(57)【要約】【課題】  農業において、不足しがちな温室内の二酸化炭素雰囲気を補い、植物の光合成に必要十分な量を提供する方法および装置を提供する。【解決手段】  産業廃棄物である貝殻あるいは石灰に、安全な酸、例えば木酢液を添加することによって、二酸化炭素を発生させる方法および装置である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貝殻粉末、卵の殻、あるいは石灰岩粉末に酸を添加することにより二酸化炭素を発生させ、これを温室内に発散させることで、植物の光合成能を高めること、を特徴とする温室内雰囲気の調製方法および装置。
【請求項２】
酸が比較的安全な食用酢あるいは、木材の炭化の副産物である木酢液であること、を特徴とする請求項１に記載の温室内雰囲気の調製方法および装置。
【請求項３】
貝殻がホタテ、牡蠣、アサリ、シジミ、蛤であり、これら貝の食品加工後の貝殻を粉砕して得られる粉末であること、を特徴とする請求項１〜２のそれぞれに記載の温室内雰囲気の調製方法および装置。
【請求項４】
装置が、混合タンクを持ち、タンク内で石灰および酸を撹拌し、二酸化炭素を発生させることを特徴とする、請求項１〜３のそれぞれに記載の温室内雰囲気の調製方法および装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、農業において、温室内の二酸化炭素を補い、光合成を活性化させ、植物の生育を促進し、収量を高めるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】  農業は人間が定着すると同時に始まった。人類の歴史と共にその栽培技術は大きく発展したが、露地栽培は地域の土壌環境に影響され、また天候によって成長が左右される決定的な欠点があった。また災害の影響を受けやすいことも大きな欠点であった。これらを解決するために、施設園芸と言う手法が生まれた。これは温室内で栽培することから始まり、太陽光を利用しながらも、温度及び水等を人工的に管理するものである。稲作以外の野菜、果物、花卉などの栽培に適用されて来た。【０００３】  近年では寒冷地での温暖野菜の栽培も可能となってきた。日本国内では、一年中野菜の入手が可能となっている。従って、近年の農業は露地栽培からハウスあるいは温室栽培に移行する傾向がある。寒冷地での温室栽培は、温度管理することにより、露地では栽培できない野菜の収穫方法であるが、温暖な地方でも、病害虫の予防管理がしやすいこと、栽培品種が多岐に渡り、異なる条件で生育する野菜や果物栽培が、温室の棟を変えることにより簡単に実現出来ることから、温室は日本中どこでも見られる田園風景となっている。【０００４】  施設園芸がさらに進化した栽培として水耕栽培がある。環境制御や自動化など、ハイテクを利用した植物の周年生産システムである。現在は、小規模な人力によるものから、コンピューターで完全制御し、太陽光や人工光を利用するものまでが存在している。特に、我が国では近年、農家の高齢化、後継者不足が深刻な問題になっており、軽作業・省力的な野菜生産技術が求められているため、水耕栽培技術などの技術のハイテク化はこの問題を解決するために必要不可欠であるが、現在、日本では水耕栽培の施設設置面積は１０００ｈａに達していると言われている。カイワレ、葉ネギ、トマト、キュウリ、リーフレタス、ミツバ、イチゴ、バラなどは実用化されており、実質的な流通と供給がなされている。また、種苗生産が盛んであり、直接土壌に植えるための成型苗が供給されている。【０００５】  施設園芸による利点は、（１）異常気象に左右されない安定した作物生産が可能である事、（２）国産農業の活性化、すなわち自動化による省力化あるいは新しいアグリビジネスの展開が可能である事、（３）根圏部の環境制御がし易く、高収益化が可能である事、（４）作業の集約化が図れる事が挙げられる。