State-of-the-art of automatic production systems for PP-bag mushroom cultivations
周榮源 教授
Rong-Yuan Jou, PhD, Professor 國 立 虎 尾 科 技 大 學 機 械 設 計 工 程 系 電子郵件：[email protected]；傳真：05-6363010
摘 要
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生產技術進行分析以瞭解產業現況與 機會，尋求突破困境解決方法。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。因此，針對目前菇類產業 現況面臨之生產成本高漲、欠缺自動化與整合升級、非安定化生產，品質規格待 提升等種種問題，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。本文所提出之 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，目前尚未有類似功能之太空包製包生產作業系統，對創新產業發展與培育 高階設計人才具有很大助益。利用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。此外，利 用智慧農業 4.0 技術達到智慧化、工廠化菇類生產，除了可以創造一種新生活型 態或是新產業模式，更可以帶動我國另一波產業發展，邁進低碳、綠能、環保之 永續發展方向。
關鍵詞：菇類、太空包、製包、智慧農業、工業 4.0
緒 言
2015 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 4100 萬包。如表一所示為台
灣生產菇類之產值、產量與主要產地。[1-4] 如圖一所示，目前台灣菇蕈產業所 包含的業者可區分為：資材業者（例如：介質、肥料等）、設備業者(栽植設施、
廢棄物處理設施等)、菌種生產業者、量產生產業者、加工/服務業者（例如：萃 取、食物加工等）、運銷/通路業者（例如：冷物鏈、銷售通路等）等區段。近年 來中國食用菌總產量增長迅速。根據中國食用菌協會統計資料顯示，2016 年全 國食用菌總產量 3,597 萬噸，產值 2,742 億元，比 2015 年的產量 3,476 萬噸 增長 3.46%，比 2015 年的產值 2,516 億元增長了 8.96%。[5] 比較中國與台灣 之產量與產值大小，產量約為 3476/14.6=238 倍、產值約為 2742/130=21 倍。
圖一、台灣菇蕈產業鏈示意圖
表一、台灣主要菇類之產值與產量 (資料來源：農委會農詴所)
根據文獻[6]之分析，我國最早自臺灣省農業詴驗所於 81 至 84 年度間既已 陸續購置瓶栽食用菇類之自動化生產設備及設施，包括材料之電動篩選、儲存、
混合、加水設備，栽培基質全自動裝送瓶、裝瓶、壓瓶及封瓶設備，全自動天然 氣鍋爐與電腦程式控制殺菌設備，冷卻室及接種室之自動控溫、無塵過濾、除溼、
殺菌設備，自動接種機與菌種籃自動輸送系統，菌種培養室自動控溫設備，菌種 瓶自動除蓋及電腦程式控制自動輸送供料系統，菌種瓶全自動去皮、加水、封蓋 及輸送設備，環控栽培室內裝設自動控溫、自走式通風照明設備及熱交換機與超
音波溼度控制設備，以及二氧化碳與氧氣監視記錄設備。圖二所示為瓶栽菇類自 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，最主要原因是產瓶為硬質塑膠瓶，容易進行全自動化生產之機台與生產 作業設計，自動化程度可以很高。產瓶必頇要回收再利用，因此也必頇要增加一 些為了回收再利用所需要之基質挖除與清洗等額外設備來輔助。
圖二、瓶栽菇類自動化生產工廠：(左)廠區與自動化堆戰區；(中)全自動環控栽 培庫房與；(右)無菌室內之全自動液態菌種接菌設備(上海市某金針菇生產工廠)
相較於瓶栽生產模式，利用袋體包裝方式做菇菌栽培之袋栽生產模式受限 於栽培塑膠袋為可撓變形之容器，不易設計相關自動化設備及其生產製程，如圖 三所示。袋式太空包菇類生產技術整體生產過程可分為：前段-製包、中段-走菌 及後段-栽培與採收等階段。以業界最普遍使用之菌種壓包機為例，其自動化功 能僅包含攪拌、計量、填料、壓實動作，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，
再於菌種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，頇將料包取下，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。
圖三、傳統袋式太空包製包菌種壓包製程[2]；需大量人力之製包與接菌作業 為解決袋栽太空包不易自動化生產之問題，本文作者在先前許多研究[6-17]
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)式新式設計(圖四、表三)以取代傳統塞棉 花之操作。經由創新設計研究，提出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。圖五所示 為創新設計之袋式(太空包)液態接菌製包自動化生產流程，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。針對市面上許多不同束環+壓蓋形 式(圖六)，再結合本文作者在棉花束套式液態接菌模組之研發經驗，將可設計一 套創新束套(束環+壓蓋)自動化液態微生物接菌系統；並加入置藍自動化搬運等功 能，達成全自動化操作之目標。
圖四、傳統束環(棉花束套式)太空包及與新式束套(束環+壓蓋)太空包之比較
圖五、創新液態接菌袋式太空包製包自動化生產之流程圖[16-17]
圖六、市面上之各式束環+壓蓋形式
表二、袋式太空包束套設計與操作方法比較
方法 棉花束套式 創新束套(束環+壓蓋)式 優點 (1) 既有生產方法，技術成熟
(2) 棉花成本低
(3) 市場占有率高
(1) 創新設計，結合菌種技術可為台 灣創造藍海市場利基
(2) 對 pp 材質太空包較易設計自動 化機構
(3) 成功率高、品質優良 缺點 (1) 易因人工操作汙染而失敗
(2) 僅台灣較常用，日本、中
(1) 材料成本高(但以億個分攤平均 後，可以大幅降低)
國等多已改為束套式(束