추상적인

현재, 묘목 공장은 오이, 토마토, 고추, 가지, 멜론 등 다양한 채소 모종 육종에 성공하여 농가에 고품질 모종을 대량으로 공급하고 있으며, 이식 후 생산성 또한 우수합니다. 묘목 공장은 채소 산업의 중요한 모종 공급 수단으로 자리매김했으며, 도시 채소 공급과 친환경 채소 생산을 보장함으로써 채소 산업의 공급측 구조 개혁을 촉진하는 데 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다.

식물 공장 묘목 육종 시스템 설계 및 핵심 기술 장비

현재 가장 효율적인 농업 생산 시스템인 식물 공장 묘목 육종 시스템은 인공 조명, 영양액 공급, 3차원 환경 제어, 자동화된 보조 작업, 지능형 생산 관리 등 포괄적인 기술적 수단을 통합하고, 생명공학, 정보 기술, 인공지능 등의 첨단 기술을 접목하여 산업의 지속적인 발전을 촉진하고 있습니다. 

LED 인공 조명 시스템

인공 조명 환경 조성은 식물 공장 묘목 육종 시스템의 핵심 기술 중 하나이며, 묘목 생산에 필요한 에너지의 주요 소비원이기도 합니다. 식물 공장의 조명 환경은 유연성이 뛰어나 광질, 광도, 광주기 등 다방면에서 조절이 가능하며, 동시에 다양한 광 요소를 시간 순서대로 최적화하고 조합하여 묘목 재배에 적합한 조명 조건을 만들 수 있습니다. 이를 통해 묘목의 인공 재배에 최적의 조명 환경을 조성할 수 있습니다. 따라서, 각 묘목 생장의 광 요구 특성과 생산 목표를 고려하여 조명 조건 매개변수와 광 공급 전략을 최적화함으로써, 에너지 효율을 크게 향상시키고 묘목의 생체량 축적을 촉진하며 묘목 생산 품질을 개선하는 동시에 에너지 소비와 생산 비용을 절감할 수 있는 특수 에너지 절약형 LED 광원을 개발했습니다. 또한, 조명 환경 조절은 묘목의 가축화 및 접목 묘목의 치유 과정에서도 중요한 기술적 수단입니다.

분리형 다층 수직 묘목 시스템

식물 공장의 묘목 육종은 다층 3차원 선반을 이용하여 이루어집니다. 모듈식 시스템 설계를 통해 묘목 육성 시스템의 신속한 조립이 가능하며, 선반 간격을 유연하게 조절하여 다양한 품종의 묘목 육종에 필요한 공간을 확보하고 공간 활용률을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한, 종묘상 시스템, 조명 시스템, 관수 및 비료 공급 시스템을 분리하여 설계함으로써 종묘상을 이동식으로 제작할 수 있어 파종, 발아, 재배 등 다양한 작업장으로의 이동이 용이하며, 묘목 트레이 운반에 필요한 노동력을 절감할 수 있습니다.

분리형 다층 수직 묘목 시스템 

물과 비료 관개는 주로 조류식, 분무식 등의 방식을 채택하여 양액 공급 시간과 빈도를 정밀하게 제어함으로써 물과 무기질 영양소의 균일한 공급과 효율적인 이용을 실현합니다. 묘목 전용 특수 양액 배합과 결합하여 묘목의 생육 요구를 충족시키고 빠르고 건강한 성장을 보장합니다. 또한, 온라인 영양 이온 검출 시스템과 양액 살균 시스템을 통해 영양분을 적시에 보충하는 동시에 묘목의 정상적인 성장을 저해하는 미생물 및 이차 대사산물의 축적을 방지합니다. 

환경 제어 시스템

정밀하고 효율적인 환경 제어는 식물 공장 묘목 증식 시스템의 주요 특징 중 하나입니다. 식물 공장의 외부 유지 보수 구조는 일반적으로 불투명하고 단열성이 뛰어난 재료로 조립됩니다. 따라서 빛, 온도, 습도, 풍속, CO2 조절은 외부 환경의 영향을 거의 받지 않습니다. CFD 모델을 구축하여 공기 덕트 배치를 최적화하고 미세 환경 제어 방식을 결합함으로써 고밀도 재배 공간 내 온도, 습도, 풍속, CO2 등의 환경 요소를 균일하게 분포시킬 수 있습니다. 분산 센서와 접촉 제어를 통해 지능형 환경 제어가 구현되며, 모니터링 장치와 제어 시스템의 연결을 통해 전체 재배 환경을 실시간으로 제어할 수 있습니다. 또한, 수냉식 광원과 물 순환 시스템을 사용하고 외부 냉기를 도입함으로써 에너지 절약형 냉방을 실현하고 냉방 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.