上記（１）については、近年の世界的な工業化による過剰二酸化炭素の排出により、気温上昇と乾燥化観察されており、異常気象は年々被害をもたらしているため、安定化した収穫を保障するものである。（２）については、近年の日本農業の衰退、すなわち、食料の自給率が５０％を割る状況であり、稲作専従者の半数が６０歳以上であり、施設園芸でも３０％以上と高齢化が進んでいるため、これを解決するための対策となる。（３）については、根圏部は施肥が調整出来る為に、成長を簡単に制御できる事である。（４）については、農業を工場化することであり、省人員の運営方式により、作業が軽減化されるような対策である。しかしながら、このような集約された農業では、大きな問題がある。【０００６】  それは温室のような半密閉状態にある中に、植物を高い密度で栽培すると、光合成に必須な二酸化炭素が不足することである。��常の温室内では、夜間、光合成が行なわれない時には、植物の呼吸によって二酸化炭素濃度が最大８００ｐｐｍ（夜明け直前）まで上昇する。しかし、夜明けと共に植物が光合成を始めると、徐々に二酸化炭素を消費し、午前中までに１００ｐｐｍを割り込むことが言われている。光合成が効率よく行なわれるためには、二酸化炭素濃度が１０００〜１５００ｐｐｍある方が良いとされている。二酸化炭素濃度が２００ｐｐｍを割り込むと、実質的に成長停止状態となり、濃度低下は深刻である。【０００７】  飽和光下での光合成は、二酸化炭素濃度が高い程速度が高くなる。葉内細胞間隙の二酸化炭素濃度が、６００ｐｐｍで光合成速度は１２μｍｏｌ／ｍ２／秒であり、二酸化炭素濃度がそれ以上高くなってもこの値は一定となる。従って、効率の良い栽培を行なうために、不足している二酸化炭素を供給することが必須である。通常では、昼間は温室のビニールをまくって外の空気を導入しているが、外気の二酸化炭素濃度は約３８０ｐｐｍであり、集約された植物には不足の解消にはならない。【０００８】  光合成速度を決める要素には、光の量、二酸化炭素の他に、気孔抵抗の大きさがある。気孔抵抗とは、二酸化炭素が葉の内部に充填させるための孔がどれほど開口しているかのことであり、１）葉温、２）大気湿度、３）風量、４）葉面境界層の厚さ、５）土壌水分含有量が関与している。葉面境界層とは、葉の表面の空気の層のことであり、常に二酸化炭素を吸収し、酸素を吐き出す葉の表面では、空気の流れが少なく、淀んだ状態にある。すなわち、空気の流れが無ければ境界層内の二酸化炭素は窮乏している。【０００９】  これまで市販されている装置に、灯油を焚いて二酸化炭素を発生させる方式、純二酸化炭素をボンベで供給するシステムなどがある。前者は、灯油ストーブと同じ原理であるが、不可避的に発生する一酸化炭素が温室内に充満する危険性がある。後者では、装置が大掛かりになり、極めてコスト高である。
石灰は、生物が生産した炭酸カルシウムが循環しているものであり、堆積すると石灰岩になる。生物の生産とは、珊瑚であり、貝殻であり、卵であり、また高等生物では骨である。このように極めて安定な物質であり、強固である。また、二酸化炭素循環に重要な物質である。強固であるために、建築、土木で多用されている。しかし、多用されている分、所用年数が経過すれば廃材となり、膨大な量の産業廃棄物として処分される。【００１０】  産業廃棄物の中で、地域性のあるものに貝の養殖があり、北海道、東北ではホタテやシジミが、中部地方ではアサリやハマグリが、また全国的には牡蠣がある。これらの多くは現地で加工され、食べやすい形で全国に供給されている。しかし、貝殻は産業廃棄物として処理されている。貝殻の有効利用は古くから検討され、実用化を目指して来たが、実際に利用されているのは一部に留まり、多くは未だに廃棄されている。実用化されたものは、例えば、自動車道の舗装に用い、排水性の優れた舗装として利用すること、寒冷地のスタッドレスタイヤに混入することなどである。こうした現状は、ブロイラーで発生する卵の殻や、セメントなど建築廃材でも同様であり、大量にリサイクルされるべき資材である。