약용식물도 수경재배 가능한가?
*식물공장의 개요
식물공장이란 시설내에서 광, 온도, CO2, 습도, 기류속도, 무기영양 등의 재배환경을 최적상태로 제어하고, 재배공정을 자동화하여 식물을 연속적으로 계획 생산하는 효율성 높은 식물생산시스템을 뜻한다. 여기서 식물이라 함은 식물체전체, 식물조직, 식물세포를 뜻하며, 이들을 다시 대량생산체계에 따라 고도수경재배시스템으로 식물을 생산하는 좁은 의미의 식물공장, 클론증식시스템, 세포대량배양시스템으로 나누어진다. 그러나 앞으로 언급하는 식물생산시스템은 고도 환경제어와 자동화 기술을 이용하여 공산품을 생산하는 것처럼 시설내에서 수경재배방식에 따라 농산물이나 고기능성의 바이오매스를 주년 계획 생산하는 식물공장생산시스템만을 의미한다.
표 1. 넓은 의미의 식물공장생산시스템의 분류
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구분 |
식물공장(협의) |
클론증식시스템 |
세포대량배양시스템 |
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대상 |
식물전체 |
조직 |
세포 |
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방법 |
주로 수경재배 |
조직배양 |
세포배양 |
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지상부 제어요인 |
광, 온도, 습도, 탄산가스, 기류속도 |
광, 온도, 습도, 탄산가스 |
온도, 영양분, pH 산소량, 교반속도 |
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지하부 환경제어 |
무기영양, EC, pH, 수분관리, 용존산소량 |
영양분(당분, 미네랄, 비타민, 호르몬) |
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NFT방식의 수경재배로 상추류를 비롯한 허브를 주로 생산하고 있는 Hortiplan사의
재배베드자동이송시스템(MGS; mobile gully system)을 이용한 식물공장에서 묘
자동이식로봇, 자동재식거리조정방식, 중앙수확체계를 채택하여 운영되고 있는 벨기
에 식물공장 모습
이러한 식물공장의 시작은 덴마크의 크리스텐센(Christensen) 농장에서 크레스(cress)의 균일한 어린모를 대량생산하기 시작한 1957년으로 거슬러 올라간다. 즉, 파종실, 발아실, 육성실 및 출하실을 갖추고 무농약, 무공해로 싹채소를 생산한 것이 시작이다. 입체식 자동 식물공장은 1960년대 초 오스트리아의 루스나(Ruther)사에서 입체상하이동식으로 상추와 토마토를 재배하였다. 그 이후 유럽, 미국, 일본 등에서 식물공장에 대한 연구가 활발하게 이루어져 왔으며, 실용적인 식물공장은 유럽을 중심으로 상추류, 허브류, 분화류, 절화류(튜립, 백합, 장미)를 대상으로 이루어지고 있다.
그동안 농업이 갖는 생산의 불안정성, 중노동, 농약의 과다 사용, 수익성이 낮은 특성의 개선이 절실히 요구되어 왔다. 따라서 첨단기술을 농업에 도입하여 생산성 향상을 도모하고, 생산과정의 생력화, 자동화로 중노동으로부터 벗어나 생산과 가격의 안정화시키고, 무농약이나 기능성을 높여 부가가치 높은 식품이나 바이오매스 생산으로 농업의 채산성을 높일 수 있는 식물공장의 도입이 절실히 요구되어왔다. 최근 이러한 첨단농업기술의 총집합체인 식물공장은 기업의 농업에 대한 투자와 참여를 촉진시키고 있는 유일한 분야이기도하다.
* 식물공장의 특징과 분류
차세대 농업생산의 주역이 될 식물공장은 파종에서 수확까지 공장식 생산체계로 이루어지기 때문에 식물생산의 모든 기술이 종합적으로 제어되어야 하는 현대농업기술의 결정체라 하 수 있다. 즉, 식물공장은 컴퓨터에 의한 재배환경의 종합적 제어에 의하여 생육속도, 수량, 품질 등을 향상시키면서 생산과정을 전자동화하는 것이라고 할 수 있다.
따라서 다양한 학문을 종합하여 이루어지는 식물공장은 생산하고자 하는 식물의 주년 계획생산, 재배환경의 완전제어, 생산 작업의 자동화, 생산물의 부가가치제고를 통해 경제성을 맞추어야 하는 특성을 갖고 있는 농업생산시스템이라고 할 수 있다.
