JP2016082955A - セパレーション技術を用いた噴霧水耕栽培法 - Google Patents

Abstract

【課題】農作業の簡素化・標準化、安価なシステム導入費による作物の安定供給を可能とし、病原菌、害虫防除による無農薬栽培と季節にかかわらず作物の収穫をコントロールできるセパレーション技術を用いた噴霧水耕栽培法を提供する。
【解決手段】シュート系（shoot system）と根系（roots system）を完全に分けることができるベルトコンベア式可動栽培棚に設置するセパレート可能な完全分離式培地とその上下を閉鎖するトンネルを利用して、シュート系には噴霧ノズル５からＣＯ_２の噴霧、水の噴霧、気流速度３０cms^-1から５０cms^-1程度の風を発生させ、根系にはミストノズル６からＯ_２を噴霧することと、植物に必要な栄養素の培養液を噴霧して水分吸収と養分吸収を促し、ミストによる灌水を高密度衝撃波殺菌装置を用いた処理水によって栽培する作物の最適値によって管理するセパレーション技術を用いた噴霧水耕栽培法とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、完全制御人工光型植物工場及び太陽光利用型植物工場並びに露地施設栽培におけるミストを利用する噴霧水耕栽培法に関するものである。

近年、噴霧水耕栽培法（ミスト栽培）という方式が注目され研究が進められている。そのミストの利用法は、植物工場において閉鎖空間における温度湿度などの環境条件を有効に制御するために用いられるか、または、根に直接養液ミスト散布する噴気水耕栽培として用いられている。露地施設栽培では、作物へ灌水又は乾燥を防ぐ目的でミスト散布が用いられている。
農作物生産において、従事する人口の減少や高齢化が問題となっており、土壌を使わずに作物を栽培する水耕栽培が盛んに行われているが、新たに設置する設備への投資が高価であることやエネルギー使用量の増大などによる利益の算出ができないことなどの参入障壁が高い。また、耕作をしなくなった土地は増える傾向にあり、施設栽培用ビニールハウスやガラスハウスなども同じく増えている問題がある。

特開２００７−１６６９５６号公報

現在の植物工場の発展は、工業的発展に集中しており、LEDの高性能化、クリーンルームの高度化、栽培方法の機械化など設備への投資額が非常に多大となっている。そのため、ランニングコストが高く、消費エネルギーやエコロジカルフットプリントは高い数値である。そこで、今回の発明であるセパレーションミスト栽培は、完全制御型植物工場及び太陽光型植物工場のいづれにおいても利用可能であり、特に、完全制御型植物工場においては、多大な設備投資をすることによるクリーンルームの設置をする必要がなく、軽量化、コストダウン、病原菌の駆除、成長スピードのコントロールをすることができる。
太陽光型植物工場においては、栽培設備を新設する必要がなく、現在使われていないビニールハウスやガラスハウスを利用することにより、低価格でありながら新しい技術として利用することができるシステムである。

従事する人口が減少するなかで、農作業を軽度化すること、単純化することより、従事する者の専門性を低くし労働力に制限を加えないようにする技術と、作物の国内生産量を極力減少させる事のない環境づくりにより問題を解決する。
具体的な方法はシュート系（shoot system：通常土から出た上部、茎、葉、花、実等の部分をさしてシュート系と呼ぶ）に与えるＣＯ_２と根系（roots system）に与える０_２を分離することによるリッチ状態をつくりだすセパレート技術を用いた噴霧水耕栽培法である。

セパレーションミスト栽培方法としてシュート系（shoot system）と根系（roots system）を完全に分けることができる完全セパレート可能な分離式培地を作成して実施する。

現在、使われている培地はウレタンスポンジが主であるため、上下を完全密閉してセパレートすることができない。今回の発明では、ゼリー状の素材を用いた培地と上下を分離することができる栽培プレートを使用してセパレーションミスト栽培装置を製造する。

ゼリー状の素材を、直径７cm程度の円錐形の筒状のものに流し込み固めて培地とする。水分を含んだ培地は、重みにより下へと落ちようとする重力がかかるが、円錐形のため栽培用プレートから抜け落ちる事のない構造になっている。また、根に直接ミストを噴霧するため生長過程において培地から根がでやすい形状になっている。

