(57)【要約】【課題】水耕栽培等の養液栽培用培養液は、培養液を循環利用する際、培養液のpH制御困難、不要養分の蓄積、原水や循環している培養液中への病原菌の混入等の問題により循環せずに廃棄、若しくは短時間の循環後に廃棄されていることが多く、品質の安定化、資源再利用、コスト削減、廃棄等による環境汚染防止等の観点より、循環し再利用することが望まれている。【解決手段】水耕栽培等の養液栽培用培養液を電解液として、不溶性電極を用い直流電流を通電することにより直接電解し、養液栽培用培養液のpH調整と培養液への酸素供給、蓄積養分の除去、殺菌効果等の本発明の効果により、再度、養液栽培用培養液として循環利用することが可能となる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
養液栽培用培養液を電解液として直流電流により直接電解し、養液栽培用培養液のpH調整、殺菌、酸素付加、脱塩、濃度調整を行うにあたり、電極基体がチタン、タンタル、ニオブ、ジルコニウムの金属若しくはこれらの合金であり、該電極基体に電極触媒として白金、イリジウム、ルテニウム、パラジウムから選択される一種以上の金属若しくは金属酸化物からなる電極触媒とチタン、錫、タンタル、アンチモン、ニオブ、ジルコニウムの金属酸化物から選択される電極触媒の分散材を含有してなる複合酸化物被覆層を有する不溶性陽極と鉄、ニッケル、銅、銀の金属若しくはこれらの合金、又はチタン、タンタル、ニオブ、ジルコニウムの金属若しくはこれらの合金、又は該金属や合金を電極基体とし、該電極基体に電極触媒として白金、イリジウム、ルテニウム、パラジウムから選択される一種以上からなる金属、合金又は金属酸化物を電極触媒として被覆した不溶性陰極若しくは該電極触媒にチタン、錫、タンタル、アンチモン、ニオブ、ジルコニウムの金属酸化物から選択される電極触媒の分散材を含有してなる複合酸化物被覆層を有する不溶性陰極を使用することを特徴とする養液栽培用培養液の調整方法。
【請求項２】
養液栽培用培養液が、元素として窒素、リン、カリウム、カルシウム、マグネシウム、硫黄、炭素、酸素、水素、鉄、マンガン、ホウ素、銅、亜鉛、モリブデン、塩素、ナトリウム、珪素、アルミニウムからなり硝酸塩、リン酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、キレート塩、有機肥料成分の水溶液で構成され、pHがpH4.5とpH8の範囲に調整することを特徴とする請求項1に記載の養液栽培用培養液の調整方法。
【請求項３】
養液栽培用培養液を電解液として直流電源により電解するにあたり、直流電源が、太陽電池であることを特徴とする請求項1、2に記載の養液栽培用培養液の調整方法。
【請求項４】
養液栽培用培養液を電解液として直流電解し、養液栽培用培養液を調整するにあたり、電解方法が、無隔膜電解又は二室法隔膜電解若しくは三室法隔膜電解の隔膜電解より選択して養液栽培用培養液を調整することを特徴とする請求項1、2、3に記載の養液栽培用培養液の調整方法。
【請求項５】
養液栽培用培養液を電解液として直流電解し、養液栽培用培養液を調整するにあたり、隔膜電解の隔膜が、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜、中性膜より選択してなる隔膜電解であることを特徴とする請求項1、2、3、4に記載の養液栽培用培養液の調整方法。
【請求項６】
養液栽培用培養液を電解液として直流電解し、養液栽培用培養液を調整するにあたり、陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂又はこれらの混合樹脂より選択し、電解方法と併用処理し、養液栽培用培養液を調整することを特徴とする請求項1、2、3、4、5に記載の養液栽培用培養液の調整方法。
【請求項７】
養液栽培用培養液を電解液として直流電解し、養液栽培用培養液を調整するにあたり、通電電流量が、養液1L当たり30A・h以下であることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6に記載の養液栽培用培養液の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水耕栽培等の養液栽培用培養液を電解液として、不溶性電極を用い直流電流を通電することにより直接電解し、養液栽培用培養液のpH調整と殺菌処理後、再度、養液栽培用培養液として循環利用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、土地の生産性、生産物の品質均一性の要求、生産物の安全性の要求から、野菜、菓物等の水耕栽培が増加している。特に、環境保全、肥料の節減、廃水による環境汚染防止の観点から、培養液を循環し使用する方式が増加しつつある。しかしながら、培養液を循環利用する際、培養液中の肥料等の濃度調整を繰り返し行っていると、蓄積した残留肥料や有機物によりpHが目的とする値より外れ、該pHを適正な値に調整するためには、さらに酸やアルカリを添加せざるを得なくなる。植物の生育段階でpHを適した値に調整することは肝要であるが、酸やアルカリが蓄積し、調整が出来なくなった培養液は、最終的には廃棄せざるを得ない。さらに、原水や循環している培養液中に病原菌が混入すると短時間の内に増殖し、栽培している生産物全体を焼却等の廃棄処分にせざるを得なくなる等の問題を有している。