작물을 재배하는 식물공장생산시스템 즉, 협의의 식물공장생산시스템은 이용하는 광원의 종류에 따라 인공광중심의 완전제어형, 인공광과 태양광을 함께 사용하는 태양광병용형, 태양광만을 이용하는 태양광이용형으로 나뉘어 진다. 실내공간에 작물을 배치하는 방법에 따라 입체식과 평면식으로 작물의 이동여부에 따라 고정식과 이동식으로 구분된다.
공장의 조건은 생력화를 위해서 기계화 및 자동화를 전제로 이루어지며, 이를 바탕으로 인력 사용을 줄여 인건비를 최소화하고자 하는 것이 특징이다. 최근에는 식물공장과 원예용 시설에서 작물생산과정을 대부분 로봇화로 이루어내는 단계로 접어들었다.
자연광과 인공광원을 이용한 딸기 식물공장(네덜란드)
표 2 식물공장의 주요 특징과 내용
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특 징 |
내 용 |
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계획생산, 주년생산 |
생산의 계획성, 시기나 장소에 좌우되지 않음 |
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재배환경의 최적 제어 |
생육의 제어, 단기간 대량생산, 수확물의 균일성과 재현성, 수량 및 품질의 향상 |
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작업의 자동화, 생력화 |
환경관리의 자동화, 재배관리과정(파종, 이식, 수확,포장)의 자동화 및 생력화 |
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수확물의 부가가치 제고 |
재배 불가능한 작물의 생산 공급, 무농약 및 청정재배 영양가 향상, 기능성 향상, 고기능성 바이오매스 |
* 광원에 의한 분류
1) 완전제어형 식물공장
완전제어형 식물공장은 태양광을 투과시키지 않는 단열성 재료를 사용하여 외부기상조건과 완전히 차단하여 외기온과 태양의 영향을 거의 받지 않고 광합성에 필요한 에너지를 인공광원으로부터 얻는 생산시스템이다. 이 방식은 용이하게 최적생육환경조건에서 식물을 재배할 수 있어 주년 계획생산이 가능하나 인공광원만으로 조명하게 되어 광량 및 광질에 한계가 있다. 또한 강한 광을 필요로 하는 작물을 재배하기 어렵고 조명전력비 및 인공광원에서 발생하는 열을 제거하기 위한 냉방부하가 커져 공조시설비용 등의 초기투자비가 많이 들고 유지관리비가 증가하는 단점이 있다. 이 방식으로 재배 가능한 식물은 주로 광요구도가 낮은
엽채류가 중심이 되고 있다.
일본 미쯔비시화학의 식물공장
2) 태양광병용형 식물공장
태양광병용형 식물공장은 유리 또는 플라스틱 필름과 같이 빛을 잘 투과시키는 피복재료를 사용하는 관계로 태양광을 주로 이용하며, 태양광이 부족한 기상 조건일 때와 일조시간이 짧은 계절에는 인공조명으로 보광하는 생산시스템방식이다.
이 방식은 보조광원 설치비용과 광원에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉방시설이 필요하고 완전제어형과 같이 환경제어의 정확성을 기하기 어려우나 비교적 간단하게 충분한 광량을 확보할 수 있고 저렴하게 환경제어를 할 수 있는 특징을 갖고 있다. 특히 재배식물 중 강한 햇빛을 요구하는 작물의 재배가 용이하며, 계절 및 기후영향을 최소화 할 수 있어 완전제어형 식물공장에 가까운 주년 계획생산이 가능하며 고광도를 요구하는 엽채류, 과채류, 화훼 및 약용식물 재배에 많이 적용되고 있다.
