JP6851084B2 - 養液栽培システム - Google Patents
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Description
本発明は、養液のイオン濃度変化に応じて植物の生育環境を適切に管理する養液栽培システムに関するものである。
近年、養液栽培が盛んに行われるようになってきている。その理由は、養液栽培では、野菜や果実などの作物を一定の品質で多量にしかも効率よく生産できるからである。
ところで、養液栽培では養液のイオン濃度管理が重要であり、従来から、養液のイオン濃度管理は養液の導電率を測定することにより行われている。
例えば、特許文献１には、養液中の特定イオンの濃度を個別に測定できるイオンメータを用いて養液中に含まれる種類のイオン成分の濃度を個別に測定し、不足しているイオン成分を補給するようにしたものが開示されている。
このように従来の溶液栽培では、養液中の特定イオンの濃度は管理しているが、植物の生育環境（例えば、植物に対する光照射量、植物がおかれた雰囲気の温度または湿度、あるいは養液中の各種イオン濃度など）の管理は、季節に応じた統計的な１日の日照時間、気温、湿度の変化に基づいた画一的なものであり、生育環境の管理は植物の状態に適したものとはなっていないことを本発明者は見出した。
本発明は、植物の状態に合わせて適切な植物の生育環境を管理することができ、これにより、生産コストを低く抑えて品質のよい野菜や果実を効率よく生産することができる養液栽培システムを得ることを目的とする。
本発明は、以下の項目を提供する。
（項目１）
植物を養液により栽培する養液栽培システムであって、
該植物を生育させる生育部と、
該養液を収容する養液タンクと、
該養液に含まれる少なくとも１つのイオンの濃度を測定する測定部と、
該イオン濃度の測定値の変化に基づいて該養液栽培システムの生育環境を制御する制御部と、
該養液タンクに該イオンを補給する補給手段と
を備える、養液栽培システム。
植物を養液により栽培する養液栽培システムであって、
該植物を生育させる生育部と、
該養液を収容する養液タンクと、
該養液に含まれる少なくとも１つのイオンの濃度を測定する測定部と、
該イオン濃度の測定値の変化に基づいて該養液栽培システムの生育環境を制御する制御部と、
該養液タンクに該イオンを補給する補給手段と
を備える、養液栽培システム。
（項目２）
前記生育環境が、前記補給手段から補給される前記イオンの濃度、前記植物へ照射される光の量、温度、風速、風量および湿度からなる群より選択される、項目１に記載の養液栽培システム。
前記生育環境が、前記補給手段から補給される前記イオンの濃度、前記植物へ照射される光の量、温度、風速、風量および湿度からなる群より選択される、項目１に記載の養液栽培システム。
（項目３）
前記制御部は、測定された該少なくとも１つのイオンの濃度の所定期間内の変化量もしくは変化率に基づいて該環境形成手段および／または該補給手段を制御する、項目１または２に記載の養液栽培システム。
前記制御部は、測定された該少なくとも１つのイオンの濃度の所定期間内の変化量もしくは変化率に基づいて該環境形成手段および／または該補給手段を制御する、項目１または２に記載の養液栽培システム。
（項目４）
前記少なくとも１つのイオンはリンイオンである、項目１〜３のいずれか１項に記載の養液栽培システム。
前記少なくとも１つのイオンはリンイオンである、項目１〜３のいずれか１項に記載の養液栽培システム。
（項目５）
前記少なくとも１つのイオンは、カリウムイオン、窒素イオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、鉄イオン、ナトリウムイオン、塩素イオン、スズイオン、モリブデンイオンの少なくとも１つをさらに含む、項目１〜４のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
前記少なくとも１つのイオンは、カリウムイオン、窒素イオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、鉄イオン、ナトリウムイオン、塩素イオン、スズイオン、モリブデンイオンの少なくとも１つをさらに含む、項目１〜４のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
（項目６）
前記所定期間は、１０分、３０分、１時間、２時間もしくは１日である、項目１〜５のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
前記所定期間は、１０分、３０分、１時間、２時間もしくは１日である、項目１〜５のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
（項目７）
前記測定部は、
前記養液タンクから取り出された前記養液を収容する測定タンクと、