通常の露地栽培においても、根系は土の中にありセパレートされている状況であため、シュート系にはこの方法を用いることができる。

栽培用プレートと培地により密閉性のあるセパレーションの上部は、農作業で用いられる透過性の少ないPT・PPT素材のビニールによって露地栽培で用いるトンネル式の設備で覆う。その中には、ミスト噴霧ノズルを有する配管システムを植物の上部に這わせて
トンネル全体に噴霧できるシステムをつくる。
シュート系に対してミスト噴霧ノズルからは、ＣＯ_２の噴霧、水の噴霧を栽培プログラムによって時間を調整して稼働させる。また、ミスト噴霧ノズルには気流を起こす加工を施し、気流速度３０cm s^-1から５０cm s^-1程度の風速が発生する。
ＣＯ_２濃度の調整、気流速度、発生させるタイミングはプログラム制御により栽培する作物の最適値によって管理する。

栽培用プレートと培地により密閉性のあるセパレーションの下部、セパレートした根系には、農作業で用いられる透過性の少ないビニール（PVCポリ塩化素材等）を上部トンネルと同じように逆さの向きにトンネルをプレートの下を覆うようにセットする。
根系には、ミスト噴霧ノズルからＯ_２を噴霧することと、植物に必要な栄養素を含む培養液を噴霧して水分吸収と養分吸収を促す。ミスト噴霧ノズルは栽培植物の下方部から根に向けて微粒子を散布するが風速が発生しないように調整し、栽培プログラムによって発生させる時間、散布量などは制御する。

また、ミスト噴霧ノズルによって灌水するために設置する配管が栽培棚へ設置される前工程として、高密度衝撃波殺菌装置により水を殺菌処理することができる機械装置を設置する。もともと水（Ｈ_２Ｏ）には腐るという原子は含まれていないが、混入した異物や雑菌が腐敗を広げることにより水が腐るという現象が発生している。そしてこの腐敗が、作物の病原菌のもととなったり、病気を蔓延させる原因になっている。
そこで、殺菌処理した水分を噴霧することによって病原菌の駆除を可能にする。

高密度衝撃波殺菌装置は、アクチュエーターにより高密度のキャビテーション泡を発生させて、その泡の崩壊時に発生する衝撃波により有機微生物・細菌等の有害生物を破砕し死滅させる装置である。水源は水道水、農業用水、河川の水等特に問わない。濾過した後装置で処理をして更に濾過をするシステムを配置する。

密閉されたトンネル内に設置される栽培棚は、幅１１０cmのセパレート可能な完全分離式培地をセットした栽培トレーが設置できるベルトコンベア方式の可動式栽培棚になっており、作業員が移動することなくトンネル内に配置することができる標準化された作業によって播種することができる。

本発明によれば、収穫作物を水耕栽培で多く収穫される葉菜類ばかりではなく稲穂（お米）の栽培、根菜類の栽培、イチゴの栽培が可能である。また、シュート系の上部は完全に密閉の状態になっており、尚且つＣＯ_２濃度を高めているため害虫駆除の必要がなく無農薬農法で栽培することができる。
ビニールハウス内に更にトンネルが設置されているため、空気の二重構造ができるため、温度湿度の調整が省エネルギーにより行うことができる。なお高密度衝撃波殺菌装置は直流電源によって稼働するため、再生可能エネルギー（太陽光発電、風力発電）を利用する。
また、システム自体が簡易設計になっているため、設置が安価、簡単、作業効率が高いなどのメリットが見いだす事ができ、土を使わず現在の耕作放棄された使用されなくなっているビニールハウスとガラスハウスを利用する事ができる。

ビニールハウスを利用した場合の太陽光型植物工場としてセパレーション式噴霧水耕栽培を設置した正面図。 完全に分けることができるセパレート可能な完全分離式培地を設置する栽培プレート概略図

モジュール化した栽培装置は、横幅1100mm縦1900mmの卵形をしている。中央はセパレーション栽培トレーによって仕切られており、シュート系（shoot system）と根系（roots system）を完全に分けることができる培地を作成して実施する。

ゼリー状の素材を、直径７cm程度の円錐形の筒状のものに流し込み固めて培地とする。水分を含んだ培地は、重みにより下へと落ちようとする重力がかかるが、円錐形のため栽培用プレートから抜け落ちる事のない構造になっている。また、根に直接ミストを噴霧するため生長過程において培地から根がでやすい形状になっている。

