요약: 최근 현대 농업 기술의 지속적인 발전과 함께 식물 공장 산업도 빠르게 발전해 왔다. 본 논문은 식물 공장 기술 및 산업 발전의 현황, 기존 문제점 및 대응 방안을 소개하고, 향후 식물 공장 산업의 발전 추세와 전망을 살펴본다.

1. 중국 및 해외 플랜트 공장의 기술 개발 현황

1.1 해외 기술 개발 현황

21세기 들어 식물 공장 연구는 주로 광효율 향상, 다층 3차원 재배 시스템 장비 개발, 그리고 지능형 관리 및 제어 연구 개발에 집중되어 왔습니다. 21세기에 들어서면서 농업용 LED 광원의 혁신이 진전되어 식물 공장에 LED 에너지 절약형 광원을 적용하는 데 중요한 기술적 기반을 제공했습니다. 일본 지바 대학은 고효율 광원, 에너지 절약형 환경 제어, 재배 기술 분야에서 여러 혁신을 이루어냈습니다. 네덜란드 바헤닝겐 대학은 작물-환경 시뮬레이션과 동적 최적화 기술을 활용하여 식물 공장용 지능형 장비 시스템을 개발했는데, 이는 운영 비용을 크게 절감하고 노동 생산성을 현저히 향상시켰습니다.

최근 몇 년 동안 식물 공장들은 파종, 묘목 재배, 이식, 수확에 이르는 생산 공정의 반자동화를 점차 실현해 왔다. 일본, 네덜란드, 미국은 높은 수준의 기계화, 자동화, 지능화를 통해 이 분야를 선도하고 있으며, 수직 농업과 무인 운영 방향으로 발전하고 있다.

1.2 중국의 기술 발전 현황

1.2.1 식물 공장 인공 조명용 특수 LED 광원 및 에너지 절약 응용 기술 장비

식물 공장에서 다양한 식물 품종 생산을 위한 특수 적색 및 청색 LED 광원이 잇따라 개발되었습니다. 출력은 30~300W 범위이며, 조사 광도는 80~500μmol/(m²·s)로, 적절한 임계 범위의 광도와 광질 매개변수를 제공하여 고효율 에너지 절약 효과를 달성하고 식물 생장 및 조명 요구에 맞출 수 있습니다. 광원 방열 관리 측면에서는 광원 팬의 능동 방열 설계가 도입되어 광원의 광량 감소율을 줄이고 수명을 연장합니다. 또한, 영양액 또는 물 순환을 통한 LED 광원의 발열 감소 방법도 제안되었습니다. 광원 공간 관리 측면에서는 묘목 단계 및 후기 단계의 식물 크기 성장 법칙에 따라 LED 광원의 수직 공간 이동 관리를 통해 식물 잎사귀에 근접한 거리에서 조명을 비춰 에너지 절약 목표를 달성합니다. 현재 식물 공장의 인공 조명 광원은 공장 전체 운영 에너지 소비량의 50~60%를 차지합니다. LED는 형광등에 비해 50%의 에너지 절감 효과를 제공하지만, 에너지 절감 및 소비량 감소에 대한 연구는 여전히 필요하고 잠재력이 큽니다.

1.2.2 다층 3차원 재배 기술 및 장비

LED 조명을 형광등 대신 사용함으로써 다층 3차원 재배의 층간 간격이 줄어들어 식물 재배의 3차원 공간 활용 효율이 향상되었습니다. 재배상 바닥 설계에 대한 연구도 활발히 진행되고 있는데, 융기된 줄무늬를 설계하여 난류를 발생시킴으로써 식물 뿌리가 영양액의 양분을 고르게 흡수하고 용존산소 농도를 높일 수 있습니다. 배양판 사용 방식에는 크기가 다른 플라스틱 배양컵을 이용하는 방식과 스펀지를 이용한 둘레 배양 방식 두 가지가 있습니다. 슬라이딩 방식의 재배상 시스템이 개발되어 재배판과 그 위의 식물을 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 수동으로 밀어 옮길 수 있게 되었으며, 재배상 한쪽 끝에서 파종하고 다른 쪽 끝에서 수확하는 생산 방식이 가능해졌습니다. 현재, 액상 영양막 기술과 심층 액상 유동 기술을 기반으로 한 다양한 3차원 다층 무토양 재배 기술 및 장비가 개발되었으며, 딸기 기질 재배, 잎채소 및 화훼 에어로졸 재배 기술 및 장비가 등장했습니다. 언급된 기술은 빠르게 발전해 왔습니다.