【０００３】
培養液のpH調整方法としては、酸やアルカリ添加による方法以外に見当らない。培養液調製に使用される原水は、井戸水や水道水が使用されているが、井戸水では極端なpH値や硬度を示すこともあり、主として水道水が使用されている。水道水は、配管のサビや腐敗を防止する目的でやや高く設定されている場合が多く、pH7.5程度から時にはpH8以上を示すこともある。
【０００４】
また、肥料養液を調製した場合、肥料濃度にもよるが、若干のpH低下はみられるものの肥料の消費により再びpHは上昇する。さらに、培地材質の種類によっては、培養液のpHが上昇する。したがって、実際にはリン酸、硫酸等の酸を添加し、培養液のpHを低下させている。植物を生育させるには、培養液の電気伝導度測定による肥料濃度の管理と同時にpH測定による培養液管理が不可欠であることは言うまでもないが、リン酸、硫酸等の強酸の添加によるpH調整は、薬品の保管等を含め危険であるばかりでなく大量の培養液のpH調整自体困難な作業である。
【０００５】
一方、培養液の殺菌方法としては、薬剤による方法や熱殺菌による方法が検討されている。薬剤による方法では、病原菌の種類に応じ数種の薬剤を使用する必要があり、農薬の蓄積による人体への影響とコストアップを招く等の問題を有している。
【０００６】
また、特許文献1に養液の殺菌方法として、栽培槽を通過した排液を電解により殺菌処理後、再度養液と混合、循環し再利用する技術が開示されている。該技術は、電解処理の際、「電極間の電界」と「陽極にて生成する次亜塩素酸」の両方の殺菌作用により達成されることを開示している。特許文献1によれば、該次亜塩素酸の生成に関しては、特許文献2に開示の弱アルカリ性次亜塩素酸製造方法に拠っている。しかしながら、汎用性のある次亜塩素酸ナトリウム処理は、栽培開始前の装置、資材、種子等に適用可能だが、栽培中は、次亜塩素酸の蓄積等による根腐れの原因ともなるため継続使用することはできない。
【０００７】
さらに、特許文献2においても開示されているように、食塩や塩化カリウム等の塩素イオンを含有する水溶液を電解方法によって次亜塩素酸を製造すると、電解液の液性は、アルカリ性となる。次亜塩素酸の蓄積や培養液のアルカリ化等の現象は、培養液が循環再利用されるにつれ、水分が蒸発し、井戸水や水道水等の塩素イオンを含有する原水が供給される操作が繰り返され、塩素イオンが濃縮されることにより、急速に進行する。この結果、電解により高濃度の次亜塩素酸が生成し、同時に培養液のpHが上昇し、強アルカリとなることにより、培養液のpH調整が不能となること、栽培植物の根腐れを発生させること等の問題が発生する。したがって、特許文献1に開示の技術では、培養液を長期間に亘って循環再利用することが出来ない。
【０００８】
また、特許文献1には、電極材質等に関しては何等記載されていない。電解に使用する電極の触媒によっては、発生する電極反応が異なることは言うまでもない。例えば、ニッケル電極やSUS電極を陽極として使用した場合には、次亜塩素酸は生成せず、ニッケルやSUSの構成成分である鉄等が溶解し、さらに、溶解したイオンが加水分解反応し、液性が酸性の水溶液となることもある。
【０００９】
また、UVやオゾンガスを用いた殺菌装置も市販されているが、UVでは、光路が短いことや光が照射できないところでは充分な殺菌が出来ないこと、オゾンガスでは、オゾンの培養液への溶解量が少ないことやオゾンが有機物と反応してしまい培養液中で殺菌に充分な量が得られないため培養液の殺菌方法としては不十分であった。
【００１０】
最近、非特許文献1に示されるような炭酸ガスヒートポンプを用いた加熱方式による「水耕栽培用養液殺菌装置」が開発された。該技術は、培養液の加熱による培養液の殺菌方法であり、培養液の殺菌方法としては、極めて有効な手段ではあるものの、装置が大型化し、高価である。又、培養液を循環し、再利用すると不要成分の蓄積が問題となり、長期間に亘り培養液を利用することは不可能である。
【００１１】
このように、従来方法は、減農薬の観点及び装置の大型化によるコストアップに繋がるため普及していないのが現状である。
