ES2229678T3 - Sustratos de cultivo de plantas con membrana hidrofilica y utilizacion de la membrana para el control de la humedad. - Google Patents
Sustratos de cultivo de plantas con membrana hidrofilica y utilizacion de la membrana para el control de la humedad.Info
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Abstract
Un medio de cultivo para plantas de humedad controlada que comprende un medio de cultivo y una membrana hidrofílica que contiene una o más capas de polímeros a través de la cual se hace pasar agua provinente de una fuente de agua que contiene al menos uno de entre sólidos suspendidos, sólidos disueltos, contaminantes, sales y materiales biológicos, en condiciones de temperatura ambiente; donde la membrana hidrofílica retiene al menos uno de entre sólidos suspendidos, sólidos disueltos, contaminantes, sales y materiales biológicos y permite la transmisión del vapor de agua al medio de cultivo; donde la membrana hidrofílica está fabricada de una o más capas de polímero y tiene una velocidad de transmisión de vapor de agua según ASTM E96-95 (Procedimiento BW) de al menos 400 g/m2/24h, medido sobre un grosor de película total de 25 micras utilizando aire a 23ºC y una humedad relativa del 50% a una velocidad de 3 m/s; y donde dicho polímero se selecciona de entre el grupo compuesto por elastómeros copolieteréster, poliamida- poliéter en bloque, poliéter uretanos, homopolímeros y copolímeros de polivinil alcohol y sus mezclas.
Description
Sustratos de cultivo de plantas con membrana
hidrofílica y utilización de la membrana para el control de la
humedad.
Esta invención trata sobre un sustrato de cultivo
de plantas de humedad controlada, y, de forma específica, trata
sobre la utilización de una membrana hidrofílica para el control del
contenido en humedad de un sustrato para el cultivo de plantas o
cultivos.
Se conocen diversos procesos para la purificación
del agua, dependiendo del tipo de proceso utilizado, de la
naturaleza y de la cantidad de impurezas en el agua. Por ejemplo,
puede necesitarse eliminar las impurezas en forma de partículas y en
solución del agua. El objetivo consiste en purificar el agua de
manera que contenga una cantidad lo suficientemente baja de
partículas en suspensión, microbios en suspensión y sales disueltas
para cumplir los requisitos de calidad del agua potable, para la
producción de comidas y bebidas, y para su uso en irrigación
agrícola y para su uso industrial.
Los procesos para la purificación de agua se
clasifican generalmente en filtración, destilación u ósmosis
inversa. En los procesos convencionales de filtración de partículas,
las impurezas en forma de partículas, como por ejemplo las
partículas inorgánicas en suspensión, se eliminan utilizando
estructuras porosas, como por ejemplo tejidos tramados o no
tramados. En los casos en que se deban filtrar partículas muy
pequeñas, se utilizan membranas poliméricas que sean microporosas,
es decir, que las membranas tienen agujeros muy pequeños a través de
los cuales las partículas a ser filtradas no pueden pasar.
Las soluciones acuosas que contienen sales
disueltas se purifican generalmente mediante ósmosis inversa o
destilación. Cuando la solución acuosa se halla en forma de agua
marina o salobre, esos procesos se conocen de forma general como
procesos de desalinización. El proceso de ósmosis inversa se basa en
la aplicación de presión a soluciones iónicas a través de una
membrana semipermeable. Si la presión aplicada es mayor que la
presión osmótica de la solución, se recoge agua purificada en el
lado de la membrana que no está en contacto con la solución. Las
membranas de ósmosis inversa dejan pasar el agua a través de ellas,
pero cierran el paso a los iones salinos. En realidad, un pequeño
porcentaje de las sales marinas, digamos el 1%, pasa a través de las
membranas. La US Patent 5,547,586 revela un método para la
desalinización de agua marina y salobre utilizando membranas
asistidas por enzimas. Al contrario que la ósmosis reversa, los
métodos de destilación aplicados a agua marina o agua salobre pueden
proporcionar agua con una cantidad muy pequeña de partículas en
suspensión y sólidos disueltos. Sin embargo, el alto calor latente
de vaporización de agua significa que los procesos de destilación
requieren un gran aporte de energía y, así pues, operan generalmente
con un conste más alto en comparación con los procesos de ósmosis
inversa.
Se sabe a partir de la US Patent 4,725,481 que se
puede utilizar un elastómero de copolieterester, en solitario o bien
como parte de una película bicomponente formada por una capa
hidrofóbica y una capa hidrofílica de elastómeros copolieterester
unidas, para permitir la transferencia diferencial de vapor de agua
para prevenir la acumulación de humedad, como por ejemplo en una
toalla quirúrgica o en equipamientos de atuendos impermeables.
US 5 595 662 revela un aparato para la
purificación de agua que comprende un compartimento para
proporcionar el agua impura; una zona de recolección del agua
purificada; y una membrana hidrofílica densa entre el compartimento
y la zona de recolección del agua purificada.
US 5 657 577 revela un método de micropropagación
para el crecimiento de plántulas en un medio líquido en el interior
de un contenedor bajo condiciones estériles.
JP 09 220002 revela un método para la germinación
de semillas en el cual las semillas se hidratan durante un período
lo suficientemente largo y a una temperatura lo suficientemente alta
como para incrementar la energía de las semillas, pero no lo
suficiente como para hacer germinar las semillas. Las semillas se
hidratan preferentemente poniéndolas en un contenedor construido a
partir de hojas de un material que absorba el agua y poniendo el
contenedor en movimiento.
US 4 978 505 revela un sistema automático para el
crecimiento de plantas.
La presente invención trata de sobre un sustrato
para el cultivo de plantas de humedad controlada que comprende un
sustrato de cultivo y una membrana hidrofílica compuesta por una o
más capas de polímeros a través de la cual se hace pasar agua que
contenga al menos uno de entre sólidos en suspensión, sólidos
disueltos, contaminantes, sales y material biológico, en condiciones
de temperatura ambiente;
donde la membrana hidrofílica retiene al menos
uno de entre los sólidos en suspensión, sólidos disueltos,
contaminantes, sales y material biológico y permite que el vapor de
agua se transmita al medio de cultivo;
donde la membrana hidrofílica está compuesta de
una o más capas poliméricas y tiene una velocidad de transmisión de
vapor de agua de acuerdo con ASTM E96-95
(Procedimiento BW) de al menos 400 g/m^{2}/24h, medido sobre un
grosor de capa total de 25 micras utilizando aire a 23ºC y una
humedad relativa del 50% a una velocidad de 3 m/s; y
donde dicho polímero se selecciona de entre el
grupo compuesto de elastómeros copolieteréster,
poliamida-poliéter en bloque, poliéter uretanos,
homopolímeros y copolímeros de polivinil alcohol y sus mezclas.
La presente invención trata además de la
utilización de una membrana hidrofílica compuesta de una o más capas
de polímero para controlar el contenido en humedad de un sustrato
para el cultivo de plantas o cultivos, donde la membrana hidrofílica
tiene una velocidad de transmisión de vapor de agua de acuerdo con
ASTM E 96-95 (Procedimiento BW) de al menos 400
g/m^{2}/24h, medida sobre un grosor de capa total de 25 micras
utilizando aire a 23ºC y una humedad relativa del 50% a una
velocidad de 3 m/s; y donde dicho polímero se selecciona de entre el
grupo compuesto de elastómeros copolieteréster,
poliamida-poliéter en bloque, poliéter uretanos,
homopolímeros y copolímeros de polivinil alcohol y sus mezclas,
donde el agua, que contiene al menos uno de entre sólidos en
suspensión, sólidos disueltos, contaminantes, sales y material
biológico, de una fuente de agua se hace pasar a través de la
membrana hidrofílica de tal forma que la membrana hidrofílica
retiene al menos uno de entre sólidos en suspensión, sólidos
disueltos, contaminantes, sales y material biológico y permite que
el vapor de agua se transmita al medio de cultivo.
La capa o capas de membranas hidrofílicas pueden
hallarse presentes en forma de estructura sin soporte o bien
recubiertas sobre o adheridas a un material de soporte, donde la
capa de la membrana hidrofílica puede ser un elastómeros
copolieteréster, poliamida-poliéter en bloque, un
poliéter uretano, homopolímeros o copolímeros de polivinil alcohol o
sus mezclas.
