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袋栽菇類製包技術回顧與智慧化發展初探

2020/07/01 @臺灣

袋栽菇類製包技術回顧與智慧化發展初探

袋栽菇類製包技術回顧與智慧化發展初探

國立虎尾科技大學機械設計工程系暨碩士班 周榮源特聘教授
行政院農業委員會農業試驗所 石信德研究員
國立虎尾科技大學機械設計工程系暨碩士班 黃文信專任研究工程師

摘要

  2018年台灣菇類栽培太空包生產量約5億8500萬包,新鮮菇類產值逾130億元,占整體蔬菜總產值475億元之18%。台灣正面對人口老化與天然資源短缺等問題,急需進行菇類太空包製包生產技術之研發與技術創新,以改善人力不足問題,調整產業環境與結構,提升生產效率與品質。本文針對菇類產業特性與其製包生產技術進行回顧、分析以瞭解產業現況。由瓶栽菇類自動化生產工廠之案例可以發現,其生產流程與一般科技產業之生產模式其實是很相近的。國內、外近年來許多自動化設備開發業者也投入到袋式自動化製包生產設備的研究與開發,若能結合工業4.0 技術將工業領域中的新科技引入菇類生產,可達成運用智慧農業科技之全自動化袋式太空包製包生產之目標。智慧化袋栽太空包製包自動化生產系統是一項具創新性且高度系統整合生產線設計,利用人工智慧物聯網大數據分析等科技結合袋式太空包製包自動化生產與液態接菌等製程技術,可提高菇類製包產量及品質,創造生產利潤與提升國際競爭力,亦可創造一種新產業模式。

一、菇類袋式栽培發展背景

  蕈菇類的栽培方式多元,可分為段木栽培、木屑栽培、堆肥栽培等方式,其中木屑栽培因容器不同又可分為太空包栽培與塑膠瓶栽培。近4、50年來臺灣的勞動人口逐年增長,然而在農業就業人口反而呈現減少的趨勢(圖一) [1],根據行政院主計總處統計在農業就業人口中65歲以上所占比例已逾18%[2],使業者警覺到發展自動化生產可能是產業面臨勞動力短缺的關鍵。臺灣於1960、1970年代由台中霧峰菌種業者自日本引進塑膠瓶栽培金針菇之技術,透過機械自動化裝瓶與環控設備栽培,不僅減少對勞動力的倚靠還可終年生產[3],相關自動化技術的引進促使其他業者注意到生產過程中使用中木屑栽培的可能性,同期由民間業者與農試所引進太空包優良品系,並嘗試利用塑膠袋充填木屑來栽培,因而發展出太空包栽培的方式,在太空包問世後,在農民、政府與學術研究機構多年的努力,歷經數次的研發與改良,其中也包含了束環的安裝方式(圖二)[4],發展出太空包生產技術,目前太空包技術已廣泛應用於多種菇類。

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圖一、近50年臺灣勞動力人口趨勢 (整理自:行政院農委會) [1]

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圖二、太空包口與束環不同的安裝方法:(A)束環至於包體內;(B)束環至於包體外[4]

  近年臺灣市場常見的香菇、杏鮑菇、木耳、秀珍菇等菇類多半都以太空包栽培生產,蕈菇的生長品質和產量與太空包材料本質有關。2018年我國新鮮菇類產量年約14萬公噸,產值逾130億元,占整體蔬菜總產值475億元之18%,菇類栽培太空包生產約5億8,500萬包(表一)[5]

表一、台灣主要菇類之產值與產量[5]
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二、袋栽菇類製包自動化技術發展與演進

  袋栽菇類生產過程可分為:前段—製包、中段—接菌、走菌及後段—栽培與採收等階段(圖三)[6]。相較於已可自動化生產的瓶栽有制式的外型尺寸,利用袋體填裝來進行菇蕈栽培之袋栽生產模式受限於栽培塑膠袋為可撓曲變形之容器,不易設計相關自動化設備及其生產製程。早期台灣剛發展太空包栽培技術時,所使用的半自動菌包壓包機多數來自於彰化的忠興鐵工廠,忠興鐵工廠創立於1975年,為國內最早的食用菇類自動化機械廠[7],致力於食用菇機械設備與製造至今已有40多年經驗,而後續也有其他業者開發類似的菌包壓包機(圖四)[8]。忠興鐵工廠所生產的菌包壓包機自動化功能僅包含攪拌、計量、填料、壓實之動作,其他如套袋、套環、裝籃、上架、撕棉、塞口、接菌、運送至採收等生產流程皆由人工方式操作。套袋之人工操作是將一袋體袋口張開,將袋子上套至入料口,並以一夾持裝置將袋體固定於入料口上,再於菌包壓包機上作計量與填料,填完料後以一沖壓裝置將內容物壓實,以自動化機械完成以上動作後,須將料包取下,套入其配置套環,以作套口支撐用,再將袋口向外翻摺,塞入適量棉花,整齊擺放於籃子上。裝滿之籃子先置於架上,以方便移至滅菌室與冷卻室,其冷卻後之太空包需取出棉花,經逐一注射接菌後再將棉花塞於開口處,以完成菇菌栽培之接菌動作(圖五) [9]

