JP2008118957A - 完全制御型有機栽培式植物工場 - Google Patents

Abstract

【課題】植物を効率よく且つ優れた形状となるように生育させることができると共に、根菜類の栽培にも適しており、しかも、硝酸態窒素濃度を露地栽培並みに低減することが可能な完全制御型有機栽培式植物工場を提供する。
【解決手段】栽培架台１０には、平面視において互いに重なるように複数の栽培ベッド１２が多段配置されている。栽培ベッド１２に保持された栽培コンテナ１７内には、モンモリナイトを含む有機培地１８が入っている。栽培ベッド１２の上方には、植物の生育に最も有効な波長の光を放射するＬＥＤ１４と、植物体を優れた形状となるように生育させることができるＦＬ１６とが配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽光を完全に遮断した人工環境下で植物栽培を行う、いわゆる完全制御型有機栽培式植物工場に関する。

レタスなどを周年計画生産できる施設として、完全制御型有機栽培式植物工場が実用化されている。完全制御型有機栽培式植物工場では、太陽光を完全に遮断した建物内で温度・湿度・炭酸ガス濃度などを制御し、ＨＩＤ（高圧ナトリウムランプ）やＦＬ（蛍光ランプ）を太陽光に代わる人工光源として利用している。最近では、特許文献１に記載されているように、ＬＥＤ（発光ダイオード）を光源とした完全制御型有機栽培式植物工場の開発が行われている。また、完全制御型有機栽培式植物工場において行われている栽培方法は、そのほぼ１００％が、化学肥料を水に溶かした液肥を植物の根部から供給する養液栽培である。

最近の完全制御型有機栽培式植物工場には、特許文献２に記載されているように、栽培室を立体的（多段）に配置し、栽培空間を有効活用することで、敷地面積当たりの栽培密度・効率を向上させる方法が多く採用されている。

特開平１０−１７８９０１号公報 特開平５−３０８８６０号公報

一般に植物の栽培においては、４００〜７００ｎｍの可視光域の光が必要であり、光合成のピークは４５０ｎｍと６６０ｎｍ付近にあると考えられている。ところが、ＦＬは、植物の生育に最も有効な、６６０ｎｍおよび４５０ｎｍ付近の波長が欠けている欠点がある。また、レタスなどの植物の場合、栽培に適した光強度は１００〜２００μｍｏｌ／ｍ^２／ｓ程度である。光源としてＦＬを用いた場合、より均一に栽培に適した光強度の光を植物に照射するためには、ＦＬを植物体から１５ｃｍ〜２０ｃｍ程度離して配置することが必要である。なぜなら、これ以上ＦＬを植物体に近づけると、ＦＬからの発熱により植物体の葉温が上昇し、葉やけなどがおこり、栽培が阻害されるからである。

一方で、ＬＥＤは、ランプ（素子）１個の光強度がＦＬより小さいが、ＦＬよりも短波長の光を出すことが可能である。たとえば６５０ｎｍ付近にピーク波長を持つ赤色ＬＥＤを使用した場合、ＦＬより少ない発熱量で高い光強度を得ることができる。また、ＬＥＤは熱放射が少ないために１０ｃｍ程度まで植物体へ近接して配置することが可能である。

また、ＦＬ単独の栽培では、植物体が太陽光下で栽培したのと同等の形状になるが、たとえば赤色ＬＥＤ単独の栽培では、レタスなどの葉部が徒長傾向を示し、太陽光下で栽培したものと形状が異なるものになってしまうという欠点がある。

完全制御型有機栽培式植物工場における栽培方法は、一般に化学肥料を水に溶かしそれらをタンクに溜め、ポンプ等を介して栽培ベッドに供給する、循環式の養液栽培となっている。養液栽培には、たん液式、ＮＦＴ、噴霧方式など各種の方式が開発及び実用化されている。しかし、いずれの方式も化学肥料に頼っているのが現状である。さらに、完全制御型有機栽培式植物工場における養液栽培装置においては、根部が養液に触れる状態が必要である。そのため、レタスなどの葉菜類の栽培に適しているが、大根などの根菜類などの栽培には適していないなど、栽培できる農産物がかなり限られてしまう。さらに、このような養液栽培の養液には、多量の硝酸態窒素などが含まれている。そのため、レタスやホウレンソウなどの葉菜類については、露地で栽培したものに比べて、収穫した植物体内の硝酸態窒素含有濃度が高くなるため、特に生食する場合の人体への影響など、食の安全性が懸念される。