1.2.3 영양액 순환 기술 및 장비

배양액을 일정 기간 사용한 후에는 물과 무기물을 보충해야 합니다. 일반적으로 새로 제조하는 배양액의 양과 산-염기 용액의 양은 EC와 pH를 측정하여 결정합니다. 배양액 내의 큰 침전물이나 뿌리 탈락물은 필터를 통해 제거해야 합니다. 수경재배에서 연속적인 작물 생육을 방해하는 요소를 제거하기 위해 배양액 내의 뿌리 분비물은 광촉매 방법을 이용하여 제거할 수 있지만, 이 경우 영양분 이용률에 영향을 미칠 위험이 있습니다.

1.2.4 환경 제어 기술 및 장비

생산 공간의 공기 청정도는 공장 공기질을 나타내는 중요한 지표 중 하나입니다. 생산 공간의 공기 청정도(부유 입자 및 침전 세균 지표)는 동적 조건에서 100,000 이상으로 관리되어야 합니다. 자재 소독 투입, 작업자 출입 시 에어 샤워 처리, 신선 공기 순환 공기 정화 시스템(공기 여과 시스템)은 모두 기본적인 안전 장치입니다. 생산 공간의 온도, 습도, CO2 농도 및 기류 속도 또한 공기질 관리의 중요한 요소입니다. 보고서에 따르면, 공기 혼합기, 공기 덕트, 공기 흡입구 및 배출구와 같은 설비를 설치하면 생산 공간의 온도, 습도, CO2 농도 및 기류 속도를 균일하게 제어하여 높은 공간 균일성을 확보하고 공장 내 다양한 ​​위치의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 온도, 습도, CO2 농도 제어 시스템과 신선 공기 시스템은 공기 순환 시스템에 유기적으로 통합됩니다. 세 가지 시스템은 공기 덕트, 공기 흡입구 및 배출구를 공유하고 팬을 통해 동력을 공급받아 공기 순환, 여과 및 살균을 실현하고 공기질을 균일하게 유지해야 합니다. 이를 통해 식물 공장의 식물 생산이 병해충으로부터 보호되어 살충제 사용이 불필요해집니다. 동시에, 식물 생장에 필요한 온도, 습도, 기류 및 이산화탄소 농도 등 생육 환경 요소의 균일성이 보장됩니다.

2. 플랜트 공장 산업의 발전 현황

2.1 외국 플랜트 공장 산업의 현황

일본에서는 인공 조명 식물 공장의 연구 개발 및 산업화가 비교적 빠르게 진행되고 있으며, 선두 수준에 있습니다. 2010년 일본 정부는 기술 연구 개발 및 산업 실증 지원을 위해 500억 엔을 투입했습니다. 지바 대학과 일본 식물 공장 연구 협회를 포함한 8개 기관이 참여했습니다. 일본 미래 기업은 일일 3,000그루 생산 규모의 식물 공장 산업화 실증 사업을 최초로 수행 및 운영했습니다. 2012년 당시 이 공장의 생산 원가는 kg당 700엔이었습니다. 2014년에는 미야기현 다가성에 현대식 식물 공장이 완공되어 일일 10,000그루 생산 규모의 세계 최초 LED 식물 공장이 되었습니다. 2016년 이후 일본에서 LED 식물 공장 산업화는 더욱 가속화되어 손익분기점을 넘거나 수익을 내는 기업들이 속속 등장하고 있습니다. 2018년에는 일일 생산량 5만~10만 그루 규모의 대형 묘목 공장들이 속속 등장하면서 전 세계 묘목 공장들이 대규모화, 전문화, 지능화 방향으로 발전해 나갔다. 동시에 도쿄전력, 오키나와전력 등 여러 분야에서도 묘목 공장에 투자를 시작했다. 2020년에는 일본 묘목 공장에서 생산되는 상추가 전체 상추 시장의 약 10%를 차지할 것으로 예상된다. 현재 가동 중인 250여 개의 인공 조명식 묘목 공장 중 20%는 적자, 50%는 손익분기점, 30%는 흑자 단계에 있으며, 상추, 허브, 묘목 등 다양한 재배 작물을 취급하고 있다.