該測定タンクに設けられた前記少なくとも１つのイオンとそれぞれ反応する１以上のイオン選択性電極と
を有する、項目１〜６のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
前記測定部は、
前記養液タンクから取り出された前記養液を収容する測定タンクと、
該測定タンクに設けられた前記少なくとも１つのイオンとそれぞれ反応する１以上のイオン選択性電極と
を有する、項目１〜６のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
（項目８）
前記測定タンクに収容された前記養液の全部または一部は前記養液タンクに戻さずに廃棄されるように構成されている、項目７に記載の養液栽培システム。
前記測定タンクに収容された前記養液の全部または一部は前記養液タンクに戻さずに廃棄されるように構成されている、項目７に記載の養液栽培システム。
(項目９）
前記測定タンクは、測定する前記少なくとも１つのイオンごとに個別に設けられる、項目６〜８のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
前記測定タンクは、測定する前記少なくとも１つのイオンごとに個別に設けられる、項目６〜８のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
（項目１０）
前記少なくとも１つのイオン選択性電極は、少なくとも前記養液に含まれるリンイオンに選択的に反応するリン酸亜鉛を含む、項目６〜９のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
前記少なくとも１つのイオン選択性電極は、少なくとも前記養液に含まれるリンイオンに選択的に反応するリン酸亜鉛を含む、項目６〜９のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
（項目１１）
前記少なくとも１つのイオン選択性電極は、カートリッジ式である、項目６〜１０のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
前記少なくとも１つのイオン選択性電極は、カートリッジ式である、項目６〜１０のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
（項目１２）
前記補給手段は、前記少なくとも１つのイオンをそれぞれ個別に収納する少なくとも１つの補給タンクを備える、項目１〜１１のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
前記補給手段は、前記少なくとも１つのイオンをそれぞれ個別に収納する少なくとも１つの補給タンクを備える、項目１〜１１のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
(項目１３）
前記植物と該養液タンクとの間で該養液を循環させる循環部をさらに備える、項目１〜１２のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
前記植物と該養液タンクとの間で該養液を循環させる循環部をさらに備える、項目１〜１２のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
（項目１４）
前記少なくとも１つの補給タンクは、カートリッジ式である、項目１２または１３のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
前記少なくとも１つの補給タンクは、カートリッジ式である、項目１２または１３のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
（項目１５）
項目１〜１４のいずれか一項に記載の養液栽培システムを用いて植物を栽培する工程を包含する、養液栽培植物の製造方法。
項目１〜１４のいずれか一項に記載の養液栽培システムを用いて植物を栽培する工程を包含する、養液栽培植物の製造方法。
本発明によれば、植物の状態に合わせて植物の生育環境を管理することができ、これにより、生産コストを低く抑えて品質のよい野菜や果実を効率よく生産することができる養液栽培システムを得ることができる。
以下に本発明を、必要に応じて、添付の図面を参照して例示の実施例により説明する。本明細書の全体にわたり、単数形の表現は、特に言及しない限り、その複数形の概念をも含むことが理解されるべきである。また、本明細書において使用される用語は、特に言及しない限り、当該分野で通常用いられる意味で用いられることが理解されるべきである。したがって、他に定義されない限り、本明細書中で使用される全ての専門用語および科学技術用語は、本発明の属する分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。矛盾する場合、本明細書（定義を含めて）が優先する。