これらに共通しているのが、主成分が炭酸カルシウムであることである。【００１１】  森林面積が大きく、林業が盛んな日本では、古くから炭を焼くことが行なわれて来て、重要な熱源になっていた。近年では炭は家庭ではあまり使われなくなって来たが、料理店では未だに使うところがある。また、これとは相反して、野外でのレジャーが増加して来ており、屋外での調理に炭が使われている。このため、木材等の炭化は需要を満たすための産業として成り立っている。材の炭化に伴い、発生する煙を冷却すると、タールを含んだ液状のものが採れる。蒸留するとタールが除かれ、木酢液が得られる。様々な薬効が見られるために農業用資材として使われているが、成分中に有害な物質も含まれているため、農薬としては使えない。また、木酢液を散布すると無農薬農業としても認められていないため、一般の農業資材として利用するのは極めて困難になっているのが現状である。つまり、大量消費がないので、過剰生産気味である。【００１２】  木酢液の成分は、製造に用いた樹種によって変動するが、有機酸類、アルコール類、フェノール類、その他未確認物質などで構成され、総計２００種類ほどになると言われている。ほとんどが水分であるが（８０％）、有機酸類が１２％、フェノール類が２％、アルコール類が０．４％などとなっている。有機酸類のうち、最も多いのが酢酸であり、その１／１００が蟻酸、さらにその１／５程がプロピオン酸である（非特許文献１）。このことから、木酢液のほとんどが酢酸であると言っても良い。なお、木酢液の他、竹からは竹酢液、籾殻からは籾殻酢液が採れる。これらもほとんど木酢液と成分は似ている。
【非特許文献１】本田富義、清水雅子「木酢液に含まれる多様な化学物質について」愛知県環境調査センター所報３６：３３−３５（２００８）
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】  本技術の目的は、安全で、環境保全になり、かつ低価格で実現出来る二酸化炭素発生方法およびその装置を提供することである。本技術の適用が温室など密閉空間であるため、安全性は第一に重要な要素である。また、産業廃棄物など有効利用が出来、廃棄物が出ないことも環境保全から重要な要素である。さらに、農業は大企業が行なう部分もあるが、一般の中小の農家に依存している部分が圧倒的に大きく、これら農家一軒一軒が導入可能なように、低価格で実現出来る技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】  本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、炭酸カルシウムに酸を作用させ、二酸化炭素の発生を引き起こす方法に思い至り、上記の問題を解決できるとの知見を得た。すなわち、炭酸カルシウムには、水産加工で廃棄される貝殻、ブロイラーで加工される鶏の卵の殻、建築廃材の石灰石などの産業廃棄物を用い、酸には、安価な食酢、あるいは全国の林業組合等が推進する材の炭化の副産物である木酢液、竹酢液あるいは籾殻酢液などを用いることである。本発明は、この知見に基づいて、
１．貝殻粉末、卵の殻、あるいは石灰岩粉末に酸を添加することにより二酸化炭素を発生させ、これを温室内に発散させることで、植物の光合成能を高めること、を特徴とする温室内雰囲気の調製方法および装置、
２．酸が比較的安全な食用酢あるいは、木材の炭化の副産物である木酢液であること、を特徴とする１に記載の温室内雰囲気の調製方法および装置、
３．貝殻がホタテ、牡蠣、アサリ、シジミ、蛤であり、これら貝の食品加工後の貝殻を粉砕して得られる粉末であること、を特徴とする請求項１〜２のそれぞれに記載の温室内雰囲気の調製方法および装置、４．装置が、混合タンクを持ち、タンク内で石灰および酸を撹拌し、二酸化炭素を発生させることを特徴とする、１〜３のそれぞれに記載の温室内雰囲気の調製方法および装置、