栽培用プレートと培地により密閉性のあるセパレーションの上部は、農作業で用いられる透過性の少ないPT・PPT素材のビニールによって露地栽培で用いるトンネル式の設備で覆う。その中には、ミスト噴霧ノズルを有する配管システムを植物の上部に這わせてトンネル全体に噴霧できるシステムをつくる。シュート系に対してミスト噴霧ノズルからは、ＣＯ_２の噴霧、水の噴霧を栽培プログラムによって時間を調整して稼働させる。また、ミスト噴霧ノズルには気流を起こす加工を施し、気流速度３０cm s^-1から５０cm s^-1程度の風速が発生する。

トンネル式の設備の外部には、ＣＯ_２を発生装置を設置してＣＯ_２濃度を計測、調整する。また、同じ装置から気流を起こすために噴霧ノズルの先端にリング状の加工を施し、発生させるタイミングはプログラム制御により栽培する作物の最適値によって管理する。

栽培用プレートと培地により密閉性のあるセパレーションの下部、セパレートした根系には、農作業で用いられる透過性の少ないビニール（PVCポリ塩化素材等）を上部トンネルと同じように逆さの向きにトンネルをプレートの下を覆うようにセットする。その中には、ミスト噴霧するための配管を最下部に這わせ上向きにミストを噴射する。

トンネル式の設備の外部には、Ｏ_２を発生させる装置を設置して濃度管理を行う。
根系には、ミスト噴霧ノズルからＯ_２を噴霧することと、植物に必要な栄養素を含む培養液を噴霧して水分吸収と養分吸収を促す。ミスト噴霧ノズルは栽培植物の下方部から根に向けて微粒子を散布するが風速が発生しないように調整し、栽培プログラムによって発生させる時間、散布量などは制御する。

ミスト噴霧ノズルによって灌水するために設置する配管には、高密度衝撃波殺菌装置により水を殺菌処理することができる機械装置を設置する。

高密度衝撃波殺菌装置は、アクチュエーターにより高密度のキャビテーション泡を発生させてその泡の崩壊時に発生する衝撃波により有機微生物・細菌等の有害生物を破砕し死滅させる装置である。水源は水道水、農業用水、河川の水等特に問わない。濾過した後装置で処理をして更に濾過をするシステムを配置する。

以下本発明の実施例を示す。図１に本発明の第一の実施例示す。

図１において、ビニールハウス１の内部には、内部に複数のトンネル状のダクト７が設置されている。前記ダクト７は、シュート系カバー２と、根系カバー３と、仕切り板４と、仕切り板４にはめ込まれる円錐容器８と、噴霧ノズル５及びミストノズル６から構成されている。

ビニールハウス１は、半透明の塩化ビニールシートで覆われており、太陽光がビニールハウス内に十分届く状態となっている。

ビニールハウス１の内部に設置されたダクト７は、長いダクト状に設置されており、シュート系カバー２と根系カバー３によってビニールハウス内の空間部と遮断されており、ダクト７の内部に貯留されるＣＯ_２やＯ_２の気体がビニールハウス１の内部に漏れ出さない密閉構造となっている。

シュト系カバー２は、ビニールハウス１と同様な半透明のビニールシートもしくは透明プラスチック板から形成されており、ビニールハウス１を透過した太陽光が前記シュート系カバー２を透過し、円錐容器８に到達できる透明度を有している。また、シュート系カバー２は、植物の成長を促進させるために着色された透過性材料でも良い。

シュート系カバー２の内部には、円錐容器８の上部から水の霧を噴霧するための噴霧ノズル５が一定間隔で設置されている。噴霧ノズル５は、水の霧を噴霧する以外にもＣＯ_２も噴霧するとともに、カバー内で気体の循環を起こさせるために間欠的に１０〜１００センチ／秒の風速で噴霧する。茎が細く、風に弱い野菜は10センチ／秒の風速とし、茎が折れたりしない弱い噴霧とする。一方、茎が太くて丈夫で、背が高い野菜などは強めの風速、例えば１００センチ／秒で噴霧する。

根系カバー３は、ダクト７の下部に設置されている。根系カバー３の内部は、野菜の根が成長するスペースとなるので、ビニールハウス１を透過した太陽光を遮光するために、
黒などのビニールシートもしくは遮光色のプラスチック板などで構成されている。

根系カバー３の内側にはミストノズル６が等間隔でダクト７内に設置されている。ミストノズル６は、円錐容器８から伸びた根９ｂに対して冨酸素空気と成長に必要な肥料成分が溶解されている液体を一定時間ごとに根９bに向けて噴霧する。

根９bは、微細な根毛に覆われているので噴霧する圧力は、これら根毛がダメージを受けない圧力で噴霧する。噴霧するミストは、根系カバー３内に万遍なく行き渡るようにノズルの位置や角度を設定する。