本発明者らは、養液栽培される植物が養液中のイオンを時間当たりに吸収する量の変化と植物の生育状態との相関性に着目した。それによって本発明者らは、養液に含まれる複数のイオンのうちの少なくとも１つのイオン濃度の測定値の所定期間内の変化（例えば、変化量または変化率）に基づいて、栽培システムの生育環境を制御することによって、効率的に養液栽培システムにおける植物の栽培を行うことができることを見出した。なお、本発明において、「イオン濃度の測定値」という場合、当該イオン濃度の測定手段によって直接測定された値をいい、他のイオンの測定値から算出または推測等されることによって間接的に導かれる値をいうのではない点に留意されたい。
したがって、本発明は、植物に供給する養液に含まれる少なくとも１つのイオン濃度の測定値の変化に基づいて、植物の生育状態に適した環境となるように生育環境を制御する。
理論に拘束されることを意図しないが、植物には、昼夜や季節とは別に一日の中でも、光合成をおこなったり、養液から養分を吸収する生育フェーズと、養分の吸収を低減して生育の程度を停止または緩やかにする休止フェーズとが存在し得る。休止フェーズには植物は光合成や養分吸収をあまり行わないと考えられるが、従来の養液栽培システムは、このような休止フェーズにも生育フェーズと同様の養分や光の供給を行っており、非効率的であった。本発明は、従来の養液栽培システムの非効率性という課題を見出し、そしてそれを解決したものである。
すなわち、本発明は、従来の養液栽培システムが行っていなかった、植物が複数の栽培ステージのうちのどのステージにあるかの判定を行い、それに基づいて個々の栽培ステージでの生育状態に合わせて生育環境を調整し得る。本明細書において、「生育環境」とは、植物への光の照射量、温度、二酸化炭素濃度、風速、風量、湿度、養液における各イオンのイオン濃度、ＥＣ（電気電導度）、ｐＨなどが挙げられるが、これらに限定されない。このような構成を備えることにより、植物の生育段階に合わせて過不足なく適切に生育環境の調整を行うことが可能となり、植物の効率的な成長および光熱費や養液費の無駄を省くことによる植物の生産コストの削減を図ることが可能となる。
植物を栽培する養液に含まれる１以上のイオン、さらに、生育部および養液タンクは、本発明の課題の解決し得るものであれば特に限定されるものではない。
測定する１以上のイオンとしては、植物の生育に必要な任意のイオンであり得る。例えば、測定を行うイオンとしては、窒素（Ｎ：硝酸、アンモニア）、リン（Ｐ）、ホウ素、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、硫黄（Ｓ：硫酸）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、塩素（Ｃｌ：塩化物）などが挙げられるが、これらに限定されない。特に、肥料の三大要素と言われる窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）を測定することが好ましい。代表的な実施形態において、本発明においては、リン（Ｐ）のイオン濃度を測定器（例えば、電極）によって直接測定し得る。
さらに、植物を生育させる生育部は、養液の供給により植物の生育が可能なものであって、植物の生育環境を形成する手段を有するものであればどのようなものでもよい。ここで、植物の生育環境を形成する手段は、例えば、イオンを補給する補給手段、植物に光を照射する照明器具または太陽光、植物の周辺の雰囲気を温度調整する温度調整器、植物の周辺の雰囲気に風を送る送風ファンの風速および／または風量を調整する風速風量調整器、あるいは、植物の周辺の雰囲気を湿度調整する湿度調整器、植物の周辺の雰囲気の二酸化炭素濃度を調整する二酸化炭素濃度調整器などであり得る。しかし、本発明はこれに限定されない。本明細書において、「環境形成手段」は、植物に光を照射する照明器具または太陽光、植物の周辺の雰囲気を温度調整する温度調整器、植物の周辺の雰囲気を湿度調整する湿度調整器、植物の周辺の雰囲気に風を送る送風ファンの風速および／または風量を調整する風速風量調整器、および／または植物の周辺の雰囲気の二酸化炭素濃度を調整する二酸化炭素濃度調整器をいう。
測定部は、養液に含まれるイオンの濃度を測定可能なものであれば特に限定されるものではない。好ましくは、本発明の養液栽培システムは、養液に含まれる１以上のイオン濃度を個別に測定可能なように、各イオンに対してそれぞれ対応する１つのセンサを有する。
センサは、各イオンを個別に測定できる範囲で任意のものであり得るが、例えば、各イオンに反応する公知のイオン選択性電極であり得る。例えば、リンイオンを直接測定可能なイオン選択性電極としてリン酸亜鉛電極を用いてもよい。しかし、本発明はこれらに限定されず、例えば、分光計センサなどであってもよい。