Una membrana hidrofílica preferida está compuesta
de un polímero hidrofílico que tenga una velocidad de transmisión de
vapor de agua de acuerdo con ASTM E96-95
(Procedimiento BW) de al menos 400 g/m^{2}/24h, medido utilizando
aire a 23ºC y una humedad relativa del 50% a una velocidad de 3 m/s
sobre un grosor de capa total de 25 micras. Una capa de la membrana
hidrofílica todavía más preferida está compuesta de un polímero
hidrofílico que tenga una velocidad de transmisión de vapor de agua
de acuerdo con ASTM E96-95 (Procedimiento BW) de al
menos 3500 g/m^{2}/24h, medido utilizando aire a 23ºC y una
humedad relativa del 50% a una velocidad de 3 m/s sobre un grosor de
capa total de 25 micras.
Las Figuras 1 y 2 son dibujos explicativos de las
plantas cultivas en "sacos de cultivo" y regadas de forma
convencional o utilizando bolsas de irrigación de los Ejemplos
11-12.
La Figura 3 es un dibujo explicativo de las
plantas cultivadas en contenedores abiertos representativos de los
Experimentos 10 y 12 del Ejemplo 17.
La Figura 4 es un dibujo explicativo de las
plantas cultivadas en el contenedor abierto representativo en el
Experimento 17 del Ejemplo 19.
La pervaporación es el proceso en el cual un
disolvente determinado permea una membrana o un recubrimiento no
poroso, se transporta a través de la membrana y se libera
posteriormente en la cara opuesta del recubrimiento o membrana en
forma de vapor. Así pues, la pervoración es distinta de los procesos
conocidos de filtración, destilación u ósmosis inversa en tanto que
el producto es un vapor y no un líquido. Si el disolvente es agua,
las membranas hidrofílicas no porosas son apropiadas para la
pervoración, porque el agua se absorbe fácilmente por, se transporta
a través de y se libera de tales membranas. Este vapor de agua se
pueden utilizar posteriormente para aplicaciones tales como
proporcionar humedad a un sustrato de cultivo.
El término "membranas hidrofílicas" hace
referencia a membranas no porosas que absorben agua, es decir, que
permiten que el agua pase a través de ellas. Si hay un gradiente de
humedad a través de la membrana hidrofílica, este agua absorbida
puede difundirse a través del grosor de la membrana y puede emitirse
en su cara opuesta. Las membranas o recubrimientos hidrofílicos, a
los cuales a partir de este punto de la revelación se hará
referencia de forma colectiva con el término de membranas, presentan
unas velocidades de transmisión de vapor de agua lo suficientemente
altas, tal como se ha definido anteriormente, para que el agua que
ha pasado a través de las membranas pueda ser utilizada directamente
en cualquier aplicación apropiada, incluyendo la irrigación de
plantas. Tales membranas pueden contener una o más capas
individuales fabricadas a partir de materiales que incluyen, pero no
están limitados a, los mismos o distintos polímeros hidrofílicos.
Mientras la velocidad total de permeación del vapor de agua de la
membrana aquí revelada sea lo suficientemente alta, este agua puede
proporcionarse a una velocidad consistente con su utilización en una
aplicación práctica dada, tal como se ha descrito. La naturaleza no
porosa de las membranas aquí reveladas sirve para evitar que
cualquier impureza en forma de partículas pase a través de este tipo
de membrana, incluyendo microbios como bacterias y virus. Además, se
ha descubierto que las membranas fabricadas a partir de los
polímeros hidrofílicos descritos reducen de forma significativa el
paso de las sales disueltas. Así pues, la capacidad de utilizar no
sólo agua potable, sino también agua que puede contener impurezas en
suspensión o disueltas, para producir las cantidades deseadas de
agua purificada por pervoración, permite la utilización de agua
salina, incluyendo, pero sin estar limitada a, agua marina o agua
salobre, después de ser procesada a través del aparato incorporado
en la presente invención, para irrigar tierra de uso agrícola y
mantener el crecimiento de plantas, y/o para la liberación
controlada de agua a un determinado entorno.
El experto en la materia apreciará que el término
"purificación" depende en cierta medida del uso que se le
quiera dar al agua purificada. Por ejemplo, el agua que se usa para
regar plantas puede ser menos pura que la necesaria para el consumo
humano. Naturalmente, se apreciará que el proceso de purificación se
puede repetir en pasos sucesivos para mejorar la pureza, esto es,
permitiendo que el agua contaminada circule a través de una o varias
capas más gruesas de membranas hidrofílicas (o incluso a través de
un sistema de filtración adicional). Además, la pureza se puede
referir a diversos componentes en función del contexto de uso: por
ejemplo, en el caso del agua para regar plantas tan sólo será
relevante el contenido de sal. Así, la purificación se debe entender
en referencia al proceso de preparación de agua con una calidad
suficiente para el uso que se le quiere dar. En general, en el
contexto de la invención, el agua purificada extraída de la membrana
contiene aproximadamente menos del 1% (preferiblemente menos del
0,1%) de sólidos disueltos o suspendidos y de partículas. En cuanto
a las sales disueltas, éstas se suelen retener dentro y encima de la
membrana, con un vapor purificado extraído de la membrana que
presenta una pureza de aproximadamente menos del 1% (y típicamente
aún menos) en relación con los sólidos disueltos.
La velocidad a la cual el agua pervapora a través
de la membrana fabricada a partir del polímero hidrofílico depende,
entre otros factores, del contenido en humedad del lado no acuoso.
Así pues, los sistemas de irrigación basados en membranas de la
presente invención son autorregulables y pueden ser "pasivos"
por naturaleza, proporcionando más agua a las plantas bajo
condiciones secas y menos bajo condiciones húmedas.
La prueba estándar para la medición de la
velocidad a la cual una membrana determinada transmite el agua es
ASTM E-96-95 - Procedimiento BW,
previamente conocido con el nombre de ASTM
E-96-66 - Procedimiento BW, que se
utiliza para determinar la Velocidad de Transmisión de Vapor de Agua
(WVTR) de una membrana. Para esta prueba, se utiliza un aparato
basado en un recipiente impermeable al agua, también llamado
"Vaporímetro Thwing-Albert". Este recipiente
contiene agua hasta aproximadamente ¾ \pm ¼ pulgadas (19 \pm 6
mm) del borde superior. La abertura del recipiente se sella de forma
estanca con una membrana permeable al agua fabricada con el material
de prueba a medir, dejando un espacio de aire entre la superficie
del agua y la membrana. A continuación, en el procedimiento BW, el
recipiente se invierte, de forma que el agua está en contacto
directo con la membrana. El aparato se coloca en una cámara de
prueba a una temperatura y humedad controladas, y, a continuación,
se hace pasar aire a través del exterior de la membrana a una
velocidad determinada. Los experimentos se llevan a cabo por
duplicado. Se miden los pesos del recipiente, del agua y de la
membrana del aparato durante varios días, y se promedian los
resultados. La velocidad a la cual el agua permea a través de la
membrana recibe el nombre de "Velocidad de Transmisión del Vapor
de Agua", medida como la pérdida de peso promedio del aparato a
una determinado grosor de membrana, temperatura, humedad y velocidad
del aire, expresada como masa perdida por unidad de área superficial
de membrana y tiempo. El WVTR de membranas o películas de acuerdo
con ASTM E96-95 Método BW se mide típicamente sobre
películas de un grosor de 25 micras y a una velocidad del flujo de
aire de 3 m/s, temperatura del aire de 23ºC y una humedad relativa
del 50%.
Bajo las condiciones de los experimentos de
cultivo de plantas revelados en la invención, una selección de los
cuales se detalla en los Ejemplos 15-19 que se
presentan a continuación, se utilizaron bolsas de irrigación
fabricadas a partir de la membrana para proporcionar agua a las
plantas cultivadas. En los experimentos llevados a cabo hasta la
fecha, se encontró que una velocidad de transferencia de agua de
10g/24h (equivalente a 70 g/m^{2}/24h) a través de una bolsa de
irrigación era suficiente para mantener el cultivo de una o más
plantas. Esta velocidad de transferencia de agua que se necesita
para mantener el cultivo de plantas se puede expresar como la
velocidad a la cual el agua pasa a través de una unidad de
superficie de la membrana utilizada en los experimentos en una
unidad de tiempo, término al cual se hace referencia como
"Velocidad Promedio de Transferencia del Agua" para los
propósitos de esta revelación. Bajo las condiciones de los
experimentos de cultivo de plantas revelados en la invención, una
selección de los cuales se detalla en los Ejemplos
15-19 que se presentan a continuación, se encontró
que una Velocidad Promedio de Transferencia del Agua de 70
g/m^{2}/24h era suficiente para sostener el crecimiento de las
plantas, tal como se muestra en las Tablas 2 - 6.