また、最近は食の安全や健康志向から、農薬や化学肥料を一切使用しないか使用量を減らし、無農薬・無化学肥料で栽培した有機栽培への関心が高まっており、多くの実践がなされている。しかし、現実に屋外の露地やハウス栽培における有機栽培では、害虫などの回避が不可欠であり、そのために多くの手間を必要とする。また複数年同じ土壌を使用しての栽培には、土壌の管理が必要となり、その維持には予想以上に多大な労力とコストがかかる傾向にある。

本発明の目的は、植物を効率よく且つ優れた形状となるように生育させることができると共に、根菜類の栽培にも適しており、しかも、硝酸態窒素濃度を露地栽培並みに低減することが可能な完全制御型有機栽培式植物工場を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明による完全制御型有機栽培式植物工場は、平面視において互いに重なるように、複数の栽培ベッドが多段配置されたものである。各栽培ベッドには、植物が栽培される有機培地が保持されている。そして、各栽培ベッドの上方には、前記有機培地で栽培されている植物に照射される光の光源として、蛍光ランプと、植物の生育促進に有効な（最も有効な）波長の光を放射する発光ダイオードとが配置されている。

この構成によると、植物の生育に最も有効な波長の光を放射する発光ダイオードと、植物体を優れた形状となるように生育させることができる蛍光ランプとを併せて用いることによって、植物を効率よく且つ優れた形状となるように生育させることができる。また、植物を有機培地で栽培することによって、根菜類を含む多種多様な農産物の栽培が可能になると共に、従来の養液栽培では困難な無化学肥料での栽培が可能となる。これにより、収穫した植物体内の硝酸態窒素含有濃度を露地栽培並みに低くすることができるようになる。その結果、より安全・安心な農産物を消費者に年間を通して安定して供給することが可能となる。

このとき、前記発光ダイオードが波長６５０ｎｍ〜６６０ｎｍの赤色光を放射するものであり、前記発光ダイオードと前記蛍光ランプとの光量比が１：３〜１：４であることが好ましい。これにより、１００〜２００μｍｏｌ／ｍ^２／ｓの強度の光で、植物をより一層効率よく生育させることができる。

また、前記有機培地が鉱物を含有していることが好ましく、この場合、前記鉱物がモンモリナイトであってよい。保水率が極端に高くなく潅水後に過湿ぎみにならないモンモリナイトを用いることにより、植物をより一層効率よく生育させることができる。

本発明の完全制御型有機栽培式植物工場においては、各栽培ベッドの底面に給水溝が形成されており、前記有機培地が前記給水溝外だけに配置されていることが好ましい。これにより、給水溝を介しての有機培地への給水管理を行うことが容易になる。

このとき、吸水性を有する給水シートの一部が前記給水溝内にあって、他の一部が前記有機培地内にあることが好ましい。これにより、給水溝内の水を毛管現象により不織布などの給水シートを介して簡単且つ確実に有機培地に供給することができる。水分管理が生育に影響するような作物の栽培の場合には、有機培地の底面付近に底面と平行に給水シートを延在させると共に、有機培地内に土壌水分センサーを配置することが好ましい。これにより、有機培地の乾燥度に応じて給水することが可能となる。

本発明において、ＦＬ及びＬＥＤと栽培植物との間の距離は、１０ｃｍ〜２０ｃｍ程度が望ましい。

ＦＬとしては、植物の栽培に適したピーク波長（４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６２０ｎｍ）を持つ３波長発光タイプのランプが望ましい。

栽培ベッド（槽）は、発泡スチロールなどからなる軽くて断熱性に富み、かつ適当な強度が保たれた成型品を用いることが望ましい。

本発明は食の安全や安心、環境保護などの観点からも、理想に近い農産物生産を行えるものであり、農地に頼らない、たとえば都市部の空きビルなどを活用しての農産物生産が行えることから、新しい産業となる可能性を高く持っている。

以下、本発明の好適な一実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施の形態に係る完全制御型有機栽培式植物工場の斜視図である。図１に描かれた完全制御型有機栽培式植物工場１は、建造物内の１フロアに設けられたものであって、栽培室２と、機械室３と、完全制御型有機栽培式植物工場１の出入り口１ａが設けられた出荷・作業室４と、管理室５と、倉庫６とから構成されている。

栽培室２には、スチール製又はアルミ製の栽培架台１０が６列に配列されている。栽培室２の床から天井までの距離は約２．５ｍである。栽培架台１０は高さ１．５ｍ、幅０．７ｍ、長さ２０〜３０ｍである。栽培室２内の温度及び湿度は、空調機２ａによって植物の生育に最適なものに調整されている。機械室３内には、制御盤、灌水装置、発芽・育苗装置、保冷庫などが設置されている。

