植物工場のLEDとPPFD – 基礎を覚えて光環境を整えよう

光合成は作物が成長するための絶対的な基盤です。

この仕組みなくして、どんな野菜も果物も育ちません。
つまり、作物をうまく育てたいなら、光合成を理解することが避けては通れない道なのです。

なぜか？

それは光合成こそが「植物が育つ原理」そのものだからです。

光合成がうまくいけば作物は健全に育ち、効率が悪ければ成長は遅れ、品質も落ちます。
特に植物工場では、この光合成のメカニズムを理解し、最適な光環境を作り出すことが成功と失敗を分けます。

本記事では、基礎～実践まで、植物工場における光環境管理のノウハウを紹介します。

作物を育てる前に知っておきたい光合成のこと

植物工場で作物をうまく育てるために重要なのは、成長のエンジンである光合成を理解すること。

光環境を整えるためのLED選びやPPFD（光量子束密度）設定も、この光合成という基本プロセスを押さえておかなければ、効果的な栽培は難しいです。

光合成とは簡単に言えば、植物が光を使って「食べ物」（糖）を自分で作り出す仕組みのこと。
この仕組みを理解すれば、「どんな光をどれだけ与えれば作物がよく育つのか」という実践的な答えが見えてきます。

光合成は大きく分けて2つの段階で進行します。

この2段階のプロセスを理解すると、
「LEDの光だけでなく、CO2濃度も同時に管理する必要がある」ことが見えてきますよね。

作物の成長を最大化するには、光合成の全プロセスを支える環境づくりが大切なのです。

光によって野菜の形が変わる：活用するポイント

作物を育てる目的は単に「大きく育てる」だけでなく、見た目や食味、栄養価など「質の良い作物」を作ることです。

光は成長のためのエネルギー源としてだけでなく、作物の形や品質を決める役割も持っています。
この特性を理解すれば、便利に活用することも可能に。

これは一例ですが、光によって作物の形態が変わります。

では、これをどう活用するか。

実際には、

• 「サニーレタスは青色光を多めにして葉の色を鮮やかに」
• 「バジルは特定の波長バランスで香りを高める」

みたいなことも可能。
とはいえ、代わりに作物が大きく育たない、といったデメリットが発生することも。

完全にうまくはいかないものです。

光が多すぎると逆効果？光合成の限界を知って効率的に育てる

それ、気をつけてください。
「光が多ければ多いほど作物はよく育つ」

そう思いがちですが、実はそう単純ではありません。

照明にかけるコストと得られる成長のバランスを考えると、光には「適量」があります。この限界を理解することで、無駄なコストを削減しながら最大の収穫を得ることができます。

光が多すぎると起こること：光阻害

作物に強すぎる光を当て続けると、光合成システムが傷つく「光阻害」という現象が起こります。

これは人間の日焼けに少し似ていて、作物の成長に悪影響なのです。

こんな症状があれば、光阻害が起きているかも。

例えば、レタスなどの葉物野菜は200～300 μmol/m²/sというPPFD（光の強さ）で十分成長します。
それ以上の光を当てても、成長はほとんど変わらず、電力の無駄になる上に光阻害のリスクが高まります。

作物ごとの「光飽和点」（これ以上光を増やしても光合成が増えない点）を知っておくことで、無駄のない照明設計が可能になります。

もう一つの落とし穴：光呼吸

光呼吸は、強い光の下でCO2が不足すると起こる現象です。

本来CO2と結合すべき酵素が、代わりに酸素と反応してしまい、せっかく光合成で得たエネルギーが無駄になります。

ではどうするか。

これを防ぐには、強い光を当てる場合には必ずCO2濃度も高める（800～1,200ppm程度）ことがポイント。
CO2の追加施用なしに光だけを強くしても、投資に見合う収量増加は得られません。

効率良く育てるためのポイント

光阻害や光呼吸を回避し、最も効率よく作物を育てるには：

こうした知識をもとに光環境を設計することで、
「植物にとって最適」かつ「経営的にも効率的」な栽培ができますよ。

植物の特性を踏まえて、LEDを選ぼう

前のトピックで学んだように、植物は光合成を通じて成長し、特定の波長の光に反応します。

光が足りなければ成長が遅く、多すぎれば光阻害が起きる。

こうした植物の特性を理解した今、
次なるステップは「では、どんなLEDを選べばよいのか」ですよね。

ここでは、前項で学んだ植物の生理特性を実際のLED選択に活かすポイントを解説します。

まず知っておきたい、光の波長「光質」について

植物の光合成に有効な光の波長域は、400nm〜700nm の範囲。
これを光合成有効放射（PAR: Photosynthetically Active Radiation）と呼びます。

PARの中でも、特に光合成効率が高いのは、以下の波長です。

LEDは、使用する材料の組成を変えることで、様々な波長の光を発光させることができます。

植物の光合成にとって、最も有効な波長域の光を用意してあげることも可能ってわけです。

LEDを使えば、これらの波長域の光を必要な割合で混合し、都合の良いように色のバランスを調整することもできます。
これは、太陽光や従来の人工光源では難しかったことです。

