JPH02124043A - 水耕栽培装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、窒素富化空気を大量に必要とする主として
、豆科植物に適した水耕栽培装置に関する。

（従来の技術） 一般に、植物栽培工場などにおいて、水耕栽培装置を使
用した各種植物の水耕栽培が行われている。

（発明が解決しようとする課題） 所で、水耕栽培を行なう場合、その培養溶液に空気中の
窒素を自然状態で溶解させることが困難であり、また、
窒素自身は前記溶液に溶けにくいことから、窒素固定機
能をもつ根粒バクテリアが繁殖する主として豆科植物を
栽培する栽培法としては適さないとされていた。

従って、前記豆科植物を栽培する場合、水耕栽培による
ことなく露地栽培によっていたため、栽培能率が悪い問
題があった。

本発明の目的は、水耕栽培が難しかった主として豆科植
物など、窒素固定機能を有する根粒バクテリアが繁殖す
る植物を栽培することのできる水耕栽培装置を提供する
点にある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、空気取入口（１２）を備え
たケーシング（１１）に多数本の多孔質中空糸（１６）
を内装して、該中空系（１６）の表面に、酸素透過係数
が窒素透過係数よりも大きい非多孔質膜材（１７）を形
成すると共に、前記取入口（１２）から取入れる供給空
気の前記膜材（１７）に対する透過側に、前記供給空気
に対し酸素濃度の高い酸素富化空気を取出す第１取出口
（１３）を設ける一方、前記供給空気の前記膜材（１７
）に対する非透過側に、前記供給空気に対し窒素濃度の
高い窒素富化空気を取出す第２取出口（１４）を設けた
窒素発生長ｆｉｆ　（Ａ）と、培養溶液槽（Ｂ）とから
成り、前記窒素発生装置（Ａ）の前記第２取出口（１４
）に窒素富化空気供給管（２２）を接続し、この供給管
（２２）を前記培養溶液槽（Ｂ）の液面下に開口させた
ことを特徴とするものである。

（作用） しかして、前記窒素発生装置（Ａ）において、前記多孔
質中空糸（１６）の外表面に形成した非多孔質膜材（１
７）は、酸素透過係数が窒素透過係数に対して大とされ
ており、従って前記ケーシング（１１）の空気取入口（
１２）から内部に取入れられた空気は、その酸素分子の
多くが前記非多孔質膜材（１７）で透過され、前記中空
糸（１６）の内部を経て前記第１取出口（１３）から外
部に酸素富化空気として取出され、また、前記空気中に
含何される窒素分子の多くは、前記非多孔質膜材（１７
）で透過されることなく、前記第２取出口（１４）から
外部に窒素富化空気として取出されるのであり、このと
き、後で詳述するように、前記非多孔質膜材（１７）に
対する供給空気比を調整することにより、窒素富化空気
中の窒素濃度を高めて、高濃度の窒素富化空気を前記第
２取出口（１４）から外部に取出し得るのである。

そして、前記窒素発生装置（Ａ）の第２取出口（１４）
から取出された窒素富化空気が、前記供給管（２２）を
介して前記培養溶液槽（Ｂ）の液面下に供給され、該溶
液槽（Ｂ）の培養溶液中に高濃度の窒素が溶存されるこ
ととなり、従って、特に豆科植物の水耕栽培時に、その
根粒バクテリアの活性化がはかられて、豆科植物の効率
良い工場規模での水耕栽培が可能となるのである。

（実施例） 実施例について、図面を参照して説明する。

第１図は、窒素発生装置（Ａ）に使用する膜モジユール
ユニット（１）の全体構造を示しており、有底円筒形状
をなす筒体（１１ａ）の上部開放側に蓋体（ｆｌｂ）を
取付けて、密閉構造とされたケーシング（１１）を形成
し、このケーシング（１１）における前記筒体（ｌｌａ
）の上方周壁部に空気取入口（１２）を設けると共に、
前記蓋体（ｆｌｂ）に酸素濃度の高い酸素富化空気を外
部に取出す第１取出口（１３）を設ける一方、前記筒体
（ｌｌａ）の下部側に窒素濃度の高い窒素富化空気を外
部に取出す第２取出口（１４）を設けている。

