働中の250以上の人工光型植物工場のうち、20％が赤字段階、50％が損益分岐点、30％が黒字段階にあり、栽培植物種はレタス、ハーブ、苗などです。

オランダは、植物工場における太陽光と人工光の複合応用技術において、高度な機械化、自動化、知能化、無人化を特徴とする、世界をリードする存在です。これらの技術と設備は、中東、アフリカ、中国などの国々に強力な製品として輸出されています。American AeroFarms農場は、米国ニュージャージー州ニューアークに位置し、敷地面積は6,500平方メートルです。主に野菜とスパイスを栽培しており、年間約900トンの生産量を達成しています。

エアロファームの垂直農法

米国プレンティ社の垂直農法植物工場は、LED照明と高さ6メートルの垂直植栽フレームを採用しています。植物はプランターの側面から成長します。重力給水を利用するこの栽培方法は、追加のポンプを必要とせず、従来の農法よりも水効率に優れています。プレンティ社は、同社の農場では、従来の農法のわずか1%の水で、350倍の生産量を達成していると主張しています。

垂直農業植物工場、プレンティカンパニー

2.2 中国における植物工場産業の現状

2009年、長春農業博覧園に中国初のインテリジェント制御を核とした生産型植物工場が建設され、稼働を開始しました。建築面積は200平方メートルで、植物工場内の温度、湿度、光、CO2、培養液濃度などの環境要因をリアルタイムで自動監視し、インテリジェントな管理を実現しています。

2010年、北京に通州植物工場が建設されました。本体構造は単層軽量鉄骨構造で、総建築面積は1289平方メートルです。航空母艦のような形状は、現代農業の最先端技術への航海をリードする中国農業を象徴しています。葉物野菜生産の一部工程では自動化設備が開発され、植物工場の生産自動化レベルと生産効率が向上しました。また、地中熱ヒートポンプシステムと太陽光発電システムを導入し、植物工場の高運営コストという課題をより効果的に解決しています。

通州植物工場の内部と外観

2013年、陝西省楊陵農業ハイテク実証区には多くの農業技術企業が設立されました。建設・運営中の植物工場プロジェクトの多くは、主に科学普及活動やレジャー観光に利用されている農業ハイテク実証園区に位置しています。これらの科学普及活動型植物工場は、機能上の制約から、産業化に求められる高収量・高効率を達成することが難しく、将来的に産業化の主流となることは難しいでしょう。

2015年、中国の大手LEDチップメーカーは中国科学院植物研究所と提携し、植物工場会社を共同で設立しました。オプトエレクトロニクス業界から「光生物学」業界へと進出し、中国のLEDメーカーが産業化に向けて植物工場建設に投資する前例となりました。同社の植物工場は、科学研究、生産、実証、培養などの機能を統合した新興光生物学への産業投資に力を入れており、登録資本金は1億元です。2016年6月、延べ床面積3,000平方メートル、栽培面積10,000平方メートルを超える3階建ての植物工場が完成し、稼働を開始しました。2017年5月までに、葉物野菜1,500キログラム（レタス15,000株/日相当）の生産規模となる予定です。

この会社の見解

3. 植物工場開発における課題と対策

3.1 問題点

3.1.1 高い建設コスト

植物工場は閉鎖環境で作物を生産する必要があるため、外部のメンテナンス設備、空調システム、人工光源、多層栽培システム、養液循環システム、コンピュータ制御システムなどの支援設備と施設の建設が必要であり、建設コストは比較的高額です。

3.1.2 高い運用コスト

植物工場に必要な光源のほとんどはLED照明であり、様々な作物の生育に適したスペクトルを提供する一方で、多くの電力を消費します。植物工場の生産工程では、空調、換気、送水ポンプなどの設備も電力を消費するため、電気代は大きな負担となります。統計によると、植物工場の生産コストのうち、電気代は29%、人件費は26%、固定資産減価償却費は23%、包装・輸送費は12%、生産資材費は10%を占めています。

植物工場の生産コストの内訳

3.1.3 自動化のレベルが低い

現在実施されている植物工場は自動化レベルが低く、苗の植え付け、移植、畑での定植、収穫などの工程は依然として手作業が必要であり、人件費が高くなっています。

3.1.4 栽培できる作物の品種が限られている

現在、植物工場に適した作物の種類は非常に限られており、主に生育が早く、人工光源を取り込みやすく、樹冠が低い緑葉野菜が中心です。複雑な栽培条件（受粉を必要とする作物など）の場合、大規模な栽培は不可能です。

