CZ36944U1 - Fogponický systém pro pěstování rostlin - Google Patents

Description

Dosavadní stav techniky

Od počátku minulého století se světová populace téměř zečtyřnásobila. V roce 1950 obývalo podle odhadů OSN Zemi 2,6 miliardy lidí a předpokládá se, že v roce 2050 bude svět na hranici deseti miliard. Otázka zní, kde vzít potřebné množství potravin, když tradiční způsob zemědělství naráží na své limity. Moderní zemědělství je zaměřeno na zvýšení produkce a snížení ztrát zemědělských produktů. Toho lze dosáhnout například zkrácením doby pěstování plodiny a zintenzivnění jejího růstu. Zároveň je kladen důraz na snížení vlivu vnějšího prostředí, například eliminaci škůdců z řad mikro, jako plísně, houby, kvasinky apod. i makro organismů, jako jsou různí hlodavci, hmyz atd.

Nově navržené systémy pro pěstování rostlin jsou orientované na indoor pěstování. Vznikají nové bezpůdní systémy, které nahrazují přirozené prostředí rostlin umělým prostředím v komorách uvnitř budov. Tyto systémy zajišťují dostatek světla a živin pro pěstované rostliny a zároveň zkracují dobu pěstování. Prvními systémy tohoto druhu jsou hydroponické systémy, které pěstují rostliny v uzavřených komorách. Kořenových systém je uzavřen v netransparentním prostředí a kořeny jsou ponořeny do živného roztoku. Nadzemní část je osvětlována umělým světlem a vnější podmínky, především teplota a vlhkost jsou uzpůsobeny potřebám rostliny, včetně podpory stonku, pokud je potřeba. Tento systém je však náchylný na znečištění živného roztoku a vyšší náklady na sanitaci zařízení, resp. úpravu živného roztoku. Spotřeba vody je v tomto případě také vyšší. Příkladná řešení jsou popsána například v [RESH, Howard M. Hydroponic Food Production. New York: CRC Press, 2022. ISBN 9781003133254.

doi:10.1201/9781003133254], [WONG JR, Edward. Hydroponics system and method. USA. US3660933A], [VELAZQUEZ-GONZALEZ, Roberto S., Adrian L. GARCIA-GARCIA, Elsa VENTURA-ZAPATA, Jose Dolores Oscar BARCEINAS-SANCHEZ a Julio C. SOSASAVEDRA. A Review on Hydroponics and the Technologies Associated for Medium- and SmallScale Operations. Agriculture. 2022, 12(5). ISSN 2077-0472. doi:10.3390/agriculture12050646].

Pokročilejší technologií hydroponie je tzv. aeroponie, kdy se pro distribuci živného roztoku používá sprinkler systém - systém rozprašování. Systémem trysek se vytváří kapičky, které ulpívají na kořenovém systému rostliny, vytváří film a přebytečné množství živného roztoku zkapává do sběrného systému ve spodní části komory. Velikost kapiček se pohybuje v rozmezí 1 až 25 mikrometrů. Tato technologie se vyznačuje snížením spotřeby vody resp. živného roztoku, nicméně nevýhoda kontaminace přebytečného roztoku stále přetrvává. Tyto systémy jsou popsány například v [GURLEY, Thomas W. Aeroponics, Growing vertical. CRC Press, 2020. ISBN 9780367810078. doi:10.1201/9780367810078], [ELDRIDGE, Bethany M., Lillian R. MANZONI, Calum A. GRAHAM, Billy RODGERS, Jack R. FARMER a Antony N. DODD. Getting to the roots of aeroponic indoor farming. New Phytologist. 2020, 228(4), 1183-1192. ISSN 0028-646X. doi:10.1111/nph.16780], [Walhovd Z. A. Aeroponic plant growing system, US20100218423A1].

V současné době asi nejvyspělejší systém indoor pěstování vycházející z aeroponie je fogponie. Na základě nejnovější vědeckých poznatků z oblasti indoor pěstování rostlin byla stanovena optimální velikost kapičky pro různé rostliny v rozsahu 1 až 10 mikrometrů. Výhodou malých kapiček je snížení působení gravitačních sil a pomalejšího usazovaní mraku částic ve vznosu a rychlejší difúze do kořenového systému rostlin. Mlha se nejčastěji generuje vibracemi piezoelektrické destičky s 1 až 2 MHz, nebo ultrazvukem - 2,4 MHz produkuje kapičky v rozměru