仕切り板４は、シュート系カバー２と根系カバー３でそれぞれ覆われたＣＯ_２リッチ空間と、Ｏ_２リッチ空間の気体が混合しない構造となっており、シール性の高い気密材料が
使用されている。

仕切り板４には円錐形の穴が開けられており、この穴に円錐容器８がはめ込まれる構造となっており、円錐容器８の外周部と仕切り板４の穴とが密着してそれぞれの気体が混入しないシール性の高い構造となっている。

図２に円錐容器８の詳細構造を示す。

図２において、仕切り板４の円錐形の穴に円錐容器８が嵌合されている。円錐容器８の内部には、ゼリー状の物質でみたされており、上方へは葉９aが成長し、下部には根９bが成長できる構造となっている。仕切り板４と接する箇所８ｂは、密閉性を高めるために密着性に優れた材料と滑らかな表面で形成されている。

円錐容器８の下部８ａは、根９ｂが下方へ成長しやすくするためにメッシュ状の形状となっている。メッシュ状の下部８ａとシュート系カバー２内のＣＯ_２が混合しないように円錐容器８の内部には水分を含んだ数センチ程度の深さのゼリー状物質が充填されている。

シュート系カバー２内をＣＯ_２リッチにするとともに、根系カバー内をＯ_２リッチにし、
肥料を噴霧することにより、根の成長が促進されるとともに、葉からは高濃度のＣＯ_２を吸収することにより光合成が促進され、植物の成長速度を高めることができる。

また、通常では、葉の部分は害虫などに捕食され商品価値がなくなるが、高濃度のＣ
Ｏ_２環境を安定して形成することにより、シュート系カバー２の内部は、酸欠状態になるため、酸素を必要とする害虫類は、生存することができない。このため、葉の部分に害虫駆除のための農薬散布が不要になり、農薬経費の節減とともに、無農薬化が図れる。

また、ビニールハウス１の内部に設けられたダクト７は、２重ガラス窓のように断熱性が高いので、冬季など寒冷な季節でも太陽光で十分な保温ができるので保温のためのストーブなどが不要となり、経済的である。

１．ビニールハウス（施設栽培）
２．シュート系カバー
３．根系カバー
４．仕切り板
５．噴霧ノズル
６．ミストノズル
７．ダクト
８．円錐容器
８a．円錐容器下部メッシュ
８b．円錐容器仕切り板設置部
９．野菜（農作物）
９a．野菜葉部（シュート系）
９b．野菜根部（根系）

Claims (5)

1. 施設栽培用ビニールハウス又はガラスハウスの内部に太陽光型植物工場としてシュート系（shoot system）と根系（roots system）を完全に分けることができるセパレート可能な完全分離式培地とその上下を閉鎖するためのトンネルを利用して、シュート系にはミスト噴霧ノズルからＣＯ_２及び水を噴霧し、根系にはミスト噴霧ノズルからＯ_２を噴霧することと、植物に必要な栄養素の培養液を噴霧して水分吸収と養分吸収を促し、栽培する作物の最適値によって管理するセパレーション技術を用いた噴霧水耕栽培法。
2. 人工光型植物工場の栽培棚をシュート系（shoot system）と根系（roots system）を完全に分けることができるセパレート可能な完全分離式培地とその上下を閉鎖するためのケースを利用して、シュート系にはミスト噴霧ノズルからＣＯ_２の噴霧、水の噴霧、気流速度１０cms^-1から１００cms^-1程度の風を発生させ、根系にはミスト噴霧ノズルからＯ_２を噴霧することと、植物に必要な栄養素の培養液を噴霧して水分吸収と養分吸収を促し、栽培する作物の最適値によって管理するセパレーション技術を用いた噴霧水耕栽培法。
3. 施設栽培、太陽光型植物工場、人工光型植物工場において高密度衝撃波殺菌装置を用いた処理水を噴霧することによる水耕栽培法。
4. 施設栽培（ビニールハウス又はガラスハウス）の内部に更にトンネル型の栽培施設を設置することによって、密封閉鎖型の二重構造による害虫防除のシステムと温度湿度管理を容易にすることができるセパレーション技術を用いた噴霧水耕栽培法。
5. 施設栽培、太陽光型植物工場、人工光型植物工場においてベルトコンベア方式の可動式栽培棚にすることにより、播種又は定植が栽培棚の一箇所で行うことができるセパレーション技術を用いた噴霧水耕栽培法。

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