3.2 開発戦略

植物工場産業が直面する課題を踏まえ、技術面、運用面など様々な側面から研究を進める必要がある。現状の課題に対する対策は以下のとおりである。

（1）植物工場のインテリジェント化技術の研究を強化し、集約的かつ洗練された管理レベルを向上させる。インテリジェントな管理・制御システムの開発は、植物工場の集約的かつ洗練された管理を実現し、人件費を大幅に削減し、省力化を図る。

（2）集約型・高効率植物工場技術設備を開発し、年間を通じて高品質・高収量を実現する。高効率栽培施設・設備、省エネ照明技術・設備等の開発により、植物工場のインテリジェント化レベルを向上させ、年間を通じて高効率生産を実現する。

（３）薬用植物、健康植物、希少野菜などの高付加価値植物の産業用栽培技術の研究を行い、植物工場で栽培する作物の種類を増やし、収益の道筋を広げ、収益の起点を向上させる。

（４）家庭用・業務用植物工場の研究を行い、植物工場の種類を充実させ、多様な機能で継続的な収益性を実現する。

4. 植物工場の開発動向と展望

4.1 技術開発の動向

4.1.1 全プロセスの知能化

農作物ロボットシステムの機械芸術融合と損失防止メカニズムに基づいて、高速で柔軟かつ非破壊的な植え付けと収穫のエンドエフェクタ、分散型多次元空間の正確な位置決めとマルチモーダルマルチマシン協調制御方法、および高層植物工場での無人、高効率、非破壊的な播種・植え付け・収穫・梱包などのインテリジェントロボットと支援設備を作成し、全プロセスの無人化を実現します。

4.1.2 生産管理をよりスマートにする

作物の生育と発育が光照射、温度、湿度、二酸化炭素濃度、培養液の栄養濃度、ECに応答するメカニズムに基づき、作物環境フィードバックの定量モデルを構築する。葉菜類の生命情報と生産環境パラメータを動的に分析するための戦略的コアモデルを構築する。さらに、環境のオンライン動的識別診断およびプロセス制御システムを構築する。さらに、大規模垂直農業工場の生産プロセス全体にわたる、複数機械協調型人工知能意思決定システムを構築する。

4.1.3 低炭素生産と省エネ

太陽光や風力などの再生可能エネルギー源を活用した送電網を構築し、エネルギー消費量を制御して最適なエネルギー管理目標を達成するエネルギー管理システムを構築します。CO2排出を回収・再利用し、農作物の生産を支援します。

4.1.3 高級品種の高い価値

実現可能な戦略を講じて、さまざまな高付加価値品種を育成し、植栽試験を行い、栽培技術専門家のデータベースを構築し、栽培技術、密度選択、刈り株配置、品種と機器の適応性などの研究を行い、標準的な栽培技術仕様を作成する必要があります。

4.2 産業発展の見通し

植物工場は、資源と環境の制約から脱却し、農業の産業化を実現し、次世代の労働力を農業生産に引きつけることができます。中国の植物工場の重要な技術革新と産業化は、世界をリードするレベルに達しています。植物工場分野におけるLED光源、デジタル化、自動化、インテリジェント化技術の応用が加速するにつれ、植物工場はより多くの資本投資、人材の集積、そしてより多くの新エネルギー、新素材、新設備の導入を引きつけます。これにより、情報技術と施設・設備の深い融合が実現し、施設・設備のインテリジェント化・無人化レベルが向上し、継続的なイノベーションを通じてシステムのエネルギー消費量と運用コストが継続的に削減され、専門市場の開拓が徐々に進むことで、インテリジェント植物工場は黄金期を迎えるでしょう。

市場調査レポートによると、2020年の世界の垂直農法市場規模はわずか29億米ドルですが、2025年には300億米ドルに達すると予想されています。つまり、植物工場は幅広い応用可能性と発展の余地を秘めているということです。

著者：Zengchan Zhou、Weidong 他

引用情報:植物工場産業発展の現状と展望[J].農業工学技術、2022年、42(1):18-23。Zengchan Zhou、Wei Dong、Xiugang Li、他