En estos experimentos, las condiciones bajo las
cuales el agua se transfirió desde el interior de las bolsas de
irrigación a través de la membrana al sustrato de cultivo de las
plantas y las raíces de las plantas consistieron en bolsas de
irrigación enterradas en el sustrato de cultivo, en ausencia de
movimiento de aire en la superficie de las bolsas de cultivo. Bajo
estas condiciones, el vapor de agua pasó del interior de la bolsa de
irrigación a través de la membrana y al medio de cultivo solamente
por difusión.
En el contexto de esta revelación, las membranas
hidrofílicas a utilizar en el aparato incorporado en la invención
están fabricadas a partir de polímeros hidrofílicos. El término
"polímeros hidrofílicos" se refiere a polímeros que absorben
agua cuando se hallan en contacto con agua líquida a temperatura
ambiente de acuerdo con las especificaciones ISO 62 de la
International Standards Organization (equivalentes a la
especificación ASTM D 570 de la American Society for Testing and
Materials).
El polímero hidrofílico es único o bien una
mezcla de diversos polímeros y se selecciona de entre un elastómero
copolieteréster o una mezcla de dos o más elastómeros
copolieteréster tal como se describe a continuación, como por
ejemplo los polímeros que se pueden adquirir de E.I. du Pont de
Nemours and Company bajo el nombre comercial de Hytrel®; o una
poliamida-poliéter en bloque o una mezcla de dos o
más poliamidas-poliéteres en bloque, como los
polímeros que se pueden adquirir de Elf-Atochem
Company de París, Francia, bajo el nombre comercial de PEBAX; o un
poliéter uretano o una mezcla de poliéter uretanos; u homopolímeros
o copolímeros de polivinil alcohol o una mezcla de homopolímeros o
copolímeros de polivinil alcohol.
Un polímero particularmente preferido para la
transmisión de vapor de agua en esta invención es un elastómero
copolieteréster o una mezcla de dos o más elastómeros
copolieteréster con múltiples unidades éster de cadena larga
recurrentes y unidades éster de cadena corta unidas cabeza con cola
a través de enlaces tipo éster, donde las unidades éster de cadena
larga se representan mediante la fórmula;
(I)---OGO---
\uelm{C}{\uelm{\dpara}{O}}---R---
\uelm{C}{\uelm{\dpara}{O}}---
y dichas unidades éster de cadena
corta se representan mediante la
fórmula:
(II)---ODO---
\uelm{C}{\uelm{\dpara}{O}}---R---
\uelm{C}{\uelm{\dpara}{O}}---
donde:
a) G es el radical divalente que queda después de
la eliminación de los grupos hidroxilo terminales de un
poli(alquilen óxido)glicol con un peso molecular
promedio en número de alrededor de 400-4000;
b) R es el radical divalente que queda después de
eliminar los grupos carboxilo de un ácido dicarboxílico con un peso
molecular menor de 300;
c) D es el radical divalente que queda después de
eliminar los grupos hidroxilo de un diol con un peso molecular menor
de 250; opcionalmente
d) el copolieteréster contiene un
0-68 por ciento en peso en base al peso total de
copolieteréster de grupos etilen óxido incorporados en las unidades
éster de cadena larga del copolieteréster; y
e) el copolieteréster contiene alrededor de un
25-80 por ciento en peso de unidades éster de cadena
corta.
Este polímero preferido es apropiado para la
fabricación de membranas, películas y recubrimientos delgados pero
resistentes. El polímero preferido, el elastómero copolieteréster y
los métodos para fabricarlo son conocidos en el campo de la técnica,
tal como se revela en la US Patent No. 4,725,481 para un elastómero
copolieteréster con una WVTR de 3500 g/m^{2}/24h, o en la US
Patent No. 4,769,273 para un elastómero copolieteréster con una WVTR
de 400-2500 g/m^{2}/24h.
El polímero puede estar enriquecido con
estabilizadores antioxidantes, estabilizadores ultravioleta,
estabilizadores frente a la hidrólisis, tintes o pigmentos,
compuestos de relleno, reactivos anti-microbianos, y
similares.
Se pueden utilizar polímeros hidrofílicos
adquiridos comercialmente en el contexto de la presente invención,
aunque es más preferible utilizar elastómeros copolieteréster que
tengan una WVTR de más de 400 g/m^{2}/24h medidos en películas de
un grosor de 25 micras utilizando aire a 23ºC y a una humedad
relativa del 50% a una velocidad de 3 m/s. Se prefiere todavía más
la utilización de membranas fabricadas a partir de elastómeros
copolieteréster que tengan una WVTR de más de 3500 g/m^{2}/24h,
medidos en películas de un grosor de 25 micras utilizando aire a
23ºC y a una humedad relativa del 50% a una velocidad de 3 m/s.
Los polímeros hidrofílicos pueden utilizarse para
fabricar membranas de cualquier grosor deseado mediante diferentes
procesos. Una forma útil y suficientemente establecida para fabricar
membranas en forma de película es mediante extrusión de fusión del
polímero en una línea de extrusión comercial. Brevemente, ello
conlleva el calentamiento del polímero a una temperatura por encima
de la de su punto de fusión, su extrusión a través de una boquilla
plana o anular y seguidamente el moldeado de la película utilizando
un sistema de rodillos o bien soplando la película a partir de la
masa fundida.
Entre los materiales de soporte de utilidad se
incluyen los papeles tramados, no tramados o papel obra, tejidos y
tramas permeables al vapor de agua, incluyendo aquellos fabricados a
partir de fibras de polímeros orgánicos e inorgánicos estables a la
humedad como polietilieno, polipropileno, fibra de vidrio y
similares. El material de soporte incrementa la fuerza y además
protege la membrana. El material de soporte puede colocarse en un
solo lado de la membrana de polímero hidrofílico o en los dos lados.
Cando se coloca en un solo lado, el material de soporte puede estar
en contacto con la fuente de agua o bien separado de ella.
Típicamente, el material de soporte se coloca en el exterior de los
contenedores hechos a partir de la membrana de polímero hidrofílico
para proteger de forma más efectiva a la membrana de daños físicos
y/o de la degradación causada por la luz.
El aparato que emplea la membrana de polímero
hidrofílica no se halla limitado a ninguna forma o estructura
particular, y puede ser, por poner un ejemplo, una tubería, un tubo
o similares.
Sin que se halle ligado a ninguna teoría en
particular, se cree que el efecto purificador que se identifica como
el principal concepto innovador de la membrana hidrofílica en forma
de recubrimiento o de una membrana sin soporte cuando se halla en
contacto con agua que puede contener impurezas y sólidos
suspendidas o disueltas, ocurre porque las moléculas fuertemente
dipolares como las del agua se absorben y se transportan de forma
preferencial a través de la membrana o recubrimiento, en comparación
con los iones como sodio y cloro. Cuando, además, existe un
gradiente de humedad a través de la membrana, se libera agua desde
el lado que no se halla en contacto con la fuente de agua, que puede
ser absorbida por las raíces de las plantas.
Aplicaciones Agrícolas/Hortícolas. Cuando
se utilizan para proporcionar humedad a un sustrato de cultivo para
el cultivo de plantas o cosechas, las membranas controlan el
contenido en humedad, que puede consistir en agua en suspensión o
agua adsorbida, del sustrato de cultivo independientemente del tipo
de fuente de agua que pasa a través de la membrana. El gradiente del
contenido en humedad entre la fuente de agua y el sustrato de
cultivo siempre tiende al equilibrio, así que en condiciones en las
cuales el sustrato de cultivo es seco, habrá un transporte
relativamente rápido de agua a través de la membrana para
proporcionar agua al sustrato de cultivo. En condiciones en las
cuales el sustrato de cultivo ya tiene un alto contenido en humedad,
el gradiente a través de la membrana entre la fuente de agua y el
sustrato de cultivo es cercano al equilibrio, así que la velocidad
de transferencia de agua a través de la membrana al sustrato de
cultivo es baja, e incluso puede ser cero si se alcanza el
equilibrio.
Debido a la naturaleza de las membranas
hidrofílicas, el agua pasa por toda la superficie de la membrana tal
como determina el contenido en humedad del suelo, que puede ser
infinitamente variable a lo largo de la superficie de la membrana.
La velocidad a la cual el agua pasa a través de la membrana y las
condiciones de equilibrio pueden ajustarse para satisfacer unos
requerimientos de crecimiento específicos, por ejemplo mediante el
incremento o la disminución de la temperatura de la fuente de agua,
mediante la variación del grosor de la membrana o mediante la
modificación de la composición del polímero de una o más de las
capas.
