JPH02182122A - 水耕栽培に於ける水耕液酸素混入方法とその装置 - 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〕 本発明は水耕栽培に於ける水耕液酸素混入方法とその装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

はとんどの高等植物は葉で光合成を行い、根から無機化
合物を吸収し、その両者の働きで植物体を形成している
。無機化合物を吸収し同化することは植物特有の反応で
ある。

１８６０年、ドイツの植物生理学者ザックスやクツツブ
は、土を使わずに植物の根を水中につけ、水の仲に溶解
させである物質と光合成とだけで植物を生育させる水耕
法を完成し、その方法により植物栄養学は急速に進歩し
た。

ザックスによると、根から取り込まなければならない元
素としてＮ　−、ｓ　ｓ　ｐ　ＳＫ　ｓ　ｃ　ａ　ＳＭ
ｇとＦｅの７種の元素が挙げられている。

無機栄養塩類（無機化合物）の吸収は根及び根に存在す
る根毛を主として行われている。

栄養塩類の吸収は （１）エネルギーを使った能動的なイオン吸収（２）細
胞内の塩溶液と外液の塩溶液の受動的な塩の移動でエネ
ルギーを必要としない吸収である。

（１）の能動的吸収の際は、動物でみられるようなイオ
ンポンプが介在していることが考えられるが、植物組織
では詳細はまだわかっていない。

しかし、いずれにしても、この吸収の際は酸素を必要と
する。これはエネルギーがこの反応に必要であることを
意味する（共立出版、植物の生長と発育、賀来章輔他著
）。

このように、植物の成長に酸素が不可欠であることが分
っている。

酸素の吸収は葉だけからでなく、根からも溶存酸素の形
で吸収されている。

したがって、水耕栽培の場合、水耕液中の溶存酸素を多
く送り込み、酸素を豊富にしておくことは、植物の生長
速度促進のためにもきわめて重要なことである。

酸素を含む水を流速を早くして水耕液中に送り込む場合
、根を傷付ける場合があり、あらかじめ空気の気泡を入
れた注水を水耕液に流し込んでも酸素不足により、植物
の成長に対してあまり効果があられれないことがある。

本来、中空繊維（以下中空系と記す）は、中空状の膜で
あって、その機能は、水中の微粒子の除去等のための限
外濾過膜、人工じん臓に用いる透析膜、また最近に至っ
ては、酸素富化膜（その他Ｈ２、Ｈｅなどを選択的に透
過し、分離する）などに使われていた。そのうちの酸素
富化膜などは、その作成法は湿式紡糸法といわれる標準
的な方法があり、種々の紡糸条件を変え、繊維材質を変
えて作られている。

酸素富化膜、Ｈｅ、Ｈ２富化膜の最新の製法は米国パー
ミア社から出願され、特開昭６３−５１９２１号公報に
開示され、米国に於て特許（ＦＡＴ４７２８３４６号）
されている。

この湿式紡糸法により作成された中空系は中空系の外表
面、内表面が緻密な膜で出来ており、その中間はスポン
ジ状の支持体から成っている。

モンサンド社から出願されて公告された特公昭５９−５
１８４１号公報の中に、ポリスルホンの場合、この緻密
な膜にできる細孔は５〜１０００人程度と記載され、こ
の細孔をシリコーンをコーティングし、閉塞接触させる
ことで、多成分膜（２成分）にして、０２　、Ｈｅ５Ｈ
２などガスを透過させることで濃縮している。

このように、中空系の膜は、本来はガス濃縮、液中の分
子の分離などに用いられていた。

中空系による気体分離についての理論的な説明として、
上記した多成分膜によらず、緻密層に生成した細孔によ
る分離方法もある。

このことについて、エネルギー資源Ｖｏρ６、Ｎｏ３　
（１９８５）仲用勤著、「気体分離用高分子膜の素材設
計と特色」に記載されている。

細孔の孔径γが１００Å以下になると、気体の細孔内の
移動は、分子量の平方根に逆比例するようになる。

これを式で表わすと透過速度ｑは、 となる。ここで、Ｍは気体の分子量、Ｒは気体定数、ｇ
は細孔の管長（したがって膜厚である）、εは膜の多孔
度、Ｐｌ、Ｐｌは膜両側の圧力、Ｔは絶対温度である。

この分子量Ｍの平方根に逆比例する現象を示す膜を、ク
ヌーセン流れを示す膜という。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記した中空系を水耕栽培に利用して水
耕液に酸素を混入する方法及びその装置は従来なかった
。