네덜란드는 태양광과 인공 조명을 결합한 식물 공장 기술 분야에서 세계적인 선두 주자이며, 높은 수준의 기계화, 자동화, 지능화 및 무인화를 통해 이러한 기술과 장비를 강력한 제품으로 중동, 아프리카, 중국 등 여러 국가에 수출하고 있습니다. 미국 뉴저지주 뉴어크에 위치한 에어로팜(AeroFarms) 농장은 6,500m² 규모로, 주로 채소와 향신료를 재배하며 연간 약 900톤을 생산합니다.

에어로팜의 수직 농업

미국 플렌티 컴퍼니(Plenty Company)의 수직 농장 식물 공장은 LED 조명과 높이 6m의 수직 재배 틀을 사용합니다. 식물은 화분 측면에서 자랍니다. 중력식 급수를 이용하는 이 재배 방식은 추가 펌프가 필요 없으며 기존 농업 방식보다 물 사용량이 훨씬 적습니다. 플렌티는 자사 농장이 기존 농장보다 350배 많은 생산량을 내면서 물 사용량은 1%에 불과하다고 주장합니다.

수직농업 식물 공장, 플렌티 컴퍼니

2.2 중국 플랜트 공장 산업 현황

2009년, 중국 최초로 지능형 제어를 핵심으로 하는 식물 생산 공장이 창춘 농업 박람회 공원에 건설되어 가동을 시작했습니다. 200m² 규모의 이 공장은 온도, 습도, 조도, 이산화탄소, 영양액 농도 등 환경 요소를 실시간으로 자동 모니터링하여 지능형 관리를 실현합니다.

2010년 베이징에 퉁저우 식물 공장이 건설되었습니다. 총 건축면적 1289m² 규모의 이 공장은 단층 경량 철골 구조로 지어졌으며, 항공모함 모양을 하고 있어 중국 농업이 현대 농업의 최첨단 기술을 향해 선도적으로 나아가는 것을 상징합니다. 잎채소 생산의 일부 공정에 자동화 설비가 도입되어 생산 자동화 수준과 생산 효율이 향상되었습니다. 또한, 지열 히트펌프 시스템과 태양광 발전 시스템을 도입하여 높은 운영 비용 문제를 효과적으로 해결하고 있습니다.

통저우 공장 내부 및 외부 모습

2013년, 산시성 양링 농업첨단기술시범구에 많은 농업기술 기업들이 설립되었습니다. 건설 및 운영 중인 대부분의 식물 공장 프로젝트는 농업첨단기술시범공원에 위치하고 있으며, 주로 대중 과학 체험 및 관광 목적으로 활용되고 있습니다. 이러한 대중 과학 체험형 식물 공장은 기능적 한계로 인해 산업화에 필요한 높은 생산량과 높은 효율성을 달성하기 어렵고, 향후 산업화의 주류 형태로 자리 잡기도 어려울 것으로 예상됩니다.