また、前記ケーシング（１１）の中心内部には、全体形
状が筒状をなす窒素富化要素（１５）を配設するのであ
って、この窒素富化要素（１５）は次のごとく形成する
のである。

即ち、第２図で詳しく示したごとく、長尺細径とされた
直管状の多孔質中空糸（１６）を用い、該中空糸（１６
）の外表面に、酸素透過係数が窒素透過係数よりも大き
い含フツ素アクリレートから成る非多孔質膜材（１７）
をコーティングするのである。

前記多孔質中空糸（１６）としては、例えば内径が１０
０〜２００μ、外径が２００〜４００μで、０．１〜０
．５μの多数の細径孔をもったポリエチレン又はポリプ
ロピレンなどから成る多孔質中空体が使用される。

また、前記多孔質中空糸（１６）の外表面にコーティン
グする前記非多孔質膜材（１７）としては、酸素と窒素
との分離係数（α）が約２．５〜４．０程度の含フツ素
アクリレートが使用され、この含フツ素アクリレートを
前記中空糸（１６）の外表面に、約０．１〜２μの厚み
にコーティングして形成される。

更に、前記含フツ素アクリレートとしては、例えば、８
ＦＯＭＡ１αＦｆ３Ｆ０１αＦＳｉ２、αＦＮＰ系の化
合物が使用されるのである。

前記６ＦＯＭＡの化合物としては、例えば、ＣＨ。

但し、ｎは０又は１の整数 が使用される。

また、 前記ａＦＥｔＦＯ系の化合物としては、例 えば、 但し、ｎはＯ又はｌの 整数 が使用され、この化合物の酸素と窒素との分離係数（α
）は３．０である。

更に、前記ａＦＳｉａ系の化合物としては、例えば、 −（−ＣＨ２−−）− ００ＣＨ２−８ｉ（ＣＨ，）２０・５ｔ（ＣＨｓ）ｓが
使用され、この化合物の酸素と窒素との分離係数（α）
は２．６である。

また、前記ａＦＮＰ系の化合物としては、例えば、 −（−ＣＨ２−−）− ００ＣＨ２−ＣＣＣＨ−）− が使用され、この化合物の酸素と窒素との分離係数（α
）は４．１である。

そして、前記ケーシング（１１）の中心内部に、上下方
向に延びる筒状の支持体（１８）を配設すると共に、こ
の支持体（１８）の外周部に、該支持体（１８）よりも
径大とされた円筒形杖のカバー（１９）を配設して、該
カバー（１９）と前記支持体（１８）との間に、以上の
ごとく非多孔質膜材（１７）がコーティングされた前記
多孔質中空糸（１６）の多数本を束状に集束させた状態
で、上下方向に配設することにより、前記窒素富化要素
（１５）を構成するのである。

また、前記窒素富化要素（１５）には、前記空気取入口
（１２）から取入れられた空気を、前記各中空糸（１６
）の非多孔膜材（１７）で透過して、前記第１取出口（
１３）から外部に取出す酸素富化空気の流通路と、前記
非多孔膜材（１７）を透過することなく、前記第２取出
口（１４）から外部に取出す窒素富化空気の流通路とを
、各別に独立状に形成するのである。

具体的には、第１図で明らかなごとく、前記支持体（１
８）の上部側開放部を閉鎖すると共に、この支持体（１
８）の周壁下部側に、内外を連通させる開口部（１８ａ
）を形成し、かつ前記支持体（１８）の下端部を前記第
２取出口（１４）の基端側ボス部（１４ａ）に当接させ
て、このボス部（１４ａ）を介して前記支持体（１８）
の内部を前記第２取出口（１４）に開放させる。

また、前記支持体（１８）の外周部位に設けるカバー（
１９）は、前記ケーシング（１１）の内部で、前記空気
取入口（１２）の近（がら前記第２取出口（１４）の基
端ボス部（１４ａ）に当接されるごとく配設するのであ
る。