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圖三、傳統袋栽菇類半自動生產流程[6]

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圖四、傳統袋式太空包製包壓包機[8]

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圖五、耗費大量人力之傳統製包作業[9]

  傳統太空包袋口塞填棉花係為了吸收水氣並使菌株透氣,但由於棉花暴露於外界環境中,又環控設施為控制溫度與濕度而噴灑水霧時,棉花可能過度吸收水分,造成太空包內的濕度太高,妨礙空氣流通,影響菇類生長,且無法阻絕外部細菌侵入,使菌種容易受到污染而嚴重影響生長栽培品質;為解決袋栽太空包不易自動化生產及上述塞填棉花產生的問題,本文作者在許多先前研究[10-25]之後提出一項創新改良袋栽菇類生產中之製包方式與流程,以自動化套袋方式取代人工套袋方式,結合束套(束環+壓蓋)式創新設計(圖六、表二)以取代傳統塞棉花之操作;經由本研究創新設計一套自動化機構以實現自動化束口/套環/翻袋口操作,並結合自動化操作功能使整個製包過程得以實現全自動化。圖七所示為創新設計之袋式(太空包)製包自動化結合液態自動化接菌生產流程,此種製包方式對PP材質太空包較易設計自動化機構且成功率高。

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圖六、傳統束環(棉花束環式)太空包及與新式束環(束環+壓蓋)太空包之比較

表二、袋式太空包液態接菌束套設計與操作方法比較
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圖七、創新液態接菌袋式太空包製包自動化生產之流程圖[10-25]

  根據文獻[3]之分析,我國最早自臺灣農業試驗所於1970至1973年間既已陸續購置瓶栽食用菇類之自動化生產設備及設施。此外,本文作者對菇類製程設備也有一系列相關研究[10-25]​​​​​​​。在海外市場方面,中國在袋栽太空包自動化設備之研發亦為積極,相關菇類設備業者憑藉著資金充裕、人才豐沛、市場廣大等優勢,近年大舉投入袋栽菇類自動化設備之開發,數家廠商皆可展示並提供全功能之製包機械產品。如圖八所示為一業者之全功能製包機械專利,該發明涉及一種菌袋自動套套環機,包括機架以及設置於機架上的輸送裝置,機架在沿輸送裝置的輸送方向上依次設置有套套環工位、壓菌棒工位以及壓蓋工位,套套環工位上設有用於對菌袋袋口外側進行縮口的縮口機構、用於向縮口完的袋口外側套入套環的套環夾手機構以及用於在套入套環後將露置於套環上部的袋口撐開並壓向套環外壁的張爪壓袋機構,壓菌棒工位上設有用於向套完套環的菌袋袋口中壓入菌棒的壓菌棒機構,壓蓋工位上設有用於向壓完菌棒的菌袋袋口內壓入蓋子的壓蓋機構。該自動套套環機能實現對菌袋束口、套套環、壓菌棒和壓蓋的自動化生產,不僅保證了食用菌的包裝品質從而提高食用菌的品質和產量,而且大大提高了工作效率,降低人工成本[26]​​​​​​​

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圖八、,CN105027967A 菌袋自動套套環機[26]

  而圖九所示為另一業者之全功能製包機械專利,該發明特別的是涉及一種四袋菌包同步套環套蓋裝筐機,實現了自動化套袋到整列裝框之動作;與現有常見技術之兩包為一組相比,此發明的效益為採用四個菌包為一組,菌包經菌包裝袋設備裝袋完成後,通過移包聯動機構依次將每組菌包輸送至菌包套環機構、菌包套蓋機構,分別進行自動套環​​、套蓋作業,然後再通過菌包裝筐機構將菌包裝入菌筐內,輸送至下料點,整體結構緊湊,操作方便,效率顯著提高[27]​​​​​​​

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圖九、CN110077644A 四袋菌包同步套環套蓋裝筐機[27]