また、イオン選択性電極は、カートリッジ式であることが好ましい。カートリッジ式とすることにより、電極交換の手間や電極交換におけるセンサの較正をする手間が省け、生産コストの削減に寄与する。この場合、例えば養液タンクに電極カートリッジの挿入部が設けられ、その挿入部に電極カートリッジを挿入することによって電極によって対象とするイオン濃度が測定され得る。
養液タンクに少なくとも１以上のイオンを補給する補給手段は、１以上のイオンを補給であればどのような構成でもよいが、好ましくは、各イオンを個別に補給することが可能なようにイオン毎に補給タンクを備える。イオンごとに個別の補給タンクを備えることにより、必要なイオンのみを補給することができるため、無駄な養液の補給が防止でき生産コストを削減することが可能となる。また、必要なイオンのみを個別に補給することができるため、例えば鉄分（鉄イオン）が多く含まれる野菜、カルシウム分が多く含まれる野菜などの機能性野菜を効率よく栽培することも可能となる。
また、好ましくは、補給タンクはカートリッジ式である。カートリッジ式とすることにより容易に交換可能となり生産コストの削減が可能となる。
一般的に、植物の発芽などの生育の初期段階、開花などの生育の中期段階、結実などの生育の終期段階など植物の生育ステージ、または日中、夜間など植物の光合成が行われるか否かの状況に応じて、必要な、または適切な養分、植物への光量、植物の周囲の温度、植物の周囲の湿度は変化し得る。本発明においては、制御部は、これらの要因の１または複数をパラメータとして考慮しつつ、さらにイオン濃度の変化に応じて、システムにおける植物の生育環境を制御し得る。なお、本明細書中、植物の「生育ステージ」とは、物の発芽などの生育の初期段階、開花などの生育の中期段階、結実などの生育の終期段階など、植物の外面や外形から特定され得る植物の生育の状態を意味する。これに対して、植物の「栽培ステージ」とは、生育フェーズ（昼夜や季節とは別に一日の中でも、光合成をおこなったり、養液から養分を吸収するフェーズ）であるか、休止フェーズ（養分の吸収を低減して生育の程度を停止または緩やかにするフェーズ）であるか、または特定のイオンを吸収させるのに適している時期であるか、等、植物の外面や外形からは特定できない植物の状態を意味する。
制御部は、イオン濃度の変化に応じて、植物の栽培ステージを判定することが可能な演算部を備えている。演算部には、イオン濃度の変化と、栽培ステージの相関関係が予め入力されており、測定されたイオン濃度の変化を演算し、その結果から栽培ステージを特定することができる。特定された栽培ステージに応じて、必要な場合または好ましい場合には制御部は植物の生育環境を変更し得る。このような構成とすることによって、本発明の養液栽培システムは、イオン濃度の変化から植物の状態を判定し、得られた植物の状態に合わせて適切な植物の生育環境を管理することが可能となる。
また、演算部には、判定された栽培ステージに応じて、所望の生育環境を形成し得る環境形成手段の各制御条件が登録されていてもよい。
本発明の養液栽培システムによって栽培される植物は任意であり得る。本発明の養液栽培システムによって栽培される植物として好ましい植物は、多年生植物である。多年生植物とは、一度栽培したら複数年にわたって継続して収穫可能な植物のことを意味する。多年生植物は、一年生の植物と比較して、栽培が長期間にわたり、栽培中の養液のイオン濃度の変動の影響を大きく受ける。したがって、多年生植物の栽培においては、本発明の養液栽培システムによって植物の状態に合わせた適切な植物の生育環境管理を行うことが特に好ましい。多年生植物の例として、例えば、苺、スイカなどの果実、トマト、じゃがいも、ねぎなどの野菜が挙げられるが、本発明はこれに限定されない。例えば、レタスなどの一年生の植物であってもよい。
以下の実施形態の説明では、養液は、リンイオン、窒素イオンおよびカリウムイオンを含む液として、硝酸溶液、リン酸溶液、および塩化カリウム溶液を混合して得られたものである。この養液には、リンイオンはリン酸イオン、窒素イオンは硝酸イオン、およびカリウムイオンはカリウムイオンの状態で含まれている。
さらに、以下の実施形態では、測定部で測定されたイオン濃度の変化は、コンピュータに内蔵されているプロセッサにより演算される。一つの実施形態において、プロセッサは、測定部が１０分〜６０分程度の一定間隔を置いて養液中の各イオンの濃度を繰り返し測定したときに、所定期間当たり（例えば、３０分当たり）のイオン濃度の変化（例えば、変化量または変化率など）を算出し、算出した変化を予め演算部に入力されているイオン濃度変化と栽培ステージとの相関関係に基づいて、光合成などが盛んに行われる生育フェーズなのか、養分の吸収が低いなどの休止フェーズなのかを判定するものである。ただし、イオン濃度の変化の算出は、コンピュータとは独立した演算装置で行ってもよい。
以下に提供される実施形態は、本発明のよりよい理解のために提供されるものであり、本発明の範囲は以下の記載に限定されるべきではない。本明細書中の記載を参酌して、本発明の範囲内で適宜改変を行なうことができることは、当業者に明らかである。
