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완전제어형 식물공장에서 광량과 광질, 광주기가 들깨의 생장에 미치는 영향
설성관,백영택,조영열 (사) 한국생물환경조절학회 2022 생물환경조절학회지 Vol.31 No.3
In order to select suitable light in a plant factory, electric energy use efficiency and light use efficiency should be considered simultaneously to consider operating costs as well as quantitative and functional aspects. The growth characteristics, electric energy use efficiency, light use efficiency by light intensity, LED ratio, and photoperiod conditions were compared together. Light intensity is 60, 130, 230, and 320 µmol·m-2·s-1 treatments, and light quality is the mixing ratio of red light and blue light 8:2, 6:4, 4:6, and 2:8 treatments. Photoperiod is 9, 12, 15, and 18 hours treatments based on the daytime. In the light intensity experiment, the growth rate increased as the light intensity increased, but there was no significant difference in the light use efficiency. When comparing the leaf fresh weight per power consumption, only the 320 µmol·m-2·s-1 treatment group showed significantly low efficiency, and there was no significant difference in the other treatments, so 230 µmol·m-2·s-1, which produced the most, was the most efficient. In the light quality experiment, the ratio of red light and blue light was measured to be high at the same time as the growth rate and light use efficiency in RB 8:2, and there was no significant difference in color difference and flavonoids content, so a Red:Blue ratio of 8:2 was the most suitable condition. In the photoperiod experiment, the longer the photoperiod, the higher the growth rate. However, there was no significant difference in the growth rate over 12 hours of daytime, so 12 hours considering the light consumption efficiency was a suitable condition. Based on the above results, LED light environmental conditions for perilla growth in plant factories were light intensity, light quality, and day length of 230 µmol·m-2·s-1 or more, 8:2, and 12 hours or more, respectively. 식물공장에서 적합한 광을 선정하기 위해서는 양적인 측면과 기능적 측면 뿐만 아니라 운영비를 고려하기 위하여 전기 에너지이용효율과 광이용효율을 동시에 고려해야 하는데 본 연구에서는 들깨를 위한 LED광원의 광량, 적색광과 청색광 의 혼합 비율과 광주기 조건별 생육 특성과 전기에너지이용효율과 광이용효율을 함께 비교하였다. 광량 처리구는 60, 130, 230, 320µmol·m-2·s-1 조건으로, 광질 처리구는 적색광과 청색광의 혼합 비율 8:2, 6:4, 4:6, 2:8 조건으로, 일장 처리구는 낮 기준 9, 12, 15, 18시간으로 처리하였다. 광량 실험에서는 광량이 높을수록 생육량이 늘어나는데 비해 소비전력당 건물 중의 광이용효율은 유의차가 없었다. 소비전력당 엽생체중을 추가로 비교해보면 320µmol·m-2·s-1 처리구에서만 유의적으로 낮은 효율을 보였고 이외의 처리구에서는 유의차가 없었기 때문에 생산량이 가장 많은 230µmol·m-2·s-1가 가장 효율적 이었다. 광질 실험에서는 적색광과 청색광의 혼합 비율은 RB 8:2에서 생육량과 광이용효율이 동시에 높게 측정되었고 색차와 flavonoids 함량에서는 유의차가 발생하지 않아 Red: Blue 비율 8:2가 가장 적합한 조건이었다. 광주기 실험에서는 광주기가 길어질수록 높은 생육량을 나타냈는데 일장 12시간 이상에서는 생육량의 유의차가 없었으므로 광소비 효율을 고려한 12시간이 적합한 조건이었다. 이상의 결과를 바탕으로 식물공장에서 들깨 생육을 위한 LED 광 환경 조건으로는 광도, 광질과 일장은 각각 230µmol·m-2·s-1 이상, 8:2와 12시간 이상이었다.
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설성관,백영택,조영열 (사) 한국생물환경조절학회 2023 생물환경조절학회지 Vol.32 No.1
Growth modeling in plant factories can not only control stable production and yield, but also control environmental conditions by considering the relationship between environmental factors and plant growth rate. In this study, using the expolinear function, we modeled perilla [Perilla frutescens (L.) Britt.] cultivated in a plant factory. Perilla growth was investigated 12 times until flower bud differentiation occurred after planting under light intensity, photoperiod, and the ratio of mixed light conditions of 130 μmol·m-2·s-1, 12/12 h, red:green:blue (7:1:2), respectively. Additionally, modeling was performed to predict dry and fresh weights using the expolinear function. Fresh and dry weights were strongly positively correlated (r = 0.996). Except for dry weight, fresh weight showed a high positive correlation with leaf area, followed by plant height, number of leaves, number of nodes, leaf length, and leaf width. When the number of days after transplanting, leaf area, and plant height were used as independent variables for growth prediction, leaf area was found to be an appropriate independent variable for growth prediction. However, additional destructive or non-destructive methods for predicting growth should be considered. In this study, we created a growth model formula to predict perilla growth in plant factories.