を提供する。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  石灰に酢酸を反応させると次式のように表わせる。
ＣａＣＯ３＋２ＣＨ３ＣＯＯＨ→Ｃａ（ＣＨ３ＣＯＯ）２＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２
１モルの炭酸カルシウムに、２モルの酢酸を作用させると、１モルの二酸化炭素が発生する。同時に１モルの水と１モルの酢酸カルシウムが生成される。この石灰に酸を作用させて二酸化炭素を発生させる方法は、教育にも取り入れられており、よく知られている。しかしながら、この原理で発生した二酸化炭素を利用している例は見られない。産業廃棄物には多くの炭酸カルシウムを主成分とするものがあり、また酸には過剰生産されている酢酸を主成分とする木酢液がある。両者共に、どの地域でも発生あるいは生産されているものであり、自然の循環に逆らわない有効利用法である。
【００１６】  温室の気密性は高くはないが、完全な換気にはそれでも通常２〜４時間掛かる。仮定として、昼夜同時間、また気温を２５℃とする。人間が栽培する高等植物の平均的な二酸化炭素消費量は大体１時間当たり１００ｐｐｍである。効率的な光合成を行なわせるための二酸化炭素濃度は６００ｐｐｍであり、日照時間が１２時間である場合、外気中の二酸化炭素量が約３８０ｐｐｍであるので、１日に（６００−３８０）ｐｐｍ＋１００ｘ１２ｐｐｍすなわち約１４２０ｐｐｍとなるが、これに温室の気密性を考慮すると１５００〜２０００ｐｐｍが必要な供給量となる。平均値として１日の供給基準量を１７５０ｐｐｍとする。温室のモデルを縦２ｍ、横２ｍ、高さ２ｍの立方体で考え、計算をしてみる。二酸化炭素発生率から、１日に８０ｇの二酸化炭素が必要となり、この時２００ｇの炭酸カルシウムが必要となる。一方、木酢液に含まれる酢酸の量は木酢液毎に異なるが、平均的に３％とすると、約２６０ｍＬの木酢液が必要となる。反応速度は溶液の濃度で決まるので、ゆっくりと反応させるか、あるいは数度に分けて反応させる。
【００１７】  反応槽は固液の撹拌が出来る方が効率が良いので、プロペラを回転させる方式の撹拌子を持つ物があれば良い。二酸化炭素は空気より重いので、静かに発生させると反応槽から壁面を伝って地面に匍匐するように流動する。植物の葉での光合成を考慮すると、二酸化炭素はよく撹拌されて分散した方が良いので、扇風機を温室内に設置して撹拌する。葉面境界層を薄くするためには毎秒５０ｃｍの気流が必要である。
【００１８】  反応が進行すると、徐々に酢酸カルシウムが形成されるが、これは可溶である。酢酸カルシウムはアルカリで処理すると再びカルシウムを析出させることが可能である。水分を蒸発させると酢酸カルシウムが得られるが、これは土壌改良剤としても、また腐食性のない融雪剤としても利用が出来る。１８０℃で乾留するとアセトンが得られ、工業的にも利用が可能である。また、アルコールに酢酸カルシウムの溶液を加えると、すぐに析出するのでアルコールをゲル化し、固形燃料が出来る。このように、産業廃棄物は有効に利用が可能となる。
【実施例及び比較例】
【００１９】  次に、本発明の実施例及び比較例について説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明の理解を容易にするためのものであって、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく、他の例又は変形は、当然本発明に包含されるものである。
【実施例１】
【００２０】［二酸化炭素の発生］
