JP2018148799A

JP2018148799A - 植物栽培装置及び方法

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Publication number: JP2018148799A
Application number: JP2017045281A
Authority: JP
Inventors: 信哉里見; Shinya Satomi; 由紀子北原; Yukiko Kitahara; 鈴木　規之; Noriyuki Suzuki; 規之鈴木
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2037-03-09
Also published as: JP6799822B2

Abstract

【課題】殺菌槽を設けることなく栽培槽で効率的に殺菌を実現することで、設備を小型化し、植物を病気から守り安定して生産可能な植物栽培装置及び方法を提供する。【解決手段】複数対に分割された電極１０５に対して、根１０１ａの有無を検出するための電圧を印加し、電極間の電流を計測することにより、根が存在しない電極間のみ殺菌用の電圧を印加する。【選択図】図１

Description

本発明は、水耕栽培における培養液に高電界を与えて殺菌し浄化を行う植物栽培装置及び方法に関するものである。

水耕栽培による植物育成は、昨今の食糧問題解決のため、重要な技術となっている。水耕栽培による植物育成は、工場等の管理された空間で制御可能であるが、普及のためには、設備償却費など運転ランニングコストの低減によって、植物を育成するコストを低減することが必須となる。さらに、水耕栽培では、管理された空間ではあるが、培養液を循環させて使用するケースが多く、有害な菌又はアオコなどの発生を抑制するために、殺菌装置を導入することが多い。
水耕栽培における殺菌装置として、培養液中に電極を設置し高電界パルスを印加して殺菌する装置が知られている（特許文献１参照）。図６は、従来の植物栽培装置の構成を示す図である。図６において、植物３を水耕栽培する栽培槽１と、栽培槽１内の培養液２を受け入れ且つ栽培槽１に戻し入れ可能に構成した殺菌槽６と、配管４とを有している。殺菌槽６は、高圧パルス電源装置５と対向配置された一対の電極７とを接続して一対の電極７に電圧を印加し、一対の電極７間の培養液２に対して電界を与えて殺菌する。

特開昭６３−５６２２７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている装置では、植物３を栽培する栽培槽１とは別に殺菌槽６を設けて殺菌するため、設備の大型化及び設備コスト増となり、植物育成コストの上昇に繋がる。また、栽培槽１とは別に殺菌槽６を設けることで、殺菌槽６から栽培槽１との間の配管４、及び、栽培槽１自体に有害な菌が発生、もしくは混入した場合、殺菌することができないため、植物が病気になり、経済的な損失が大きくなることが課題である。
また、栽培槽１の中に電極７を設置して殺菌しようとした場合、高電界を印加して殺菌しているため、植物３の根に対して誤って高電界を印加すると、根に損傷を与えてしまい、植物の成長を阻害してしまうことが課題である。
従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、栽培槽での殺菌を可能とすることにより、設備を小型化し、植物を病気から守り、安定して生産することが可能な植物栽培装置及び方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかる植物栽培装置によれば、
植物を水耕栽培する栽培槽と、
前記栽培槽内に複数に分割されて対向配置された電極と、
前記対向配置された電極間に電圧を印加する電源と、
前記対向配置された電極間の電流値を計測する電流計測装置とを備え、
前記電源から前記電圧を印加された前記電極間で前記電流計測装置により計測された電流値により、前記植物の根の有無を判定し、前記植物の前記根が存在しないと判定されかつ対向配置された電極間に、前記電源から殺菌用の電圧を印加する電圧印加制御部をさらに備える。
前記目的を達成するために、本発明の別の態様にかかる植物栽培方法によれば、
栽培槽内で植物を水耕栽培する植物栽培方法において、
前記栽培槽内で複数に分割され対向配置された電極に電源から根有無検出用の電圧を印加し、
前記電圧を印加された電極間の電流値により、植物の根の有無を電圧印加制御部で判定し、
前記電圧印加制御部において、前記植物の前記根が存在すると前記電圧印加制御部で判定された電極の端部と前記植物の前記根が存在しないと前記電圧印加制御部で判定されて殺菌用の電圧を印加する電極の端部との距離が、前記対向配置された電極間距離の２．５倍以上離れた、前記植物の前記根が存在しない対向配置された電極を選択して殺菌用の電圧を印加する。