자동 보조 작동 장비

식물 공장의 묘목 육종 공정은 엄격하고, 작업 밀도가 높으며, 공간이 협소하여 자동화 보조 장비가 필수적입니다. 자동화 보조 장비의 사용은 노동력 절감에 도움이 될 뿐만 아니라 재배 공간의 효율성을 향상시키는 데에도 기여합니다. 현재까지 개발된 자동화 장비에는 플러그 토막기, 파종기, 접목기, AGV 물류 운반 트롤리 등이 있습니다. 이러한 장비들은 지능형 관리 플랫폼의 제어 하에 묘목 육종 전 공정의 무인 운영을 기본적으로 실현할 수 있습니다. 또한, 머신 비전 기술은 묘목 육종 공정에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. 머신 비전 기술은 묘목의 생장 상태를 모니터링하고 상용 묘목 관리를 지원할 뿐만 아니라, 약한 묘목과 고사 묘목을 자동으로 선별하고 로봇 손이 묘목을 제거하고 옮겨 심는 작업까지 수행합니다.

식물 공장식 묘목 육종의 장점

높은 수준의 환경 관리 덕분에 연간 생산이 가능합니다.

묘목 육종의 특성상 재배 환경 제어가 매우 중요합니다. 식물 공장에서는 빛, 온도, 물, 공기, 비료, 이산화탄소와 같은 환경 요소를 정밀하게 제어할 수 있어 계절이나 지역에 관계없이 묘목 생장에 최적의 환경을 제공할 수 있습니다. 또한 접목묘목과 삽목묘목 육종 과정에서 접목 상처 치유와 뿌리 분화는 더욱 세밀한 환경 제어를 요구하는데, 식물 공장은 이러한 조건을 충족하는 데 매우 효과적입니다. 식물 공장 자체의 환경 조건 조절 능력이 뛰어나 비수기나 극한 환경에서도 채소 묘목 생산이 가능하며, 지속적인 채소 공급을 위한 묘목 지원 시스템을 구축할 수 있습니다. 뿐만 아니라, 식물 공장을 이용한 묘목 육종은 공간 제약이 없어 도시 외곽이나 공공장소 등에서도 현장 재배가 가능합니다. 다양한 규격과 형태로 고품질 묘목을 대량 생산하고 안정적으로 공급할 수 있어 도시 원예 발전에 크게 기여할 수 있습니다. 

육종 주기를 단축하고 묘목의 품질을 향상시키세요.

식물공장 환경에서는 다양한 생육 환경 요인을 정밀하게 제어함으로써 기존 방식 대비 묘목 육종 주기를 30~50% 단축할 수 있습니다. 육종 주기 단축은 묘목 생산량 증가, 생산자 소득 증대, 그리고 시장 변동으로 인한 운영 위험 감소로 이어집니다. 재배 농가 입장에서는 조기 이식 및 파종, 시장 출시 조기화, 그리고 시장 경쟁력 향상에 도움이 됩니다. 또한, 식물공장에서 육종된 묘목은 형태가 깔끔하고 튼튼하며, 형태 및 품질 지표가 크게 개선되고, 이식 후 생산성도 우수합니다. 연구 결과에 따르면, 식물공장 환경에서 육종된 토마토, 고추, 오이 묘목은 잎 면적, 초장, 줄기 직경, 뿌리 활력 등의 지표가 향상될 뿐만 아니라, 적응성, 병해 저항성, 이식 후 꽃눈 분화도 향상되고 생산성 등 여러 측면에서 뚜렷한 이점을 보입니다. 식물공장에서 육종한 오이 모종을 심은 후, 개체당 암꽃 수는 33.8%, 개체당 열매 수는 37.3% 증가했습니다. 모종 발달 환경 생물학에 대한 이론 연구가 지속적으로 심화됨에 따라, 식물공장은 모종 형태 형성 및 생리 활성 증진에 있어 더욱 정밀하고 효과적으로 제어할 수 있게 될 것입니다.

 온실과 식물 공장에서 재배한 접목묘의 상태 비교

자원을 효율적으로 활용하여 묘목 비용을 절감합니다.

