Biological and Systems Engineered Approach for Highly Efficient and High-value-added Production in Plant Factory System

IR

Bibliographic Information

Other Title
  • 植物工場生産の高効率化と高付加価値化のための生物学的およびシステム工学的アプローチ

Abstract

植物工場では、高度に調節された環境下で植物を生産することができる。一方、高額な設備投資とともに運転にコストを要するため、生産の高効率化と生産物の高付加価値化が不可欠である。この総論では、植物工場生産の高効率化と高付加価値化をめざすうえで重要な2つのアプローチ、生物学的アプローチとシステム工学的アプローチ、の各々に関する現状と著者らの取り組みについて報告する。生物学的アプローチについては、最初に、植物工場内の環境を様々に変化させることによって植物を質的に変化させる試みに関する研究動向をまとめた。野菜中の機能性成分の含量は種々の環境条件下で変化するため、それを利用して機能性成分を多く含み、高付加価値化した野菜を生産できる。次いで、遺伝子組換え技術を利用して他生物由来の物質を植物工場で得る、あるいは、植物の質を遺伝子レベルから改変するための試みについて紹介した。　一方、植物工場のシステムエ学的アプローチとしては、実用化の最大の課題である収益性とシステムの設計方策について現況を解析し、今後の課題について考察した。国内の園芸作物の統計値から算出した、種々の作物の生産性と収益性を参照し、植物工場の収益性を推定するモデル式を用いて解析した。その結果、植物工場では垂直方向に栽培棚を重ねて生産性を高めることが不可欠であり、現在実用化されている植物工場野菜が、レタスなどのように成長丈が低く、栽培期間が短期であるものに限られていることが明らかとなった。将来的に、成長丈が高く栽培期間が長期におよぶ作物にも栽培対象を拡張するには、施設内における高密度栽培を実現するための、低コストシステムを開発することが必要であり、多層棚の採光システムや、草丈の過剰な伸長を抑えるための光の波長制御技術の開発が望まれる。このようなシステムの開発を目的とした、人工照明栽培に関する著者らの研究開発を併せて報告した。　（英文） Plant factories are closed plant production facilities of which the environment is highly controlled. The highly efficient and high-value-added production is required in plant factories because of the significant equipment investment and cost for maintaining the systems. Here we reviewed recent studies to improve the productivity and/or quality of vegetables produced in plant factories based on two important points of view, biological approach and systems engineered approach. In biological approach, plants' response against artificial environmental factors has been studied to improve quality and/or enhance the level of valuable metabolites. The results strongly indicate that environmental control techniques are expected to be used to provide high-value-added vegetables. Genetic engineering has also been applied to develop new sources of valuable compounds that are mainly originating from other organisms. Genetic engineering is also expected to be applicable for development of suitable plant materials (varieties) for closed production system. In application of plant factory process, productivity of biomass and its profit depend on the growth profiles and market values of the products. Estimation model of the productivity for various vegetables and crops is introduced by quoting the recent market values of agricultural industry in Japan. The estimation model also evaluates the productivity of vegetables cultured by a multiple-beds system. The economic analysis elucidated that the smaller size and shorter period of cultivation are significant factors for enhancement of the productivity and profit of the system and thereby lettuce has been chosen as the product. Thus, high density cultivation of vegetables in shorter time is essential for developing sustainable novel systems. Consequently, advanced technology for operating multiple-beds culture systems in the limited space with low cost and low energy consumption to maintain optimal environmental condition is required. Current study by the authors for controlling growth cycle by matching photon wavelength with plants cultured in a small bioreactor system is also cited in this report.

Departmental Bulletin Paper

application/pdf

Journal

Details 詳細情報について

Report a problem

Back to top