JPS595249B2 - 培養液濃度自動調節方法と培養液濃度自動調節装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水耕栽培に用いる培養液が栽培作物による養分
吸収によって濃度が減少した場合、その濃度減少を自動
的に検知して、その減少分を補給し、培養液の濃度を常
に作物の最適の状態に保つ方法とその装置に関するもの
である。

従来電気伝導度により間接的に培養液の濃度を検知して
自動調節する方法があるが、本発明はこの従来の方法に
代えて濃度の減少を直接電位差として検知して、正確に
培養液濃度を自動調節するようにしたものである。

従来、水耕栽培における培養液濃度を自動的に制御する
手段として、電気伝導度計を検出端としたものがあるが
、この手段にはいくつかの問題点がある。

すなわち、水耕栽培に用いられる培養液も含めて一般の
電解質水溶液の電気伝導度は温度変化に非常に敏感であ
る。

たとえば培養液は電気伝導度値で１００ μ’Ｕ／Ｃｒ
ｒＬ〜１００００ μＵ／ｃｍの濃度で使用されるが、
この範囲での常温附近での電気伝導度の温度変化は２，
０〜２．５％／℃位になる。

水耕栽培において培養液の温度変化は１日のうちでも昼
と夜で１０℃程度あり、また季節によっても昼間の液温
か１０℃程度異なるのが普通である。

したがって同じ培養液濃度であっても、１０℃の温度変
化によって２０％以上の電気伝導度の変化が結果的にも
たらされ、このままでは電気伝導度による培養液濃度の
自動調節を行うことは不可能である。

これを解決する手段として、信号受信部に温度補償回路
を設けて温度変化分を補正している。

さらに培養液中のイオンを反応させることな（、電気伝
導値を得るためにかなりの高周波数（ＩＫＨ４前後）の
正弦波の発振部が必要となるなど、電気伝導度検出によ
る培養液濃度の自動管理手段は非常に高価なものになっ
ている。

本発明はこのような問題点を改良するもので、２本の照
合電極を用いてイオン交換膜を介して両電極間に生ずる
電位差により、培養液濃度の変化を検出して、培養液の
濃度を自動的に管理するものであり、温度補償の必要性
もなく、かつ発振部も不要で安価にかつ正確に培養液の
濃度を制御することが可能である。

すなわち、一般的にイオン交換膜を介して組成が異なる
電解液がある系においては、イオン交換膜中におけるイ
オンの輸率が電解液中の値と異なる場合、固溶液間に電
位差すなわち膜電位Ｅｍが生じ、その値は で表わされる。

ただし、Ｒは気体定数、Ｆはファラデ一定数、Ｔは絶対
温度、 はイオンｉの膜ｉ 中の輸率、Ｚ・はイオンｉの電荷、ａＶ、ａｖは１
１１ 両溶液中のイオンｉの活量である。

いま、培養液のような比較的濃度の低い電解質溶液の場
合、イオン交換膜がアニオン交換膜の場合には、ｔキ１
ｔ＋ｆ−０１カチオン交換膜の場合には、ｔ＋キ１ｔ−
キＯのようになってほぼ一方の電荷をもつイオンしか膜
内を通ることができない。

したがって、膜電位は、のような簡単な系を例にとると
、近似的にで表わされ、固溶液間の濃度差の対数に比例
した電位差が生ずる。

本発明はこの原理を応用したもので、作物の生育に理想
的な濃度の基準培養液をイオン交換膜の壁より構成され
ている容器に入れ、この容器を培養液槽の培養液に入れ
、基準培養液と使用培養液との濃度差を膜電位として検
出し、培養液濃度な自動的に制御することができる。