묘목 공장은 표준화되고 정보화된 산업화된 재배 방식을 채택하여 묘목 생산의 모든 단계를 엄격하게 관리하고 자원 활용 효율을 크게 향상시킵니다. 종자는 묘목 육종에서 가장 큰 비용 지출 요소입니다. 전통적인 묘목 재배 방식은 불규칙적인 운영과 열악한 환경 제어로 인해 종자 발아 불량이나 생육 부진 등의 문제가 발생하여 종자에서 상업용 묘목으로 성장하는 과정에서 막대한 낭비가 초래됩니다. 묘목 공장에서는 종자 전처리, 정밀 파종, 그리고 재배 환경의 정밀 제어를 통해 종자 이용 효율을 크게 향상시키고 종자 사용량을 30% 이상 절감할 수 있습니다. 물, 비료 등의 자원 또한 전통적인 묘목 재배의 주요 비용 지출 요소이며, 자원 낭비 현상이 심각합니다. 묘목 공장에서는 정밀 관개 기술을 적용하여 물과 비료 이용 효율을 70% 이상 향상시킬 수 있습니다. 또한, 식물 공장 자체의 구조가 소형화되고 환경 제어가 균일하기 때문에 묘목 증식 과정에서 에너지 및 CO2 이용 효율이 크게 향상됩니다.

전통적인 노지 모종 재배나 온실 모종 재배와 비교했을 때, 식물 공장에서의 모종 육종의 가장 큰 특징은 다층 3차원 방식으로 육종을 진행할 수 있다는 점입니다. 식물 공장에서는 모종 육종을 평면에서 수직 공간으로 확장할 수 있어 단위 면적당 모종 육종 효율을 크게 높이고 공간 활용 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 한 생물 회사에서 개발한 모종 육종 표준 모듈은 4.68㎡ 면적에서 한 번에 1만 개 이상의 모종을 육종할 수 있어 3.3무(2201.1㎡) 규모의 채소 생산에 필요한 양을 공급할 수 있습니다. 고밀도 다층 3차원 육종 환경에서 자동화 보조 장비와 지능형 물류 운송 시스템을 활용하면 노동 활용 효율을 크게 높이고 노동력을 50% 이상 절감할 수 있습니다.

녹색 생산을 지원하는 고저항성 묘목 육종

식물 공장의 청정한 생산 환경은 육묘 공간에서 병해충 발생을 크게 줄일 수 있습니다. 동시에, 최적화된 배양 환경 조성을 통해 생산된 묘목의 저항성을 높여 묘목 증식 및 식재 과정에서 살충제 살포량을 대폭 줄일 수 있습니다. 또한, 접목묘나 삽목묘와 같은 특수 묘목 육종의 경우, 식물 공장 내에서 빛, 온도, 물, 비료 등의 친환경적인 관리 방식을 적용하여 기존 방식에서 대규모로 사용되던 호르몬제를 대체함으로써 식품 안전을 확보하고 환경 오염을 줄이며 지속 가능한 친환경 묘목 생산을 실현할 수 있습니다.

생산비용 분석 

묘목 공장의 경제적 이익 증대 방안은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 첫째, 구조 설계 최적화, 운영 표준화, 지능형 설비 및 장비 도입을 통해 묘목 육종 과정에서 종자, 전기, 노동력 소비를 줄이고, 물, 비료, 열, 에너지 소비 효율을 개선하며, 가스와 이산화탄소 이용 효율을 높여 육종 비용을 절감할 수 있습니다. 둘째, 정밀한 환경 제어와 공정 흐름 최적화를 통해 묘목 육종 기간을 단축하고, 연간 육종량과 단위 면적당 묘목 생산량을 늘려 시장 경쟁력을 강화할 수 있습니다. 

식물 공장 기술의 발전과 묘목 재배에 대한 환경 생물학 연구의 지속적인 심화로 인해, 식물 공장에서의 묘목 육종 비용은 전통적인 온실 재배와 거의 동일하며, 묘목의 품질과 시장 가치는 더 높아졌습니다. 오이 묘목을 예로 들면, 종자, 배양액, 플러그 트레이, 배지 등을 포함한 생산 재료비가 총비용의 약 37%를 차지하며, 전기 에너지 소비는 식물 조명, 냉방, 배양액 펌프 등의 에너지 소비를 포함하여 총비용의 약 24%를 차지합니다. 이는 향후 최적화의 주요 방향입니다. 또한, 식물 공장 생산의 특징은 노동 투입 비중이 낮다는 점입니다. 자동화 수준이 지속적으로 높아짐에 따라 노동 비용은 더욱 절감될 것입니다. 앞으로 고부가가치 작물 개발과 귀중 수목 묘목의 산업화된 재배 기술 개발을 통해 식물 공장에서의 묘목 육종으로 인한 경제적 이익을 더욱 향상시킬 수 있을 것입니다.