El aparato recubierto con una capa de membrana
hidrofílica actúa de la misma manera que el aparato que posee una
membrana hidrofílica sin soporte, en tanto que ambos son sistemas de
liberación de agua auto-regulables que proporcionan
agua a un sustrato de cultivo según sea necesario, dependiendo del
contenido en humedad del sustrato de cultivo.
En el contexto de esta revelación, un "sustrato
de cultivo" es un medio en el cual crecen las raíces de las
plantas. Así pues, el término "sustrato de cultivo" incluye los
suelos naturales o mejorados artificialmente utilizados en los
campos de, pero sin estar limitado a, la agricultura, horticultura y
cultivos hidropónicos. Estos suelos incluyen cantidades variables de
arena, limo, arcilla y humus. El término "sustrato de cultivo"
también incluye, pero no se halla limitado a, otros materiales
utilizados para cultivar plantas, como vermiculita, perlita, turba
en polvo, virutas de raíz de helecho arbóreo, astillas o virutas de
corteza de árbol o virutas de fibra de coco. A medida que la
membrana proporcione humedad en forma de vapor de agua al sustrato
de cultivo, los materiales del sustrato de cultivo con propiedades
higroscópicas unirán y almacenarán el vapor de agua con mayor
eficacia, y funcionarán mejor con esta invención.
Para proporcionar humedad al sustrato de cultivo
en irrigación agrícola y hortícola de una forma más efectiva, la
membrana debe hallarse tan cerca como sea posible del sustrato de
cultivo. Típicamente, la membrana se halla totalmente recubierta por
el sustrato de cultivo para maximizar el contacto y para proteger al
polímero de la degradación debida a la luz solar. La membrana
también necesita estar colocada lo suficientemente cerca de la zona
de las raíces en el sustrato de cultivo, para, de este modo,
proporcionar humedad a las plantas.
La membrana puede no tener soporte o bien
hallarse revistiendo un material de soporte para aumentar así su
resistencia y durabilidad. El aparato tiene típicamente al menos una
abertura para llenarse de agua. Para proporcionar humedad durante un
periodo largo de tiempo, es conveniente que el aparato tenga forma
de bolsa, tubería o tubo, permitiendo que el agua sea descargada
continuamente o de forma periódica para prevenir la acumulación de
sales u otros contaminantes. El vapor de agua pasa de forma
preferencial a través de las membranas, dejando detrás de si las
sales en disolución y otros materiales así como partículas en
suspensión, como materia orgánica e inorgánica, incluyendo microbios
como bacterias, virus y similares.
Los ejemplos de realización relacionados con la
agricultura de la presente invención comprenden el suministro de
humedad para hacer crecer plantas, haciendo germinar las semillas
mientras se excluyen no sólo sales perjudiciales sino también
patógenos como hongos, bacterias y virus dañinos para las semillas y
las plantas. Ello se puede llevar a cabo colocando las raíces de las
plantas o las semillas sobre una capa de la membrana que está en
contacto con agua por el lado opuesto a las raíces o las
semillas.
De forma alternativa, para la germinación de
semillas, las semillas se pueden encerrar dentro de la membrana
hidrofílica, como por ejemplo en un contenedor sellado, poniendo el
contenedor en contacto con agua o un medio húmedo. Ello permite a
las semillas germinar en un entorno estéril, previniendo las
pérdidas de semillas debido a los ataques por patógenos.
Humidificación / Aplicaciones Hortícolas.
Además de proporcionar humedad a las semillas, plantas, o al medio
de cultivo en aplicaciones agrícolas, el aparato de la presente
invención también puede utilizarse para mantener o incrementar la
humedad de cámaras cerradas. Un ejemplo de ello es una aplicación
agrícola para proporcionar humedad al aire que rodea las plantas en
cámaras de crecimiento.
Cuando las plantas han crecido en una cámara de
crecimiento cerrada, como por ejemplo un invernadero, un aumento de
la humedad puede tener un efecto significativo y beneficioso.
Además, las membranas de esta invención pueden hallarse parcial o
totalmente expuestas al aire, para aumentar la humedad mediante el
proceso de pervoración. Las membranas del aparato de distribución
de agua pueden hallarse parcial o totalmente en contacto con el
aire. Para proteger al polímero hidrofílico de la degradación, las
membrana puede estar recubierta por una capa de material de soporte
para bloquear la luz o, preferiblemente, se coloca el aparato en la
sombra o en un recinto oscuro.
Como en las aplicaciones agrícolas, el aparato
tiente típicamente al menos una abertura para ser rellenado con
agua, y para proporcionar humedad durante un período largo de
tiempo, es conveniente que el aparato tenga la forma de bolsa,
tubería o tubo, permitiendo que el agua sea descargada de forma
contínua o periódica para prevenir la acumulación de sales u otros
contaminantes.
En los ejemplos que siguen, el Copolieteréster A
es un polímero fabricado de acuerdo con el método revelado en la US
Patent No. 4,725,481 partiendo de 30 partes de tereftalato de
dimetilo, 57 partes de un poli(alquilen)glicol el
contenido de alquileno del cual es un 65% de etileno y un 35% de
propileno, 9 partes de isoftalato de dimetilo, 16 partes de
butanodiol (cantidad estequiométrica) y 0.7 partes de trimelitato de
trimetilo. El Copolieteréster A contiene alrededor de un 37% en peso
de poli(óxido de etileno)glicol, y las membranas fabricadas a
partir de Copolieteréster A presentan un hinchamiento debido al agua
de alrededor de un 54% en peso a temperatura ambiente y a una WVTR
de al menos 10,000 g/m^{2}/24h, medido sobre un grosor de película
de 25 micras utilizando aire a 23ºC y una humedad relativa del 50% a
una velocidad de 3 m/s.
El Copolieteréster B es un polímero fabricado de
acuerdo con el método revelado en la US Patent No. 4,725,481
partiendo de 44 partes de tereftalato de dimetilo, 51 partes de un
poli(alquilen)glicol el contenido de alquileno del
cual es un 65% de etileno y un 35% de propileno, 19 partes de
butanodiol (cantidad estequiométrica) y 0.4 partes de trimelitato de
trimetilo. El Copolieteréster B contiene alrededor de un 33% en peso
de poli(óxido de etileno)glicol, y las membranas fabricadas a
partir de Copolieteréster B presentan un hinchamiento debido al agua
de alrededor de un 30% en peso a temperatura ambiente y a una WVTR
de al menos 10,000 g/m^{2}/24h, medido sobre un grosor de película
de 25 micras utilizando aire a 23ºC y una humedad relativa del 50% a
una velocidad de 3 m/s.
El Copolieteréster C es un polímero fabricado de
acuerdo con el método revelado en la US Patent No. 4,725,481
partiendo de 50 partes de tereftalato de dimetilo, 44 partes de un
poli(alquilen)glicol el contenido de alquileno del
cual es un 85% de propileno y un 15% de etileno, 21 partes de
butanodiol (cantidad estequiométrica) y 0.3 partes de trimelitato de
trimetilo. Las membranas fabricadas a partir de Copolieteréster C
presentan un hinchamiento debido al agua de alrededor de un 5% en
peso a temperatura ambiente y a una WVTR de 2,200 g/m^{2}/24h,
medido sobre un grosor de película de 25 micras utilizando aire a
23ºC y una humedad relativa del 50% a una velocidad de 3 m/s.
Ejemplos
1-10
El primer grupo de ejemplos, Ejemplos
1-10, demuestra que el vapor de agua pasa a través
de las membranas hidrofílicas del aparato de purificación de agua, y
que las membranas hidrofílicas dejan pasar el agua a través de ellas
pero impiden el paso de iones salinos. En los ejemplos, se
rellenaron cinco bolsas de membrana hidrofílica, fabricadas a partir
de una película extruída del polímero hidrofílico Copolieteréster A,
con agua marina, y otras cinco bolsas de membrana hidrofílica
fabricadas a partir de una película extruída del polímero
hidrofílico Copolieteréster B se rellenaron con agua corriente. Se
utilizó un sellador térmico para sellar las bolsas de membrana
hidrofílica. Se calculó que el área superficial efectiva máxima de
las bolsas era de 0.1 m^{2}.
Las bolsas se colocaron en una habitación a
temperatura ambiente sin controlar el nivel de humedad. Las muestras
2, 3, 5, 7, 8 y 9 se colocaron directamente sobre la bandeja
metálica. Las muestras 1 y 10 se pusieron sobre un papel absorbente
en la bandeja y las muestras 4 y 6 se colocaron sobre una malla de
nylon para estudiar los posibles efectos del flujo de aire o
"empapado", que afectaría la velocidad a la cual se elimina el
vapor de agua de la superficie. En cuanto las bolsas estuvieron
llenas, la superficie de las bolsas se volvió húmeda al tacto. Las
bolsas se sellaron completamente y la cara superior de cada bolsa se
dejó expuesta al aire.