【００１２】
【特許文献１】特開2002-51651号広報
【特許文献２】特開平11-239791号広報
【非特許文献１】SANYO  TECHNICAL  REVIEW  VOL.35  NO.2  DEC.  2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、養液栽培用培養液の調整方法において、養液栽培用培養液中で、不溶性電極により直流電流を通電し、電解することにより、培養液のpHを調整すると共に、培養液に酸素を供給し、酸欠状態による「嫌気性脱窒素菌」の発生を防止することにより「窒素肥料」の消費分解を抑え、さらに培養液を殺菌することにより、根の腐敗、発酵により変動するpHを安定させる等の培養液の調整を容易に、安全に且つ安価に行う養液栽培用培養液の調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
さらに詳細には、養液栽培用培養液を電解液として直流電流を通電し、電解を行うにあたり、電極基体がチタン、タンタル、ニオブ、ジルコニウムの金属若しくはこれらの合金に電極触媒として白金、イリジウム、ルテニウム、パラジウムから選択される一種以上の金属若しくは金属酸化物からなる電極触媒とチタン、錫、タンタル、アンチモン、ニオブ、ジルコニウムの金属酸化物から選択される電極触媒の分散材を含有してなる複合酸化物被覆層を有する不溶性陽極と鉄、ニッケル、銅、銀の金属若しくはこれらの合金、又はチタン、タンタル、ニオブ、ジルコニウムの金属若しくはこれらの合金、又は該金属や合金を電極基体とし、該電極基体に電極触媒として白金、イリジウム、ルテニウム、パラジウムから選択される一種以上からなる金属又は合金若しくは金属酸化物を電極触媒として被覆した不溶性陰極若しくは該電極触媒にチタン、錫、タンタル、アンチモン、ニオブ、ジルコニウムの金属酸化物から選択される電極触媒の分散材を含有してなる複合酸化物被覆層を有する不溶性陰極を使用することにより、培養液のpHを調整すると共に、培養液に不溶性陽極より発生する酸素を供給することにより、酸欠状態による嫌気性脱窒素菌の発生を防止し、該嫌気性脱窒素菌による窒素肥料の消費分解を抑え、さらに、培養液を殺菌することにより、根の腐敗、発酵により変動するpHを安定させる等の培養液の調整を容易に、安全に且つ安価に行う養液栽培用培養液の調整方法を提供することにある。
【００１５】
本発明に使用される陽極は、既に市販されている電極が使用可能であるが、不溶性陽極であることが不可欠である。不溶性であることは、培養液を電極成分で汚染することを防止出来るばかりでなく、目的とする電極反応を制御するうえで不可欠な要素である。鉄、ニッケル、ステンレス、銅、銀等の金属は、アノード溶解するため、本発明の不溶性陽極としては使用できない。
【００１６】
不溶性陽極としては、例えば、日本カーリット株式会社製焼成電極及び電気めっき電極が使用できる。また、該不溶性陽極基材に白金族金属をクラッドしたクラッド電極も使用可能である。さらに、特開2003-293196や特開2004-204328で開示されているような耐食性が向上された電極も使用可能であり、本発明に使用する不溶性陽極として好適である。
【００１７】
本発明に使用される陰極は、陽極と同様に培養液に対して不溶性であることが必須条件となる。陰極材料としては、鉄、ニッケル、銅、銀等の耐蝕性金属若しくはステンレス等の合金が使用できる。又、チタン、タンタル、ニオブ、ジルコニウム等の高耐蝕性金属やこれらの合金が好適である。さらに、これらの金属を電極基体とし、該電極基体に電極触媒として白金、イリジウム、ルテニウム、パラジウムから選択される一種以上からなる金属、合金又は金属酸化物を被覆した不溶性陰極を使用し、陰極反応である水素発生の過電圧を抑えることにより、電解電圧を減少させ消費電力を軽減することが可能であり、本発明の不溶性陰極として好適である。
【００１８】
本発明の陽極及び陰極の形状は、該基材が金属であるため、用途に応じて任意の形状が可能である。又、不溶性電極であるため溶解等による形状の変化が無いので、使用される養液栽培の形態、菌の混入源、管理の容易さ等の設置場所にあわせて電極形状を決定すればよい。例えば、培養液の通路内に無隔膜の状態で設置するのであれば、培養液の流れを妨げないエキスパンドメタルを基板とする網状電極や棒状電極を溶接等の手段により電気的に接合した櫛状電極が好ましい。
【００１９】
又、培養液を集中管理している養液栽培を実施している農場であれば、集中管理タンク内に板状、棒状若しくは網状の電極のいずれの形状の電極も使用可能である。さらに、棒状電極に網状電極を溶接等の手段で電気的に接合した電極、同様に、網状電極を複数枚接合した電極が好適である。該形状の電極であれば、本発明の目的以外にストレナーとしても使用可能である。