오이 모종 비용 구성 비율 /%

산업화 현황

최근 몇 년 동안 중국농업과학원 도시농업연구소를 비롯한 과학 연구 기관과 첨단 기술 기업들은 식물 공장에서 묘목 육종 산업을 실현해 왔습니다. 이러한 공장은 종자부터 발아까지 효율적인 산업 생산 라인을 제공할 수 있습니다. 그중 2019년에 산시성에 건립되어 가동을 시작한 한 식물 공장은 3,500㎡ 규모로 30일 주기로 고추 묘목 80만 개 또는 토마토 묘목 55만 개를 육종할 수 있습니다. 또 다른 묘목 육종 공장은 2,300㎡ 규모로 연간 800만~1,000만 개의 묘목을 생산할 수 있습니다. 중국농업과학원 도시농업연구소가 자체 개발한 접목묘 이동식 치유 시설은 접목묘 재배를 위한 조립 라인 방식의 치유 및 길들이기 플랫폼을 제공합니다. 하나의 작업 공간에서 한 번에 1만 개 이상의 접목묘를 처리할 수 있습니다. 앞으로 식물 공장의 묘목 육종 품종 다양성은 더욱 확대될 것으로 예상되며, 자동화 및 지능화 수준도 지속적으로 향상될 것이다.

중국농업과학원 도시농업연구소에서 개발한 접목묘용 이동식 치유 시설

시야

공장식 묘목 사육의 새로운 방식으로서, 식물 공장은 정밀한 환경 제어, 효율적인 자원 활용, 표준화된 운영 측면에서 기존 묘목 사육 방식 대비 큰 장점과 상업화 잠재력을 지니고 있습니다. 종자, 물, 비료, 에너지, 인력 등의 자원 소비를 줄이고 단위 면적당 묘목 수확량과 품질을 향상시킴으로써, 식물 공장에서의 묘목 사육 비용은 더욱 절감되고 시장 경쟁력은 높아질 것입니다. 중국에서는 묘목에 대한 수요가 매우 높습니다. 채소와 같은 전통 작물 외에도 화훼, 한약재, 희귀 수목 등 고부가가치 묘목의 생산이 식물 공장에서 이루어질 것으로 기대되며, 이를 통해 경제적 이익이 더욱 증대될 것입니다. 동시에, 산업화된 묘목 사육 플랫폼은 계절별 묘목 사육 시장의 요구에 부응하기 위해 다양한 묘목 사육 방식의 호환성과 유연성을 고려해야 합니다.

묘목 육종 환경의 생물학적 이론은 식물 공장 환경의 정밀 제어의 핵심입니다. 빛, 온도, 습도, CO2와 같은 환경 요인이 묘목의 형태, 광합성 및 기타 생리 활동을 조절하는 방식에 대한 심층적인 연구는 묘목-환경 상호작용 모델을 구축하는 데 도움이 될 것이며, 이는 묘목 생산의 에너지 소비를 줄이고 묘목의 품질과 생산량을 향상시키는 이론적 기반을 제공합니다. 이러한 기반 위에 빛을 핵심으로 하고 다른 환경 요인과 연계하여 특수 품종, 높은 균일성, 고품질의 묘목을 맞춤형으로 생산하는 제어 기술 및 장비를 개발할 수 있으며, 이는 식물 공장의 고밀도 재배 및 기계화 운영 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 궁극적으로 이는 디지털 묘목 생산 시스템 구축을 위한 기술적 토대를 제공하고 식물 공장에서 표준화되고 무인화된 디지털 묘목 육종을 실현하는 데 기여할 것입니다.

저자 : Xu Yaliang, Liu Xinying 등 

인용 정보:

Xu Yaliang, Liu Xinying, Yang Qichang.식물 공장의 묘목 육종의 핵심 기술 장비 및 산업화[J]. 농업공학기술, 2021,42(4):12-15.