오즈산업의 완전제어형 식물공장
3) 태양광이용형 식물공장
태양광이용형 식물공장은 유리 또는 플라스틱 필름을 피복재로 사용하며 보광을 하지 않고 태양광에만 의지하여 작물을 재배하는 방식이다. 이 방식은 기존의 원예작물 생산시설의 연장선상에 있는 시스템으로 외부 광조건에 좌우되는 관계로 태양광이 약한 흐린날이나 비오는 날에는 광량제어가 곤란하며, 계절에 따른 일조시간제어가 불가능하여 작물의 생육조건에 적합한 생장제어가 제대로 이루어지지 않아 작물의 품질관리와 계획생산이 어려운 재배방식이다. 특히, 여름철 고온기에는 냉방부하의 증가와 저온기 난방비와 같은 운영비가 증가할 우려가 높다. 반면에 건축비가 싸고 유동비도 싸서 생산코스트를 낮출 수 있는 장점이 있고, 앞으로 적외선을 반사시키고 가시광선을 잘 투과시키는 피복재가 개발되면 재배환경제어를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
*작물배치방법에 따른 분류
1) 평면식
작물을 평면상에 배치하는 방법으로 조명 등 재배관리 작업이 편리하고 균일하게 관리할 수 있으나 공간이용효율이 떨어진다.
2) 입체식
작물을 입체식으로 배치하는 방법으로 공간이용효율은 높으나 조명 등을 균일하게 할 수 있는 장치가 필요하며 관리작업에 노력이 많이 들고 자동화에도 많은 어려움이 뒤따른다.
파소나그룹의 완전제어형 식물공장
*일본 식물공장 형태별 특징
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완전제어형 |
태양광병용형 |
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조사개소 |
34개 |
16 |
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사업자 |
기업(56%), 농업생산법인(32) |
농업생산법인(63%) 기업(38%) |
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입지장소 |
공업용지, 택지, 잡종지 |
농지 |
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설치년도 |
38%(’06년 이후), 44%(’00년까지) |
72%(’00년 이전) |
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시설규모(설치면적) (재배실면적) |
85% (1000m2 미만) 47%(500m2 미만) |
55%(5,000m2 이상) 54%(1,000~5,000m2) |
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고용 규모(시설면적당) |
65% (10인 이하) 70%(10~20인) |
64%(11~50인 이하) 63%(3인미만) |
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사용광원 |
형광등(48%), 39%(고압나트륨등) |
73%(고압나트륨등) |
식물공장생산시스템에서 작물이 이동하는지 또는 고정되어 있는지에 따라 이동식과 고정식으로 나누어진다. 이동식은 제어방식이 복잡하고 설치비가 많이 드나 일정한 장소에서 농작업을 할 수 있어 생력화가 가능하며 작물의 생육정도에 따라 작물의 주간을 조절할 수 있어 공간이용효율을 높일 수 있어 대부분의 식물공장에서 채택하고 있다.
큐피사의 완전제어형 식물공장 TS팜
지바대학의 연구용 완전제어형 식물공장
*식물공장에서 주요 필요기술
식물공장 생산시스템 기술적 발전 동향을 살펴보면 다음과 같다.
먼저 식물공장생상시스템의 유형은 유럽에서는 태양광이용형 또는 태양광병용형에 비중을 두고 있으나 일본에서는 궁극적으로 완전제어형에 더 많은 비중을 두고 있다. 재배작물측면에서 유럽에서는 상추를 비롯한 엽채류와 허브생산이 체계화 되었고, 화훼류에서는 분화생산이 가장 공장생산체계로 발전하였고 절화류로는 튜립, 백하부 장미생산에서 공장생산체계로 발전하여가고 있다. 시스템측면에서 유럽에서는 태양광병용형식물공장으로 표준화되었고, 일부 스웨덴과 같은 고위도에서는 완전제어형에대한 실용화가 진행되고 있다. 일본에서는 모두 상추를 비롯한 엽채류와 묘의 대량 생산시스템에서 실용화되고 있으며, 시스템은 완전제어형을 중심으로 일부 태양광병용형이용 되고 있다. 더불어 태양광병용형에서는 과채류에 대한 실용화 연구가 활발히 진행되고 있다.
식물공장생산시스템의 개발은 기업에서 중점적으로 개발하고 있으며, 운영주체는 유럽은 농업인이 중심이지만 근래 규모화와 더불어 농산물 유통을 주로 하는 기업으로 바뀌는 상황이다. 일본은 주로 전력회사, 식품회사, 유통회사 등 기업체 특히 대기업에서 자체적으로 개발 운영하는 것이 많으며 따라서 다양한 식물공장생산시스템들이 나타나고 있다.