【００２０】
電極の設置場所は、任意の場所に設置可能である。肥料調整後にpH調整用として設置しても良い。特に、大気と接し、細菌等が混入しやすい培養液通路内が好適である。又、これらを併設し、複数の電極を分散設置しても良く、各電極設置場所にて電気伝導度とpHを測定管理し、通電電流量を調整することが望ましい。
【００２１】
本発明の電解方法で調整する養液栽培用培養液は、養液栽培用培養液が、元素として窒素、リン、カリウム、カルシウム、マグネシウム、硫黄、炭素、酸素、水素、鉄、マンガン、ホウ素、銅、亜鉛、モリブデン、塩素、ナトリウム、珪素、アルミニウムからなり、化合物としての形態は、硝酸塩、リン酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、キレート塩、有機肥料成分の水溶液で構成され、植物の養育に基本的な構成である。したがって、該基本構成の培養液に植物の種類により他の成分を添加しても良い。
【００２２】
養液栽培用培養液は、井戸水や水道水を原水とし硝酸カリウム、硝酸カルシウム、リン酸二水素カリウム、リン酸二水素アンモニウム、硫酸カリウム、硫酸マグネシウムを基本とし、EDTA、アミノ酸、有機酸等の配位子と鉄、マンガン、銅、亜鉛、モリブデン酸、キレート塩とこれに酸やアルカリ添加によりpHを調整した電解質の希薄溶液である。又、硫酸塩やリン酸塩として、第一硫酸塩や第二リン酸塩、第三リン酸塩も好適である。
【００２３】
本発明の電解方法による養液栽培用培養液の調整は、該培養液を不溶性電極により直接電解し、肥料となる成分を沈殿生成等の発生による培養液の変質や損失を発生すること無く、培養液のpHを適正な値に維持管理すると共に培養液の殺菌を行うことを目的とする。
【００２４】
培養液のpHは、培養液中の養分である溶存イオンの溶存状態や溶解度に影響し、植物の吸収バランスや直接的に植物の吸水量にも影響して生育に多大な影響を及ぼすことになる。培養液のpHは、植物の種類、肥料濃度等の影響を受けるが、植物の養水分吸収に好適なpH5.5〜pH6.5の範囲で管理することが、植物の生育の上からも推奨されている。しかし、ミツバやネギの栽培では、P及びCaの肥料効果を得るために、培養液のpHをpH4.5〜pH5.0の範囲で管理されている場合もある。
【００２５】
さらに、トマト、ピーマン等のナス科植物やミツバ、ネギの培養液のpHは、生育と共に上昇させている。例えば、トマト生育では培養液のpHは、pH5.5〜pH6.5の範囲が適正であるが、生育と共に高pHに管理されている。培養液のpHが、pH7.5程度であればトマトの生育には問題は生じないが、pH8を超えると鉄、マンガン、リンなどが沈殿しやすくなる。該培養液で生育されると欠乏症をおこす場合がある。特に、培養液のバランスの乱れは、果実の収穫が始まる頃から大きくなり、このような場合には、培養液のpHを低下させることが必要となる。従って、以上のことより、養液栽培用培養液のpH管理範囲は、pH4.5〜pH8の範囲、好ましくは、pH5.5〜pH6.5である。
【００２６】
一般に、不溶性電極を用いて、直流電流を通じ、無隔膜にて水電解を行うと、陽極では電解酸化反応として、水を電解し酸素を発生し、陰極では電解還元反応として水素を発生する。この結果、水は、酸素と水素に分解され減少するが、電解液のpHは変動しない。一方、塩素イオンを含有する水溶液を電解すると、アルカリ性次亜塩素酸水溶液が得られる。
【００２７】
しかしながら、養液栽培用培養液を電解液として、不溶性電極を用いて無隔膜にて電解することにより、pHが酸性側に変動すると共に微生物反応に由来するATP、AMPの発光量が減少すること、すなわち、電解により、pH調整が可能であること、殺菌効果が得られること、さらに、培養液中の酸素濃度が上昇し、植物の栽培に電解が有効であることを見出し、不溶性電極を用い養液栽培用培養液を直流電解することにより、養液栽培用培養液の調整が可能である本発明に至った。
【００２８】
すなわち、実施例1に示すように、硝酸カリウム、硫酸マグネシウム、リン酸一アンモニウム、EDTA-鉄、硝酸カルシウム、モリブデン酸アンモニウム、微量要素の硫酸塩、リン酸等からなる培養液の濃度が、電気伝導度(EC)で0.1S/m、pH6.42のトマト水耕栽培用培養液の電気伝導度とpHの変化について、金属チタンを電極基体として、該電極基体に電極触媒として、電気めっき法により白金を被覆した電極を不溶性陽極及び不溶性陰極として使用し、電解した場合と比較検討を行った。
【００２９】