本発明の前記態様にかかる植物栽培装置及び方法によれば、栽培槽で殺菌が可能となるため、殺菌槽が不要となり、設備の小型化及び設備コストを低減することが可能である。さらに、栽培槽で殺菌を行うため、植物を病気から守り、安定して生産することができる。

本発明の実施の形態における植物栽培装置の構成図本発明の実施の形態における植物栽培装置の動作を示すフローチャート本発明の実施の形態における植物栽培装置の電極を均一に分割した場合の電極構成図本発明の実施の形態における植物栽培装置の電極を不均一に分割した場合の電極構成図本発明の実施の形態における植物栽培装置で根の状態を電流計測したときの電流波形の事例を示す図従来の植物栽培装置の構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態にかかる植物栽培装置の構成図で、以下に、植物栽培装置の構成を説明する。
植物栽培装置は、少なくとも、栽培槽１０３と、一対の電極１０５と、電源１０４と、電流計測装置１０８と、電圧印加制御部１０９とを備えている。

栽培槽１０３は、植物１０１が配置されて、植物１０１を水耕栽培する。

電極１０５は、栽培槽１０３内に複数に分割されて対向配置されている。例えば、対向配置された一対の電極１０５で１つの組を構成し、複数組の電極１０５を並列配置し、少なくとも１組の電極１０５間で植物１０１を挟むように配置している。

電源１０４は、各電極１０５間に電圧を独立してそれぞれ印加可能としている。
電流計測装置１０８は、各電極１０５間の電流値をそれぞれ計測可能としている。
電圧印加制御部１０９は、電源１０４から電圧を印加された電極１０５間で電流計測装置１０８により計測された電流値により、植物１０１の根１０１ａの有無を判定し、植物１０１の根１０１ａが存在しないと判定されかつ対向配置された電極１０５に、電源１０４から殺菌用の電圧を印加可能としている。

図１において、植物１０１の根１０１ａは、培養液１０２が入っている栽培槽１０３に存在しており、電源１０４により、培養液１０２内に対向配置された一対の電極１０５に殺菌に必要な電圧を印加して、対向する一対の電極１０５間に殺菌に必要な電界を印加することができる。具体的な例としては、長方形板状の電極１０５は、複数組、互いに対向して例えば直方体箱状の栽培槽１０３に起立して配置しており、板面方向（例えば短辺沿い）には絶縁体１０６により分割されて配置され、各組の電極１０５とは互いに絶縁されている。図１では、電極１０５と絶縁体１０６とが交互に配置された一対の板状部材が、植物１０１の根１０１ａを間に挟むように配置されている。

このとき、電極１０５は、その電極１０５と対向する電極１０５との間で形成される例えば直方体形状の電界印加エリア１１０に対して有効に電界を印加するために、電極１０５の電極横幅（短辺の長さ）Ｌ１と電極高さＬ２との短い方、即ち、電極１０５の短辺の長さＬ１に対し、対向する電極１０５との電極間距離Ｌ３を５倍以下として配置されている。電極１０５の短辺の長さＬ１に比べて、電極間距離Ｌ３が極めて小さい場合は、電極１０５間の電界が一様とみなせる。しかしながら、電極１０５の短辺の長さＬ１に比べて、電極間距離Ｌ３が大きくなりすぎると、電界は一様ではなくなる。一般に、静電場は、ポアソン方程式を用いることにより、電界強度の分布を求めることが可能であり、一様な電界を印加できる好ましい条件として、電極１０５の短辺の長さＬ１に対し対向する電極１０５との電極間距離Ｌ３を５倍以下として配置する。

ここで、根有無検出用の電圧としては、２０Ｖ、６０Ｖ、１５０Ｖなどが例示でき、電圧値が高いほど、根の検出精度が高まるため、この中では１５０Ｖが好ましい。また、根有無検出用の電圧を印加するときのバルス幅としては、水の電気分解を発生させない１μ秒程度が好ましい。