そして、前記支持体（１８）とカバー（１９）との間に
介装させる前記各多孔質中空糸（１６）の開口上部側を
、前記ケーシング（１１）における蓋体（ｆｌｂ）の内
部側に独立状に形成された酸素流出チャンバー（ｌｉｅ
）に開放させると共に、前記各中空糸（１６）の下端部
側を前記第２取出口（１４）の基端ボス部（１４ａ）に
当接させて閉鎖するのである。

以上の構成とすることにより、前記各多孔質中空糸（１
６）が介装される前記カバー（１９）と前記支持体（１
８）との対向空間、該支持体（１８）に設けた前記開口
部（１８ａ）、及び前記支持体（１８）の内部空間とで
、前記窒素富化空気の流通路が形成され、また前記各中
空糸（１６）の内部空間（管内空間）と、前記流出チャ
ンバー（ｌｌｃ）とで前記酸素富化空気の流通路が形成
されるのである。

しかして、前記空気取入口（１２）から前記ケーシング
（１）内に取入れられた供給空気は、第１図の矢印で示
したごとく、前記カバー（１９）の上部開放側から、該
カバー（１９）と前記支持体（１８）との対向空間に至
り、これら両者間に介装された前記各多孔質中空糸（１
６）の非多孔質膜材（１７）により、前記供給空気中に
含まれる窒素分子の多くが分離されることなく、前記窒
素富化空気の流通路、つまり前記カバー（１９）と前記
支持体（１８）との対向空間、該支持体（１８）の開口
部（１８ａ）、及びこの支持体（１８）の内部空間を経
て、前記第２取出口（１４）から外部へと取出されるの
であり、また、前記各中空糸（１６）の非多孔質膜材（
１７）で分離された酸素分子は、第３図の矢印で示した
ごとく、前記酸素富化空気の流通路、つまり前記各中空
糸（１６）の内部空間及び前記流出チャンバー（ｌｉｅ
）を経て、前記第１取出口（１３）から外部に取出され
るのである。

また、前記非多孔質膜材（１７）に対する供給空気の接
触効率を調整することにより、つまりは該非多孔質膜材
（１７）に対する供給空気比を調整することにより、前
記第２取出口（１４）から取出される窒素濃度を任意に
調整できるのであり、以下このことについて説明する。

第４図は、横軸に非多孔質膜材（１７）に対する供給空
気比（Ｏｃ）を、縦軸に窒素濃度（％）をとり、前記非
多孔質膜材（１７）の種類による窒素濃度の濃縮グラフ
を示しており、この第４図においては、酸素と窒素との
分離係数（α）が、４．０と、３．６と、３．０及び２
．６の４種類の非多孔質膜材（１７）を使用している。

前記供給空気比（ＯＣ）は、前記非多孔質膜材（１７）
を透過して得られる酸素富化空気量をＱｏとし、また、
前記非多孔質膜材（１７）を透過することなく得られる
窒素富化空気量をＱｎとしたとき、次式で定義される。

Ｑ　Ｃ＝　（Ｑ　Ｏ＋　Ｑ　ｎ　）　／　Ｑ　Ｏ・　・
　・　拳　・　■また、前記各種非多孔質膜材（１７）
の分離係数（α）は、 α＝（酸素の透過係数）／（窒素の透過係数）で計算さ
れる。

しかして、前記第４図で明らかなごとく、前記供給空気
比（ＯＣ）を小とすることにより、前記窒素富化空気の
窒素濃度を高めることができ、また、前記非多孔質膜材
（１７）として、分離係数の高いものを使用することに
より、前記窒素富化空気の窒素濃度を高め得るのである
。従って、例えば窒素濃度が９４％の窒素富化空気を得
る場合、分離係数（α）が２．６の非多孔質膜材（１７
）を使用するときには、前記供給空気比（ＯＣ）を約１
．４とすれば良く、士た、分離係数（α）が４．０の非
多孔質膜材（１７）を使用するときには、前記供給空気
比（Ｏｃ）を約１．８とすれば良いのである。