培養液は、栽培植物により養分が吸収され、電気伝導度が減少するにつれ、pHが上昇するが、電解法を導入しない培養液のpHは、pH7近くまで上昇した。しかしながら、電解法を導入した場合、pHは、pH6.5程度に制御され、硫酸やリン酸を添加すること無く、培養液のpHを制御することが可能であることが明らかとなった。
【００３０】
不溶性電極より直流電流を通電し、培養液を直接電解することにより、pHが制御可能となる理由については、詳細不明であるが、培養液中に含有されるリン酸イオン、硫酸イオン、有機酸イオンやEDTAイオン等の多価塩基や酸が、電解により不溶性陽極及び不溶性陰極で生成する水素イオン、水酸イオンによって酸塩基解離の平衡状態が移動した結果により発現したものと推察される。
【００３１】
電極反応としては、培養液中に肥料として添加されるリン酸イオン、硫酸イオン、有機酸イオン、EDTA或いは生物反応して生成するATP、有機物等の多価陰イオンが、陽極表面に選択的に吸着し、培養液中で濃度の高い水及び吸着した有機物、ATPを選択的に電気分解するために、陽極反応として、酸素発生、全有機体炭素、細菌等の微生物に由来するATP、AMP量の減少による発光量の減少及び細菌数減少となる電解反応が発生しているものと推察される。
【００３２】
従って、濃度の低い塩素イオンが陽極酸化され、次亜塩素酸を生成する反応は、電極電位、塩素イオン濃度等を考慮しても電極反応として事実上発生していないものと考えられる。特許文献2に開示の無隔膜電解により、次亜塩素酸を生成することにより、アルカリ性次亜塩素酸水溶液が得られることを考慮しても、培養液を不溶性電極により直接電解することによりpHが低下する、すなわち、酸性液が得られる本発明の結果とは明らかに異なる。
【００３３】
すなわち、何等詳細記載の無い、「次亜塩素酸」と「電界」によって殺菌するという特許文献1に記載の「養液栽培方法及び装置」技術は、本発明の技術とは明らかに異なる技術であることが明白である。
【００３４】
本発明の不溶性電極による、培養液電解により発現下と推察される緩衝作用により変動する培養液のpHの制御は、電解における通電電流量に対する各々の培養液量及び電気伝導度に対するpH変動をモニターすることにより、制御目的とするにpHに電流値を制御することにより制御可能となる。
【００３５】
一方、殺菌効果は、培養液中の陽極反応で生成する活性な発生期酸素、酸素や陰極反応で生成する発生期水素、水素、ヒドロキシラジカル、ヒドロキシルイオン又は、電極表面で細菌等の直接酸化、還元等による化学的、電気化学的反応により発現されたものと推察される。
【００３６】
実施例2及び実施例8に示す通り、通電電流による細菌等の微生物に由来するATP、AMP量の変化は、通電電流量に依存して減少することが判明した。該細菌等の混入源は、培養液を調製する原水や大気であると考えられる。これらの定常的に混入する細菌等を完全に無菌とすることは困難を伴うが、実施例4に示す通り、培養する植物が発病しない程度まで培養液を殺菌することにより栽培植物の発病を防止することは可能となる。
【００３７】
又、該殺菌効果により、根の腐敗、発酵が防止されるため、根の腐敗、発酵に起因する培養液のpH変動がおさえられ、安定化するためpHの管理も容易となる。
【００３８】
さらに、培養液の酸素濃度は、通常、培養液中に空気を吹き込むエアーレーション等により行われているが、実施例3に示す通り、本発明の電解法を導入することにより、エアーレーション等の手段を用いることなく溶存酸素量がほぼ飽和状態に維持されることが判明した。これは、培養液を直接電解することにより、陽極で水が電気分解され、発生期の酸素が水に効率よく溶解するため高濃度の酸素が培養液中に溶解するためと考えられる。
【００３９】
この結果、培養液を不溶性電極により電解し、陽極にて酸素を発生することにより、エアーレーション等の手段を導入することなく、培養液に酸素を供給することが可能となるため、酸欠による嫌気性脱窒素菌の発生を防止し、窒素肥料の分解による消費を防止可能となる。
【００４０】
培養液に対する通電電流量は、養液栽培する植物の種類、培養液濃度、使用する原水の硬度、殺菌の混入による培養液の汚染度、管理pH範囲、季節変動等により異なり調整する必要があるが、概ね、培養液1L当たり30A・h以下である。培養液1L当たりに含有される成分組成の当量数は、約0.05当量程度である。該通電電流量は、培養液1L当たり約1当量の通電電流量を負荷するものである。循環培養液は、細菌等に汚染されやすいばかりでなく、肥料成分等が蓄積し、このため培養液の緩衝作用が増大する。このため培養液のpHを適正なpH管理範囲、pH4.5〜pH8、好ましくは、pH5.5〜pH7である範囲に管理し、殺菌を行うために必要な通電電流量は増大する。該理由により、培養液を電解により調整するにあたり、培養液1L当たりに通電する通電量が30A・h以下であることは、合理的な値であると考えられる。
