(57)【要約】【課題】培養液の貯槽よりも上方の培地などのように水源よりも上方の任意の場所まで、余分な動力源を用いずに自発的に給水する仕組みを提案し、それを水耕栽培に応用すること。【解決手段】本発明の水分子移送デバイス13は、一端の吸水口10aおよび他端の水供給口10bを備える管体10と、この管体10内に吸水口10aから水供給口10bまで充填された粉体のセルロース含有材料とを備え、管体10内に充填された粉体9のセルロース含有材料による毛細管現象によって、水を吸水口10aから吸い出してその上方の水供給口10bまで移送可能であることを特徴としている。【選択図】図３ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端の吸水口および他端の水供給口を備える管体と、この管体内に吸水口から水供給口まで充填された粉体のセルロース含有材料とを備え、
管体内に充填された粉体のセルロース含有材料による毛細管現象によって、水を吸水口から吸い出してその上方の水供給口まで移送可能である水分子移送デバイス。
【請求項２】
培地に水を供給して植物を栽培する水耕栽培方法であって、
請求項１に記載の水分子移送デバイスの吸水口を水源に接触させ、この水分子移送デバイスの水供給口を、水源と接触させた吸水口よりも上方に位置する培地に接触させ、水源の水を吸水口から吸い出して培地へ供給する水耕栽培方法。
【請求項３】
培地が、セルロース含有材料を組成とする粉体からなる請求項２に記載の水耕栽培方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水分子の移送方法とその応用に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇や環境問題の見地から、再生可能な有機資源である木質系バイオマス資源への関心が高まっている。
【０００３】
木質系バイオマス資源は、例えば、木材を粉砕しプラスチックと複合したウッドプラスチック複合材料や、セルロースを微細にしたナノセルロース等でガラス繊維等に代替する機械的性能を付与した強化材料等の用途への展開が進んでいる。
【０００４】
古くから、セルロースの最も一般的な利用方法は、紙である。紙の吸収性を利用したものは、油紙、温床紙、防錆紙、オイルマット等が知られているが、セルロースを代表とする木質系バイオマス資源の大きな特徴は水分子との親和性である。
【０００５】
従って、木質系バイオマス資源は、その水分子との親和性を利用した水分子を移送するためのデバイスの材料としての利用が期待できる。具体的には、例えば、水耕栽培をするために、培地より離隔した水源から、任意の場所、特に水源の上方の場所にある培地に水を供給するためのデバイスの材料としての利用が期待できる。
【０００６】
従来、水耕栽培をするために培地に水を供給する技術として、次のような技術が提案されている。
【０００７】
特許文献１、２には、培養液直上のフロートに設置した培地に、シート状に形成された部材の毛細管現象を利用して給水する方法が提案されている。特許文献３には、下方に設置された貯水槽から、ポンプにて上方の栽培筒に給水する仕組みが提案されている。特許文献４には、培養液の下方の培地に、給水管と給水材を用いて水を供給する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３３７１１７号公報
【特許文献２】特開２０１３−２２３４４８号公報
【特許文献３】特開２０１０−１７８６４４号公報
【特許文献４】特開２０１３−３１４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１、２の技術は、シート状の吸水部材を用いるため、培地は培養液の直上にある必要があり、培養液と培地の位置関係の制限がある。また、培養液を培地に効率よく循環させるためには培地と吸水体の接続部分の調整が必要となる。
【００１０】
特許文献３の技術は、培養液上方の培地への給水にポンプを用いるためのエネルギーが必要となる。
【００１１】
特許文献４の技術は、培地が培養液の下方であるという制限がある。
【００１２】
以上のように、従来の水耕栽培の方法では、培地が培養液の直上または下方にあるか、上方の場合には、ポンプなどの動力源を必要としていた。
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、培養液の貯槽よりも上方の培地などのように水源よりも上方の任意の場所まで、余分な動力源を用いずに自発的に給水する仕組みを提案し、それを水耕栽培に応用することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の課題を解決するために、本発明の水分子移送デバイスは、一端の吸水口および他端の水供給口を備える管体と、この管体内に吸水口から水供給口まで充填された粉体のセルロース含有材料とを備え、管体内に充填された粉体のセルロース含有材料による毛細管現象によって、水を吸水口から吸い出してその上方の水供給口まで移送可能であることを特徴としている。
【００１５】
また本発明の水耕栽培方法は、培地に水を供給して植物を栽培する水耕栽培方法であって、前記の水分子移送デバイスの吸水口を水源に接触させ、この水分子移送デバイスの水供給口を、水源と接触させた吸水口よりも上方に位置する培地に接触させ、水源の水を吸水口から吸い出して培地へ供給することを特徴としている。この水耕栽培方法においては、培地が、セルロース含有材料を組成とする粉体からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の水分子移送デバイスによれば、低所の水を高所に、電力や人力を用いずに自発的に供給することが可能となる。