  現有袋栽製包流程為配合自動化生產模式及解決傳統塞棉作業所遇到的困境,多數皆已改為束環+壓蓋之方式。然而據文獻[28-36]可知悉,各家菇類栽培廠商為了本身栽培技術之特性,對壓蓋設計有許多不同需求,如圖十所示。本文分析各式束環+壓蓋之方式,整理出多數共通的功能部,如圖十一所示,主要有壓蓋件,多為上下組件且夾有片狀的透氣濾材,上、下組件係屬外型尺寸最明顯相異之處;另有一束環件,而束環外型大多相似僅高度與直徑尺寸些微不同,對此將會影響到動作執行元件之行程與對應的終端效應器之開發,若自動化設備開發業者需對每一種結構都進行客製化其專用自動化系統與機種,這樣對設備開發商造成不小的困擾。

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圖十、市面上之各式束環+壓蓋形式與專利[28-36]

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圖十一、市面上各式束環+壓蓋共同功能部

  台灣自代工生產到研發製造具有相當豐富的經驗,國內也有許多優良的自動化設備研發製造業者,翔元自動化機械有限公司為一國內自動化設備專業製造商,在光學產業、光電產業、醫療產業及客製化產業中累積有許多優異的實績。翔元自動化於近幾年亦投入袋栽太空包自動化生產設備之研發,歷經幾次調適、改良與試驗,圖十二所示為該公司所研製之新一代袋式自動化菇類製包設備,為近年來台灣少數投入袋栽太空包製包設備之廠商中,屬於技術優勢型企業,目前也正與國立虎尾科技大學及農試所共同研發,發展台灣自主之袋栽太空包製包設備產業以服務國內業者。翔元自動化所研發的袋栽太空包自動化生產設備完整實現從製袋、套袋、充填壓實、翻袋套環、塞蓋及整列裝籃之自動化生產流程;其中製袋部分翔元所採用的是連續捲袋式之創新設計(表三),其透過連續袋捲、裁切機構及熱封口裝置實現彈性製袋,可適用於不同袋長規格的填袋料帶,依需求生產不同袋長規格的填充袋[37-39]​​​​​​​

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圖十二、國內翔元公司所研發之袋式自動化菇類製包設備[37-39]

表三、袋式太空包自動化供、套袋設計與操作方法比較
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三、智慧化菇類生產之意涵與目的

  工業生產歷經自動化、全球化發展歷程後,至近幾年的工業4.0或稱第四次工業革命是智慧科技的發展,全球主要國家均積極建構智慧化製造、生產、銷售系統,以快速反應或預測市場需求;涉及的技術包含虛實整合科技、巨量數據與分析科技、物聯網科技等,發展具有適應性、資源效率、及人因工程的智慧工廠,以創造產品與服務的客製化供應能力。而全球各國為了解決氣候變遷導致可用資源短缺、勞動人口老齡化、與產銷結構快速改變等問題,紛紛制定相關農業科技政策,發展工程技術跨域資源整合之創新農業相關技術,重視農產品衛生安全與營養需求,並運用物聯網(IoT)、雲端運算(Cloud Computing)、大數據(Big data)等技術,提升產品服務附加價值。
  農業物聯網是一個複合的系統,涉及電子、通訊、電腦、農學等學科領域,農業4.0所需的雲端運算及大數據等技術也都建構於此技術之上,其關鍵技術可劃分為4個層次,即實體層、感知層、網路層、應用層,其基本架構如圖十三所示。在農場既有的實體物件如農業機械、環控設施、土壤、作物等,導入感測元件(如:生物感測、環境感測及影像辨識等),並結合無線通訊,將蒐集與擷取到的感測數據(如:溫溼度、二氧化碳、土壤濕度等)上傳至雲端資料庫,透過大數據資料探勘、整合及分析,將數據轉換為農業經營有用的資訊,提供農場管理者進行產銷規劃、生產管理及顧客服務等經營決策判斷參考,協助產銷過程的智慧監控,減輕農場作業負擔降低勞動力需求,建立更有效率的農場經營管理模式,生產符合消費者需求,安全、安心及可追溯的農產品[40、42]​​​​​​​

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圖十三、農業物聯網基本架構[40]