2015년, 중국의 한 주요 LED 칩 제조업체는 중국과학원 식물연구소와 협력하여 식물 공장 설립을 공동으로 추진했습니다. 이는 광전자 산업에서 '광생물학' 산업으로의 전환을 의미하며, 중국 LED 제조업체들이 산업화 과정에서 식물 공장 건설에 투자하는 선례가 되었습니다. 이 식물 공장은 신흥 광생물학 분야에 산업 투자를 집중하기 위해 과학 연구, 생산, 시범 사업, 육성 등의 기능을 통합하여 설립되었으며, 등록 자본금은 1억 위안입니다. 2016년 6월, 3층 건물(면적 3,000m²)과 10,000m² 이상의 재배 면적을 갖춘 이 식물 공장이 완공되어 가동을 시작했습니다. 2017년 5월까지 일일 생산량은 잎채소 1,500kg(상추 15,000포기 기준)에 달할 것으로 예상됩니다.

이 회사에 대한 견해

3. 플랜트 공장 발전에 직면한 문제점 및 대응 방안

3.1 문제점

3.1.1 높은 건설 비용

식물 공장은 밀폐된 환경에서 작물을 생산해야 합니다. 따라서 외부 유지 보수 시설, 공조 시스템, 인공 조명, 다층 재배 시스템, 양액 순환 시스템, 컴퓨터 제어 시스템 등 지원 시설 및 장비를 구축해야 하며, 건설 비용이 상대적으로 높습니다.

3.1.2 높은 운영 비용

식물 공장에서 필요한 광원의 대부분은 LED 조명인데, 이는 다양한 작물의 성장에 적합한 스펙트럼을 제공하지만 전력 소비량이 매우 높습니다. 식물 공장의 생산 과정에서 사용되는 냉난방 장치, 환기 장치, 펌프 등의 장비 또한 전력을 소모하기 때문에 전기 요금은 막대한 비용 부담입니다. 통계에 따르면 식물 공장의 생산 비용 중 전기료가 29%, 인건비가 26%, 고정 자산 감가상각비가 23%, 포장 및 운송비가 12%, 생산 자재비가 10%를 차지합니다.

플랜트 공장의 생산 비용 분석

3.1.3 낮은 수준의 자동화

현재 적용 중인 식물 공장은 자동화 수준이 낮아 묘목 재배, 이식, 노지 파종, 수확 등의 공정이 여전히 수작업에 의존하고 있어 인건비가 높습니다.

3.1.4 재배 가능한 작물의 종류가 제한적임

현재 식물 공장에 적합한 작물 종류는 매우 제한적이며, 주로 생육 속도가 빠르고 인공 조명에 잘 적응하며 잎이 무성하지 않은 잎채소류입니다. 수분이 필요한 작물 등 복잡한 재배 조건을 요구하는 작물은 대규모 재배가 어렵습니다.

3.2 개발 전략

플랜트 공장 산업이 직면한 문제들을 고려할 때, 기술 및 운영 등 다양한 측면에서 연구를 수행할 필요가 있다. 현재의 문제점에 대한 대응책은 다음과 같다.

(1) 플랜트 공장의 지능형 기술 연구를 강화하고 집약적이고 정교한 관리 수준을 향상시킵니다. 지능형 관리 및 제어 시스템의 개발은 플랜트 공장의 집약적이고 정교한 관리를 달성하는 데 도움이 되며 노동 비용을 크게 절감하고 노동력을 절약할 수 있습니다.

(2) 연간 고품질 및 고수확을 달성하기 위해 집약적이고 효율적인 식물 공장 기술 설비를 개발합니다. 고효율 재배 시설 및 설비, 에너지 절약 조명 기술 및 설비 등을 개발하여 식물 공장의 지능화 수준을 향상시키면 연간 고효율 생산 실현에 도움이 됩니다.

(3) 약용식물, 건강보조식물, 희귀채소 등 고부가가치 식물의 산업적 재배 기술에 대한 연구를 수행하고, 식물 공장에서 재배되는 작물의 종류를 늘리고, 수익 채널을 확대하고, 수익의 시작점을 개선합니다.

