高值化離地栽培介質自動裝填技術

刊登日期:2015/1/5
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離地栽培( Off-ground Cultivation )法,除了保護土壤及避免土壤受到重金屬危害外,搭配現今發展的立體栽培法或層架法,更可增加栽種產量,目前溫室發展技術完善的牛番茄或菇類等都屬此栽培法。然而,此栽培法其介質( Media )屬於替換式,隨著採收次數增加,介質內部的營養成分會隨之遞減,金針菇介質太空包更屬於一次性使用,導致這些離地栽培作物的介質需求量隨之增加。

隨著社會型態改變所帶來的農業地區人口老化問題嚴重,菇農產業面臨到勞工人口不足的問題,而傳統離地栽培作物的介質處理需要投入大量人力,由此可知,自動化介質填充技術研發的重要性。目前傳統介質填充主要使用粗略機器設備,包含混合、轉盤和推車等半手動設備,並且經常發生架橋問題,高人工需求與人事成本、自動化程度低和定量程度低,加上菇類封裝時粉塵/套環/塞棉花對人體造成的職業傷害。以上這些技術缺口,說明為提升產業產值,自動化介質填充開發的必要性,並且根據市場需求為出發點,將與國內菇類業者進行密切合作(如萬生、忠興等),協助產業升級、解決人工來源老化、降低人力成本、提高充填效率,以解決台灣目前菇類產業面臨的技術人力問題。


圖二、介質填充流程圖

目標
本研究擬開發自動化介質填充設備,其設備開發重點為下述兩項:一為自動化定量、均勻混合填充技術,包含均勻混合、滾筒上袋、定量調整、自動上袋和介質裝填;二為介質封裝技術,包含介質袋縮口套環及塞棉花。設計開發技術示意圖如圖三,前端之階段性濕式介質混合設備包含攪拌桶、旋轉架、兩個攪拌單元、旋轉馬達、電路控制箱等所組成的介質混合機,期望藉由上述的系統整合達到濕式介質混合均勻的效果。中端之自動化定量充填設備,利用滾筒的方式上袋後,透過螺桿伸縮並在其內加裝抽真空裝置吸附介質袋外壁,利用抽真空方式將介質袋打開,並開始進行定量介質裝填,經由電子計量秤及控制程式回饋系統,控制介質填充量,使每個裝填重量差 ≤20%。後端介質封裝技術,將介質袋縮口後套入套環,再塞入棉花經由傳輸帶運送至定點上架。藉由上述平台技術的整合開發後,整體介質填充相較於傳統方法約可提升30%裝填產量,裝填效率可達每 10小時 12,000個,可大幅提升介質填充之效率及降低相關業者的人事成本。

介質物理特性探討在介質混合的過程中,需考慮介質顆粒大小、總體密度、孔隙度、保水度、碳氮比、陽離子交換容量、酸鹼度(pH值)與導電度(EC值)等特性。介質理想化的物理性質須具備疏鬆、保水、保肥又透氣,介質顆粒大小會影響總體密度、孔隙度、保水度。介質粒徑大小通常分為五級,<1 mm、1~5 mm、5~10 mm、10~20 mm、20~50 mm,以總體密度而言,介質太輕,太空包易傾倒,太重則不利機械操作及搬運,一般最佳化的總體密度在浸水後為 0.64~1.20 g/cm3;保水度最佳值為澆水後的水體積比在 35~50%,空氣佔 10~20%;碳氮比最佳值則在 30左右,若超過 30,應多加氮肥,避免生物固定化作用(Immobilization)的發生。
1. 濕度檢測方式與機制
(1)水分感測技術及應用
透過兩端的電極, 量測時個別插入介質中。利用振盪器驅動電容器,產生一個正比於介質的介電常數訊號。如圖四所示,量測單位體積的介質中水與介質之體積比(%),量測單位為 VWC(%) ( Volumetric Water Content ),可作為立即性的監測。


圖四、量測示意圖

(2) Watermark介質濕度感測器
導線包覆於石膏埋入於介質中,通以交流或直流電源。並透過惠斯登電橋電路量測出電阻值變化,藉由電路轉換成介質張力對應介質狀況。

介質混合方式
在現有的混合機型式,按照不同的分類觀點分為立式和臥式、容器旋轉式和容器固定式、分批式和連續式、單軸結構和雙軸結構、錐形、V型和圓筒型、攪拌式和無攪拌式。以臥式羅帶式混合機為例,其混合均勻度變異係數 CV值為 7%,混合時間為 3~6分鐘,本研究將以雙軸混合概念為出發點,除了希望可以達到均勻混合的概念之外,更希望可以解決目前因濕式介質所導致填充機容易產生架橋的問題,以下探討三種混合原理……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。

作者:蔡伶郁、張聿騏、涂筱雯、張宜平、饒憲堂、古昀生/工研院中分院
★完整內容請見下方檔案。


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