PL236220B1 - Biodegradowalna doniczka do hodowli roślin - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest biodegradowalna doniczka do zastosowań ogrodniczych i szkółkarskich umożliwiająca wygodne przesadzanie sadzonek do gruntu wraz z doniczką. Doniczka taka ulega w gruncie stopniowemu rozpadowi i nie stanowi bariery dla rozwijających się korzeni rośliny. Ścianki doniczki wykonane są z rozdrobnionego biowęgla zmieszanego z dodatkiem materiału włóknistego i połączonych biodegradowalnym lepiszczem w postaci żywicy np. mocznikowo-formaldehydowej lub białka kolagenowego usieciowanego formaldehydem. Do porowatych ziaren biowęgla w doniczce wprowadzane są także dodatkowo sole mineralne, które uwalniane są stopniowo do gleby w miarę degradacji materiału lepiszcza i służą odżywiania rośliny. Biodegradowalna doniczka wprowadzona do gleby i rozkładając się w niej przyczynia się do poprawy struktury gleby, działa nawozowo i rozkłada się na tyle szybko, że nie stanowi utrudnienia dla prac polowych w kolejnym sezonie.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest biodegradowalna doniczka do hodowli roślin będąca naczyniem uformowanym znanymi metodami do pożądanego kształtu, która pod działaniem wilgoci, zwłaszcza w warunkach glebowych, ulega stopniowej degradacji z utratą spójności prowadzącej do jej kompletnego rozpadu.

Biodegradowalne doniczki znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie prowadzi się przesadzanie sadzonek roślin. W przypadku stosowanych obecnie doniczek ceramicznych, drewnianych, metalowych czy też plastikowych, ułatwieniem w pracy przy korzystaniu z biodegradowalnych doniczek jest możliwość finalnego nasadzania roślin do gruntu wraz z doniczką, bez konieczności wyjmowania ich z doniczki.

Struktura ścianek biodegradowalnej doniczki ulega stopniowemu rozluźnieniu, a proces ten dodatkowo przyspiesza gdy doniczka znajduje się już w gruncie. Rozluźniona struktura doniczki nie stanowi bariery dla korzeni rośliny, które mogą swobodnie przerastać doniczkę i rosnąć dalej w otaczającej ją glebie. Korzyścią ze stosowania biodegradowalnych doniczek jest unikanie powstawania przerwy wzrostowej, która wywołana jest uszkodzeniami korzeni sadzonki przy wyjmowaniu jej z doniczki, co powoduje dłuższą adaptację sadzonki do nowych warunków wzrostu.

Po sezonie wegetacyjnym pozostałości materiału biodegradowalnej doniczki stają się składnikiem gleby i nie utrudniają prac polowych.

Biodegradowalne doniczki wytwarzane są obecnie z torfu, są to tzw. doniczki torfowe oraz z naturalnych materiałów włóknistych jak włókna kokosowe czy palmowe. Doniczki torfowe wytwarzano z torfu zmieszanego z ziemią z przegniłym gnojem, ziemią kompostową, ziemią ogrodową, a także z obornikiem. Miały one te wady, że posiadały małą wytrzymałość mechaniczną zwłaszcza po zwilżeniu, a także powodowały zakwaszanie gleby ze względu na kwasową naturę torfu. Formowanie tych doniczek było prowadzone w prasach, a uformowane doniczki były suszone w warunkach naturalnych. Dla zapewnienia wymaganej wytrzymałości mechanicznej takich doniczek nadawano im grube ścianki, co powodowało nadmierny wzrost ich ciężaru i ograniczało ilość gleby w doniczce oraz przestrzeń dla korzeni.