また、殺菌に必要な電界としては、１０ｋＶ／ｃｍ以上とすることが例示できる。

また、電極切替装置１０７は、複数のスイッチ１０７ａで構成されている。この電極切替装置１０７のそれぞれのスイッチ１０７ａにより、分割された電極１０５と複数の電源１０４との間の電路の開閉がそれぞれ可能である。電極切替装置１０７の操作により、対向する１対の電極１０５と電源１０４とが接続されている１対のスイッチ１０７ａのみ電路を閉じ、他の電極切替装置１０７のスイッチ１０７ａの電路をすべて開放することで、１対の電極１０５の間で形成される電界印加エリア１１０にのみ根有無検出用の電圧を印加して電界を印加することができる。この電極切替装置１０７を切替えることにより、電界印加エリア１１０の切替えが可能となる。また、電流計測装置１０８により、一対の電極１０５間の電界印加エリア１１０を流れる電流値の計測が可能である。電流計測装置１０８による電流値の計測結果により、電界印加エリア１１０に植物１０１の根１０１ａがあるかどうかを電圧印加制御部１０９で判別して、根１０１ａが無いと電圧印加制御部１０９で判別した場合に、電圧印加制御部１０９により、電源１０４により当該一対の電極１０５に対して殺菌用の電圧印加を行う制御が可能である。これらの制御は、前記したように、電源１０４と電流計測装置１０８とに接続されている電圧印加制御部１０９により行う。また、殺菌に必要な電界を一対の電極１０５に対して印加した場合、厳密には、一対の電極１０５間で形成される電界印加エリア１１０外にも高電界が形成される。この高電界が植物１０１の根１０１ａに印加された場合、植物１０１の成長が阻害されてしまう。この問題を解決するために、植物１０１の根１０１ａの位置から電界の影響を受けない電極１０５を選択して、選択した電極１０５に殺菌用の電界を印加する。前記のポアソン方程式によって電界強度分布が計算可能であり、好ましい条件としては、少なくとも電極間距離Ｌ３の２．５倍以上離すことで、電界の影響を受けなくすることが可能である。すなわち、植物１０１の根１０１ａが存在する電極１０５の端部と植物１０１の根１０１ａが存在しない殺菌用の電圧を印加する電極１０５の端部との距離を、対向配置された電極１０５間距離Ｌ３の２．５倍以上離れた状態が成立するような、植物１０１の根１０１ａが存在しない電極１０５を、殺菌用の電圧を印加するための電極として選択する。この電極１０５の選択は、電圧印加制御部１０９により行う。なお、電極切替装置１０７の開閉制御も、電圧印加制御部１０９により行っている。

次に、図１の植物栽培装置の動作について、図２のフローチャートに則って説明する。図２では、電極１０５間に植物１０１の根１０１ａの有無を検出し、根１０１ａが存在しない電極１０５に対して電圧を印加する動作の説明を行う。

まず、ステップＳ１０１では、電圧印加制御部１０９を用いて電極切替装置１０７を制御し、複数に分割され対向配置された電極１０５と電源１０４とを接続する。

次に、ステップＳ１０２では、電源１０４を制御し、根有無検出用の電圧を対向配置された１組の電極１０５に印加する。

次に、ステップＳ１０３では、電流計測装置１０８により、ステップＳ１０２で根有無検出用の電圧が印加された前記１組の電極１０５間の電流を計測する。

次に、ステップＳ１０４では、電流計測装置１０８で計測された電流値により、電圧印加制御部１０９にて、根有無検出用の電圧を印加している前記１組の電極１０５間での植物１０１の根１０１ａの存在状況を判定する。判定の仕方は、図５を基に後述する。植物１０１の根１０１ａが存在しないと判定された電極１０５については、植物１０１の根１０１ａの位置から電界の影響を受けない前記１組の電極１０５であるか否かを選択する。具体的には、植物１０１の根１０１ａが存在する電極１０５の端部と植物１０１の根１０１ａが存在しない殺菌用の電圧を印加する電極１０５の端部との距離を、対向配置された電極１０５間距離Ｌ３の２．５倍以上離れた状態が成立するような、植物１０１の根１０１ａが存在しない電極１０５を、殺菌用の電圧を印加するための電極として選択する。これは、予め、電極間の配置構成状態及びステップＳ１０１〜Ｓ１０４までの処理対象となる電極１０５の組の位置がわかっておれば、電圧印加制御部１０９で選択が可能である。