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완전제어형 식물공장에서 선형 지수 함수를 이용한 바질의 생육 모델
설성관(Seonggwan Sul),백영택(Youngtaek Baek),성보현(Bohyun Sung),조영열(Young-Yeol Cho) 한국원예학회 2021 한국원예학회 학술발표요지 Vol.2021 No.10
본 연구는 완전제어형 식물공장내에서 바질의 생장을 예측하기 위한 방법으로 선형 지수 함수를 이용한 생육 모델을 개발하고자 수행되었다. 식물공장의 재배시스템은 NFT 시스템을 사용하여 LED 조명 RGB 혼합 비율은 5:4:5로 세팅하였고 광량은 240(±40) μmol·m<SUP>-2</SUP>·s<SUP>-1</SUP>로 16시간 일장에서 실험하였다. 양액은 호글랜드 용액으로 pH 5.5 ‒ 6.5, EC 1.0 dS·m<SUP>-1</SUP>로 관리하였고, 재배 환경은 온도 26 ‒ 28°C 상대습도 55 ‒ 75%, CO₂ 400 ‒ 600μmol·mol<SUP>-1</SUP> 이었다. 완전임의배치법으로 배치하여 재식거리 20cm x 20cm로 정식하였고 바질의 생육 변화를 알아보기 위하여 정식 후 22일간 6개체 씩 샘플링하여 생체중, 건물중, 엽면적, 초장, 엽수, 엽장, 엽폭을 측정하였다. 정식 후 일수에 따른 생체중, 건물중의 변화 곡선은 선형 지수적인 형태를 보였으며, 엽면적, 초장, 엽수는 쌍곡선 함수를 이용하여 모델식을 예측할 수 있었다. 건물중을 기준으로 잎이 포개지는 시점은 10.2일이었고 정식 후 22일째 엽면적지수는 3.5이었다. 선형 지수 함수는 완전제어형 식물공장에서 바질의 생육을 정량적으로 예측하는데 유용한 함수로 사용될 수 있었으며 정식 후 일수, 적산온도 또는 적산일사량만으로 생육량을 예측할 수 있어 계획 재배에 유용한 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
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완전제어형 식물공장에서 들깨의 생장에 미치는 광환경과 이미지 분석을 통한 선별
설성관(Seonggwan Sul),백영택(Youngtaek Baek),조영열(Young-Yeol Cho) 한국원예학회 2021 한국원예학회 학술발표요지 Vol.2021 No.10
본 연구는 완전제어형 식물공장내에서 광환경이 잎들깨(재래종자 들깨, ㈜다농, Korea)의 생장에 미치는 영향을 조사하여 식물공장의 적정 광환경 조건을 제시하고 생산량을 늘릴 수 있는 방안으로 이미지를 통한 선별과정의 가능성을 제시하고자 수행되었다. 완전 제어형 식물공장에서 광량 4가지(60, 130, 230, 320μmol·m<SUP>-2</SUP>·s<SUP>-1</SUP>)와 광질 4가지(RB 8:2, 6:4, 4:6, 2:8), 광주기 4가지(9/15, 12/12, 15/9, 18/6) 조건으로 설정하고 들깨를 재배하였다. 각 처리구간 생육 특성을 측정하고 전기에너지이용효율 및 광이용효율을 전체적으로 고려했을 때 완전제어형 식물공장에서 광환경 조건은 광량 320μmol·m<SUP>-2</SUP>·s<SUP>-1</SUP>, 적색 청색 혼합 비율 RB 8:2, 광주기 15/9 시간이 가장 적합했다. 식물공장에서 정식 후 선별과정을 통해 재식밀도를 높이는 효과를 내면서도 고품질을 유지할 수 있는데 들깨를 선별하기 위한 인자로 정식 후 일수에 따른 초장, 엽면적, 이미지를 사용해 각각 선별 시기의 순위와 수확 시의 순위를 비교하여 오차율을 계산하였다. 정식 후 24일에 수확할 때와 비교했을 때 초장에 의한 순위로 선별하는 방법이 오차율이 가장 높았고 엽면적과 초장의 곱, 엽면적, 이미지 분류 학습 모델 순으로 오차율이 작아졌다. 정식 후 일수가 지날수록 오차율이 작아졌는데 정식 후 10일 이후가 선별하여 재정식 하기에 효율적이었다. 4가지 선별 기준으로 선별했을 때 상위 66%와 하위 66%의 수확량을 비교해보면 10%-20% 정도 늘어나는 효과를 보였다. 추후 식물공장에서 이미지를 측정할 수 있는 장치와 자동으로 정식할 수 있는 자동화 설비를 도입한다면 선별 과정을 통해 고품질의 균일한 작물을 생산하면서 생산량을 늘릴 수 있을 것이라 판단된다.
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