(4) 가정용 및 상업용 식물 공장에 대한 연구를 수행하고, 식물 공장의 종류를 다양화하고, 다양한 기능을 통해 지속적인 수익성을 달성합니다.

4. 플랜트 공장의 발전 추세 및 전망

4.1 기술 발전 동향

4.1.1 전체 프로세스 지능화

기계와 기술의 융합 및 손실 방지 메커니즘을 기반으로 하는 작물 로봇 시스템의 고속, 유연, 비파괴 파종 및 수확 엔드 이펙터, 분산형 다차원 공간 정밀 위치 지정 및 다중 모드 다중 기계 협업 제어 방식, 그리고 고층 식물 공장에서의 무인, 고효율, 비파괴 파종을 위해 파종-수확-포장 등의 지능형 로봇 및 지원 장비를 개발하여 전 공정의 무인 운영을 실현해야 합니다.

4.1.2 생산 관리를 더욱 스마트하게 만들기

작물의 생장 및 발달이 빛, 온도, 습도, CO2 농도, 양액의 영양분 농도, EC에 반응하는 메커니즘을 기반으로 작물-환경 피드백에 대한 정량적 모델을 구축해야 합니다. 잎채소의 생육 정보와 생산 환경 변수를 동적으로 분석하는 전략적 핵심 모델을 수립해야 합니다. 또한, 환경에 대한 온라인 동적 식별 진단 및 공정 제어 시스템을 구축해야 합니다. 나아가, 대규모 수직 농업 공장의 전체 생산 공정을 위한 다중 기계 협업 인공지능 의사결정 시스템을 개발해야 합니다.

4.1.3 저탄소 생산 및 에너지 절약

태양광 및 풍력과 같은 재생 에너지원을 활용하여 전력 전송을 완료하고 에너지 소비를 제어함으로써 최적의 에너지 관리 목표를 달성하는 에너지 관리 시스템을 구축합니다. 이산화탄소 배출을 포집 및 재활용하여 작물 생산을 지원합니다.

4.1.3 고급 품종의 높은 가치

재배 실험을 위해 다양한 고부가가치 품종을 육종하는 실현 가능한 전략을 수립하고, 재배 기술 전문가 데이터베이스를 구축하며, 재배 기술, 재식 밀도 선택, 그루터기 정리, 품종 및 장비 적응성에 대한 연구를 수행하고, 표준 재배 기술 사양을 마련해야 합니다.

4.2 산업 발전 전망

식물 공장은 자원과 환경의 제약을 극복하고 농업 생산의 산업화를 실현하며, 차세대 노동력을 농업 생산에 참여하도록 유도할 수 있습니다. 중국의 식물 공장은 핵심 기술 혁신과 산업화를 통해 세계적인 선두 주자로 발돋움하고 있습니다. LED 광원, 디지털화, 자동화, 지능형 기술의 적용이 가속화됨에 따라, 식물 공장은 더 많은 자본 투자와 인재 유치, 그리고 신에너지, 신소재, 신장비의 활용을 촉진할 것입니다. 이를 통해 정보 기술과 설비 및 장비의 심층적인 융합이 실현되고, 설비 및 장비의 지능화 및 무인화 수준이 향상되며, 지속적인 혁신을 통해 시스템 에너지 소비와 운영 비용이 지속적으로 절감되고, 전문 시장이 점진적으로 개척됨에 따라, 지능형 식물 공장은 황금기를 맞이할 것입니다.

시장 조사 보고서에 따르면, 2020년 전 세계 수직 농업 시장 규모는 29억 달러에 불과했지만, 2025년에는 300억 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 요컨대, 식물 공장은 광범위한 응용 전망과 발전 가능성을 가지고 있습니다.

저자: Zengchan Zhou, Weidong 등

인용 정보:식물공장산업발전의현황과전망[J].농업공학기술, 2022, 42(1): 18-23.작성자: Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li 외.