計算通りに二酸化炭素が発生するかを検証した。純粋な炭酸カルシウム、貝殻粉末（粒系１ｍｍ）、貝殻粉末（粒系５μｍ）のそれぞれ１ｇ（０．０１モル相当）を用い、酢酸０．０２モル溶液と混合し、発生する二酸化炭素を逆さまにしたビーカーに集めて、その量を計った。化学反応が均一に進むように常にスターラーで撹拌した（図１）。理論的な発生量は２．８ｇ（２．２４Ｌ）であるが、実際には約１時間で完全に反応が終了し、炭酸カルシウムで１．２Ｌ、貝殻粉末（粒系５μｍ）で１．０Ｌであり、貝殻粉末（粒系１ｍｍ）の場合には完全に溶けるまで約１昼夜掛かり、発生量は０．８８Ｌであった。また、貝殻が反応して完全に溶けた時に、不溶性の沈殿物が微量見られ、貝殻の中に含まれる他の成分であると思われた。
【図１】
【実施例２】
【００２１】［木酢液の酢酸濃度の測定］
次に、木酢液中に含まれる酢酸の濃度を測定した。実際には木酢液を酢酸で置き換えた場合の濃度になるが、塩酸で滴定を行なった。木酢液は、青森県で特産のリンゴの落ち枝や古木を炭化する時に回収された「りんご酢液」、同県の「籾殻酢液」、北海道のブナからの「木酢液」２種、木綿を炭化した際に得られる「綿酢液」を用い、これに対し塩酸で滴定を行なった。その結果は表１に示してある。酢液の酢酸濃度はかなりのばらつきがあるが、最も酢酸濃度が小さいりんご酢液でも２．２％であった。すなわち、０．５モルに相当した。これは、実施例１で用いた酢酸０．０１モルより濃く、市販の酢液を原液で用いれば二酸化炭素を発生させるために十分利用できることが判明した。
【実施例３】
【００２２】［二酸化炭素発生装置］
二酸化炭素発生装置は、図２に示したような構想で試作した。装置は温室内に設置することを想定しているため、移動可能なような大きさと形状でなければならない。そのために、キャスターが付いており、人力で軽く動かすことが出来る。装置は槽が３段になっており、上から「酢液貯蔵タンク」「反応槽」「使用済酢液貯蔵タンク」からなっている。反応槽では貝殻粉末が不織布に封入されたものが投げ入れできるようになっており、これは槽の底に入る。但し、底には撹拌羽があり、モーターで回転して反応を促すようになっている。また、撹拌羽と連動して同軸に設置された羽が上部あり、発生した二酸化炭素が拡散されるようになっている。
装置は必要な時にだけ、すなわち光合成が始まった時にだけ二酸化炭素発生反応が起るように、光センサーで夜明けを感知し、夜明けとともに上部槽から酢液が反応槽に落ちるようになっている。このための電磁バルブと水位レベルセンサーが付いている。日中は常に反応が進み、二酸化炭素が発生する。日没になると光センサーが働き、電磁バルブが開き、反応槽の酢液が下部の使用済酢液貯蔵タンクに落とす仕組みになっている。
【発明の効果】
【００２３】  本発明の二酸化炭素発生方法は、産業廃棄物である貝殻粉末および、安価な食酢あるいは市場で過剰生産されている木酢液を利用するものであり、化学反応を利用するもので、安全であること、また、地域産業を新興出来る優れた方法である。さらに、反応で生じる酢酸カルシウムは土壌改良剤、腐食性のない融雪剤、あるいはアルコールに不溶でゲル化させるため、固形燃料に出来るなど、用途があり、産業廃棄物が有効利用できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】二酸化炭素の発生  ホタテ貝殻粉末に酢酸を反応させ、二酸化炭素を発生させた時の装置の概略を示した図である。１：発生した二酸化炭素、２：酢酸溶液、３：貝殻、４：ネット、５：マグネチックスターラー、６：マグネット（撹拌子）
【図２】二酸化炭素発生装置  試作した二酸化炭素発生装置の概略図である。１：光センサー、２：電磁バルブ１、３：ホタテ貝殻粉末、４：ネット、５：反応済み溶液貯蔵タンク、６：酢液貯蔵タンク、７：拡散用羽根、８：水位レベルセンサー、９：電磁バルブ２、１０：キャスター
【表１】
酢液に含まれる酢酸の量
各種酢液に含まれる酢酸の量を定量した結果を示した表である。
【図１】
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【図２】
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