図１は本発明の実施形態１による養液栽培システム１００を説明するための図である。
図１に示す養液栽培システム１００は、植物１０を養液Ｌにより栽培する養液栽培システムである。この養液栽培システム１００は、植物１０を生育させる生育部１１０と、植物１０と養液タンク１３１との間で循環させる養液循環部１３０と、循環する養液Ｌに含まれる複数のイオンのうちの少なくとも１つのイオンの濃度を測定する測定部１４０とを備えている。生育部１１０は、植物１０の生育環境を形成する環境形成手段１０１を有している。
さらに、養液栽培システム１００は、養液Ｌを構成する各種肥料溶液を養液循環部１３０の養液タンク１３１に補充する肥料補充部１２０と、測定された少なくとも１つのイオンの濃度の変化に基づいて生育環境が植物１０の栽培ステージに適した環境となるように環境形成手段１０１を制御する制御部（コンピュータ）１５０を備えている。
以下、より具体的に説明する。
（生育部１１０）
生育部１１０は、植物１０が収容される複数の栽培ポット１１２と、複数の栽培ポット１１２を収容する栽培ケース１１１とを有する。栽培ケース１１１内には、複数の栽培ポット１１２を載せるためのポット載置台１１３が設けられ、栽培ケース１１１は、その内部が養液で満たされたとき、ポット載置台１１３上に載せられた栽培ポット１１２の下部が養液Ｌに浸かるようになっている。
生育部１１０は、植物１０が収容される複数の栽培ポット１１２と、複数の栽培ポット１１２を収容する栽培ケース１１１とを有する。栽培ケース１１１内には、複数の栽培ポット１１２を載せるためのポット載置台１１３が設けられ、栽培ケース１１１は、その内部が養液で満たされたとき、ポット載置台１１３上に載せられた栽培ポット１１２の下部が養液Ｌに浸かるようになっている。
なお、栽培ケース１１１にはケース支持脚１１４が取り付けられており、栽培ケース１１１は、ケース支持脚１１４により設置面から所定の高さに保持されている。
さらに、生育部１１０に含まれる環境形成手段１０１は、栽培ケース１１１内に収容された植物１０に光を照射する照明器具１１０ａと、植物１０の周辺の雰囲気を温度調整する温度調整器１１０ｂと、植物１０の周辺の雰囲気を湿度調整する湿度調整器１１０ｃと、植物の周辺の雰囲気に風を送る送風ファンの風速および／または風量を調整する風速風量調整器１１０ｄとを有する。照明器具１１０ａ、温度調整器１１０ｂ、湿度調整器１１０ｃ、および風速風量調整器１１０ｄはそれぞれ、照明制御信号Ｌｃ、温度調整制御信号Ｈｅｃ、湿度調整制御信号Ｈｕｃ、および風速風量調整制御信号Ｈｓｃにより制御されるように構成されている。
（養液循環部１３０）
養液循環部１３０は、養液を溜める養液タンク１３１と、養液タンク１３１の養液を生育部１１０の栽培ケース１１１に供給するための供給配管１３３と、栽培ケース１１１の養液Ｌを養液タンク１３１に回収するための回収配管１３２とを有する。供給配管１３３の一部には、養液Ｌを養液タンク１３１と栽培ケース１１１との間で循環させるための循環ポンプ１３４が取り付けられており、この循環ポンプ１３４は、ポンプ制御信号Ｐｃにより制御されるように構成されている。
養液循環部１３０は、養液を溜める養液タンク１３１と、養液タンク１３１の養液を生育部１１０の栽培ケース１１１に供給するための供給配管１３３と、栽培ケース１１１の養液Ｌを養液タンク１３１に回収するための回収配管１３２とを有する。供給配管１３３の一部には、養液Ｌを養液タンク１３１と栽培ケース１１１との間で循環させるための循環ポンプ１３４が取り付けられており、この循環ポンプ１３４は、ポンプ制御信号Ｐｃにより制御されるように構成されている。
（肥料補給部１２０）
肥料補給部１２０（補給手段）は、養液Ｌを構成する３つの肥料溶液を養液循環部１３０の養液タンク１３１に補給するものであり、第１〜第３の補給タンク１２１〜１２３を有する。図示される実施形態においては、養液は、肥料の三要素である窒素、リン酸、カリに対応する硝酸溶液（第１の肥料溶液）Ｌ１、リン酸溶液（第２の肥料溶液）Ｌ２、および塩化カリウム溶液（第３の肥料溶液）Ｌ３を混合して得られたものであるが、本発明はこれに限定されない。
肥料補給部１２０（補給手段）は、養液Ｌを構成する３つの肥料溶液を養液循環部１３０の養液タンク１３１に補給するものであり、第１〜第３の補給タンク１２１〜１２３を有する。図示される実施形態においては、養液は、肥料の三要素である窒素、リン酸、カリに対応する硝酸溶液（第１の肥料溶液）Ｌ１、リン酸溶液（第２の肥料溶液）Ｌ２、および塩化カリウム溶液（第３の肥料溶液）Ｌ３を混合して得られたものであるが、本発明はこれに限定されない。