本発明は上記の事情に鑑みなされたものであって、その
−の目的とするところは中空系を用い水耕液に酸素を多
量に送り込むと共に、その溶存酸素値を高くし、もって
水耕作物の成長を促進し且つ水耕液に供給される空気な
どからの病原体の混入が防止できろ水耕栽培に於ける水
耕液酸素混入方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的とするところは上記した水耕液
に酸素を混入することを容易に達成なさしめる水耕栽培
に於ける水耕液酸素混入装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段及び作用〕上記したーの目
的を達成するために、本発明は、水耕栽培に於いて、水
耕液に酸素を混入する混入手段に中空系を用い、この中
空系に少くとも酸素を含む気体を供給して中空液の細孔
から放出するようにした。

また、上記した他の目的を達成するために、本発明は、
水耕液中に設けられて一端部が閉塞されて他端部より少
くとも酸素を含む気体が供給されて細孔より気体を放出
する中空系と、中空系に酸素を含む気体を供給するため
の供給源手段とを備えた構成にし、高い酸素供給能力が
あり、根の呼吸率を高く保つために溶存酸素値を高く保
ち得て水耕植物の成長促進を可能になし、しかも病源性
生物の混入防止が可能になるようにした。

〔実　施　例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

本発明に用いる中空系は、Ｎ−メチル−２−ピロリドン
（以下ＮＭＰと記す）溶液に、ポリスルホン（ユニオン
カーバイト社製Ｐ１７００）を溶かし、湿式紡糸法で紡
糸し、紡糸条件を選ぶと、緻密層に生成した細孔を通過
した空気（膜透過空気）にクヌーセン流れを示す現象が
みられた。

大気中の０２濃度は２１％であるが、本発明に用いる中
空系を通過した空気の０２濃度はガスフロストグラフィ
で測定すると２０．２％〜２０．８％の値を示した。

この差はＮ２が分子ｆｆ１２８ｇ、０２が分子量３２ｇ
であることの差によりＮ２が軽いため０□より速くこの
細孔を透過するためである。

ここで注意しておきたいことは、１００人という単位は
０．０１μｍという値であり、本発明に使用された細孔
はバクテリア、カビなどは全く通さないということであ
る。

また、現存のウィルスもだいたい０．１μｍ〜１μｍの
ものが多く、この中空系の膜の穴径に大きなばらつきが
ないかぎり、この細孔を通過することは困難である。

かかる細孔をもつ中空系の一端部を閉塞し、他端部から
圧縮空気を導入し、この圧縮空気を低圧から高圧に徐々
に加圧し、中空系を水中に浸漬しておいた。

中空系の細孔大きさの目やすとなる透過空気の酸素濃度
は２０．２％のものを用い、中空系の直径は約１ｍｍの
ものを使用した。

すると、１ｋｇ／ｃｍ２Ｇ付近から水中に非常に小さな
気泡が、細孔を通して発生した。

徐々に圧力を上げ３ｋｇ／ｃｍ２Ｇになると、はっきり
と気泡と解るようになり、その粒径も０．１ｍｍ以下の
ものであった。

また、当然のことながら、圧力の高い場合の方が、透過
空気量が多いことは云うまでもない。

このような細泡は、中空系の細孔によって、初めて作ら
れ得るのである。

また、このような細泡の作成は同様の孔径をもつ中空系
が作成されれば、当然同じ現象を起すもので上記した製
法以外でも目的は達せられる。

このように作られた中空系の１つの有望な用途として、
水耕栽培における水耕液の酸素混入が考えられる。

（「植物工場の基礎知識と実際」高辻正基著、技術情報
センター）によると水耕栽培における根の呼吸の重要性
が述べられ、培養液中に十分な酸素が溶存して必要であ
るとされている。すなわち根も呼吸し、水中から溶存酸
素の形で酸素を呼吸しているのである。

本発明を、なるべく実際の水耕栽培の設備に近い実験系
でテストを行った。

前述の高辻正基著書の中には、Ｍ式水耕プラントの説明
があり、ミツバを中心とした葉菜用の設備の図解説明が
ある。

水耕ヘッドは深さ１７ｃｍ、巾９７ｃｍ、長さ１２０ｃ
ｍの発泡スチロール製とある。水耕液には水に空気を混
入したものを水耕液中に供給し、酸素の供給を行ってい
る。

したがって、本発明の実験もそれに近い状態の系でテス
トを行った。

第１図に本発明に係る水耕液酸素混入装置の構成を示す
。

同図中１は１ｇビーカー（直径的１０ｃｍ。

水深約１３ｃｍ）から成る容器であり、この容器１はマ
グネキックスターラ装置２に載せである。容器１内には
培養液３が１．１！入れである。

容器１内の底には中空系４が設けてあり、この中空系４
はリング状になされていて、その一端部は閉塞されてお
り、他端部には空気供給管５が接続しである。また、容
器１の培養液３中に溶存酸素計６が挿入してあり、この
溶存酸素計６にレコーダー７が接続しである。また培養
液３に、水耕栽培野菜８が入れである。