Las bolsas fueron pesadas e inspeccionadas
visualmete a diario durante un período de una semana, y el peso
medido fue disminuyendo diariamente hasta que después de entre cinco
y siete días todas las bolsas estuvieron vacías de agua. En este
primer caso, como la prueba era un indicador empírico, fue difícil
tener en cuenta todos los factores como la masa original de agua, el
tipo de agua, área superficial, área de contacto con el agua y
grosor de la película. Sin embargo, tomando todo ello en
consideración, no se observó ninguna diferencia aparente entre la
velocidad de "pérdida de agua" para similares áreas
superficiales.
Se encontró que las bolsas vacías que habían
contenido originalmente agua de mar tenían un depósito salino
blanco en su interior, visible en forma de grandes cristales. La
bolsa del Ejemplo 5, por ejemplo, contenía más de 20 g de materia
sólida. Bajo presión y temperatura ambientes, pervaporaron más de 2
litros de agua por metro cuadrado por día de de las bolsas. Otras
medidas sugirieron que el Copolieteréster A era capaz de dejar pasar
más de un litro de agua por metro cuadrado por hora, resultando un
flujo de aire a través de la superficie de la membrana hidrofílica
lo suficientemente rápido para eliminar el vapor de agua a medida
que iba siendo emitido de la bolsa por pervaporación.
Se cree que la velocidad natural de evaporación
del agua era el factor limitante en el flujo de agua a través de la
bolsa. Las bolsas de membrana hidrofílica de prueba 1 y 10, que se
colocaron sobre papel absorbente, y las bolsas de membrana
hidrofílica de prueba 4 y 6, que se colocaron sobre la malla de
nylon, no emitieron agua más rápido que las bolsas de membrana
hidrofílica que se habían colocado directamente sobre la bandeja
metálica. No se detectó ninguna diferencia entre las películas más
gruesas o más delgadas de polímero.
Los resultados de los ejemplos se resumen en la
Tabla 1 que se presenta a continuación:
Ejemplos
11-14
En el siguiente grupo de ejemplos, el
correspondiente a los Ejemplos 11-14, se validó la
viabilidad de la utilización de membranas hidrofílicas fabricadas a
partir de polímero hidrofílico en un aparato de desalinización. Los
Ejemplos 11 y 14, 12 y 13 se ilustran en las Figuras 1 y 2
respectivamente.
En estos ejemplos se utilizaron los contenedores
para cultivo llamados "sacos de cultivo". Los "sacos de
cultivo" son sacos sellados de polietileno que se pueden adquirir
comercialmente, de unas dimensiones aproximadas de 100 x 50 x 15 cm,
que contienen una mezcla de tierra para cultivo húmeda, apropiada
para el cultivo de plantas en el exterior, por ejemplo tomates.
Cuando se utilizan "sacos de cultivo", la práctica común
consiste en colocarlos en el suelo con su cara mayor en posición
horizontal, de forma que actúan como viveros para plantas en
miniatura de área 100 x 50 cm y 15 cm de altura. Se hicieron tres
pequeños cortes en la parte superior y se plantaron tres plántulas
de tomate en la tierra del "saco de cultivo", con los brotes y
las hojas sobresaliendo de la parte superior del saco. El
polietileno del "saco de cultivo" sirve para retener la tierra
alrededor de las raíces de las plantas, así como para prevenir una
evaporación excesiva de la humedad. Se escogieron plantas de tomate
porque tienen una temporada de crecimiento corta pero activa, y sus
hojas tienen un área sustancial, que se puede utilizar de forma
conveniente como un indicador de la salud de la planta.
Las doce plantas de tomate se regaron con con
agua limpia de pozo durante dos semanas para confirmar que todas
ellas eran saludables y para permitirles establecerse en los
"sacos de cultivo". El entorno era un invernadero abierto que
estaba cubierto, pero que no tenía calefacción, y totalmente
ventilado para representar un crecimiento en el exterior sin lluvia.
Durante los experimentos, se dejaron crecer todas las plantas de
forma completamente natural, sin podar o entutorar. Cada "saco de
cultivo" con tres plantas cada uno se regó mediante distintos
métodos de la forma que se relata a continuación:
Agua de pozo limpia, administrada a través de una
manguera estática perforada con una hilera de agujeros para asegurar
un riego igualado.
Agua de pozo limpia, administrada a través de una
bolsa de irrigación de membrana hidrofílica tubular con un diámetro
de 20 cm y una longitud de 40 cm aproximadamente, fabricada a partir
de una película de Copolieteréster A. La bolsa de irrigación se
colocó en el "saco de cultivo" a lo largo de uno de los lados
de 50 cm en el espacio entre la parte superior de la tierra y el
polietileno del "saco de cultivo".
Agua marina, administrada a través de una bolsa
de irrigación de membrana hidrofílica tubular con un diámetro de 20
cm y una longitud de 40 cm aproximadamente, fabricada a partir de
una película de Copolieteréster A. Como en el Ejemplo 12, la bolsa
de irrigación se colocó en el "saco de cultivo" a lo largo de
uno de los lados de 50 cm en el espacio entre la parte superior de
la tierra y el polietileno del "saco de cultivo".
Agua marina, administrada a través de una
manguera estática perforada, de la misma forma que en el Ejemplo
11.
Se estimó que el área superficial de las bolsas
de irrigación fabricadas a partir de las membranas hidrofílicas era
de 0.25 m^{2}. Este área superficial proporcionó la humedad
necesaria para sostener el crecimiento de las tres plantas de tomate
de los Ejemplos 12 y 13.
En el Día 1 se empezó el riego utilizando los
sistemas anteriores. Todas las plantas eran verdes, saludables y
ninguna de ellas presentaba ninguna ventaja característica. Las
plantas del Ejemplo 11 se regaron a diario, lo suficiente como para
mantener un aspecto saludables en las plantas. Las plantas del
Ejemplo 14 recibieron la misma cantidad de agua que las del Ejemplo
11. Los depósitos que rellenaban las bolsas de irrigación de
membrana fabricadas a partir del elastómero copolieteréster se
rellenaron hasta su nivel máximo diariamente, de forma que las
bolsas de irrigación estuvieron siempre llenas, en el Ejemplo 12 con
agua de pozo limpia y en el Ejemplo 13 con agua marina.
En el Día 4, todas las plantas del Ejemplo 14 que
se habían estado regando diariamente con agua marina mostraron
manchas amarillas en los tallos y las hojas. No hubo ninguna
diferencia distinguible entre el Ejemplo 11 y el 12 con agua de
pozo, y el Ejemplo 13 con agua marina. Todas las plantas de los
Ejemplos 11, 12 y 13 eran saludables.
En el Día 21, las plantas del Ejemplo 14 eran de
color amarillo y tenían aspecto fláccido. Las plantas de los
Ejemplos 11,12 y 13 no tenían manchas o defectos visibles.
Mientras las plantas fueron madurando hasta el
Día 60, las plantas de los Ejemplos 11, 12 y 13 produjeron frutos.
Las plantas tenían una forma regular y un color correcto y uniforme.
Las plantas del Ejemplo 14 fueron muriendo y produjeron muy pocos
frutos, de forma irregular. Las plantas de los Ejemplos 11, 12 y 13
continuaron dando buenos frutos, incluyendo las del Ejemplo 13 que
se agregaron con agua marina a través de la membrana de la presente
invención fabricada a partir de elastómero copolieteréster. No se
pudo distinguir ninguna diferencia entre la calidad o la cantidad de
los frutos de las plantas en los Ejemplos 11,12 o 13. Los frutos en
el Ejemplo 14 mostraron manchas marrones y amarillas, en claro
contraste con los frutos de los otros plantas.
De forma significativa, la cantidad de agua
requerida para "llenar hasta el tope" las bolsas de irrigación
de membrana hidrofílica fabricadas a partir del elastómero
copolieteréster de los Ejemplos 12 y 13 varió dependiendo del
tiempo. En un día caluroso, las bolsas de irrigación de membrana
hidrofílica fabricadas a partir de elastómero copolieteréster
requirieron medio litro adicional de agua, mientras que en días
frescos y húmedos, las bolsas de irrigación necesitaron rellenarse
muy poco. Ello demostró que la pervaporación de agua a través de la
membrana era autorregulable, y que era dependiente del contenido en
humedad y de la temperatura del aire y de la tierra en contacto con
la membrana hidrofílica. En los Ejemplos 12 y 13, las bolsas de
membrana fabricadas a partir de elastómero copolieteréster
proporcionaron humedad a las plantas a través de la tierra y además
humidificaron el aire cercano a las plantas.