第１の補給タンク１２１には硝酸溶液Ｌ１が貯えられ、第２の補給タンク１２２にはリン酸溶液Ｌ２が貯えられ、第３の補給タンク１２３には塩化カリウム溶液Ｌ３が貯えられている。第１〜第３の補給タンク１２１〜１２３にはそれぞれ、対応する肥料溶液を養液タンク１３１に補給するための第１〜第３の補給管２１ａ〜２３ａが取り付けられている。第１〜第３の補給管２１ａ〜２３ａにはそれぞれ開閉弁（第１〜第３の開閉弁）２１ｂ〜２３ｂが設けられている。ここで、第１〜第３の開閉弁２１ｂ〜２３ｂは、第１〜第３の補給制御信号Ｆｃ１〜Ｆｃ３により第１〜第３の補給管２１ａ〜２３ａを開閉するように構成されている。補給タンク１２１〜１２３はカートリッジ式で個別に取り換え可能に構成されているため、残量に応じて必要なイオンに対応する補給タンクを容易に交換することができる。
（測定部１４０）
測定部１４０は、濃度の測定を行う養液Ｌを一時的に収容する測定タンク１４１と、測定タンク１４１内に配置された第１〜第３の測定電極１４２ａ〜１４２ｃと、これらの測定電極１４２ａ〜１４２ｃとそれぞれに対応する参照電極（図示せず）との間の電位差を測定する測定器１４５とを有する。ここで、第１の測定電極１４２ａは、硝酸イオンにのみ反応するイオン選択性電極であり、第２の測定電極１４２ｂは、リン酸イオンにのみ反応するイオン選択性電極であり、第３の測定電極１４２ｃは、カリウムイオンにのみ反応するイオン選択性電極である。測定器１４５は、第１〜第３の測定電極１４２ａ〜１４２ｃにより測定した電位差に基づいて、養液Ｌ中の硝酸イオン、リン酸イオン、カリウムイオンのそれぞれの濃度を示す情報を制御部１５０に出力するように構成されている。
測定部１４０は、濃度の測定を行う養液Ｌを一時的に収容する測定タンク１４１と、測定タンク１４１内に配置された第１〜第３の測定電極１４２ａ〜１４２ｃと、これらの測定電極１４２ａ〜１４２ｃとそれぞれに対応する参照電極（図示せず）との間の電位差を測定する測定器１４５とを有する。ここで、第１の測定電極１４２ａは、硝酸イオンにのみ反応するイオン選択性電極であり、第２の測定電極１４２ｂは、リン酸イオンにのみ反応するイオン選択性電極であり、第３の測定電極１４２ｃは、カリウムイオンにのみ反応するイオン選択性電極である。測定器１４５は、第１〜第３の測定電極１４２ａ〜１４２ｃにより測定した電位差に基づいて、養液Ｌ中の硝酸イオン、リン酸イオン、カリウムイオンのそれぞれの濃度を示す情報を制御部１５０に出力するように構成されている。
上述に説示したように、本発明において、「イオン濃度の測定値」という場合、当該イオン濃度の測定手段によって直接測定された値をいい、他のイオンの測定値から算出または推測等されることによって間接的に導かれる値をいうのではない点に留意されたい。
さらに、測定タンク１４１は、導入管４３ａにより養液タンク１３１に接続されており、導入管４３ａには開閉弁４３ｂが取り付けられている。測定タンク１４１には、内部の養液Ｌを排出するための排出管４４ａが取り付けられており、排出管４４ａにも開閉弁４４ｂが取り付けられている。これらの開閉弁４３ｂおよび４４ｂは、導入制御信号Ｓｃおよび排出制御信号Ｄｃにより導入管４３ａおよび排出管４４ａを開閉するように構成されている。
（制御部１５０）
制御部１５０はコンピュータであり得る。本実施形態においては、コンピュータ１５０は、測定された少なくとも１つのイオンの濃度の変化（例えば、所定期間当たりの変化量や変化率）を算出し、硝酸イオン、リン酸イオン、およびカリウムイオンのイオンの濃度の変化に応じて植物の栽培ステージなどを判定する。この判定に従って、肥料補給部１２０、照明器具１１０ａ、温度調整器１１０ｂ、湿度調整器１１０ｃ、および風速風量調整器１１０ｄが、各ステージでは、予め設定されたオンオフ状態となるようにこれらの機器を制御する。
制御部１５０はコンピュータであり得る。本実施形態においては、コンピュータ１５０は、測定された少なくとも１つのイオンの濃度の変化（例えば、所定期間当たりの変化量や変化率）を算出し、硝酸イオン、リン酸イオン、およびカリウムイオンのイオンの濃度の変化に応じて植物の栽培ステージなどを判定する。この判定に従って、肥料補給部１２０、照明器具１１０ａ、温度調整器１１０ｂ、湿度調整器１１０ｃ、および風速風量調整器１１０ｄが、各ステージでは、予め設定されたオンオフ状態となるようにこれらの機器を制御する。
ただし、イオン濃度の変化に応じた制御部１５０による肥料補給部１２０、照明器具１１０ａ、温度調整器１１０ｂ、湿度調整器１１０ｃ、および風速風量調整器１１０ｄの制御はこれに限定されるものではなく、測定された少なくとも１つのイオンの濃度の変化に応じて、生育環境（例えば、肥料補給部１２０、照明器具１１０ａ、温度調整器１１０ｂ、湿度調整器１１０ｃ、および風速風量調整器１１０ｄのうちの少なくとも１つ）を制御するものであればよい。
さらに、コンピュータ１５０は、硝酸イオン、リン酸イオン、およびカリウムイオンのそれぞれの濃度が既定の下限値を下回ったときは、第１〜第３の補給制御信号Ｆｃ１〜Ｆｃ３により第１〜第３の開閉弁２１ｂ、２２ｂ、２３ｂが開くようにこれらの開閉弁２１ｂ、２２ｂ、２３ｂを制御する。これにより肥料溶液の補給が行われる。