W opisie patentowym PL52275 z 1967 r. ujawniono sposób wytwarzania cienkościennych doniczek torfowych z mieszaniny torfu z miazgą drzewną lub pulpą makulaturową w stosunku 1:11 z dodatkiem wapna dla kontroli stopnia zakwaszenia użytego torfu. Z takiej mieszanki wytwarzano pulpę, a następnie formowano doniczki w matrycach, a na końcu suszono je w temperaturze od 180°C do 230°C. Twórcy przewidywali także możliwość dodatku soli nawozowych dla zasilania sadzonek rosnących w takich doniczkach. Sole nawozowe zastosowane w takim rozwiązaniu uwalniały się bardzo szybko po zwilżeniu doniczki, co prowadziło do ich nieefektywnego wykorzystania przez rośliny, a nagły wzrost ilości tych uwolnionych soli mógł szkodzić młodym roślinom. Podobnie formowane są doniczki z włókien palmowych czy włókien kokosowych. Zawiesinę takich włókien odsącza się i w matrycy nadaje się jej kształt doniczki, która jest następnie suszona. Inny sposób polega na układaniu płaskiego runa z włókien palmowych i formowania z niego doniczki za pomocą przyciskania gorącym stemplem w matrycy. Włókna takie nie są produkowane w naszym klimacie i pochodzą wyłącznie z importu. Włókna te nie ulegają też szybkiemu rozkładowi w glebie, a ich pozostałości utrudniają prace polowe.

W amerykańskim opisie patentowym US 8,474,181 ujawniono sposób konstrukcji biodegradowalnej doniczki z odpowiednio ukształtowanych warstw papieru wzmocnionych dodatkowo przez sklejenie na gorąco z biodegradowalną folią polietylenową.

W amerykańskim opisie patentowym US 9,307,702 przedstawiony jest sposób konstrukcji biodegradowalnej doniczki wykonanej z siatki metalowej, która stanowi osnowę dla biodegradowalnej ścianki doniczki wykonanej z biodegradowalnego materiału. Twórcom chodziło raczej o ochronę sadzonki przed mogącymi zniszczyć ją gryzoniami i jednoczesnym umożliwieniu dalszego rozwoju systemu korzeniowego posadzonej rośliny poza granice doniczki. Biodegradowalnym materiałem doniczki miał być torf i/lub włókna roślinne.

W amerykańskim opisie patentowym US 5,523,331 przedstawiono materiał na doniczki ulegające biodegradacji w glebie, wykonany z od 30 do 97 części naturalnej lub syntetycznej gumy połączonej za pomocą rozpuszczalnego w wodzie lepiszcza, które nie łączy się z gumą, w ilości od 3 do 70 części. Jako lepiszcza wymienia się karboksymetylocelulozę, kazeinę i skrobię. Formowanie doniczek ma być wykonywane rozmaitymi technikami, w tym przez ekstruzję. Autorzy przewidują też stosowanie w mieszaninie soli nawozowych. Opisują też możliwość wytwarzania biodegradowalnych włókien na bazie

PL 236 220 B1 gumy i tkanie z nich materiału doniczek lub łączenia z naturalnym materiałem włókninowym jak bawełna czy włókno kokosowe.

Z opisu japońskiego zgłoszenia patentowego JP2001190157 znany jest pojemnik do wzrostu sadzonek roślin wytworzony przez zmieszanie materiału węglowego z żywicą ulegającą biodegradacji, a następnie formowanie tej mieszaniny. Biodegradowalny pojemnik np. w formie doniczki, jest wytwarzany przez upłynnienie żywicy, takiej jak alifatyczny poliester lub bursztynian polibutylenu, a następnie zmieszanie upłynnionej żywicy ze sproszkowanym materiałem węglowym powstałym w procesie kalcynowania otrębów ryżowych, w proporcji wagowej 4 :1, przenoszenie mieszaniny do formy i zestalenie jej w formie.

Opisane sposoby nie zapewniają odpowiedniej mechanicznej wytrzymałości doniczki, zwłaszcza w warunkach podlewania albo wymagają konstrukcji doniczki o dużej grubości ścianek, co podnosi ciężar doniczki i ogranicza przestrzeń dostępną dla rozwoju sadzonek. Pewne materiały stosowane w konstrukcji nie mogą być nazwane biodegradowalnymi, a wprowadzanie ich do gleby prowadzi do jej zanieczyszczenia. Ostatnią wadą dotychczasowych rozwiązań jest brak kontroli nad szybkością uwalniania składników nawozowych wprowadzanych do ścianek doniczek, co może prowadzić do niewłaściwego rozwoju sadzonek, a nawet ich obumierania.