栽培架台１０には、その斜視図である図２に示すように、平面視において互いに重なるように栽培ベッド１２が４段に配置されている。栽培ベッド１２は、発泡スチロール製である。栽培ベッド１２は、発泡スチロール製であるので断熱効果が高い。栽培ベッド１２の上面には、栽培ベッド１２の拡大斜視図及び断面図である図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、その長手方向に延びた深さ２０〜３０ｃｍ程度の凹部１２ａが形成されている。凹部１２ａ内には、凹部１２ａとほぼ同じ高さを有していると共に、幅６０ｃｍで長さ１２０ｃｍの上方開放箱型の栽培コンテナ１７が、栽培ベッド１２の長手方向に沿って複数配列されている。隣接する栽培ベッド１２同士は、数ｃｍ離隔している。栽培コンテナ１７内には、有機培地１８が保持されている。

有機培地１８は、ピートモス主体の培地であって、有機肥料と、鉱物（具体的にはモンモリナイト）とが混入されている。有機培地１８は、栽培コンテナ１７内において１０〜２０ｃｍの厚みとなっている。有機培地１８に、栽培したい作物の種または苗を直接植え付け、栽培を行う。また、有機培地１８をさらに深くすることで、ダイコンやニンジンなどの根菜類の栽培も可能となる。

凹部１２ａの底面には、栽培ベッド１２の長手方向に延びた給水溝１２ｂが設けられている。給水溝１２ｂには、不織布からなる給水シート１９の一部が浸漬されている。給水シート１９は、栽培コンテナ１７の底部に設けられたスリット（図示せず）を通って有機培地１８内にまで延びており、有機培地１８の底面付近においてそのほぼ全域に亘って底面と平行に広がっている。これにより、有機培地１８の乾燥度に応じて給水することが可能となって、特に水分管理が生育に影響するような作物の栽培の場合に効果的である。

図４に、栽培架台１０を図２に示す矢印Ａ方向から見た模式的な側面図を示す。図４は、各栽培ベッド１２に設けられた給水溝１２ｂに水を供給するための機構を説明するための図面である。図４に示すように、栽培架台１０の下方には、水タンク２１が配置されている。水タンク２１には、機械室３内の灌水装置から適宜水が補給される。水タンク２１から排出された水は、ポンプ２２によって、給水管２３に送液される。給水管２３内の水は、各栽培ベッド１２の凹部１２ａの右端に供給される。凹部１２ａの右端に供給された水は、凹部１２ａ内を左方に向かって流れる。そして、凹部１２ａの左端から排出された水は、排水管２４から排出されて、水タンク２１に戻される。

上述したように給水溝１２ｂ内には給水シート１９の一部が浸漬されているので、給水溝１２ｂ内の水は、毛管現象によって給水シート１９に吸い上げられる。そのため、給水シート１９から有機培地１８に常に適度な水が与えられることになる。

図４に描かれた例では、水タンク２１、ポンプ２２、給水管２３及び排水管２４からなる循環経路がすべての栽培架台１０に共通であるが、栽培架台１０が長い場合は、上記のような循環経路を、１個〜数個の栽培コンテナ１７ごとに設けてもよい。これにより、万が一の病害などの蔓延を抑制することができる。

なお、有機培地１８には、土壌水分センサ２５（図３（ｂ）参照）が挿入されている。土壌水分センサ２５は有機培地１８の乾き度合いを測定する。土壌水分センサ２５からの出力信号に基づいて、ポンプ２２のオンオフ又は給水管２３に設けられた図示しない電磁弁の開閉を制御することによって、有機培地１８が所望の水分量を含むように管理をすることができる。

図２に戻って、各栽培ベッド１２の上方には、有機培地１８にて栽培されている植物に照射される光の光源として、多数のＬＥＤ１４と、３本のＦＬ１６とが配置されている。ＦＬ１６は、植物の栽培に適したピーク波長（４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６２０ｎｍ）をもつ、３２Ｗまたは４０Ｗの３波長発光タイプである。ＦＬ１６は、長さ約１２０ｃｍである。ＬＥＤ１４は、植物の生育に効果の高い（最も有効な）波長である６５０〜６６０ｎｍのピーク波長を持つ赤色ＬＥＤである。ＬＥＤ１４は、ＦＬ１６と同じ長さ約１２０ｃｍの範囲内に１０ｃｍ〜２０ｃｍ間隔で等間隔に一直線上に配置されることによって、ＬＥＤ列を形成している。このＬＥＤ列は、ＦＬ１６と交互に配列されている。

これら光源と植物体との距離は、１０〜２０ｃｍ程度である。このような距離とすることによって、植物体にできるだけ均一に光が照射され、かつ光源からの発熱の影響を少なくすることができる。このときの光強度は１５０〜２００μｍｏ１／ｍ^２／ｓ程度で、ＬＥＤ１４とＦＬ１６の光量比が１：３〜１：４となるようにする。