またこの方法においては、常温附近における約１０℃の
温度変化で生ずる電位差の変化は約３．５％と非常に小
さいために、検出値の温度補正の必要は全（ない。

さらにこの方法においては個々のイオンまたは全イオン
の濃度の絶対値を検出するのではないから精密な電圧計
の必要もない。

培養液として一般に用いられている以下の中性塩の組合
せを溶質として、各濃度差での膜電位を調べたところ、
次の第１表のような電位差が得られた。

標準培養液濃度 なお照合電極にはＡｇ／Ａｇｃｌ電極を２本用い、両電
極間の電位を測定した。

表１かられかるように、イオン交換膜両側溶液の濃度差
による膜電位は約１０％の濃度減少により、２ｍＶ程度
と、制御回路の作動可能な電位差が得られ、さらに濃度
差が増加するにつれて、電位差も増加するので、この膜
電位を用いた培養液濃度の自動調節方法は非常に有望な
方法であると考えられる。

以下本発明をその一実施例を示す図面を参考に説明する
。

１は培養液２を貯溜した培養液槽で、培養液槽１中の培
養液２はポンプ３により連続的にまたはタイマ４の操作
により間欠的に培養液供給管５を経て、栽培槽６に供給
され、還流管７を通って再び培養液槽１に戻ってくる。

この過程において培養液２中の各栄養成分は栽培槽６中
の作物に吸収されるため、培養液槽１で液面調節器８に
より液面を一定に保たれた培養液２中の栄養成分濃度は
次第に減少する。

この濃度の減少を検出するために、２本の照合電極９，
１０を用い、１本の照合電極１０は培養液２中に浸漬し
、他の１本の電極９は、一部または全体がイオン交換膜
壁１１より構成されかつ栽培対象作物に最適濃度の培養
液１２で満たされている容器１３中に浸漬し、上記イオ
ン交換膜壁１１を介しての両照合電極９゜１０間の電位
差を検出する。

この場合銀／酸化銀電極、甘こう電極、および酸化水銀
電極などの酸化物電極等同種の照合電極を２本用いた場
合、前記衣１に示したような電位差が培養液濃度の減少
の程度により、また用いたイオン交換膜の種類により得
られる。

もし、対象作物が生成ステージにより最適濃度が変化す
るのであれば、基準に用いられる容器１３中に入れられ
た作物生育に最適の基準濃度の培養液１２は生育ステー
ジ毎に最適濃度の培養液に入れ換えることにより、培養
液２の濃度を自動管理することができる。

この場合後に述べる制御回路例においても管理すること
ができる。

次に培養液２中の濃度変化に対応して２本の照合電極９
，１０間で生じた電位差は各々のり一部１４．１５を通
って濃度調節器１６に伝えられ、この濃度調節器１６か
らの信号で原液タンク１７゜１８．１９の電磁弁２０，
２Ｌ ２２を開き、原液を培養槽１に供給しなからモー
タ２３に１駆動された攪拌器２４により培養液２を均一
にする。

そして原液供給により培養液２の濃度が最適濃度に達す
ると、両照合電極９，１０内に生ずる電位差はなくなり
、原液供給用の電磁弁２０，２１゜２２は閉じる。

次に第３図に培養液の濃度調節器１６の制御例を示す。

この例は、イオン交換膜壁１１にアニオン交換膜を用い
、培養液濃度の減少に生じた培養液２中の照合電極１０
の電位基準濃度の培養液１２中の照合電極９に対して正
の値の持つ場合である。

すなわち両照合電極９，１０間に生じた電位差は各々の
り一部１４，１５を通ってコンパレータ２６に伝えられ
る。

培養液側のり一部１５を通る信号はコンパレータ２６に
入る前に可変抵抗器２５を通る。

この抵抗器２５の働きは、リレーＣＲ１２７を作動させ
、接点ＣＲ，２８を閉じて、電磁弁２０，２１，２２を
ＯＮさせて原液を培養液槽１に供給するために働くコン
パレータ２６の最小作動電位差を決定することにある。