ただ、昔は赤と青を組み合わせたLED照明が多く利用されてきましたが、
最近は、「いやいや、他の波長も大事だよ」という意見が主流。

つまり、太陽光に近いタイプや白色のLEDを選ぶと良いと思います。

光の強さ＝PPFDとは

先ほど説明したPAR（光合成有効放射）は植物が利用できる光の波長範囲を示しています。
一方で、その光がどれだけの強さで植物に届いているかを示す指標がPPFD（光量子束密度: Photosynthetic Photon Flux Density）です。

PPFDとは、単位面積あたり、単位時間あたりに植物に届く光合成に有効な光子（光の粒）の数を表します。

簡単に言えば「植物に届く光の強さ」を数値化したものです。

照明選びにおいては、波長（光質）と同様にこのPPFD（光量）も重要な判断基準なのです。

光飽和点を超えるPPFDは無駄になることや、作物ごとに最適なPPFD値が異なることは説明しましたね。

前項で学んだ光飽和点の知識を踏まえると：

ただし正確に言うと、
LEDの出力を選ぶというより、設置するLEDの本数でPPFDを調整することになりますね。

このへんは栽培する作物に合わせて決めていきましょー。

植物工場の光環境最適化：実践編

前項までで光合成のメカニズムや光質・光量の基礎知識を学びました。

では、こうした知識を実際の植物工場でどう活かすのか。ここでは理論を実践に移すための具体的な方法を解説します。

明期・暗期の設定と植物反応

植物は明期（光が当たっている時間）と暗期（光が当たっていない時間）でそれぞれ異なる生理活動を行います。

植物工場では光を当てるタイミングを自由に決められますよね。

つまり、この明暗リズムを理解しておけば、作物を適切に管理する鍵とできるのです。

明期に植物が行うこと

• 光合成の活性化：葉緑体で光エネルギーを吸収し、CO2と水から糖を合成します
• 蒸散の促進：気孔が開き、水分と共に養分を根から吸収して体内に運びます
• 光形態形成：茎や葉の伸長方向、厚さなどが光の方向や強さに応じて調整されます

暗期に植物が行うこと

• 呼吸の活性化：明期に作られた糖を使ってエネルギー生産を行います
• 細胞分裂の促進：特に植物の成長点で活発な細胞分裂が起こります
• 二次代謝産物の合成：香り成分、抗酸化物質などの機能性成分が作られます
• 植物ホルモンの調整：成長を制御するホルモンバランスが調整されます
• 炭水化物の転流・貯蔵：日中作られた糖が根や茎などに移動し、デンプンとして貯蔵されます

これらの明暗リズムに関連した生理活動は、植物の「体内時計」を形成しています。
この体内時計が崩れると、成長異常や病害虫への抵抗性低下を招くことがあるんで注意しましょう。

照明スケジュールをコロコロ変えるべきじゃないってことですね。

照明スケジュールの設計思想

明暗リズムの重要性を理解した上で、次は実際の照明スケジュール設計に移ります。

植物工場では、植物の生理と経済性の両方を考慮したスケジューリングが求められます。

基本的なスケジュール設計のコツ

経済性を考慮した照明スケジュール設計のコツ

• 電力料金の時間帯別単価を活用
  • 多くの電力会社では夜間（22時〜翌朝8時）の電力単価が安い
  • 明期の大部分をこの時間帯に設定することで、照明コストを削減可能
  • 例：明期16時間の場合、22時〜翌14時の設定で電気代を削減できる
• デマンド対策としての分散点灯
  • 大規模施設では、すべての照明を同時に点灯せず、ずらして順次点灯
  • これにより最大電力（デマンド値）を抑え、基本料金の削減が可能
  • 例えば明期を16時間にするなら、3つのエリアに分けて8時間ずつ点灯時間をずらすと、完全に分散できる。