Se cree que hubo una acumulación de contaminantes
y compuestos salinos en las bolsas de irrigación de membrana
fabricadas a partir de elastómero copolieteréster que "regaron"
las plantas en el Ejemplo 13, porque sólo agua (con una cantidad de
sales disueltas que no se midió, pero que claramente no era un nivel
suficiente como para dañar a la planta) fue capaz de pervaporar a
través de la membrana hidrofílica, dejando una concentración que
incrementaba continuamente de sales en el agua de mar que permanecía
en la bolsa de irrigación de membrana hidrofílica. Ello sugiere que
las bolsas de irrigación de membrana hidrofílicas fabricadas a
partir del elastómero copolieteréster pueden sostener el crecimiento
de las plantas durante períodos incluso más largos que la
"temporada" experimental utilizada en los Experimentos
11-14, si cualquier agua salada utilizada se
descargara de forma intermitente o se hiciera circular de forma
continua desde una fuente mayor, limitando de esta manera la
acumulación de sales en la fuente de agua.
Al abrir los "sacos de cultivo" después de
que los experimentos de los Ejemplos 11-14 hubieran
acabado, el contenidos de los "sacos de cultivo" del Ejemplo
14, donde se regó directamente con agua marina, estaban todavía
húmedos al tacto. Ello fue evidente también por el color oscuro del
mediante cultivo, que era indicativo del alto contenido en sales de
la tierra después de regar directamente con agua marina. Los
contenidos de los otros "sacos de cultivo" de los Ejemplos
11-13 estaban todos secos al tacto y eran de color
pálido, incluyendo la tierra en el "saco de cultivo" del
Ejemplo 13 que había sido regado con agua marina a través de la
membrana de elastómero copolieteréster hidrofílica.
Ejemplos
15-19
Se llevaron a cabo experimentos adicionales para
explorar el potencial para cultivar cierto número de plantas regadas
a través de las membranas de la presente invención bajo condiciones
severas de disponibilidad de agua para las plantas. Los resultados
demuestran claramente la viabilidad de una membrana permeable al
vapor hidrofílica autorregulable de acuerdo con uno de los ejemplos
de aplicación de la presente invención, incluso cuando se emplearon
condiciones de cultivo muy severas.
Entre las plantas que se cultivaron se incluyen
tomates, rábanos, maíz y sorgo. En estos experimentos, se utilizaron
contenedores plásticos para cultivo fabricados de polipropileno,
terracota y madera contrachapada. Las Figuras 3 y 4 ilustran
experimentos representativos. La tierra vegetal utilizada en los
Ejemplos 15-19 se secó hasta un máximo del 15% de
humedad en tres, y la arena utilizada era totalmente seca. Se
utilizaron contenedores de cultivo porosos fabricados de terracota o
madera contrachapada en la mayoría de los experimentos, utilizando
los contenedores plásticos para cultivo fabricados de polipropileno
como referencia. Los contenedores de cultivo porosos servían para
permitir al vapor de agua escapar a través de las paredes del
contenedor de cultivo para estimular la pérdida de agua lateral
indica que se encuentra en un campo. En todos los experimentos,
excepto del Experimentos 15 al Ejemplo 18, las partes superiores de
los contenedores de cultivo estaban abiertas a la atmósfera, así que
el vapor de agua podía escapar de la parte superior de la tierra.
Las plantas experimentaron temperaturas de alrededor de 30ºC en el
ambiente del invernadero durante la mayor parte de su período de
crecimiento de alrededor de 80 días.
Estas condiciones severas contrastaban con las
condiciones más suaves bajo las cuales se llevaron a cabo los
experimentos revelados en los Ejemplos 11-14. En los
Ejemplos 11-14, los contenedores tipo "saco de
cultivo" contenían tierra vegetal húmeda, y los contenedores eran
bolsas de polietileno selladas. El polietileno del cuadro los
"sacos de cultivo" estaban hechos prevenía la pérdida de agua a
través de las paredes de estos contenedores de cultivo, en oposición
a los contenedores más porosos fabricados de madera contrachapada y
terracota que se utilizaron en los Ejemplos
15-19.
Si no se especifica de otra manera, las bolsas de
irrigación de membrana hidrofílica utilizadas en los Ejemplos
15-19 eran bolsas estancas al agua en posición plana
y horizontal, preparadas a partir de películas de 50 micras de
grosor de Copolieteréster B. todas las bolsas de irrigación de
membrana hidrofílica tenían un tubo flexible sellado a uno de los
lados, de forma que las bolsas podrían rellenarse a partir de una
reserva exterior al contenedor de cultivo. Las bolsas de irrigación
de membrana hidrofílica se enterraron en la arena fertilizada seca
o en tierra de cultivo seca fertilizada (contenido en humedad máximo
del 15% en peso) a una profundidad de alrededor de 10 cm, si no se
especifica de otra manera. En distintos experimentos, las bolsas de
irrigación de membrana hidrofílica podían contener agua desionizada,
agua salobre o agua marina. En todos los casos, las bolsas de
irrigación de membrana hidrofílicas se mantuvieron llenas con agua
desionizada proveniente de una reserva exterior a través del tubo
flexible.
Las plantas se hicieron germinar in situ
en el contenedor de cultivo con una pequeña cantidad de agua, o
bien fueron transplantadas a los contenedores de cultivo como
plántulas. Los experimentos se llevaron a cabo bajo condiciones de
invernadero. Al final de las pruebas, las plantas se sacaron de los
contenedores de cultivo, se limpiaron de la tierra de cultivo y se
secaron. Los brotes, raíces y frutos secos se secaron de forma
separada.
Los experimentos de cultivo de los Ejemplos
15-19 se detuvieron después de alrededor de 80 días.
Se determinó la velocidad de transferencia de agua a través de las
membranas de polímero hidrofílico de cada experimento, midiendo la
cantidad diaria de agua necesitada para rellenar cada
contenedor.
Una vez las plantas hubieran alcanzado la madurez
y la velocidad de agua perdida por pervaporación a través de las
bolsas de irrigación de membrana hidrofílica se hubieran
estabilizado, se calculó la velocidad de transferencia de agua
promedio por unidad diaria de membrana de polímero hidrofílico.
En este ejemplo, se hicieron crecer plantas de
maíz en arena fertilizada seca o tierra de cultivo en cuatro
contenedores de cultivo identificados como Experimentos 1, 2, 3 y 4,
con bolsas de irrigación de membrana hidrofílica fabricadas a partir
de Copolieteréster B enterradas bajo la tierra a una profundidad de
alrededor de 10 cm. Los contenedores estaban hechos de terracota
(Experimentos 1 y 3) o de polipropileno (Experimentos 2 y 4). Las
bolsas de irrigación de membrana hidrofílica se extendían hasta
aproximadamente la mitad de la longitud del fondo de cada contenedor
de cultivo. Se hicieron crecer tres plantas en cada contenedor, de
forma que la Planta A estaba colocada directamente encima de la
bolsa de irrigación de membrana hidrofílica, la Planta B estaba
colocada sobre el borde de la bolsa de irrigación y la Planta C
estaba colocada lejos de la bolsa de irrigación al otro extremo del
contenedor de cultivo. Los resultados se muestran en la Tabla 2.
Los pesos de los brotes y las raíces ilustran la
mejor retención de humedad de los contenedores plásticos de
polipropileno (Experimentos 2 y 4), en comparación con los
contenedores más porosos de terracota (Experimentos 1 y 3). Las
plantas cultivadas en tierra de cultivo (Experimentos 1 y 2)
crecieron mejor que las plantas cultivadas en arena (Experimentos 3
y 4).
La Planta A, que estaba colocada más cerca de la
bolsa de irrigación de membrana hidrofílica y, por consiguiente, más
cerca de la fuente de agua, creció mucho más que la Planta C, que
era la que se hallaba a mayor distancia de la bolsa de irrigación.
Ello ilustra que el crecimiento de las plantas estaba sostenido por
el agua que pervaporaba a través de la bolsa de irrigación de
membrana hidrofílica.