  菇類生技產業具有以下三項非常重要之特性:一、高產值、二、高經濟價值、三、資本與技術密集。傳統菇類太空包製包生產多採用手工操作加簡單機械化的生產模式,使得製包生產與接種作業效率低,且難以實現無菌接種,故針對目前已有之機械設備,再充分考慮現有生產條件的前提下,將工業領域中的成熟技術和新科技引入到菇類產業的生產中,可自動化生產之機構與生產系統(圖十四) [41]。進而再導入工業4.0科技,可發展全環控智慧生產、提供消費者安心的溯源產品、建構智農聯盟,批次接單量產,競逐亞洲市場。為導入智慧農業4.0科技,在技術研發面須佈建智慧農用生理感測元件、智慧化作業機械與人機輔具、生產場域物聯網整合系統、應用巨資支援產銷決策、溯源管理與推播介面等五大類。且需藉由基礎環境面以及專業應用面的關鍵技術誇域研發與投入,包括物聯網應用開發平台、資安防禦、生物感測元件開發與應用、人機協同自動化智慧採收輔具技術、病蟲害自動化辨識監測、結合場域資訊與務聯網整合系統、雲端產銷決策與風險控管整合平台、溯源安全履歷智動化推播介面等,藉以打造智慧農業生產環境(圖十五) [42]​​​​​​​

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圖十四、趨於完善之現代袋栽菇類自動化生產流程[41]

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圖十五、菇類生產作業現況與未來智慧生產情境[42]

  為達成菇類智慧化生產之目標,必須進行設備本身感測與聯網功能提升,以建構物聯網資料收集系統(圖十六),主要分為 1.智慧化自動化製包系統;2.太空包製包品質檢測系統;3.物聯網(QR code或Barcode)平台系統等三大部分。太空包製包生產品質檢測工作包含:1. 太空包製包品質檢測:重量/含水率檢測(IR+FTIR)、2. 塞蓋穩定度檢測(緊度、高度、塌孔);3. 生產履歷紀錄(Barcode/QR code)。另外,以機械手系統與自動化輸送帶等系統進行整合,並經測試自動化生產線系統之實際運作條件,找出系統參數,可作為將來設計實際產線時之重要參考依據。袋栽菇類生產技術主要包含製包階段,由於太空包之生產履歷(重量、水份、接菌量及塞蓋穩定密封等)對製包完後之走菌與栽培作業影響非常巨大,為建立上述生產履歷之大數據資料,並結合物聯網功能紀錄走菌與栽培作業之環控條件監測(溫度、相對濕度、CO2 含量),以建構完整之菇類數據庫。此項工作對太空包生長條件預測將有很大貢獻。

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圖十六、智慧菇類自動化生產物聯網架構

  本文作者研究發展非破壞性檢測方式來量測太空包內部菌種與基質之生長狀態參數,以建立完整大數據庫供後續研究使用。同時,以菇類大數據資料庫為基礎,藉由深度學習結合影像辨識技術,進行走菌及栽培出菇之生長速率預測。由於菌絲生長與菇類子實體出菇是一種微生物生長過程,太空包之製作過程、製作與栽培環境與菌絲生長條件之間存在高度相關性,除了依賴現在業者自己的配方及栽培技術等Know-How之外,更能降低發生敗庫及出菇品質不佳等不可控狀況。利用產線物聯網收集大數據(圖十七),再利用AI人工智慧進行菌絲生長、出菇栽培、外觀品質預測,將能為此一產業帶來突破性創新,可大大提高生產技術與生產品質。

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圖十七、菇類太空包生長狀態監測物聯網架構

四、結語

  智慧化菇類生產技術係以智慧農業之物聯網、雲端技術、大數據及人工智慧為發展基礎,台灣擁有非常完整之自動化設備與資通訊產業鏈,是落實智慧農業最大的後盾。目前在眾多袋栽菇類生產上大多以人工生產為主或僅止於半自動化階段,隨著袋栽太空包製包流程在套袋及翻袋自動化等問題上獲得解決,讓袋栽太空包製包自動化生產,甚至到後段滅菌及栽培等階段之全線自動化生產變成可行。再則因少子化浪潮、青年返鄉意願不高,加上環境氣候變遷導致資源匱乏及大量廢棄物無法順利有效再利用等等問題,此刻正是我們該審慎思考如何藉助高科技力量來翻轉產業結構之契機。若能制定產業界完善的袋式太空包作業標準,結合袋栽太空包生產自動化設備,再加上建立仿工業4.0 架構之智慧化袋栽太空包生產作業系統與生產流程,將能達成使生產作業由進料、製包、搬運、栽培、採收等流程一貫化生產之目標。

誌謝

  本論文由農委會農業試驗所「菇類領航產業技術研發與應用(四年期)」計畫-太空包自動化生產作業模組開發(四年期)」計畫之經費支持,使本文得以順利完成,特此致上感謝之意。

參考文獻

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周榮源
周榮源 特聘教授
國立虎尾科技大學機械設計工程系

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