- 1 CZ 36944 U1 až 2 mikrometry; 1,65 MHz produkuje kapičky v rozměru 5 až 7 mikrometrů. Častěji se používají ultrazvukové generátory mlhy. Jejich nevýhodou je však nízký výkon a hustota aerosolu. Frakce submikronových částic je v případě ultrazvuku zastoupena jen minimálně. Ultrazvukové generátory jsou často umístěné na hladině rezervoáru se živným roztokem, z nějž produkuje mlhu, čímž není eliminována nevýhoda hydroponických systémů. K distribuci mlhy ve fogponické komoře je zapotřebí dalších systému typicky ventilátorů. Současný vývoj je zaměřen na výrobu mlhy se submikronovými velikostmi kapiček a lepší distribuci mlhy ve fogponické komoře směřující do prostoru kořenového systému. Uvedená řešení jsou popsána například v [Cole B. DIY Guide on Setting up Fogponics Grow System: Perfect Manual To Building and Using a Fogponics Grow System. [HUSSAIN TUNIO, Mazhar, Jianmin GAO, Waqar AHMED QURESHI, Sher ALI SHEIKH, Jiedong CHEN, Farman ALI CHANDIO, Imran ALI LAKHIAR a Kashif ALI SOLANGI. Effects of droplet size and spray interval on root-to-shoot ratio, photosynthesis efficiency, and nutritional quality of aeroponically grown butterhead lettuce. International Journal of Agricultural and Biological Engineering. 2022, 15(1), 79-88. ISSN 1934-6344.

doi:10.25165/j.ijabe.20221501.6725], [A R Jamshidi, AG Moghaddam, A R Ommani. Effect of Ultrasonic Atomizer on the Yield and Yield Components of Tomato Grown in a Vertical Aeroponic Planting System. International Journal of Horticultural Science and Technology Vol. 6, No. 2; December 2019, pp 237-246], [S Das, G. Sahu. Soil-Less Farming- An Innovative Way Towards Sustainability. Agrifulture Food: E-Newsletter. ISSN 2585-8317. Article ID: 32025], [Bouchard, S. J. Systems and methods for efficient fogponic agriculture, US20200137964], [Watson, M. C. Fogponic plant growth system, CA2892131A1].

Podstata technického řešení

Nedostatky stávajících řešení jsou do značné míry odstraněny fogponickým systémem pro pěstování rostlin obsahujícím nosný rám, na kterém je umístěna neprůhledná komora pro kořenový systém, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že komora je neprůhledná a je opatřena alespoň jedním perforovaným košem pro zachycení kořenu rostliny prorůstajícího z koše do vnitřního prostoru neprůhledné komory a ve spodní a/nebo boční stěně je komora opatřena alespoň jednou přírubou pro uchycení generátoru mlhy. Pod neprůhlednou komorou je umístěna míchací stanice pro přípravu živného roztoku s čerpadlem pro dopravu živného roztoku do generátoru mlhy s velikostí částic živného roztoku v rozsahu 10 nanometrů až 10 mikrometrů.

Generátorem mlhy mohou být trysky a/nebo nebulizační hlava. Míchací stanice je s výhodou opatřena senzory vodivosti, pH, obsahu rozpuštěného kyslíku a teploty živného roztoku, spojenými s řídicím systémem a neprůhledná komora je opatřena kontinuálním a/nebo přerušovaným dávkovačem živného roztoku. Neprůhledná komora je s výhodou opatřena vlhkostním čidlem a teplotním čidlem pro sledování parametrů prostředí kořenového systému. Spodní část komory má ve výhodném provedení zkosené stěny pro sběr přebytečného a/nebo zkondenzovaného živného roztoku. Na horní části rámu jsou ve výhodném provedení umístěna LED osvětlení s řízením intenzity a barvy světla.

Tělo komory může být opatřeno přepážkami a komory mohou být opatřeny úchyty pro jejich modulární zapojení do regálového uspořádání.

Nebulizační hlava je s výhodou opatřena tlakovým plynem s obsahem kyslíku.

Technické řešení je součástí technologie sloužící k modernímu způsobu indoor pěstování rostlin. Navržený fogponický systém s automatickým řízením provozu je obdélníkového tvaru pro jednodušší zástavbu do regálového uspořádání uvnitř budov. Tělo komory může být vyrobeno jako celistvá nádoba nebo modulárně s přepážkami. Komora se skládá z nosného rámu, na kterém je umístěn neprůhledná komora pro kořenový systém. V obvyklém provedení je komora určena pro tři rostliny umístěné v perforovaných koších. Tyto koše slouží k zachycení kořenu rostliny, které prorůstají z koše do vnitřního prostoru neprůhledné komory. Ve spodní nebo boční stěně je komora

- 2 CZ 36944 U1 opatřena přírubami pro uchycení generátoru mlhy. Generátorem mlhy může být průmyslově vyráběné trysky nebo nebulizační hlava. Pod neprůhlednou komorou je umístěna míchací stanice pro přípravu živného roztoku. Ten je do mlhového generátoru dopravován čerpadlem. Živný roztok je připraven dle receptury pro danou rostlinu a během přípravy je neustále řídicím systémem sledována vodivost, pH, obsah rozpuštěného kyslíku a teplota roztoku. Množství živného roztoku do neprůhledné komory je dávkováno dle požadavků pro danou rostlinu kontinuálně nebo přerušovaně. V neprůhledné komoře je umístěno vlhkostní a teplotní čidlo pro sledování parametrů prostředí kořenového systému. Spodní část komory má zkosené stěny pro sběr případného přebytečného nebo zkondenzovaného živného roztoku. Na horní části rámu jsou umístěna LED osvětlení s řízením intenzity a barvy, tj. frekvenčního spektra, světla.