【００４１】
通電電流量に上限は無いが、培養液1L当たり30A・h以上であると、培養液に蓄積する肥料成分量や有機物量が多くなり、細菌の繁殖が容易になるため、二室法隔膜電解、三室法隔膜電解のような電解質の透析技術やイオン交換樹脂技術を併用し、蓄積肥料成分や有機物の脱塩を行い、これら蓄積肥料成分等のレベルを低減し、その後でpH調整や殺菌を行う方が循環型培養液の調整が容易に且つ効率的に行える。
【００４２】
さらに詳細には、循環型培養液から脱塩を行うには、二室法電解技術により脱塩を行う方法として、例えば、陽イオンを除去するには、陽イオン交換膜を挟み培養液を陽極室に流通させて不溶性陽極と不溶性陰極より通電し、電解することにより、陽極液である培養液中の陽イオンが陰極室へ移行し、培養液中の陽イオンが減少する。同時に陽極から水素イオンが供給される。従って、培養液中の陽イオンを除去すると共にpHを低下することが可能となる。一方、陰イオンを除去するには、培養液を陰極室に流通させ、陰イオン交換膜を挟み不溶性陽極と不溶性陰極より通電し、電解をすることにより培養液中の陰イオンが陽極室に移行し、培養液中の陰イオンが減少する。同時に陰極より水酸イオンが供給され、培養液中の陰イオンを除去すると共にpHを上昇させることが可能となる。
【００４３】
又、三室法電解技術では、陽極室側に陽イオン交換膜と中間室を介して陰極室側に陰イオン交換膜を配置し、陽極室と陰極室の双方に培養液を流通させ、不溶性陽極及び不溶性陰極より直流電流を通電し、電解することにより陽極室の培養液中の陽イオンと陰極室の培養液中の陰イオンが中間室に移行し、培養液中から蓄積された塩が除去される。電解処理された陽極液と陰極液は混合後、再利用する。
【００４４】
同様に、循環型培養液を陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂若しくは陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂を混合した混合イオン交換樹脂に浸漬又は通過することによってイオン交換することにより同様の効果が得られる。陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂の混合比を調整することによりpHを上昇することも、低下させることも可能となる。すなわち、培養液中の蓄積イオンを除去し、同時にpHを制御することが可能となる。
【００４５】
二室法電解技術、三室法電解技術及びイオン交換樹脂技術によって処理された培養液は、肥料調製とpH調整され再循環される。
【００４６】
二室法電解及び三室法電解で使用されるイオン交換膜は、市販の炭化水素樹脂系又はフッ素樹脂系の陽イオン交換膜、陰イオン交換膜或いは陽イオン交換膜と陰イオン交換膜を張り合わせたバイポーラー膜が使用でき、二室法電解に使用される隔膜としては、イオン交換機能を有しない炭化水素樹脂系又はフッ素樹脂系多孔質膜や素焼製隔膜も使用可能である。
【発明の効果】
【００４７】
本発明は、養液栽培用培養液の調整方法において、培養液にpH調整用の酸やアルカリや農薬を添加することなく養液栽培用培養液中で、不溶性電極に直流電流を通電し、電解することにより、培養液のpHを植物の生育の各段階で適切なpHに調整にすると共に、培養液に酸素を供給し、酸欠状態による「嫌気性脱窒素菌」の発生を防止することにより「窒素肥料」の消費分解を抑え、さらに、培養液を殺菌することにより、根の腐敗、発酵により変動するpHを安定化させることが可能になる等の養液栽培植物を健全に、品質が均一に育成することが可能となり、培養液の調整を容易に、安全に且つ安価に行うことが出来、さらに、培養液の寿命が延長され循環再利用が可能となるため、環境保全、肥料の節減、廃水の減少による環境汚染防止の観点からも極めて有効であることが判明した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明は、以下の例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００４９】
トマトの水耕栽培用培養液の養育時におけるpHの管理をするために、本発明の不溶性電極による培養液の直接電解によって可能か否かを検討するため、トマト培養液10トンに対し肥料の追加を行わず、直流電流20Aを通電する無隔膜電解を導入しなかった場合と導入した場合の培養液の肥料濃度を示す電気電導度とpHの変化を調査した結果を図1、図2に示した。
【００５０】