次に、ステップＳ１０５では、電圧印加制御部１０９により、選択された電極１０５に対して電源１０４により殺菌用の電界を印加する。培養液の温度が上昇しない範囲で一定期間、もしくは菌又はアオコ量をモニタリングし、一定量になるまで、ステップＳ１０１に戻り、別の組の電極１０５に対して、同様な処理を行うことが好ましい。

このとき、電圧印加制御部１０９において、ステップＳ１０２の根有無検出用の電圧波形を印加してから、ステップＳ１０５で殺菌用の電圧波形を印加するまでの処理時間は、培養液１０２の流速に応じて決定する。これは、培養液１０２の流速が速いにも関わらず、処理時間が長すぎる場合は、ステップＳ１０２時点の根１０１ａの存在状況とステップＳ１０５時点の根１０１ａの存在状況とが異なり、植物１０１の根１０１ａに、殺菌用の電界を誤って印加してしまう問題がある。

処理時間を求める一例として、断面積２００立方センチメートルの栽培槽１０３に毎分８リットルで給水した場合の流速は、１ミリ秒あたり６．７マイクロ秒となるため、ステップＳ１０２からステップＳ１０５までを１ミリ秒で処理すれば、水流による根１０１ａの移動の影響は無視可能となる。

また、ステップＳ１０２での電圧波形は、直流定電圧であっても良いし、パルス波形であっても良い。さらにステップＳ１０５での電圧波形も、直流定電圧であっても良いし、パルス波形であっても良い。また、ステップＳ１０２もしくはステップＳ１０５での電圧印加は、培養液１０２の電気分解を起こさない波形であると、培養液１０２の組成を変えることがないので、好ましい。具体的には、水の電気分解の理論限界電圧である１．２３Ｖが実質かからない電圧、又は短パルス波形であれば、水の電気分解は発生しない。

なお、前記フローでは、１組ずつ電極１０５の電流値計測を行い、殺菌をするか否か判定して、殺菌動作を行っているが、本発明は、このような例に限られるものではない。例えば、後述するようにステップＳ１０２の根有無検出用の電圧波形を印加してから、ステップＳ１０５で殺菌用の電圧波形を印加するまでの処理時間が許す限り、複数組の電極１０５の電流値計測を行い、各組毎に殺菌をするか否か判定して、各組毎に殺菌動作を行う例も含まれる。

次に、図１の植物栽培装置において、電極１０５を均一に分割した場合の電極構成図を図３に示す。
植物１０１の根１０１ａが事前にあることが想定できない場合又は分割された各電極１０５における根１０１ａの存在確率が不明な場合は、電極１０５を均一に分割すると良い。

次に、図１の植物栽培装置において、電極１０５を不均一に分割した場合の電極構成図を図４に示す。
植物１０１の根１０１ａが事前にあることが想定できる場合又は分割された各電極１０５における根１０１ａの存在確率に偏りが想定される場合は、電極１０５を不均一に分割すると良い。例えば、最初の電界印加時に植物１０１の根１０１ａが存在する確率が高いと想定される場所では、第一の電極１０５ａのように、根１０１ａが存在するエリアの大きさになるように分割する。また、植物１０１の成長過程により、根１０１ａの存在確率が高くなると想定されるエリアは、第二の電極１０５ｂのように、小さく分割する。反対に、植物１０１が成長したとしても、根１０１ａの存在確率が低いと想定されるエリアは、第三の電極１０５ｃのように、第三の電極１０５ｃの端部と、根１０１ａの存在確率が高い電極１０５ａの端部又は電極１０５ｂの端部との距離を、電極間距離Ｌ３の２．５倍以上の長さ（Ｌ４）を離すように分割する。即ち、根１０１ａの存在確率が大きいエリアと小さいエリアとで、電極１０５を不均一に分割すると、植物栽培装置を効率良く動作させることができる。

次に、図５に本発明の実施の形態における植物栽培装置で、同じ電圧波形１１１を２組の電極１０５にそれぞれ印加したとき、電界印加エリア１１０に根１０１ａが存在しない組の電極１０５の電流波形１１２ａと、根１０１ａが存在する組の電極１０５の電流波形１１２ｂとの事例を示す。図５の（ａ）では、根１０１ａが存在しない状態の電流波形１１２ａである。図５の（ｂ）では、根１０１ａが存在する状態の電流波形１１２ｂである。根１０１ａが存在しない状態の電流波形１１２ａと根１０１ａが存在する状態の電流波形１１２ｂとを比較すると、根１０１ａが存在する電流波形１１２ｂの方が、根１０１ａが存在しない電流波形１１２ａよりも電流値が低下し、根１０１ａの有無を検出できていることがわかる。これを基に、電圧印加制御部１０９で植物１０１の根１０１ａの有無を判定する。