前記中空系４は透過０２濃度２０．２％のものであり、
この中空系４に送り込まれる圧縮空気の圧力は３ｋｇ／
ｃｍ２Ｇであり、中空系４の全長は１６０ｃｍであり、
この時の空気の通気流量は大気圧下で１０ｃｃ／分であ
った。

培養液３は、１ｇの蒸留水に、無機栄養源として液体肥
料（米国ハイポネックス社製ハイポネックス野菜液Ｎ（
チッソ）：Ｐ（リン）二Ｋ（カリ）＝８：１２：６を２
ｃｃ規定通り混入させたものである。

水耕栽培野菜８として、出荷時のカイワレダイコンを用
いた。

スポンジ９上に約１０ｃｍの長さのカイワレダイコン１
０が２１０本（重量４６ｇｒ）、スポンジ９の面積は７
ｃｍＸ６ｃｍ、スポンジ９の厚さは１ｃｍ、根の重さ８
ｇｒのものを使用した。

このスポンジ９は培養液３の表面近くにセットしである
。前記培養液３の深さは１３ｃｍであり、上記したＭ式
水耕栽培の場合の水深１７ｃｍに近いものである。

始めに、カイワレダイコン１０を取り除き、中空系４に
３ｋｇ／ｃｍ２Ｇの圧縮空気を送った。

当然ながら、中空系４から出る細泡で溶存酸素は飽和値
となった。モして送気を中止した（水温２１．３℃、飽
和溶存酸素濃度８．６４ｐｐｍ）。

次に、カイワレダイコン１０を上記したように培養液３
の液面にセットした。そして、カイワレダイコン１０の
葉部に人工白色光を照射した。

第２図にカイワレダイコン１０の根が消費する溶存酸素
の経時変化を示す。

第２図から、約３時間で飽和した溶存酸素の６２％を消
費していることが分る。また、この場合、溶存酸素の高
い所で急激な溶存酸素低下が生じている。すなわち、時
間に対する溶存酸素の値が各点で異なっている。溶存酸
素が３゜６ｐｐｍ、３゜３ｐｐｍ付近ではあまり酸素を
消費していないことが解かる。すなわち、根の呼吸率ｒ
、は溶存酸素の高い方が大きい。

溶存酸素値Ｄ−８，５８ｐｐｍでの、カイワレダイコン
１０の根重量８ｇｒの呼吸率ｒ、を計算してみると０．
０５７ｐｐｍ／分であった。

次に、カイワレダイコン１０を培養液３に浮かせた状態
で中空系４に圧縮空気を送った。その時の溶存酸素の増
加（変化）をレコーダー７で記録した。この時、中空系
４から出る細泡をマグネチックスターラ装置２でゆっく
りと水中に均等になる程度の操作を施した。

その時のデータすなわち、培養液３にカイワレダイコン
１０を浮かせた状態で中空系４に空気を送った時の培養
液３の溶存酸素変化を第３図に示す。

溶存酸素値Ｄ＝３．３ｐｐｍの値から急激に溶存酸素が
増加していく様子がみられる。

そして、約２８分後、溶存酸素は７．４３ｐｐｍとなり
、それ以上上昇しなくなり、安定（バランス）した。

この時の培養液温度は２４，１℃飽和溶存酸索鎖８．２
３ｐｐｍであった。培養液温度の上昇は葉の照明による
。

飽和溶存酸素値８．２３ｐｐｍと７．４３ｐｐｍの差は
次のことから生じる。

酸素の水中への溶解速度は したがって、最も呼吸のはげしい溶存酸素値の高い所で
は根１０の呼吸率ｒ、は無視できない。

第３図に於て、安定状態になった２８分後にＤ（、−７
，４３ｐｐｍになっているのは（２）式を変形すること
により説明される。

Ｄは溶存酸素値、Ｄｏは飽和溶存酸素値、Ｋいは総括酸
素移動係数であり、これは酸素混入機構、泡の粒子径、
送気量などによって異なる。

（１）式より、何らの酸素の消費がなければ、す、飽和
溶存酸素となるが、カイワレダイコン１０の根が呼吸し
ていることにより、（１）式は訂正を加えられて（２）
式になる。

ＫＬ−（Ｄｏ　　　Ｄ）　　　ｒ　、＝　０となり溶存
酸素値りは飽和溶存酸素値り。より低（なる。

溶存酸素値８．２３ｐｐｍと７．４３ｐｐｍの差は０．
８ｐｐｍであり、飽和溶存酸素値に近い値まで中空系４
による細泡が酸素を培養液３に混入させる高い能力を持
っていることが解る（ＫＬ−が大きい）。

ここでさらに計算すると、溶存酸素値りを３．３ｐｐｍ
から７．４３ｐｐｍまで上昇させるのに要した時間は２
８分、また１ｇの培養液３の酸素増加量は（７，４３−
３，３）ｐｐｍ−４，１３ｐｐｍすなわち４．１３ｍｇ
／、１）ｘｌｌ−４，１３ｍｇ０２である。