この可変抵抗器２５により培養液２の保持し得る濃度を
基準濃度の培養液１２との濃度差において自由に変え得
る。

すなわち、対象作物の生育ステージにより、最適培養液
濃度が変化する場合にも、容器１３内の基準培養液１２
を生育ステージ毎に交換することなく可変抵抗器２５の
抵抗値を変化させて、前記衣１の膜電位差に見合う電位
差分だけ電圧降下させてコンパレータ２６を作動させる
ことにより、生育ステージに応じた最適の培養液濃度の
管理が可能となる。

さらに可変抵抗器２５は、原液供給のための電磁弁２０
，２１，２２のＱＮ時間をタイマによって作動させる場
合には、原液供給開始時の培養液濃度を設定するために
も用いることができる。

すなわち、原液供給回数が頻繁になるのをさげるために
、培養液濃度の許容減少量に対応した膜電位差に見合う
電位差分だけ電圧降下させて、コンパレータ２６を作動
させ、電磁弁２０，２１．２２をＯＮさせ原液を供給し
、タイマにより一定時間抜電磁弁２０，２１，２２を０
ＦＦＬ、供給を停止することも可能である。

例えば培養液濃度が基準濃度の８０％濃度まで減少した
とき、コンパレータが作動して電磁弁がＯＮする場合は
、表１より４．９３ｍＶの電位差分だげコンパレータ２
６の前の可変抵抗器２５で電圧を降下させ、両照合電極
９，１０間の電位差が＋４．９３ｍＶ以上になったとき
、はじめてコンパレータ２６が作動して一定時間電磁弁
２０，２１，２２をＯＮすることができる。

以上はアニオン交換膜壁を容器の壁に用いた例であるが
、表１かられかるようにカチオン交換膜および両極性イ
オン交換膜を容器の壁に用いた場合も、同様に培養液濃
度差に応じた膜電位が得られるように制御することが可
能である。

上記実施例から明らかなように、本発明によれば、培養
液を連続的または間欠的に循環させて作物を育成する水
耕栽培において、一方の照合電極を培養液槽内の培養液
中に浸漬し、他方の照合電極を、イオン交換膜壁を有し
かつ基準濃度の培養液を満した容器中に浸漬し、このイ
オン交換膜壁を介したこの両方の照合電極間の電位差を
検出して栽培対象作物の吸収によって減少した培養液濃
度を検出し、原液タンクより前記培養液濃度の減少分を
培養液槽に補給するもので、温度変化にも影響されるこ
となく、培養液濃度を常に栽培対象作物の生育に最済の
条件に保つことができ、またその装置は高周波の発振部
などを要しないため、安価に構成し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す培養液濃度自動調節装
置の構成図、第２図は同装置の培養液濃度減少検出部の
拡大断面図、第３図は同装置の培養液の濃度調節器の回
路図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 培養液を連続的または間欠的に循環させて作物を育
   成する水耕栽培において、２本の照合電極を用い、その
   一方の照合電極を培養液槽内の培養液中に浸漬し、他方
   の照合電極を、イオン交換膜壁を有しかつ栽培対象作物
   に最適の基準濃度の培養液で満された容器中に浸漬し、
   このイオン交換膜壁を介した前記両方の照合電極間の電
   位差を検出することにより栽培対象作物の吸収によって
   減少した培養液濃度を検出し、電気的手段により原液タ
   ンクより前記培養液濃度の減少分を培養液槽に補給して
   、培養液濃度を常に栽培対象作物の生育に最適の条件に
   保つことを特徴とする培養液濃度自動調節方法。 ２ 一方の照合電極を、培養液槽内の培養液中に浸漬し
   、他方の照合電極を、イオン交換膜壁を有しかつ基準濃
   度の培養液で満された容器中に浸漬し、この双方の照合
   電極間の電位差を検出して原液タンクの弁を開閉する濃
   度調節器を設けたことを特徴とする培養液濃度自動調節
   装置。 ３ イオン交換膜壁として、カチオン交換膜壁あるいは
   アニオン交換膜壁あるいは両極性イオン交換膜壁を用い
   たことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の培養液
   濃度自動調節装置。