無隔膜電解には、陽極として、幅300mm、長さ650mm、厚さ1mmのチタン製エキスパンドメタルに白金めっきを施した石福金属興業株式会社製白金めっき電極PLATINODE-101Bを、陰極としては、同じ大きさのチタン製エキスパンドメタルを用いた。電解液として、電気電導度が0.1S/m、pH6.4のトマト培養液10トンを循環し、pH管理範囲をpH5.5~pH6.5とし、電解を行った。
【００５１】
図1、図2の結果より、電解を実施しなかった培養液のpHは、管理範囲外のpH6.8となったが、本発明の不溶性電極により培養液を直接電解した場合の培養液のpHは、pH6.5以下となり、トマトの生育に適したpH5.5〜pH6.5の範囲とすることが可能であった。
【実施例２】
【００５２】
実施例1と同様の無隔膜電解条件で、トマト培養液500Lを直接電解すると共に、生物由来のアデノシン三リン酸(ATP)とルシフェラーゼの反応による発光量(RLU)を測定し、本発明の方法が、培養液の殺菌に有効か否かを検討した。その結果を図3に示した。
【００５３】
図3の結果より、発光量は、電解初期に上昇するものの、電解時間と共に減少し、120時間後には、約70%が減少した。該結果より、不溶性電極による培養液を直接電解する本発明の培養液調整方法により、生物由来のATPを分解し、培養液を殺菌することが可能であることが判明した。
【実施例３】
【００５４】
直径20mm、長さ500mmのチタン製の電解面積を有する丸棒に、酸化イリジウム60%、酸化タンタル40%からなる電極触媒となるように調製した塩化イリジウムと塩化タンタルの塩酸溶液を酸洗後のチタン製丸棒に塗布し、550℃で熱分解する操作を繰り返し行い不溶性陽極を製作した。同じ形状のSUS電極を陰極として、栽培槽が50mのイチゴのNFT水耕栽培用培養液の戻りタンクに陽極及び陰極を浸漬し、30Aの直流電流を通電し、連続無隔膜電解を行った。該電解処理を行った処理水を原水として、肥料調製・供給後、チャンネル出口の培養液中の溶存酸素濃度を測定し、本発明の電解による培養液調整方法で培養に必要とされる培養液中の溶存酸素濃度が確保されるか否かについて、電解をしなかった場合の培養液中の溶存酸素量と比較検討を行った。結果を図4に示した。
【００５５】
図4の結果より、電解を行わなかった場合、培養液中の溶存酸素量が培養液流量に大きく依存することが判る。特に、培養液流量が毎分2L以下では、溶存酸素濃度が4ppm以下となり、溶存酸素量が不足するのに対し、本発明の電解方法を導入することにより、高濃度で安定した溶存酸素濃度が得られ、安定した高品質の製品と高い生産量が期待できる。
【実施例４】
【００５６】
縦100mm、横100mm、厚さ1mmの電解面積を有するチタン製エキスパンドメタルに酸化ルテニウムを電極触媒とする複合酸化物の被覆を熱分解により施した焼成電極である日本カーリット株式会社製エクセロードCを陽極、同様に白金を電極触媒とするエクセロードR-1000を陰極として用い、トマト水耕栽培用培養液1Lを電解液として、3Aの直流電流を通電し、無隔膜直接電解を行った。該電解液を採取し、スリーエムヘルスケアー株式会社製生菌数測定用ペトリフィルム培地を用い、35℃で48時間培養後、コロニー数を計測し、通電電流量に対するコロニー数依存性を検討した。その結果を図5に示した。
【００５７】
図5の結果より、発光量の測定結果同様、コロニー数は、電解初期時に増加するが、電解が進行するにつれて減少し、通電電流量が培養液1L当たり約4.5A・hで初期量の4%まで減少した。すなわち、約96%の殺菌が可能であった。
【実施例５】
【００５８】
実施例4と同様の条件で電解試験を行い、トマト水耕栽培用培養液に関し、本発明の電解方法が、培養液の循環再利用に不可欠である培養液の浄化に有効であるか否か、全有機体炭素(TOC)濃度の通電電流量依存性を測定することにより検討した。結果を図6に示した。
【００５９】
図6の結果より、TOC値が、約460ppmを示した電解前の培養液が、電解が進行するにつれ減少し、培養液1L当たり1A・hの通電量でTOC値100ppmとなり、2 A・hの通電量で50ppm、4.5 A・hの通電量で3ppmとなった。該結果より、本発明の電解方法により、培養液の浄化が可能であり、従って、培養液の寿命が延命化し、培養液の廃棄量が減少することによる環境保全やコスト削減等が可能となることが判明した。
【実施例６】
【００６０】