一方、前述した供給空気比（Ｏｃ）の定義式■に基づい
て、窒素富化空気量（Ｑｎ）を整理すると、次式が導か
れ、 Ｑｎ＝Ｑｏ　（Ｑｃ　−１）　＊　＊　１１　＠　１１
０となる。

以上の式■から明らかなごとく、前記供給空気比（Ｏｃ
）を小さくすると、窒素濃度を高めることができる反面
、取出される空気量自体は少なくなる。

次に、以上の膜モジユールユニット（１）を使用した窒
素発生装置（Ａ）と培養溶液槽（Ｂ）とから成る、本発
明水耕栽培装置を第５図に基いて説明する。

また、前記窒素発生装置（Ａ）は、前述した加圧式に限
らず、真空式とすることも可能であり、また、単段とす
る他、前記膜モジユールユニット（１）を複数個用いて
多段式とすることもできる。

第５図は加圧式とした前記窒素発生装置（Ａ）と培養溶
液槽（Ｂ）とのフローシートを示しており、前記膜モジ
ユールユニット（１）におけるケーシング（１１）の空
気取入口（１２）側に、コ／プレノサ−（２）とアフタ
ークーラー（３）とでパレータ（４）及び圧力調節弁（
５）をそれぞれ接続し、前記コンプレッサー（２）で圧
縮された空気を、前記アフタークーラー（３）により冷
却し、前記セパレータ（４）で液体を分離して、液体が
除去された供給空気を前記空気取入口（１２）から前記
ケーシング（１１）の内部へと供給するようになすので
ある。

以上のように、コンプレッサー（２）を用いて加圧式と
するから、前記膜モジユールユニット（１）に内装する
窒素富化要素（１５）の外周囲から外気が混入し難くな
って、前記第２取出口（１４）から外部に取出す窒素富
化空気の窒素濃度を所定潤度に維持し易い利点があるだ
けではなく、前記コンプレッサー（２）による供給空気
の圧力を高めることにより、前記窒素富化要素（１５）
における高圧側と低圧側との圧力差を大に設定すること
ができて、前記多孔質中空糸（１６）における非多孔質
膜材（１７）の酸素透過量を大にすることが可能となり
、換言すれば、前記非多孔質膜材（１７）を透過するこ
となく、前記第２取出口（１４）から取出される窒素富
化空気の窒素濃度を高めることができるのである。

即ち、前記非多孔質膜材（１７）の酸素透過量を（ｑ）
、酸素透過係数を（Ｋ　ｏ　）　、前記非多孔質膜材（
１７）の膜面積を（Ａ）、時間を（ｔ）、膜厚を（Ｌ）
、また前記非多孔質膜材（１７）の高圧側と低圧側との
圧力差を（Δｐ）としたとき、 前記非多孔質膜材（１７）の酸素透過量（ｑ）は、 Ｑ：ＫｏＸ　（ＡＸｔＸΔｐ）／ｌ、＊ｚ■の関係式で
表される。

しかして、以上説明したごとく、前記窒素発生Ｗｆｉｆ
ｆｉ（Ａ）を加圧式とすることにより、前記非多孔質膜
材（１７）の高圧側と低圧側との圧力差（Δｐ）を大き
く設定できるのであり、従って、前記関係式■から明ら
かなごとく、前記圧力差（Δｐ）を大にすることにより
、前記酸素透過量（ｑ）を大にでき、この酸素透過量（
Ｑ）が増大された分だけ、前記窒素富化空気の窒素濃度
を９３〜９８％に高めることができるのである。

また、前記培養溶液槽（Ｂ）は、内部に培養溶液（２０
）を循流させて、この循流培養溶液（２０）中で豆科植
物（２１）を育成させるようにするもので、前記窒素発
生装置（Ａ）を構成する膜モジユールユニット（１）の
第２取出口（１４）に窒素富化空気供給管（２２）を接
続し、この供給管（２２）の先端を前記培養溶液槽ＣＢ
）で循流される培養溶液（２０）の液面下に開口させた
のである。尚、第５図において（Ｅｉ）（７）は開閉弁
である。