供給空気は１０ｃｃ／分×２８分−２８０ｃｃ酸素量は
その２１％であるから ２８０ＸＯ，２Ｌ−５５，８ｃｃ 以上より酸素の利用率は という高い値であった。

すなわち、大まかに云えば１１中の溶存酸素が欠乏した
時にわずか２８０ｃｃの空気でそれをおぎなえるという
ことである。

そして、更に付は加えるならば、中空系４に生成した細
孔径からしてカビ、バクテリアは勿論ウィルスにもよる
が理論上はこれも供給空気に混入することを防止できる
。

第４図に水耕液中の溶存酸素に対するカイワレダイコン
の成長率の比較を示す。

テスト系は、１ρビーカ中に、スポンジに茎長１０ｃｍ
のカイワレダイコンを２００本程度植付けた状態で水耕
液中に漬けた。第４図中■は中空系で空気混入したもの
（ビー力中）■は中空系を使用しないもの（ビー力中）
■はビー力でなく広い水面面積（スポンジの約１０倍）
にカイワレダイコンを漬けた場合である。

■の場合は、カイワレダイコンが７日間で１５ｃｍにな
った（溶存酸素値りは７ｐｐｍ前後）■の場合はカイワ
レダイコンが７日間で１２ｃｍになった（溶存酸素値り
はｌｐｐｍ前後）。

■の場合はカイワレダイコンが７日間で１３Ｃｍになっ
た（溶存酸素値りは５ｐｐｍ前後）。

このように、成長率と水耕液中の溶存酸素濃度が多いに
影響し、高い溶存酸素が成長にかかせないことが分る。

なお、中空系への供給ガスは圧縮空気である必要はなく
、例えば酸素ボンベからの供給、酸素富化装置（膜によ
るものでは０２４０％〜６０％程度は可能になっている
。ＰＳＡ装置によるものでは、はぼ純粋な酸素が得られ
る）などと組み合わせれば更に酸素供給の能力が増強さ
れることは云うまでもない。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明に係る水耕栽培に於ける水耕
液酸素混入方法は、水耕栽培に於いて、水耕液に酸素を
混入する混入手段に中空系を用い、この中空系に少くと
も酸素を含む気体を供給して中空液の細孔から放出する
ようにしたから、水耕液への酸素供給能力が高いものに
なるし、根の呼吸率を高く保つために溶存酸素値を高く
保つことができて水耕植物の成長促進を期待することが
できる。また病源性生物（カビ、バクテリア、ウィルス
）の混入が防止できるし、水耕液１ｇ当り１０ｃｃ／分
と気体（空気）量が少ないため水耕液中及び液面を巾ら
せない安定した液面を得ることができる。

また、本発明に係る水耕栽培に於ける水耕液酸素混入装
置は、水耕液中に設けられて一端部が閉塞されて他端部
より少くと酸素を含む気体が供給されて細孔より気体を
放出する中空系と、中空系に酸素を含む気体を供給する
ための供給源手段とを備えたから、高い酸素供給能力が
あり、根の呼吸率を高く保つために溶存酸素値を高く保
ち得て水耕植物の成長促進を可能になし、しかも病源性
生物の混入防止が可能になる装置を簡単な構成で提供で
きる。このために上記した水耕液への酸素の混入を容易
に達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る水耕液酸素混入装置の概略的な構
成説明図、第２図はカイワレダイコンの根が消費する溶
存酸素の経時変化を示す線図、第３図は水中にカイワレ
ダイコンを浮かせた状態で中空系に空気を送った時の水
中の溶存酸素変化を示す線図、第４図はカイワレダイコ
ンの水耕栽培予備試験の結果を示す線図である。 １は容器、２はマグネキックスターラ装置、３は培養液
、４は中空系。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）水耕栽培に於いて、水耕液に酸素を混入する混入
   手段に中空系を用い、この中空系に少くとも酸素を含む
   気体を供給して中空液の細孔から放出するようにしたこ
   とを特徴とする水耕栽培に於ける水耕液酸素混入方法。
2. （２）細孔でクヌーセン流れ現象を起す中空系を用いた
   ことを特徴とする請求項（１）記載の水耕栽培に於ける
   水耕液酸素混入方法。
3. （３）水耕液中に設けられて一端部が閉塞されて他端部
   より少くと酸素を含む気体が供給されて細孔より気体を
   放出する中空系と、中空系に酸素を含む気体を供給する
   ための供給源手段とを備えたことを特徴とする水耕栽培
   に於ける水耕液酸素混入装置。
4. （４）細孔でクヌーセン流れ現象を起す中空系を用いた
   ことを特徴とする請求項（３）記載の水耕栽培に於ける
   水耕液酸素混入装置。