식물공장생산시스템에 대한 최근의 주된 연구동향은 식물공장생산시스템에서 생산할 수 있는 품목을 확대하는 기술개발에 주안점을 두고 있다. 식물공장생산시스템의 요소기술수준에서 살펴보면 조명에 사용되는 인공광원은 태양광병용형식물공장에서 유럽과 일본 모두 고압나트륨 램프가 일반적으로 사용되고 있으나 완전제어형식물공장이 중심인 일본에서는 새로운 광원으로서 LED광원, 형광등 대체로 하이브리드전극형광등(HEFL) 및 마이크로파 광원을 식물공장생산시스템에 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있으며 조명방법은 모두 근접조명과 간헐조명방식들이 개발 이용되고 있다. 유럽에서는 온실보광 및 식물공장용 고광도 LED광원 개발에 필립스(Philips) 같은 대기업에서 집중적으로 이루어지고 있다.
냉난방 등 공기조화에 있어서는 히트펌프에 의한 냉난방시스템이 주로 많이 적용되고 있으나 공조비용 절감을 위하여 증발냉각방식의 일종인 패드앤 패드 방식의 냉각법이 적용되고 있으며, 재배공간 전체를 냉각시키지 않고 필요한 부분만을 직접 냉각시키는 국소냉각방식도 도입되고 있는 실정이다.
작물재배환경제어측면에서는 일반적으로 복합환경제어시스템이 사용되고 있으나 일본에서는 원격계층제어시스템에 대한 관심이 높고 작물의 비파괴적 생체계측을 통하여 광합성, 호흡량, 기공개폐, 양분이동 등 작물의 생체정보를 수집한 뒤 이에 적합한 환경을 만들어 줄 수 있는 환경제어시스템 연구가 아주 심도 깊게 연구되고 있다. 배양액관리도 현재는 EC나 pH제어가 주로 이루어지고 있으나 양액중의 각 무기원소 성분요소를 계측하여 각성분요소를 제어하는 방향으로 발전하고 있다.
한편, 식물공장생산시스템에서의 작업공정의 생력화 경향은 유럽쪽에서는 태양광병용형 또는 태양광이용형의 대형 식물공장생산시스템을 대상으로 하면서 스페이싱, 이식, 수확 등의 농작업도 로봇화 되고 있다. 일본에서는 육묘관리, 이식, 스페이싱, 수확 등 거의 전작업 공정을 자동화 또는 로봇화로 연구 해 나가는 경향이나 실제 완전제어형 식물공장에서는 자동화율 상당히 낮은 상태다.
식물공장생산시스템에 관련된 기술수준은 자연에너지를 이용한 온실 냉난방용 히트펌프시스템이 실용화되었으며, 양액 및 환경제어가 복합 환경제어체계로 자동화되었다. 작업공정의 자동화 등에 관한 기술 개발은 유럽을 중심으로 계속 새로운 기술들이 개발되어 활용되고 있다. 실제 식물공장생산시스템의 실용화 촉진을 위해서는 구조, 설계, 작물생장제어, 품질향상, 운영 등에 관한 기술개발이 더한층 발전되는 것이 요청되고 있다.
태양광형병용형 엽채류 식물공장
자료 : 1. 강승원, 백준필, 서상규, 김선형, 박권우, 이용범 공역. 2008. 식물공장. 월드 사이언스
2. 농촌진흥청.1999. 식물공장생산시스템 - 연구동향분석과 금후연구방향. 연구동향 분석 보고서
1999-4.
3. 이용범, 전하준, 손정익 등. 2010. 신고 시설원예학. 향문사
4. 이용범, 이병일, 김영식. 2000. 식물공장의 최적배양액관리 자동화시스템 개발. 농림부
5. 이용범, 김완순, 나택상. 2003. 공장형 장미생산기술 및 시스템 개발. 농림부
6. 日本植物工場學會. 1992. ハイテク農業ハンドブック. 東海大學出版會
7. 高速正基1997. 日本植物ハンドブック(Handbook of plant factory). 東海大學出版會
8. (주)미쯔비시三菱綜合硏究所. 2009. ‘植物工場實態調査’
9. www.lincolnshire-herbs.co.uk(formerly Swedeponic UK)
10.www.hortiplan.com
11.http://cafe.daum.net/