このように、照明スケジュールは単なるON/OFFの時間設定ではなく、電気代削減と品質向上の両方を実現するための重要な管理ポイントです。

他にも作物の生育速度を考慮したり、生理障害を抑えることを考慮したり、
実は現場レベルだと色々ありますよね。

そこを深く理解することが、生産性を高めるポイント。
そういったノウハウは、当サイトの以下のコンテンツにけっこう書きました。

少し値は張りますが、コスパは高いと思います。合わせてどうぞ。

光効率化のさまざまなテクニック

植物工場は何と言っても高額な電気代がネック。
知って得する光効率化テクニックも覚えておきましょう。

こういった小技は面倒だけどコスパは高いんで、ぜひ導入しましょう。

反射板による光利用効率の向上

LEDからの光を無駄なく利用するための工夫です。

適切に反射板を導入すれば、同じLED消費電力で10〜15%も収量増加できます。

電力コストに比べたら、コスパがめちゃくちゃ良いです。

光分布を均一にする

栽培エリア全体に均一な光を届けることで、生育のばらつきを減らします。

ばらつきが多いとどうなるかっていうと、製品にならないものが増えて収益性が落ちます。

これらの技術を組み合わせることで、収穫量のばらつきも大幅に減少します。

光の前に他の環境を整えるべし

ここまで光の重要性を語ってきました。

でもすごく大事なポイント。
光だけを完璧に整えても、他の環境要因が不十分では電気代の無駄になるだけです。

植物工場の生産性を最大化するには、「光」だけでなく「温度」「湿度」「CO2濃度」「気流」などの環境要因を総合的に管理する必要があります。

これらの要素は互いに影響し合い、どれか一つでも不足していると他の要素をいくら最適化しても効果が限られます。

温度・湿度と光の調和

光強度と温度は密接に関連しています。光合成は化学反応であり、温度によって反応速度が変化します。

• 適切な温度範囲の維持:
  • 多くの作物では20～25℃が光合成に最適
  • 光強度が高いときは、やや高めの温度（23～26℃）で光合成効率が向上
  • 温度が低すぎると酵素活性が低下し、高すぎると光呼吸が増加して効率が落ちる
• 湿度管理のポイント:
  • 相対湿度60～70%が一般的に最適
  • 湿度が高すぎると蒸散が抑制され、養分の吸収や輸送が妨げられる
  • 光が強いときは蒸散も活発になるため、湿度管理が特に重要

CO2がなければ光の無駄

CO2は光合成の原料であり、光エネルギーがあってもCO2が不足していれば光合成ができません。

• CO2濃度と光強度のバランス:
  • 通常の大気CO2濃度（約400ppm）では、光強度を上げても光合成の上限がすぐに来てしまう
  • 光強度が高い場合、800～1,200ppm程度のCO2濃度が理想的
  • CO2施用なしに高PPFD設定するのは電気代の無駄遣い
• CO2施用のタイミング:
  • 明期開始直後からCO2濃度を高める
  • 閉鎖型植物工場の場合、日中は植物のCO2消費が激しいため、常時モニタリングと供給調整が必要
  • 暗期にはCO2供給を停止しても問題ない（むしろ植物は呼吸でCO2を放出）

気流も重要

• 適切な気流の維持:
  • 葉の周りに「境界層」と呼ばれる静止空気の層ができると、CO2の拡散が妨げられる
  • 軽い風（0.3～0.7m/s程度）を当てることで、この境界層を破壊し、CO2の取り込み効率が向上
  • 結果として同じ光強度でもより効率的に光合成が行われる
• 気流循環の工夫:
  • ファンの設置位置や角度を最適化して均一な気流を作る
  • 植物体の間にも空気が流れるよう、栽培密度や配置にも配慮

まとめ

植物工場で成功するための光環境設計は、単に「たくさん光を当てる」という単純な問題ではありません。

本記事で解説したように、効率的かつ効果的な植物生産には、光合成のメカニズムを理解し、それに基づいた総合的な環境管理が必要です。

光合成と光環境の基礎知識

• 光合成の仕組み:
  • 光化学反応（明反応）とカルビンサイクル（暗反応）の2段階で進行し、光エネルギーを使って糖を合成する
• 光質（波長）の重要性:
  • 400〜700nmの光合成有効放射（PAR）、特に赤色光と青色光が重要だが、白色光など太陽光に近いバランスが推奨される
• PPFD（光量子束密度）:
  • 植物に届く光の強さを示す指標で、作物ごとに適切な値が異なる
• 光飽和点:
  • それ以上光を増やしても光合成が増えない点で、この値を超えるPPFDは電気代の無駄になる

実践のポイント

• 作物別の適切なPPFD:
  • 葉物野菜: 200～300 μmol/m²/s
  • 果菜類: 400～600 μmol/m²/s
• 明暗周期の管理:
  • 植物の生理リズムに合わせた明期・暗期の設定（一般的に葉物野菜は16時間明期/8時間暗期）
• 経済性を考慮した照明スケジュール:
  • 夜間電力の活用や分散点灯によるデマンド対策
• 光効率化テクニック:
  • 反射板の活用や均一な光分布の確保で同じ電力からより多くの収穫を得る

総合的な環境管理の重要性

• 温度・湿度管理:
  • 20～25℃の温度範囲と60～70%の湿度が一般的に最適
• CO2濃度の重要性:
  • 高いPPFDに対応するためには800～1,200ppmのCO2濃度が必要
• 適切な気流:
  • 0.3～0.7m/s程度の軽い風で葉の周りの空気を循環させ、CO2の取り込み効率を向上

植物工場での成功の鍵は、これらの要素を総合的に理解し、バランスよく管理することです。
光環境だけを最適化しても、他の環境要因が整っていなければ無駄になってしまいます。

この記事で解説した知識を基に、あなたの植物工場でも最適な環境づくりを実践してみてください。