以上説明した本実施の形態の完全制御型有機栽培式植物工場１では、平面視において互いに重なるように複数の栽培ベッド１２が多段配置されている。各栽培ベッド１２には、植物が栽培される有機培地１８が保持されている。そして、各栽培ベッド１２の上方には、有機培地１８で栽培されている植物に照射される光の光源として、ＦＬ１６と、植物の生育に効果の高い（最も有効な）赤色光を放射するＬＥＤ１４とが配置されている。

したがって、植物の生育に最も有効な波長の光を放射するＬＥＤ１４と、植物体を優れた形状となるように生育させることができるＦＬ１６とを併せて用いることによって、徒長現象や葉やけが起こることがほとんどなく、植物を効率よく且つ優れた形状となるように生育させることができる。また、植物を有機培地１８で栽培することによって、根菜類を含む多種多様な農産物の栽培が可能になると共に、従来の養液栽培では困難な無化学肥料での栽培が可能となる。これにより、収穫した植物体内の硝酸態窒素含有濃度を露地栽培並みに低くすることができるようになる。その結果、より安全・安心な農産物を消費者に年間を通して安定して供給することが可能となる。

また、ＬＥＤ１４が波長６５０ｎｍ〜６６０ｎｍの赤色光を放射するものであり、ＬＥＤ１４とＦＬ１６との光量比が１：３〜１：４であるので、１００〜２００μｍｏｌ／ｍ^２／ｓの強度の光で、植物をより一層効率よく生育させることができる。

また、有機培地１８が、鉱物として、保水率が極端に高くなく潅水後に過湿ぎみにならないモンモリナイトを含有しているので、植物をより一層効率よく生育させることができる。なお、モンモリナイト以外の鉱物を有機培地１８が含有していてもよい。

さらに、各栽培ベッド１２の底面に給水溝１２ｂが形成されており、有機培地１８が給水溝１２ｂ外だけに配置されているので、給水溝１２ｂを介しての有機培地１８への給水管理を行うことが容易になる。加えて、このとき、吸水性を有する給水シート１９の一部が給水溝１２ｂ内にあって、他の一部が有機培地１８内にあるので、給水溝１２ｂ内の水を毛管現象により給水シート１９を介して簡単且つ確実に有機培地１８に供給することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更を上述の実施の形態に施すことが可能である。例えば、有機培地は鉱物を含有していなくてもよい。また、鉱物としては、モンモリナイト以外のものを用いてもよい。有機培地に給水する機構は、上述した実施の形態以外のものであってもよい。

本発明の一実施の形態に係る完全制御型有機栽培式植物工場の斜視図である。 図１に描かれた完全制御型有機栽培式植物工場に含まれる栽培架台の斜視図である。 図２に描かれた栽培架台に支持された栽培ベッドの拡大斜視図及び断面図である 図２に描かれた栽培架台を、図２に示す矢印Ａ方向から見た模式的な側面図である。

符号の説明

１ 完全制御型有機栽培式植物工場
２ 栽培室
３ 機械室
４ 出荷・作業室
５ 管理室
６ 倉庫
１０ 栽培架台
１２ 栽培ベッド
１２ａ 凹部
１２ｂ 給水溝
１４ ＬＥＤ（発光ダイオード）
１６ ＦＬ（蛍光ランプ）
１７ 栽培コンテナ
１８ 有機培地
１９ 給水シート
２１ 水タンク
２２ ポンプ
２３ 給水管
２４ 排水管
２５ 土壌水分センサ

Claims (6)

1. 平面視において互いに重なるように、複数の栽培ベッドが多段配置されており、
   各栽培ベッドには、植物が栽培される有機培地が保持されており、
   各栽培ベッドの上方には、前記有機培地で栽培されている植物に照射される光の光源として、蛍光ランプと、植物の生育促進に有効な波長の光を放射する発光ダイオードとが配置されていることを特徴とする完全制御型有機栽培式植物工場。
2. 前記発光ダイオードが波長６５０ｎｍ〜６６０ｎｍの赤色光を放射するものであり、
   前記発光ダイオードと前記蛍光ランプとの光量比が１：３〜１：４であることを特徴とする請求項１に記載の完全制御型有機栽培式植物工場。
3. 前記有機培地が鉱物を含有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の完全制御型有機栽培式植物工場。
4. 前記鉱物がモンモリナイトであることを特徴とする請求項３に記載の完全制御型有機栽培式植物工場。
5. 各栽培ベッドの底面に給水溝が形成されており、前記有機培地が前記給水溝外だけに配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の完全制御型有機栽培式植物工場。
6. 吸水性を有する給水シートの一部が前記給水溝内にあって、他の一部が前記有機培地内にあることを特徴とする請求項５に記載の完全制御型有機栽培式植物工場。

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