熱蓚酸に浸漬し酸洗後、水洗した電解面積として縦100mm、横100mm、厚さ1mmを有する、チタン製エキスパンドメタルを電極基板とし、該電極基板上に熱分解法、すなわち、酸化ルテニウム及び酸化イリジウムをモル比で2：1となる混合比の電極触媒と酸化チタン及び酸化錫をモル比で2：1となる電極触媒分散体を塩化物として含有する塩酸水溶液を塗布後、550℃で焼成する操作を繰り返し、複合酸化物被覆を施したチタン製不溶性金属電極を製作し、該不溶性金属電極を陽極として、同様に製作した白金及び酸化ルテニウムからなる電極触媒被覆を施した不溶性電極を陰極として、該陽陰極の間に陰イオン交換膜である旭硝子株式会社製セレミオンAMVを用い、循環型培養液として使用した電気電導度が0.5S/mに上昇した培養液の1Lを陽極液として、20Lを陰極液として循環し、直流電源により5Aの電流を通電し、二室法イオン交換膜電解を2時間行った。その後、二室法イオン交換膜電解でpHが上昇した陰極液を電解液として、5Aの直流電流を通電し、4時間の無隔膜電解を行い、培養液のpHを管理範囲であるpH5.5〜pH6.5とするようにした。その結果を表1に示す。
【００６１】
【表１】
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表1の結果より、二室法イオン交換膜電解及び無隔膜電解の併用方法により、従来廃棄していた電気電導度が上昇した培養液を再生し、再循環に供することが、可能であることが判明した。
【実施例７】
【００６２】
実施例6と同様に、電解面積として縦100mm、横100mm、厚さ1mmを有する、チタン製エキスパンドメタルを電極基板に酸化イリジウムを電極触媒として熱分解により被覆した日本カーリット株式会社製エクセロードBを不溶性陽極、同様に電極触媒として白金及び酸化イリジウムをチタン製エキスパンドメタル電極基板に被覆したエクセロードRN-2000を不溶性陰極として使用し、該陽陰極の間に陽イオン交換膜として旭硝子株式会社製セレミオンCMV、陰イオン交換膜としてセレミオンAMVを用い、実施例6と同様に、電気電導度が0.6S/mに上昇した循環型培養液を陽極液、中間液及び陰極液として循環し、陽極と陰極に直流電源により5Aの電流を通電し、6時間三室法イオン交換膜電解を行った。その後、陽極液と陰極液を混合し、該混合液のpH、電気電導度を測定し、再度培養液の原水として使用可能か否かを検討した。その結果を表2に示す。
【００６３】
【表２】
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表2の結果より、三室法イオン交換膜電解により、従来廃棄していた電気電導度が上昇した培養液を再生し、循環して培養液調製用の原水に供することが可能となることが判明した。
【実施例８】
【００６４】
果実糖度を高水準とするため、肥料濃度を高濃度で循環使用したトマト培養液を再利用することが可能か否かを検討するため、電気電導度が0.7S/mに上昇した培養液20Lをイオン交換樹脂処理及びpH調整を目的とした無隔膜電解処理を併用処理し、再使用の可能性を判断するため、電気電導度、pH及び発光量を測定した。イオン交換樹脂処理には、三菱化学株式会社製陽イオン交換樹脂ダイアイオンSK110及び陰イオン交換樹脂ダイアイオンSA10Aをそれぞれ酸型と塩基型に処理後、容量比1：1で混合したものに培養液を通液処理した。次いで、イオン交換樹脂処理を行った培養液を縦100mm、横100mm、厚み3mmの電解面積を有する板状の石福金属興業株式会社製MODE-200焼成電極を不溶性陽極、同じ形状の銅板を不溶性陰極として使用し、10Aの直流電流を通電し、10時間の無隔膜電解を行った。それぞれの結果を表3に示した。
【００６５】
【表３】
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表3の結果より、イオン交換樹脂処理では、培養液に蓄積した不要成分が除去され、電気電導度は低下したが、pH及び発光量は減少せず、pH調整と殺菌効果は得られなかった。さらに、該イオン交換樹脂処理を行った培養液を無隔膜電解した培養液では、pHがトマト栽培の育成に適するpH5.8とすることが可能となり、発光量も減少した。該イオン交換樹脂処理と無隔膜電解処理を併用した処理により、肥料濃度を高濃度で循環使用した高電気電導度の培養液を再使用するための原水として利用可能であることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】トマト培養液の電気電導度とpHの経時変化を示す図面
【図２】無隔膜電解を行ったトマト培養液の電気電導度とpHの経時変化を示す図面
【図３】トマト培養液発光量の電解時間依存性を示す図面
【図４】イチゴ培養液中の溶存酸素濃度の電解有無による培養液流量依存性を示す図面
【図５】トマト培養液の一般細菌数の通電電流量依存性を示す図面
【図６】トマト培養液の全有機体炭素(TOC)濃度の通電電流量依存性を示す図面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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