以上で説明した装置により、複数に分割されて対向配置された電極１０５に電源１０４から根有無検出用の電圧を印加し、根有無検出用の電圧を印加された電極１０５間の電流値により、植物１０１の根１０１ａの有無を電圧印加制御部１０９で判定し、植物１０１の根１０１ａが存在しないと判定した電極１０５に、電源１０４から殺菌用の電圧を電圧印加制御部１０９で印加することができる。この結果、根１０１ａが存在しないエリアにのみ電界を印加することが可能であり、栽培槽１０３で殺菌が可能となる。そのため、殺菌槽が不要となり、設備の小型化及び設備コストを低減することが可能である。また、電極１０５を分割し切替えて電圧を印加できるため、１対の電極１０５に流れる電流を少なくすることができる。このことにより、電源１０４の小型化が可能であり、さらなる設備コストの低減が可能である。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかる植物栽培装置及び方法によれば、栽培槽で殺菌が可能となるため、殺菌槽が不要となり設備の小型化及び設備コストを低減することが可能である。さらに、前記植物栽培装置及び方法によれば、栽培槽で殺菌を行うため効果的に殺菌処理ができ、植物を病気から守り安定して生産することができる。また、前記植物栽培装置及び方法によれば、電極を分割し切替えて電圧を印加できるため、１対の電極に流れる電流を少なくすることができる。このことにより、電源の小型化が可能であり、さらなる設備コストの低減が可能である。また、前記植物栽培装置及び方法によれば、電流も少なく出来るので安全対策も容易となり、水耕栽培での電圧印加による殺菌技術の導入が加速される。

１０１植物
１０１ａ植物の根
１０２培養液
１０３栽培槽
１０４電源
１０５電極
１０５ａ第一の電極
１０５ｂ第二の電極
１０５ｃ第三の電極
１０６絶縁体
１０７電極切替装置
１０７ａスイッチ
１０８電流計測装置
１０９電圧印加制御部
１１０電界印加エリア
Ｌ１電極横幅
Ｌ２電極高さ
Ｌ３電極間距離
Ｌ４電極間距離の２．５倍以上の長さ
１１１電圧波形
１１２ａ，１１２ｂ電流波形

Claims

植物を水耕栽培する栽培槽と、
前記栽培槽内に複数に分割されて対向配置された電極と、
前記対向配置された電極間に電圧を印加する電源と、
前記対向配置された電極間の電流値を計測する電流計測装置とを備え、
前記電源から前記電圧を印加された前記電極間で前記電流計測装置により計測された電流値により、前記植物の根の有無を判定し、前記植物の前記根が存在しないと判定されかつ対向配置された電極間に、前記電源から殺菌用の電圧を印加する電圧印加制御部をさらに備える、植物栽培装置。
前記複数に分割されかつ対向配置された電極は、それぞれ長方形板状であり、各長方形板状の電極の短辺の５倍以下の距離を隔てて対向配置されている、請求項１に記載の植物栽培装置。
前記植物の前記根が存在する電極の端部と前記植物の前記根が存在しない殺菌用の電圧を印加する電極の端部との距離を、前記対向配置された電極間距離の２．５倍以上離す、請求項１に記載の植物栽培装置。
栽培槽内で植物を水耕栽培する植物栽培方法において、
前記栽培槽内で複数に分割され対向配置された電極に電源から根有無検出用の電圧を印加し、
前記電圧を印加された電極間の電流値により、植物の根の有無を電圧印加制御部で判定し、
前記電圧印加制御部において、前記植物の前記根が存在すると前記電圧印加制御部で判定された電極の端部と前記植物の前記根が存在しないと前記電圧印加制御部で判定されて殺菌用の電圧を印加する電極の端部との距離が、前記対向配置された電極間距離の２．５倍以上離れた、前記植物の前記根が存在しない対向配置された電極を選択して殺菌用の電圧を印加する、植物栽培方法。