En cuatro contenedores de cultivo, identificados
como Experimentos 5, 6, 7 y 8, se transplantaron plántulas de sorgo
previamente germinadas de una altura de unos 7-10
cm, y se cultivaron en arena seca fertilizada o tierra de cultivo,
con bolsas de irrigación de membrana hidrofílica fabricadas a partir
de Copolieteréster B enterradas en la tierra a una profundidad de
unos 10 cm, en contenedores de terracota (Experimentos 5 y 7) o de
polipropileno (Experimentos 6 y 8). Las bolsas de irrigación se
extendían hasta aproximadamente la mitad de la longitud del fondo de
cada contenedor de cultivo.
Se hicieron crecer tres plantas en cada
contenedor, de forma que la Planta A estaba colocada directamente
sobre la bolsa de irrigación, la Planta B estaba colocada sobre el
borde de la bolsa de irrigación de membrana hidrofílica y la Planta
C estaba colocada lejos de la bolsa de irrigación al otro extremo
del contenedor de cultivo. Como en el Ejemplo 15, los pesos de los
brotes y las raíces y las Velocidades de Transferencia de Agua
Promedio de la Tabla 3 muestran claramente que las plantas de sorgo
cultivadas en tierra de cultivo (Experimentos 5 y 6) crecieron mejor
que las plantas cultivadas en arena (Experimentos 7 y 8). La Planta
A fue la que creció en mayor extensión, y la Planta C fue la que
creció menos, reflejando de esta manera su proximidad a la fuente de
agua de la bolsa de irrigación de membrana hidrofílica.
En cuatro contenedores de cultivo, identificados
como Experimentos 9, 10, 11 y 12, se transplantaron plántulas de
maíz previamente germinadas de una altura de unos
7-10 cm, y se cultivaron en tierra de cultivo seca
fertilizada, con bolsas de irrigación de membrana hidrofílica
enterradas en la tierra a una profundidad de unos 10 cm en
contenedores de terracota. Se utilizaron dos materiales distintos
para fabricar las bolsas de irrigación de membrana hidrofílica -
Copolieteréster A para el Experimento 11 y Copolieteréster B para
los Experimentos 9, 10 y 12. El Copolieteréster A absorbe más del
50% en volumen de agua, comparado con el 30% absorbido por el
Copolieteréster B. Así pues, el Copolieteréster A presenta una mayor
permeabilidad al vapor de agua que el Copolieteréster B.
Las bolsas de irrigación de membrana hidrofílica
se extendían hasta aproximadamente la mitad de la longitud del fondo
de los contenedores de cultivo utilizados en los Experimentos 9 y
11, pero se extendían a lo largo de todo el fondo de los
contenedores de cultivo en los Experimentos 10 y 12. Se hicieron
crecer tres plantas en cada contenedor, de forma que la Planta A
estaba colocada directamente sobre la bolsa de irrigación, la Planta
B estaba colocada sobre el borde de la bolsa de irrigación de
membrana hidrofílica y la Planta C estaba colocada lejos de la bolsa
de irrigación al otro extremo del contenedor de cultivo en los
Experimentos 9 y 11. Todas las plantas se colocaron directamente
sobre las bolsas de irrigación de membrana hidrofílica utilizadas en
los Experimentos 10 y 12.
En comparación con el Experimento 9, el
Experimento 10 ilustra el efecto de incrementar el área superficial
de la bolsa de irrigación de membrana hidrofílica, y el efecto de
utilizar un material con una mayor permeabilidada al vapor de agua
se ilustra en el Experimento 11. Finalmente, el Experimento 12
muestra el efecto de la utilización de agua marina en lugar de agua
potable, en la bolsa de irrigación de membrana hidrofílica de mayor
área superficial, como la que se usa en el Experimento 10.
Los pesos de los brotes y las raíces y las
Velocidades de Transferencia de Agua Promedio de las plantas de maíz
de estos experimentos se muestran en la Tabla 4. Los datos ilustran
como la mejora más importante en las condiciones de cultivo se
consiguió utilizando una bolsa de irrigación de membrana hidrofílica
de mayor área superficial (Experimento 10). La utilización del más
permeable Copolieteréster A en la bolsa de irrigación (Experimento
11) en lugar del Copolieteréster B estándar (Experimento 9) también
conllevó un mayor crecimiento de las plantas. El Experimento 12
muestra como las plantas de maíz pueden crecer satisfactoriamente
incluso cuando se riegan utilizando una bolsa de irrigación que
contiene agua marina.
Se cultivaron plántulas de maíz previamente
germinadas de una altura de unos 15 cm en tres contenedores de
terracota identificados como Experimentos 13, 14 y 15, utilizando
bolsas de irrigación de membrana hidrofílica fabricadas a partir de
Copolieteréster B y enterradas en la tierra a una profundidad de
unos 15 cm. En un cuarto contenedor de terracota, identificado como
Experimento 16, se cultivó una plántula de tomate del tipo
Celebrity, utilizando también bolsas de irrigación de
membrana hidrofílica tal como se ha descrito para los Experimentos
13, 14 y 15. Las bolsas de irrigación se extendían a lo largo de
todo el fondo de cada contenedor de cultivo. Se cultivó una planta
en cada contenedor, colocada directamente sobre la bolsa de
irrigación de membrana hidrofílica. Los contenedores utilizados para
los Experimentos 13, 14, 15 y 16 eran mayores (dimensiones 50 x 50 x
50 cm) en comparación con los contendores descritos anteriormente en
los Ejemplos 15, 16 y 17 (15 x 15 x 60 cm). Todas las bolsas de
irrigación tenían el mismo tamaño y se extendían a lo largo de todo
el fondo de los contenedores de cultivo, así que alrededor de 1,450
cm^{2} de área superficial de la membrana estaban disponibles para
cada una de las plantas utilizadas en estos Experimentos 13, 14, 15
y 16, en comparación con un área de 265 cm^{2} a 600 cm^{2}
disponible para las tres plantas utilizadas en los experimentos
descritos en los Ejemplos 15, 16 y 17.
En el Experimento de referencia 13, se cultivó
una plántula de maíz en tierra de cultivo seca fertilizada, irrigada
mediante una bolsa de irrigación que contenía agua potable. En el
Experimento 14 se utilizó agua marina como fuente de agua para la
bolsa de irrigación. En el Experimento 15, se utilizó arena
fertilizada seca en lugar de tierra de cultivo como medio de cultivo
para la planta de maíz, y el contenedor de cultivo se cubrió con una
pieza de plástico de polietilieno negra para retardar la evaporación
de agua de la superficie de la tierra. En el Experimento 16 se
utilizó una planta de tomate del tipo Celebrity en lugar de
maíz, que se regó utilizando agua marina como fuente de agua en la
bolsa de irrigación de membrana hidrofílica, manteniendo los otros
factores iguales que en Experimento de referencia 13.
Los pesos de los brotes y las raíces secas y las
Velocidades de Transferencia de Agua Promedio se muestran en la
Tabla 5.
Se utilizaron contenedores de cultivo de madera
contrachapada (60 x 60 x 200 cm) para los Experimentos 17 y 18. Se
transplantaron y cultivaron plántulas de tomate de las variedades
Celebrity y Rutgers en tierra de cultivo fertilizada
seca. Las plantas de tomate de variedad Celebrity se
transplantaron en la forma de plántulas de una altura de unos 20 cm,
mientras que plantas de tomate de variedad Rutgers se
transplantaron en la forma de plántulas de una altura de unos 10 cm.
Se utilizaron estos dos tipos de tomate para comparar sus
comportamientos en el crecimiento. Los tomates Celebrity
crecen para dar plantas mayores y son una variedad determinada,
mientras que los tomates Rutgers crecen hasta un tamaño más
limitado y son una variedad indeterminada.
En el Experimento 17, las bolsas de irrigación de
membrana hidrofílica fabricadas a partir del Copolieteréster B se
enterraron en la tierra justo por debajo de la superficie en uno de
los lados de 60 cm de ancho de cada uno de los contenedores de
cultivo, descendiendo de forma progresiva con pendiente constante a
lo largo del lado con una longitud de 200 cm hasta el fondo del
contenedor de cultivo en el otro lado de 60 cm de ancho. Las Plantas
A, B y C se colocaron formando una línea recta, de tal forma que la
Planta A estaba colocada cerca del lado poco profundo donde la bolsa
de irrigación estaba justo por debajo de la superficie, y la Planta
C estaba colocada cerca del lado profundo donde la bolsa de
irrigación alcanzaba el fondo del contenedor de cultivo. De forma
parecida, las Plantas W, X e Y se colocaron formando una línea recta
paralela a la formada por las Plantas A, B y C, de tal forma que la
Planta W estaba colocada cerca del lado poco profundo y la Planta Y
estaba colocada cerca del lado profundo del contenedor de cultivo.