Przedmiotem wynalazku jest biodegradowalna doniczka do hodowli roślin, będąca naczyniem uformowanym znanymi metodami do pożądanego kształtu, która pod działaniem wilgoci, zwłaszcza w warunkach glebowych, ulega stopniowej degradacji z utratą spójności prowadzącej do jej kompletnego rozpadu, charakteryzująca się tym, że zawiera biowęgiel otrzymany w procesie pirolizy i/lub taryfikacji biomasy, najlepiej odpadowej, w ilości od 70% do 99% wagowych, rozdrobniony na cząstki nie większe niż 10 mm, korzystnie nie większe niż 3 mm, a także biodegradowalne lepiszcze w postaci roztworu wodnego żywicy mocznikowo- formaldehydowej i/lub lepiszcza białkowego, korzystnie kolagenowego z dodatkiem formaldehydu, w ilości od 1% do 30% wagowych, oraz ewentualnie włókna.

Korzystnie, zawarte w doniczce włókna stanowią włókna naturalne o długości od 1 mm do 50 mm, korzystnie od 2 mm do 10 mm, w ilości od 0,1% do 20% wagowych, korzystnie w ilości od 0,2% do 10% wagowych.

Korzystnie, roztwór lepiszcza zawiera dodatkowo znane sole nawozowe (w znanej ilości), najlepiej w formie roztworu wodnego.

Biodegradowalne doniczki według wynalazku zbudowane są z biowęgla zwanego też niekiedy toryfikatem. Jest to surowiec powstający podczas taryfikacji tj. beztlenowej pirolizy różnych rodzajów biomasy w podwyższonej temperaturze. Biowęgiel w niniejszym opisie rozumiany jest jako wszelkie rodzaje produktów otrzymane z biomasy w procesie wysokotemperaturowej obróbki cieplnej przy częściowo lub całkowicie ograniczonym dostępnie tlenu. Wyjściowym materiałem do produkcji biowęgla są odpady drzewne, odpadowa biomasa z produkcji rolniczej jak słoma i z przetwórstwa owoców i warzyw i inne. Biowęgiel jest to porowaty materiał chemicznie składający się głównie z węgla i zawierający poza węglem składniki mineralne występujące w wyjściowej biomasie. Jest to materiał o neutralnym pH i nieaktywny chemicznie. Jest to lekki i porowaty materiał doskonale chłonący roztwory wodne. Rozdrobniony biowęgiel miesza się najlepiej z wodnym roztworem rozpuszczalnego w wodzie lepiszcza. Z mieszaniny tej następnie formuje się doniczki różnymi sposobami, na przykład w formach z prasą w normalnej lub podwyższonej temperaturze. Doniczki takie następnie suszy się, na przykład w normalnej i/lub podwyższonej temperaturze uzyskując końcowy produkt. Zauważono niespodziewanie, że nieduże dodatki materiału włóknistego takiego jak np. włókna celulozowe, do masy biowęglowej, podnoszą wytrzymałość mechaniczną doniczek. Do masy biowęglowej wprowadza się także sole nawozowe z grupy NPK jak siarczan amonowy, fosforan amonowy, siarczan potasowy i/lub inne, a także mikroelementy. Sole wnikają do wnętrza cząstek biowęgla, w których są zamykane lepiszczem i skąd są następnie stopniowo uwalniane w miarę degradacji materiału lepiszcza. Doniczki wykonane w taki sposób osiągają dużą wytrzymałość mechaniczną także w warunkach zwilżenia. Poprzez zastosowanie określonej ilości biodegradowalnego, rozpuszczalnego w wodzie lepiszcza zapewnia się kontrolę szybkości degradacji struktury ścianek doniczki oraz kontrolę szybkości rozpadu doniczki. Poprzez ilość i rodzaj lepiszcza zastosowanego do konstrukcji ścianki doniczki zapewnia się kontrolę szybkości uwalniania z niej składników nawozowych. Zastosowane w procesie wytwarzania lepiszcze cząstek biowęgla w doniczce traci cechę rozpuszczalności w wodzie w procesie formowania doniczki, na przykład podczas obróbki wysokotemperaturowej.