【００１７】
本発明の水耕栽培方法によれば、培養液の貯槽のような水源よりも上方の培地に、電力や人力を用いずに自発的に培養液を供給することが可能となる。また培地の植物に供給する水分量の調整も容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】親水性の材料の毛細管現象による水の上方への移動の原理を説明するための図である。
【図２】親水性の粉体の毛細管現象による水の上方への移動の原理を説明するための図である。
【図３ａ】本発明の水分子移送デバイスを用いた水耕栽培方法の一実施形態を模式的に示した図である。
【図３ｂ】本発明の水分子移送デバイスを用いた水耕栽培方法の別の実施形態を模式的に示した図である。
【図４】本発明の水分子移送デバイスを用いた水耕栽培方法を用いて発芽したチンゲンサイの写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の水分子移送デバイスは、水との親和性の高い木質系バイオマス材料であるセルロース含有材料を粉体あるいは粉体の成形品として用いることを特徴とし、毛細管現象を利用した給水システムとして水耕栽培に応用することができる。セルロース含有材料の粉体としての新規な利用は、二酸化炭素を固定化することにもつながり、地球温暖化の対策の一環としても期待できる。
【００２０】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００２１】
図１は、毛細管現象により水面から移動できる水の高さh1を説明するものである。親水性材料1の厚みd1のギャップに水面2から高さh1まで水が吸い上げられる様子を示している。
【００２２】
親水性材料1と空気の界面4の単位面積当たりの自由エネルギー密度をfa、親水性材料1と水の界面3の単位面積当たりの自由エネルギー密度をfwとする。紙面に垂直な方向の単位長さあたりのこの系の自由エネルギーF1は、次式(1)によって与えられる。
【００２３】
【化１】
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【００２４】
ただし、ρwは水の密度(単位体積あたりの重さ)であり、gは重力加速度である。また、吸い上げられた水の上方の界面は近似的に平坦であると仮定して導いたものである。吸い上げ高さh1は、
【００２５】
【化２】
2015167489.tif 000004
【００２６】
であることから、
【００２７】
【化３】
2015167489.tif 000005
【００２８】
となる。親水性材料の場合、fa > fwとなるため、h1 > 0となる。また、ギャップd1が小さくなれば小さくなるほど、h1は高くなる。これが、毛細管現象と呼ばれる所以である。
【００２９】
さて、本発明の本質は、親水性のセルロース含有材料を粉体の状態で用いて、この毛細管現象を利用することである。図２には、親水性の粉体5でできた直径d2の円筒状の成形品が水6を吸う様子が示してある。
【００３０】
円筒状の成形品としては、アクリルパイプや塩ビチューブなどの外殻に当該の粉体を充填したものを用いてもよい。この系の自由エネルギーF2は、
【００３１】
【化４】
2015167489.tif 000006
【００３２】
となる。ただし、φは粉体の体積分率であり、Ψは単位体積あたりの粉体微粒子の総表面積である。給水高さh2は、
【００３３】
【化５】
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【００３４】
であることから、
【００３５】
【化６】
2015167489.tif 000008
【００３６】
となる。粉体成形物が直径Dの球状微粒子を最密充填して得られる場合は、
【００３７】
【化７】
2015167489.tif 000009
【００３８】
であり、あるいは、直径Dの円柱状微粒子を最密充填して得られる場合は、
【００３９】
【化８】
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【００４０】
となる。式(4)-(6)から、給水高さh2は、粉体のサイズと充填率および、粉体表面の表面張力の調整により、制御可能であることが分かる。
【００４１】
本発明において、粉体を構成するセルロース含有材料としては、ヒノキ、スギ、ブナ、竹等の木質材を用いることができ、紙や草等のいわゆるソフトセルロースも用いることができる。また、セルロース含有材料としては、セルロース単体、例えば市販の結晶性セルロースも用いることができる。また、粉体を構成する微粒子表面の親水性が重要となるため、セルロース含有原料からリグニンを取り除く必要はない。
【００４２】
図３ａ、３ｂは、本発明の水分子移送デバイスを用いた水耕栽培方法の実施形態を模式的に示した図である。具体的には、アクリルや塩ビなどのプラスチックのパイプ（管体）10を外殻としてセルロース含有材料の粉体9を充填した水分子移送デバイス13を用いた水耕栽培のシステムが示してある。
【００４３】
この水分子移送デバイス13は、一端の吸水口10aおよび他端の水供給口10bを備える管体10と、この管体10内に吸水口10aから水供給口10bまで充填された粉体9のセルロース含有材料とを備えている。
【００４４】