さらに、制御部１５０は、養液Ｌを養液循環部１３０の養液タンク１３１から測定部１４０の測定タンク１４１に導入されるように導入制御信号Ｓｃにより開閉弁４３ｂを制御し、さらに、測定後に測定タンク１４１に溜まっている養液Ｌが排出されるように開閉弁４４ｂを制御する。
ここで、コンピュータ１５０は、測定信号Ｓｄに基づいて各種演算を行うプロセッサ１５１と、コンピュータ外部の機器とのデータの受け渡しを行う入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ ＩＦ）１５３と、プロセッサ１５１を動作させるプログラムとともに各種データを記録するメモリ１５２とを有する。
（測定および制御）
以下に、本発明の養液栽培システム１００におけるイオン濃度の測定および生育環境の制御の一例を説明する。
以下に、本発明の養液栽培システム１００におけるイオン濃度の測定および生育環境の制御の一例を説明する。
養液測定部１４０では、測定器１４５は、コンピュータ１５０からの測定制御信号Ｍｏｃにより、測定タンク１４１に溜まった養液Ｌに含まれる硝酸イオン、リン酸イオン、カリウムイオンの濃度を第１〜第３の測定電極（イオン選択性電極）１４２ａ〜１４２ｃにより測定し、イオン濃度を示す情報を測定信号Ｓｄとしてコンピュータ１５０に出力する。
プロセッサ１５１がイオン濃度を示す情報を受けると、硝酸イオン、リン酸イオン、カリウムイオンのうちのいずれかのイオン濃度が基準値より低下しているか否かの判定を行う。
プロセッサ１５１は、養液における各イオン濃度を測定し、その変化（例えば、変化量や変化率）を算出する。この変化は、例えば、前回測定したイオン濃度に対する今回測定したイオン濃度の変化の量率または比率である。
例えば、プロセッサ１５１には、各イオン濃度の変化に対する基準値（例えば、減少率に対する基準比率)と、基準値に基づいて植物がどの栽培ステージであるかを判定すること、および各栽培ステージに合わせて環境形成手段または補給イオン濃度をどのような状態に制御するかがプログラムされていてもよい。
その後、プロセッサ１５１は、硝酸イオン、リン酸イオン、カリウムイオンの各イオンの濃度の変化率を対応する基準比率と比較し、植物１０の栽培ステージを判定する。
プロセッサ１５１は、植物１０の栽培ステージを判定した後、各栽培ステージに設定されている環境形成手段の各機器（肥料補給部１２０、照明器具１１０ａ、温度調整器１１０ｂ、湿度調整器１１０ｃ）の制御条件に基づいて、環境形成手段を駆動すること、および／または補給イオンとその濃度を決定し得る。
このように、イオン濃度の変化に基づいて植物の栽培ステージを判定し、栽培ステージに応じて適切な環境条件となるように環境形成手段および／または補給イオンを制御することにより、植物の生育に伴う光熱費などの無駄を抑えて効率よく植物の養液栽培を行うことができる。例えば、植物１０が光合成を行っていないときに、植物１０に光を照射することの無駄をなくすことができる。
その後、プロセッサ１５１は、測定タンク１４１から養液Ｌが排出管４４ａを介して養液栽培システム１００の外部に排出されるように排出制御信号Ｄｃにより開閉弁４４ｂを制御する。
例えば、いずれかの養液のイオン濃度が基準値の範囲から外れている場合は、プロセッサ１５１は、当該イオンに対応する補給養液のイオン濃度を調整し得る。例えば、硝酸イオンのイオン濃度が基準値よりも低下している場合は、プロセッサ１５１は、第１の肥料溶液Ｌ１から硝酸溶液が養液タンク１３１に補給されるように第１の補給制御信号Ｆｃ１により第１の開閉弁２１ｂを制御する。同様に、リン酸イオンのイオン濃度が基準値よりも低下している場合は、プロセッサ１５１は、第２の肥料溶液Ｌ２からリン酸溶液が養液タンク１３１に補給されるように第２の補給制御信号Ｆｃ２により第２の開閉弁２２ｂを制御する。また、カリウムイオンのイオン濃度が基準値よりも低下している場合は、プロセッサ１５１は、第３の肥料溶液Ｌ３から塩化カリウム溶液が養液タンク１３１に補給されるように第３の補給制御信号Ｆｃ３により第３の開閉弁２３ｂを制御する。
なお、本実施形態では、イオンの濃度の測定部１４０では、養液タンク１３１から養液Ｌを測定タンク１４１に導入し、測定タンク１４１で硝酸イオン、リン酸イオン、カリウムイオンを測定し、測定後は、養液Ｌを廃棄しているので、第１〜第３の測定電極として用いられるイオン選択性電極の構成金属が養液Ｌに溶け出しても、植物１０の生育に悪影響を与えることはない。
ただし、養液Ｌ中の種々のイオンを測定する種々のイオン選択性電極のすべてが人体に悪影響のある物質でできているのではなく、一部の電極に問題がある場合もある。
例えば、リン酸イオンを選択的に検出するイオン選択性電極にリン酸亜鉛が用いられており、養液Ｌへの亜鉛の溶出が問題となり、他の硝酸イオンやカリウムイオンを選択的に測定するイオン選択性電極にはこのような人体に有害な物質の溶出は生じない場合もある。
このような場合、養液中の種々のイオンを測定するすべての測定電極を、１つの測定タンク１４１に設置すると、測定タンク１４１の容量を大きくなり、多量の養液Ｌを廃棄することとなり、不経済である。