Biodegradowalna doniczka do hodowli roślin, według wynalazku, zawiera biodegradowalne lepiszcze, które może zawierać znane sole nawozowe, które zostają uwięzione w naturalnie porowatych

PL 236 220 Β1 ziarnach biowęgla i w strukturze zestalonego biodegradowalnego lepiszcza i stopniowo uwalniają się do gleby w miarę postępującej degradacji frakcji lepiszcza w ściankach doniczki i stanowią pożywkę dla rośliny hodowanej w doniczce.

Składniki ze zdegradowanej doniczki trafiając do gleby wpływają na poprawę jej struktury, dostarczają składników nawozowych, a przy tym nie prowadzą do jej zanieczyszczania i nie stanową utrudnienia podczas prac polowych. Sam biowęgiel będący głównym składnikiem konstrukcyjnym doniczek jest doskonałym dodatkiem do gleby, podnosi jej chłonność wody, przyczynia się do hamowania ucieczki azotu z gleby, stanowi doskonałe siedlisko dla pożytecznych bakterii glebowych i sam, poprzez stopniowe bioutlenianie, staje się źródłem węgla dla roślin.

Przykład 1.

Do zbiornika z mieszadłem kotwicowym zasypano 50 kg biowęgla otrzymanego ze zrębki sosnowej rozdrobnionego wstępnie na ziarna o średnicy do 0,7 mm i 7 kg włókien celulozowych. Następnie wprowadzono 37 kg wodnego roztworu kleju mocznikowego będącego roztworem żywicy mocznikowoformaldehydowej o stężeniu 40%, a przygotowanego zgodnie ze znanymi metodami wytwarzania tej żywicy. Do zbiornika wprowadzono także 0,5 kg wodnego roztworu zawierającego 34 g siarczanu potasowego i 34 g wodorofosforanu amonowego. Po wymieszaniu uzyskano wilgotną masę z której formowano doniczki znanymi metodami. Doniczki miały kształt ściętego stożka o wysokości 10 cm i średnicach dolnej 8 cm i górnej 10 cm. Doniczki miały ścianki o grubości 4 mm. Doniczki następnie suszono i wygrzano w temperaturze 126°C przez 10 minut. Uzyskane doniczki miały gładką powierzchnię, były sztywne i wytrzymałe. Ich ścianki składały się z 77% węgla i 23% żywicy. W podobny sposób wykonano partie doniczek o różnej zawartości żywicy stosując dodatek innych ilości żywicy. Szybkość rozpadu doniczek badano przez zanurzenie ich w zamkniętym naczyniu z wodą destylowaną w ilości 1500 g w temperaturze pokojowej i ustawiając do góry dnem dociskając od góry płytką szklaną o masie 30 g. Za czas rozpadu doniczki przyjmowano moment, kiedy dociskająca płytka szklana leżąca na doniczce obniżyła się wraz z doniczką o przynajmniej 25% początkowej wysokości doniczki. Wyniki testów zestawiono w Tabeli 1. Jednocześnie pobierano do analizy próbki wody określając w nich zawartość jonów siarczanowych uwalniających się stopniowo z matrycy ścianki doniczki. Określone stężenia jonów siarczanowych w wodzie i odpowiadające im obliczone ogólne ilość soli uwolnionych ze ścianek doniczki przedstawiono w Tabeli 2.

Tabela 1. Szybkość degradacji i rozpadu doniczek z biowęgla w zależności od ilości zastosowanej żywicy mocznikowo formaldehydowej.

Próba	Proporcja biowęgiel : żywica	Czas rozpadu, dni
1	1,0 ; 0,0	1
2	1,0 :0,l	28
3	1,0 : 0,3	45
4	1,0 : 0,5	106
5	1,0 : 1,0	>302

PL 236 220 Β1

Tabela 2. Stężenie jonów siarczanowych oraz odpowiadająca im ilość soli wydzielonej do wody ze ścianek doniczki wykonanej z użyciem żywicy mocznikowo formaldehydowej, [mg SOa/litr; % uwolnionej soli].