この水分子移送デバイス13は、管体10内に充填された粉体9のセルロース含有材料による毛細管現象によって、水を吸水口10aから吸い出してその上方の水供給口10bまで移送可能である。この原理については図２に説明した通りである。
【００４５】
管体10は、剛性のパイプや柔軟なホースなどを用いることができる。材料は外殻となるものであれば特に限定されるものではなく、樹脂、ガラス、金属、セラミックスなど各種の材料を用いることができる。
【００４６】
この実施形態の水耕栽培方法では、水分子移送デバイス13を用いて、培地8に水を供給して植物を栽培する。すなわち、水分子移送デバイス13の吸水口10aを、水源14に接触させ、この水分子移送デバイス13の水供給口10bを、水源14と接触させた吸水口10aよりも上方に位置する培地8に接触させ、水源14の水（培養液12）を吸水口10aから吸い出して培地8へ供給する。
【００４７】
この実施形態では水源14として容器11（貯槽）内の水を用いて、水分子移送デバイス13の吸水口10aを浸漬させている。
【００４８】
培地8は、水分子移送デバイス13に充填するセルロース含有材料の粉体9と同様の粉体9を容器7に充填して構成されている。この培地8に水分子移送デバイス13の水供給口10bを埋め込んで水分子移送デバイス13と培地8を接続している。培地8の粉体9は、栽培する植物に応じて調整することが可能である。粉体9と同様の培地8、すなわちセルロース含有材料を組成とする粉体9からなる培地8を用いることで、水分子移送デバイス13と培地8の接続は良好となる。
【００４９】
培地8は、容器11に充填した水（培養液12）よりも上方に設置する。図３ａは、水分子移送デバイス13を培地8よりも上方の位置まで引き回した後に、培地8に接続した場合である。図３ｂは、容器7の側面に穴を開け、そこから水分子移送デバイス13を接続した場合である。システム全体における、セルロース含有原料の粉体9の最も高い位置と水面の距離h3が、図３ａの場合と図３ｂそれぞれに示してある。このh3は、図２および式(4)で示されたh2に対し、h3 < h2の関係を満たしていなければ、図３ａ、３ｂのシステムは機能しない。
【００５０】
この実施形態の水耕栽培方法は、従来より水耕栽培が行われている各種の植物、たとえば葉菜類などの生育に用いることができる。この実施形態の水耕栽培方法によれば、水分子移送デバイス13の水供給口10bから培養液12が取り出された分だけ水源14から培養液12が常に補給され、培地8の植物に供給する水分量の調整が容易であることから、培地8に栽培に適切な量で供給される培養液12によって植物を生育させることができる。
【実施例】
【００５１】
以下に、実施例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
（１）水分子移送デバイスのh2の測定
内径8mm直径10mmの塩ビチューブに、市販の粉体状高純度結晶性セルロース繊維（レッテンマイヤー社製 AEBOCEL B-600：平均繊維長140mm）を充填し、h2を測定したところ、h2 = 94 cmであった。この値は、上記式(4)-(6)で示されるように、粉体系のパラメーターに依存する。従って、材料や条件を変更する場合にはこの値に限るものではない。
【００５２】
＜実施例１＞
内径8mm外形10mmの塩ビチューブに市販の粉体状高純度結晶性セルロース繊維（レッテンマイヤー社製 AEBOCEL B-600：平均繊維長140mm）（以下ではB-600という）を充填した水分子移送デバイス（図３の符号13）を用いて図３ａのシステムを実施した。
【００５３】
容器7には、100mm×55mm×55mmの金属製のパッドを用いて、培地としても同様に20gのB-600を用いた。培地にはチンゲンサイの種を巻いた。図３ａの培養液12には水を用いた。この場合、図４の写真に示すように、チンゲンサイの種からの良好な発芽が確認できた。図３ａのh3は、（１）で求めたh2(=94cm)以下になるようにした。
【００５４】
＜比較例１＞
比較のため、実施例１で用いたステンレス製のパッドに、20gのB-600のみを設置し、チンゲンサイの種を巻いた。この場合には、発芽は確認できなかった。
【００５５】
＜比較例２＞
比較のため、実施例１で用いたステンレス製のパッドに、20gのB-600を設置し、チンゲンサイの種を巻いた後、十分な水を供給した。水分量の調整が難しく、水分量が粉体が沈殿するほど多すぎたため、チンゲンサイの発芽は確認できなかった。
【００５６】
上記実施例と比較例から、本発明による給水システムにより、適切な水分量が調整でき、チンゲンサイの良好な発芽を確認することができた。
【符号の説明】
【００５７】
1      親水性材料
2      水面
3      親水性材料と水の界面
4      親水性材料と空気の界面
d1     ギャップ
h1     水面からの水の高さ
5      親水性の粉体
6      水
d2     円筒状の成形品の直径
h2     給水高さ
7      容器
8      培地
9      粉体
10     パイプ（管体）
10a    吸水口
10b    水供給口
11     容器
12     培養液
13     水分子移送デバイス
14     水源
h3     セルロース含有材料の粉体の最も高い位置と水面の距離
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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