そこで、第１および第２の２つの測定タンクを用い、第１の測定タンクには、有害な物質の溶出は生じないイオン選択性電極を設置し、第２の測定タンクに有害な物質の溶出が生じるイオン選択性電極を設置し、第１の測定タンクの養液は、養液タンクに戻し、第２の測定タンクの養液のみ廃棄するようにしてもよい。この場合、廃棄する養液Ｌの量を少なくすることができ、経済的である。
また、制御部により補給手段、照明器具、温度調整器、および湿度調整器の制御は、上述の実施形態に限定されない。
以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
本発明は、養液栽培システムの分野において、植物の状態に合わせて植物の生育環境を管理することができ、これにより、生産コストを低く抑えて品質のよい野菜や果実を効率よく生産することができる養液栽培システムを得ることができるものとして有用である。
１００ 養液耕栽培システム
１０１ 環境形成手段
１１０ 生育部
１２０ 肥料補充部
１３０ 養液循環部
１３１ 養液タンク
１４０ 養液測定部
１４５ 測定器
Ｌ 養液
１０１ 環境形成手段
１１０ 生育部
１２０ 肥料補充部
１３０ 養液循環部
１３１ 養液タンク
１４０ 養液測定部
１４５ 測定器
Ｌ 養液
Claims (12)
- 植物を養液により栽培する養液栽培システムであって、
該植物を生育させる生育部と、
該養液を収容する養液タンクと、
該養液に含まれる複数のイオンの濃度を測定する測定部と、
該養液タンクに該イオンを補給する補給手段と、
該イオンの濃度の測定値の変化に基づいて該養液栽培システムの生育環境を制御する制御部と、
を備え、
該生育環境は、該補給手段から補給される該イオンの濃度を含み、
該測定部は、
該養液タンクから取り出された該養液を収容する測定タンクを備え、
該測定タンクは、
第１のイオン選択性電極が設置される第１の測定タンクと、
第２のイオン選択性電極が設置される第２の測定タンクと
を備え、
該第１の測定タンクに収容された該養液の少なくとも一部を該養液タンクに戻し、
該第２の測定タンクに収容された該養液を、該養液タンクに戻さず廃棄するように構成されている、養液栽培システム。 - 前記制御部は、測定された前記複数のイオンのうち少なくとも１つのイオンの濃度の所定期間内の変化量もしくは変化率に基づいて環境形成手段および／または前記補給手段を制御する、請求項１に記載の養液栽培システム。
- 前記複数のイオンのうち少なくとも１つのイオンはリンイオンである、請求項１または２に記載の養液栽培システム。
- 前記複数のイオンのうち少なくとも１つのイオンは、カリウムイオン、窒素イオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、鉄イオン、ナトリウムイオン、塩素イオン、スズイオン、モリブデンイオンの少なくとも１つをさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
- 前記所定期間は、１０分、３０分、１時間、２時間もしくは１日である、請求項２、請求項２に従属する請求項３または請求項４のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
- 前記測定タンクは、測定する前記複数のイオンのうち少なくとも１つのイオンごとに個別に設けられる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
- 前記第２のイオン選択性電極は、少なくとも前記養液に含まれるリンイオンに選択的に反応するリン酸亜鉛を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
- 前記第１のイオン選択性電極および前記第２のイオン選択性電極のうちの少なくとも１つのイオン選択性電極は、カートリッジ式である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
- 前記補給手段は、前記複数のイオンのうち少なくとも１つのイオンをそれぞれ個別に収納する少なくとも１つの補給タンクを備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
- 前記植物と前記養液タンクとの間で該養液を循環させる循環部をさらに備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
- 前記少なくとも１つの補給タンクは、カートリッジ式である、請求項９または１０のいずれか一項に記載の養液栽培システム。
- 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の養液栽培システムを用いて植物を栽培する工程を包含する、養液栽培植物の製造方法。
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