Próba	Czas testu, dni
1	5	10	20	40	80	100	200
1	19,5 ; 97,0
2	3,5; 18,1	12,7; 63,2	17,4; 86,5	19,7; 98,2
3	1,9; 9,5	7,8, 39,4	12,7 ; 63,2	17,4; 86,5	19,7; 98,1
4	1,0 ; 4,9	4,4 ; 22,1	7,8; 39,3	12,7, 63,2	17,4 ; 86,5	19,7, 98,2	19,9 ; 99,3
5	0,4 ; 2,0	L9; 9,5	3,6 ; 18,1	6,6 ; 33,0	u,i; 55,1	16,0; 79.8	17,4 ; 86,5	19,7 ; 98,2

Przykład 2

Doniczki z biowęgla wykonano tak samo jak w Przykładzie 1 z tą różnicą, że zamiast kleju mocznikowo-formaldehydowego użyto 35 kg przygotowanego osobno 45% roztworu hydrolizatu białkowego z kolagenu sieciowanego formaldehydem w proporcji hydrolizatu do formaldehydu 1,0 : 0,15. Zastosowano taki sam dodatek soli nawozowych jak w Przykładzie 1. Wygrzewanie osuszonych doniczek prowadzono w temperaturze 130°C przez 15 minut. Trwałość otrzymanych doniczek na rozpad w wodzie w temperaturze pokojowej zbadano podobnie jak w Przykładzie 1. Wyniki testów wytrzymałości doniczek przedstawiono w Tabeli 3. W Tabeli 4 przedstawiono zmierzone stężenia uwolnionych jonów siarczanowych w wodzie i odpowiadające im obliczone ogólne ilość soli uwolnionych ze ścianek doniczek.

Tabela 3. Szybkość degradacji i rozpadu doniczek z biowęgla w zależności od ilości zastosowanej sieciowanej żywicy kolagenu sieciowanego formaldehydem.

lp.	Proporcja bi o węgiel: żywica	Czas rozpadu, dni
1	1,0 : 0,0	1
2	1,0 :0,l	16
3	1,0 : 0,3	31
4	1,0 : 0,5	59
5	1,0 : 1,0	92

Tabela 4. Stężenie jonów siarczanowych oraz obliczone odpowiadające im ilość soli wydzielonej do wody ze ścianek doniczek wykonanych z użyciem jako lepiszcza kolagenu sieciowanego formaldehydem, [mg SO4/litr; % uwolnionej soli].

Próba	Czas testu, dni
1	5	10	20	40	80	100	200
1	19,S ; 98,8
2	7,9 , 39,3	18,5 ; 91,8	20,0; 99,9
3	3,6 ; 18,1	12,7 ; 63,2	17,4; 86,5	19,7; 98,2
4	1,6; 8,0	6,9; 34,1	11,4; 56,5	16,3 ; 81,1	19,4; 96,4
5	0,6;	3,1; 15,4	5,7 ; 28,3	9,8; 48,6	14,8 ; 73,6	18,7 ; 93,1

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Biodegradowalna doniczka do hodowli roślin, będąca naczyniem uformowanym znanymi metodami do pożądanego kształtu, która pod działaniem wilgoci, zwłaszcza w warunkach glebowych, ulega stopniowej degradacji z utratą spójności prowadzącej do jej kompletnego rozpadu, znamienna tym, że zawiera biowęgiel otrzymany w procesie pirolizy i/lub taryfikacji biomasy, najlepiej odpadowej, w ilości od 70% do 99% wagowych, rozdrobniony na cząstki nie większe niż 10 mm, korzystnie nie większe niż 3 mm, a także biodegradowalne lepiszcze w postaci roztworu wodnego żywicy mocznikowo-formaldehydowej i/lub lepiszcza białkowego, korzystnie kolagenowego z dodatkiem formaldehydu, w ilości od 1% do 30% wagowych oraz ewentualnie włókna.
2. 2. Biodegradowalna doniczka do hodowli roślin według zastrz. 1, znamienna tym, że zawarte w niej włókna stanowią włókna naturalne o długości od 1 mm do 50 mm, korzystnie od 2 mm do 10 mm, w ilości od 0,1% do 20% wagowych, korzystnie w ilości od 0,2% do 10% wagowych.
3. 3. Biodegradowalna doniczka do hodowli roślin według zastrz. 2, znamienna tym, że roztwór lepiszcza zawiera dodatkowo znane sole nawozowe, najlepiej w formie roztworu wodnego.