Las Plantas W, X e Y se dispusieron en relación con las Plantas A, B
y C de forma que se alcanzara el espaciado recomendado de al menos
50 cm entre las plantas.
En el Experimento 18, las plantas se regaron de
forma individual con agua desionizada desde un recipiente para el
riego, sin utilizar una bolsa de irrigación. En este experimento de
referencia se utilizó una cantidad de agua suficiente para el
crecimiento normal de cada planta.
Los pesos relativos de los brotes y las raíces de
las plantas cultivadas en el Experimento 17 demostraron que las
Plantas A, B y W, relativamente cerca de la bolsa de irrigación,
crecieron mejor que las Plantas C, X e Y, más lejos de esta fuente
de agua.
Los datos de los pesos de los brotes y las raíces
de los Experimentos 17 y 18 y la Velocidad de Transferencia de Agua
Promedio del Experimento 17 se muestran en la Tabla 6.
Ejemplos 20 y
21
El grupo de Ejemplos 20 y 21 pretendía demostrar
la aplicación en humidificación de la presente invención.
En el Ejemplo 20, se fabricó un bolsa sellada de
forma estanca al agua, llena de agua, a partir de una película de
Copolieteréster B de un grosor de 50 micras, y se colocó sobre una
superficie a temperatura ambiente. Se puso una toalla de papel sobre
la bolsa de membrana hidrofílica, en contacto con la superficie de
la membrana, y se colocaron semillas de rábano, lechuga, nabo, coles
de Bruselas, espinacas, col y violeta sobre la toalla de papel y se
puso otra toalla de papel sobre las semillas, y el montaje se dejó
en la oscuridad. Después de cinco días, habían germinado semillas de
todas las especies de plantas, utilizando solamente la humedad de la
pervoración del interior de la bolsa.
En el Ejemplo 21, utilizando un aparato de
sellado por calor convencional, se selló una semilla de soja entre
dos capas de membrana hidrofílica de un grosos de 50 micras
fabricada a partir de Copolieteréster B, para dar una bolsa
translúcida cuadrada hermética de dimensiones 2x2 cm, con aire
atrapado con la semilla. La bolsa de membrana hidrofílica se hizo
flotar en agua corriente en un vaso de precipitados y se dejó en la
oscuridad a temperatura ambiente. Después de dos semanas, se observó
que la semilla de soja había germinado dentro de la bolsa,
utilizando el agua que había pervorado en la bolsa a través de la
membrana hidrofílica.
El Ejemplo 22 aporta otra aplicación en la cual
las plantas se cultivan a partir de las semillas utilizando la
pervaporación de agua a través de una membrana hidrofílica. Se
colocó una cubeta abierta de plástico de dimensiones 60 x 45 x 3 cm
con su área mayor en posición horizontal y se rellenó con agua
corriente hasta alcanzar una profundidad de 2 cm. Se colocó una
membrana hidrofílica de un grosor de 25 micras fabricada a partir de
Copolieteréster C sobre la parte superior de la cubeta de forma que
flotara sobre la superficie del agua, colgando sobre los bordes de
la cubeta. Se distribuyeron semillas de césped de una mezcla para
jardín asequible comercialmente sobre la parte superior de la
membrana hidrofílica y se cubrieron con unos 3 mm de turba en polvo
que contenía cristales de un fertilizante sólido de liberación
lenta. El experimento se cubrió con una tapa de plástico
transparente que permitía el paso de la luz al interior del
contenedor.
Después de una semana, el interior de la tapa de
plástico transparente estaba cubierta con gotas de agua condensada,
y algunas semillas de césped habían germinado a lo largo del borde
de la membrana hidrofílica, donde esta condensación había empapado
la turba en polvo. Algunas semillas también habían germinado a lo
largo de la parte central de la membrana hidrofílica, lejos del agua
condensada. Para prevenir que más humedad condensara en la tapa y
cayera sobre la turba en polvo, en este punto se quitó la tapa. A
partir de este momento, el agua que había bajo la membrana
hidrofílica se fue reponiendo progresivamente con agua marina
proveniente del Canal de la Mancha una vez cada dos o tres días,
reemplazando el agua que había pervaporado a través de la membrana
hacia la turba en polvo.
Después de dos semanas, se veía crecer el césped
a partir de las semillas de toda la superficie de la membrana
hidrofílica. Se encontró que otras semillas de césped germinaron en
el curso del resto del experimento.
El experimento se acabó después de 14 semanas. En
ese momento, el césped había formado una masa de raíces muy densa.
Hojas de césped verdes, de aspecto saludable, de más de 18 cm de
altura, habían crecido con normalidad. Este experimento demuestra
que el césped puede cultivarse utilizando la pervaporación de agua a
través de la membrana de la presente invención utilizando una fuente
de agua salobre.
Claims (3)
1. Un medio de cultivo para plantas de humedad
controlada que comprende un medio de cultivo y una membrana
hidrofílica que contiene una o más capas de polímeros a través de la
cual se hace pasar agua proveniente de una fuente de agua que
contiene al menos uno de entre sólidos suspendidos, sólidos
disueltos, contaminantes, sales y materiales biológicos, en
condiciones de temperatura ambiente;
donde la membrana hidrofílica retiene al menos
uno de entre sólidos suspendidos, sólidos disueltos, contaminantes,
sales y materiales biológicos y permite la transmisión del vapor de
agua al medio de cultivo;
donde la membrana hidrofílica está fabricada de
una o más capas de polímero y tiene una velocidad de transmisión de
vapor de agua según ASTM E96-95 (Procedimiento BW)
de al menos 400 g/m^{2}/24h, medido sobre un grosor de película
total de 25 micras utilizando aire a 23ºC y una humedad relativa del
50% a una velocidad de 3 m/s; y
donde dicho polímero se selecciona de entre el
grupo compuesto por elastómeros copolieteréster,
poliamida-poliéter en bloque, poliéter uretanos,
homopolímeros y copolímeros de polivinil alcohol y sus mezclas.
2. El medio de cultivo de plantas de humedad
controlada de la reivindicación 1, en el cual la membrana
hidrofílica está compuesta de uno o más elastómeros copolieteréster
que contienen múltiples unidades éster de cadena larga recurrentes y
unidades éster de cadena corta unidas cabeza con cola a través de
enlaces tipo éster, donde las unidades éster de cadena larga se
representan mediante la fórmula;
(I)---OGO---
\uelm{C}{\uelm{\dpara}{O}}---R---
\uelm{C}{\uelm{\dpara}{O}}---
y dichas unidades éster de cadena
corta se representan mediante la
fórmula:
(II)---ODO---
\uelm{C}{\uelm{\dpara}{O}}---R---
\uelm{C}{\uelm{\dpara}{O}}---
donde:
G es el radical divalente que queda después de la
eliminación de los grupos hidroxilo terminales de un
poli(alquilen óxido)glicol con un peso molecular
promedio en número de alrededor de 400-4000;
R es el radical divalente que queda después de
eliminar los grupos carboxilo de un ácido dicarboxílico con un peso
molecular menor de 300;
D es el radical divalente que queda después de
eliminar los grupos hidroxilo de un diol con un peso molecular menor
de 250
el copolieteréster contiene un
0-68 por ciento en peso en base al peso total de
copolieteréster de grupos etilen óxido incorporados en las unidades
éster de cadena larga del copolieteréster; y
el copolieteréster contiene alrededor de un
25-80 por ciento en peso de unidades éster de cadena
corta.
3. La utilización de una membrana hidrofílica que
contiene una o más capas de polímero para controlar el contenido en
humedad de un medio de cultivo para el cultivo de plantas o
cultivos, donde la membrana hidrofílica tiene una velocidad de
transmisión de vapor de agua según ASTM E96-95
(Procedimiento BW) de al menos 400 g/m^{2}/24h, medido sobre un
grosor de película total de 25 micras utilizando aire a 23ºC y una
humedad relativa del 50% a una velocidad de 3 m/s; y donde dicho
polímero se selecciona de entre el grupo compuesto por elastómeros
copolieteréster, poliamida-poliéter en bloque,
poliéter uretanos, homopolímeros y copolímeros de polivinil alcohol
y sus mezclas, donde agua, que contiene al menos uno de entre
sólidos suspendidos, sólidos disueltos, contaminantes, sales y
materiales biológicos, proveniente de una fuente de agua se hace
pasar a través de la membrana hidrofílica de tal forma que la
membrana hidrofílica retiene al menos uno de entre sólidos
suspendidos, sólidos disueltos, contaminantes, sales y materiales
biológicos y permite la transmisión del vapor de agua al medio de
cultivo.
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