식물공장(Plant Factory)의 미래는 ?
질문 하나를 하겠다.
여러분! 사막, 남극과 북극 심지어 우주공간에서 식물을 재배할 수 있을까요? 정답은 그렇다 이다.
식물을 재배할 수 있게 만든 것은 다름 아닌 식물공장이라는 시스템이다. 식물공장은 환경조절을 통해서 작물의 주년 생산과 계획 생산이 가능하며, 작물의 수량과 품질을 조절할 수있는 공장형 식물생산시스템을 말한다. 이러한 시스템은 재배면적당 생산량의 극대화와 노동력 절감을 도모할 수 있는 새로운 개념의 농법이다. 최근 들어 연중 안정적인 농산물을 생산하는 식물공장에서 국민복지, 공공의 목적을 위한 사회 공익적 식물공장들이 대두되고 있다.
식물공장은 형광등이나 LED(l i ghtemitted diode)와 같은 인공광만으로 재배하는 완전제어형 식물공장과 자연광에 인공광을 보광하는 인공광 이용형 식물공장으로 나뉜다. 식물공장에서 재배할 수 있는 작물은 채소작물, 화훼작물, 기능성 작물 및 허브 작물 등이 있을 수 있다.
◇국내외 시장현황과 전망
전 세계적으로 지구온난화 등 기후변화로 인해 식량 생산에 차질을 빚을 가능성이 높아지고 있으며, 농산물 가격 급등, 식품관련산업의 위험 증가 등으로 식물공장의 필요성이 대두되고 있다.
일본은 향후 식물공장 시장규모는 2009년도 138억6000만엔에서 2015년 310억 엔으로 2009년 대배 2.2배, 2020년에는 4.6배 증가한 640억 엔이 될 것으로 전망하고 있다. 농업의 선진국인 네덜란드의 식물공장 재배면적은 일정수준을 유지할 것이며, 완전제어형 식물공장보다는 인광광 이용형 식물공장 형태로, 엽채류, 허브, 과채류 생산 및 신품종 육종 등 다양한 작물을 생산할 것이다. 국내에서는 완전제어형 식물공장 형태로 발달할 것이며, 잠재력이 큰 시장으로 발전할 것으로 전망하고 있다.
기획단계로는 대학, 연구소, 산업체 등 식물공장 관련 전문가로 구성된 식물공장 전문가 그룹 협의체 구성이 필요하며, 실증단계로는 지역 거점형 식물공장을 구축해야하며, 보급단계로는 수익 창출형 식물공장을 보급해야 할 것이다.
국가적인 연구방향은 저에너지와 경제성 향상으로 수익 창출 가능한 경제적인 식물 공장에 관한 연구와 기능성 작물 재배와 기능성 물질과 같은 부가가치 향상을 위한 기능적인 식물공장 연구 및 친환경 식물생산과 기후변화 대응 및 유전자 재조합 식물생산을 위한 미래형 식물공장 방향으로 연구가 진행될 것이다.
◇본 연구실에서 연구한 식물공장 관련 논문 요약
1. 완전제어형 식물공장 시스템에서 LED 광질에 대한 잎상추의 생육
완전제어형 식물공장 시스템에서 적색광, 녹색광 및 청색광 비율에 따른 상추의 생육 반응과 광사용 효율을 알아보고자 본 연구는 수행되었다. 완전제어형 식물공장에서 LED 조명과 12시간 일장으로 수경재배하였다. 재배 온도, 상대습도와 이산화탄소는 각각 20~25℃, 60~70%와 600~900μmol mol 1로 조절하였다. 광 처리는 세가지 LED(적색, 청색과 백색)로 청색광과 녹색광 및 적색광 비율은 1:4:5, 5:0:5, 5:2:3, 7:0:3, 7:1:2와 8:1:1로 처리하였으며, 다만 광량은 처리구마다 달랐다.
청축면과 적축면상추의 지상부 생체중은 각각 7:0:3과 8:1:1에서 가장 무거웠다. 청축면과 적축면 상추의 광사용효율은 각각 7:0:3과 5:0:5에서 가장 높았다. 결론적으로, 완전제어형 식물공장 시스템에서 상추 재배를 위한 적색광과 녹색광 및 청색광 비율은 5~7:0~2:1~3 비율이 적합하였다.
2. 배양액 농도와 광도가 식물공장에서 재배
되는 적축면 상추의 생장에 미치는 영향 박막수경 재배시스템을 갖춘 식물공장에서 적축면 상추의 생육, 엽수, 엽록소함량 및 생산 효율성에 관한 배양액 농도와 광도의효과를 알아보기 위해 본 연구를 수행하였
다. 배양액 농도 수준은 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0, 6.0dS m , 광도 수준은 120, 150, 180μ㏖ m 2 s 1이었다. 광주기는 16시간 명기, 8시간 암기 하에서 온도는 20~25℃로 유지하였다. 재식거리는 10×10㎝였다.
완전제어형 식물공장에서 적축면 상추의 생산성뿐만 아니라 생산 효율성을 고려해 볼 때, 적정 배양액 농도와 광도 수준은 각각 2.0dS m 1와 180μ㏖ m 2 s 1였다.
3.완전제어형 식물공장 시스템에서 선형지
수 함수를 이용한 씀바귀의 생육 모델 완전제어형 식물공장에서 선형 지수 함수를 이용하여 재식거리(15×10, 15×15, 15×20, 15×25cm)에 따른 씀바귀의 생육과 수량 모델을 개발하고자 본 연구는 수행되었다. 씀바귀 생육을 위한 적정 재식밀도와 재식거리는 각각 44 plants/m²와 15×15cm 였다. 결론적으로, 선형 지수 함수는 완전제어형 식물공장에서 씀바귀의 생육과 수량을 예측하는데 유용한 함수였으며, 생육과 수량 모델을 개발할 수 있었다.
4. 선형 지수 함수를 이용한 common ice plant의 생육 모델
완전제어형 식물공장에서 선형 지수 함수를 이용하여 common ice plant의 생육과 수량 모델을 개발하고자 본 연구는 수행되었다. 식물공장 유형은 완전제어형 식물공장형태로 인공광원은 삼파장 형광등을 사용하였으며, 광주기는 12시간 일장주기였다. 광도는 200μ㏖ m s 로 조절하였다. 수경재배시스템은 3단으로 구성된 박막수경(NFT)시스템이었다. 식물공장내 온도, 상대습도와 이산화탄소 농도는 ON/OFF 제어하였다.
선형 지수 함수를 사용한 common ice plant의 정식 후 일수, 적산온도 및 적산일 사량에 따른 엽면적, 단위면적당 지상부 생체중과 건물중 및 광사용효율은 선형 지수적인 형태들을 보였다. 개체당 지상부 생체중과 개체당 지상부 건물중간의 관계는 직선적인 관계를 보였으며, 정식 후 30일째 common ice plant의 광사용효율(light use efficiency)은 3.3g MJ 이었다. 결론적으로, 선형 지수 함수는 완전제어형 식물공장에서 common ice plant의 생육과 수량을 정량적으로 예측하는데 유용한 함수로 사용될 수 있었다.
◇식물 공장의 미래
앞으로의 식물 공장의 미래는 융복합기술이 적용된 식물공장은 원예작물의 다 수확 및 고품질 생산, 기후변화대응 및 가공식품, 의약품, 산업화 제품에 필요한 소재 생산을 목적으로 하는 방향으로 진행될 것이다. 또한 도시농업, 우주농업 및 분자 농업 등과 같은 다양한 생활 분야와 생명기술 분야에 응용 기술로 활용될 수 있을 것이다.