以上の構成とすることにより、前記窒素発生装置（Ａ）
の第２取出口（１４）から取出される高濃度の窒素を含
んだ窒素富化空気が、前記供給管（２２）を介して前記
培養溶液槽（Ｂ）の培養溶液（２０）中に供給され、こ
の培養溶液（２０）中に高濃度の窒素が溶存されるので
あり、従って、該溶存窒素が前記培養溶液（２０）中で
育成される豆科植物（２１）に栄養分として積極的に供
給され、その根粒バクテリアの活性化がはかられて、豆
科植物（２１）の効率良い水耕栽培ができるのである。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明は、空気取入口（１２）を
備えたケーシング（１１）に多数本の多孔質中空糸（１
６）を内装して、該中空糸（１６）の表面に、酸素透過
係数が窒素透過係数よりも大きい非多孔質膜材（１７）
を設けると共に、前記取入口（１２）から取入れる供給
空気の前記膜材（１７）に対する透過側に、前記供給空
気に対し酸素濃度の高い酸素富化空気を取出す第１取出
口（１３）を設ける一方、前記供給空気の前記膜材（１
７）に対する非透過側に、前記供給空気に対し窒素濃度
の高い窒素富化空気を取出す第２取出口（１４）を設け
たから、原料コストやランニングコストを低廉にできな
がら、必要時に必要量の窒素富化空気を外部に取出すこ
とができるのであり、また、前記窒素発生装置（Ａ）の
第２取出口（１４）に窒素富化空気供給管（２２）を接
続して、この供給管（２２）を前記培養溶液槽（Ｂ）の
液面下に開口させたから、前記窒素発生装置（Ａ）で発
生した窒素富化空気を前記培養溶液槽（Ｂ）の培養溶液
中に積極的に供給して、この培羨溶液中の溶存窒素濃度
を高めることが可能となり、従って、特に豆科植物の水
耕栽培時に、その根粒バクテリアの活性化をはかること
ができ、豆科植物の効率良い工場規模での水耕栽培がで
きるに至ったのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明水耕栽培装置の窒素発生装置に使用する
膜モジユールユニｙ）の縦断面図、第２図は同膜モジユ
ールユニットに使用される多孔質中空糸の拡大斜視図、
第３図は膜モジユールユニットの要部を示す拡大斜視図
、第４図は窒素ｌＱ度と供給空気比との関係を示す斜視
図、第５図は本発明水耕栽培装置の一実施例を示すフロ
ーン〜ト図である。 （Ａ）・・・・・窒素発生装置 （Ｂ）φ・・・−培養溶液槽 （１１）−−−−−ケーシング （１２）・・・・・空気取入口 （１３）・・φ１第１取出口 （１４）−−−”・第２取出口 （１８）−・・・・多孔質中空糸 （１７）＠・・・・非多孔質膜材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）空気取入口（１２）を備えたケーシング（１１）に
   多数本の多孔質中空糸（１６）を内装して、該中空糸（
   １６）の表面に、酸素透過係数が窒素透過係数よりも大
   きい非多孔質膜材（１７）を形成すると共に、前記取入
   口（１２）から取入れる供給空気の前記膜材（１７）に
   対する透過側に、前記供給空気に対し酸素濃度の高い酸
   素富化空気を取出す第１取出口（１３）を設ける一方、
   前記供給空気の前記膜材（１７）に対する非透過側に、
   前記供給空気に対し窒素濃度の高い窒素富化空気を取出
   す第２取出口（１４）を設けた窒素発生装置（Ａ）と、
   培養溶液槽（Ｂ）とから成り、前記窒素発生装置（Ａ）
   の前記第２取出口（１４）に窒素富化空気供給管（２２
   ）を接続し、この供給管（２２）を前記培養溶液槽（Ｂ
   ）の液面下に開口させていることを特徴とする水耕栽培
   装置。