V případě použití nebulizační hlavy je pro generování kapiček použit tlakový vzduch, který vytváří z proudu živného roztoku v trysce hlavy mlhu. Tlakový vzduch zároveň slouží jako nosný proud pro kapičky živného roztoku a jeho směřováním dochází k požadované distribuci mlhy v komoře. Velikost kapiček mlhy lze nastavit průtokem čerpadla a tlakem distribučního vzduchu dle požadavků pro pěstovanou rostlinu.

Objasnění výkresů

Fogponický systémem pro pěstování rostlin podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsán na konkrétním příkladu uskutečnění s pomocí přiložených výkresů, kde na Obr. 1a znázorněno možné umístění generátorů mlhy do fogponické komory v axonometrickém pohledu a na Obr. 1b v bokorysu. Na Obr. 2 je znázorněno schéma přívodu živného roztoku do nebulizační hlavy. Na Obr. 3 je tabulka s použitými částmi.

Příklady uskutečnění technického řešení

Navržené konstrukční řešení fogponického systému s automatickým řízením provozních parametrů je součástí technologického celku, který lze provozovat s variantním zapojením pracovních proudů a jednotlivých hlavních a pomocných aparátů. Předložený návrh zahrnuje technologické uspořádání fogponické komory jako autonomního celku, nebo je možné tyto komory modulárně skládat do větších výrobních celků. Fogponická komora je navržena jak pro umístění generátoru mlhy ve formě trysek nebo nebulizační hlavy ve spodní části 1 komory, tak na bocích 3 komory, případně čelech 2 komory. Živný roztok je připravován v míchané nádobě vybavené sondami pro měření fyzikálních vlastností živného roztoku a dopravován do generátoru mlhy dávkovacím čerpadlem pracujícím v kontinuálním nebo diskontinuálním režimu. Mlha je distribuována do fogponické komory tlakovým vzduchem.

Průmyslová využitelnost

Fogponický systém pro pěstování rostlin podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění ve výzkumu a výrobě v oblasti potravinářského, zemědělského a farmaceutického průmyslu při výzkumu optimálních podmínek pěstování specifických rostlin v indoor prostředí stejně tak jako v průmyslové výrobě rostlin v indoor prostředí zapojením navržené fogponického systému jako modulu do regálového, tj. horizontálního i vertikálního, uspořádání.

Claims (10)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Fogponický systém pro pěstování rostlin obsahující nosný rám, na kterém je umístěna neprůhledná komora pro kořenový systém, vyznačující se tím, že komora je neprůhledná a je opatřena alespoň jedním perforovaným košem pro zachycení kořenu rostliny prorůstajícího z koše do vnitřního prostoru neprůhledné komory a ve spodní části (1) a/nebo bocích (3) a/nebo čelech (2) je komora opatřena alespoň jednou přírubou pro uchycení generátoru mlhy a pod neprůhlednou komorou je umístěna míchací stanice pro přípravu živného roztoku s čerpadlem pro dopravu živného roztoku do generátoru mlhy s velikostí částic živného roztoku v rozsahu 10 nanometrů až 10 mikrometrů.
2. 2. Fogponický systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že generátorem mlhy jsou trysky a/nebo nebulizační hlava.
3. 3. Fogponický systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že míchací stanice je opatřena senzory vodivosti, pH, obsahu rozpuštěného kyslíku a teploty živného roztoku, spojenými s řídicím systémem.
4. 4. Fogponický systém podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že neprůhledná komora je opatřena kontinuálním a/nebo přerušovaným dávkovačem živného roztoku.
5. 5. Fogponický systém podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že neprůhledná komora je opatřena vlhkostním čidlem a teplotním čidlem pro sledování parametrů prostředí kořenového systému.
6. 6. Fogponický systém podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že spodní část komory má zkosené stěny pro sběr přebytečného a/nebo zkondenzovaného živného roztoku.
7. 7. Fogponický systém podle kteréhokoli z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že na horní části rámu jsou umístěna LED osvětlení s řízením intenzity a barvy světla.
8. 8. Fogponický systém podle kteréhokoli z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že tělo komory je opatřeno přepážkami.
9. 9. Fogponický systém podle kteréhokoli z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že komory jsou opatřeny úchyty pro jejich modulární zapojení do regálového uspořádání.
10. 10. Fogponický systém podle kteréhokoli z nároků 2 až 9, vyznačující se tím, že nebulizační hlava je opatřena tlakovým plynem s obsahem kyslíku.