大分工業高等専門学校紀要

第 56 号(2019 年 11 月)

植物基礎実験装置「カレ・デ・ベール」の開発とアグリエンジニアリング教育実習科目の実践

小西忠司 1・梅田

清隆 2

1 機械工学科，2 株式会社 テック

本報告では，文部科学省の平成29年度「“KOSEN(高専)4.0”イニシアティブ」の「アグリエンジニアリング教育(研究)の導入」の採択により実施する専攻科１年生「つながり工学演習」の内容，および演習を目的に開発した植物基礎実験装置「カレ・デ・ベール（フランス語で「緑の箱」の意味）」を紹介する．農学・生物系学科がない工学系の大分高専において，植物を対象にした計測の実験及び生態データの解析をコンパクトにかつ能率的に収めた装置は，利便性に富み，植物基礎実験に有効である．本実習を含めた大分高専アグリエンジニアリングのカリキュラムの今後の修了生の輩出により，我が国の農業を工業技術から支える人材が増え，我が国農業のあり方が変わるものと期待する．

キーワード : アグリエンジニアリング，植物基礎実験，光合成機能評価，環境制御

１．緒言に付けること，②計算などを行い，工学的に探究する力を養うこと，③アグリエンジニアリングの事物・現象に進ん

近年の工業技術の進展とともに，農工連携技術や農業ので関わり，工学的アプローチ方法を考えること，④自然環工業化のさらなる発展が期待されており，この発展を促進

境の保全と科学技術の利用の在り方について工学的に考する上で，農学の素養を持った工業（工学）技術者の育成察することを通して，持続可能な社会をつくることが重要は大切な視点の一つである．我が国の農業は，農業従事者であることを認識することを到達目標としている．の減少と高齢化，狭隘な農地，生産性の課題を抱えており，

本報告では，「つながり工学演習」での使用を目的としてその解決に「農業の工業技術化」が求められ，その促進に開発した植物基礎実験装置「カレ・デ・ベール」を紹介す

は，農業の工業技術化を支える人材の育成が不可欠である． る．なお「カレ・デ・ベール」とは，フランス語で「緑の高等専門学校（高専）は，実験・実習等を重視した教育プ箱」を意味しており，共著者の梅田が命名した．

ログラムを特徴 1)とする実践的な技術者養成を行う機関として高く評価されており，ニーズに対して既存技術を巧みに組合せて製品を創ることを得意としている．大分高専で２．植物基礎実験装置「カレ・デ・ベール」開発

は「アグリエンジニア」の育成を目的とした横糸型教育プ
ログラムを導入し 2)，プログラム修了要件として，生物及び農学の素養，「いきものづくり」の難しさと面白さ，農業現場もエンジニアの活躍の場，農業の工学的経営視点の４項目の修得を掲げ，これまでの工学実験実習科目の一部を農学・農業に関するテーマに置き換えた 3)．
専攻科１年生の「つながり工学演習（学修単位１）」では，工学的な見方・考え方を働かせ，見通しをもって学習することなどを通して，アグリエンジニアリングに係わる事物・現象を工学的に探究するために必要な資質・能力を次のとおり育成することを目指しており，①工学的に探究するために必要な計算・解析などに関する基本的な技能を身製作した植物基礎実験装置「カレ・デ・ベール」を図-1に示す．装置サイズは，図-1(a) に示す格納時では 800(ﾀﾃ)×850(ﾖｺ)×1800(ﾀｶｻ)で，エレベータで移動可能なコンパクトサイズに配慮した．実験時には，図-1(b) に示すよ
うに，両翼を拡げて，1500(ﾖｺ)に拡張される．
「カレ・デ・ベール」は，土壌または水耕栽培の高さ 550 以下の植物を調査対象とし 450(ﾀﾃ)×450(ﾖｺ)×600(ﾀｶｻ)のアクリル樹
脂製密閉容器である「植物設置モジュール」（図-2(a)）と，容器出入口や内部のガス量，CO2 と温湿度センサー，土壌及び葉表面水分センサーにより植物状態を計測する「環境計測モジュール」（図-2(b)）から構成されており，製作費は約 50 万円に納めた．
「カレ・デ・ベール」の光源として，- 7 -大分工業高等専門学校紀要

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蛍光灯と LED の２種類を準備し，実験では 20 名程度の学生数に対応できるように２台製作した．
「カレ・デ・ベール」の開発に当たり，植物の入搬出のしやすさと CO2 測定のための密閉性を両立するためアクリル樹脂製容器の気密性の工夫，１つの実験装置で，太陽光と人工光（蛍光灯と LED）による実験を短時間に簡便に切替できる工夫，光合成速度
実験に必要な密閉型容器とエネルギー収支実験に必要な通風型容器を同一容器にて実現する工夫，温度･湿度･CO2
センサーの小型化と容器への取り付け位置の工夫を行った．
また，アクリル樹脂製密閉容器内の温湿度を可変する「環境制御モジュール」（図-3(a)），ネットワークカメラやデータレコーダーなど画像解析が可能な「画像およびデータ収集･解析モジュール」（図-3(b)）を付加することにより、植物の成長をより深く考察できる拡張性を考慮した「カレ・デ・ベール plus」も製作した．なお，「puls」追加により製作費は約 100 万円となる．

(a)

(b)

図-3「カレ・デ・ベール plus」の(a)環境制御モジュー
ルと(b)画像およびデータ収集･解析モジュール

３．つながり工学演習の概要
表-1 に「つながり工学演習」全体の授業計画を示す．各
週毎の授業は，講義と実験を有機的に組み合せで構成されている．また同学年で実施されている座学「農業概論」4)で学習した内容とも一部関連性があり，高専の特色である「実践的な学び」ができる．
図-4(a)は，放射測定装置を示しており，日射計 2 台，光量子計，照度計，赤外線放射計，温度計，熱電対，棒温度
(a)

(b)

計，ロガー，黒球，スタンドから構成されており，図-4(b)図-1 植物基礎実験装置「カレ・デ・ベール」の(a)格納（移動）時と(b)実験時の写真

は，分光放射計を示しており，「カレ・デ・ベール」内に設置された植物が，太陽や LED，蛍光灯下に置かれた場合の放射の計測が可能である．
この放射計測装置（約 65 万円），分光放射計（約 130 万円）を加えると，拡張性が増して実験項目が充実する．

(a)
(a)

(b)

図-4 (a)放射計測装置と(b)分光放射計
第１週目の「光と植物の成長」では，図-4(a)放射計測装置を用いて，ふく射伝熱の基礎，放射伝達の用語と単位換算，放射強度の測定方法を理解する．第２週目の「植物の光学特性」では，図-4(b)分光放射計を用いて，太陽･蛍光(b)
図-2 植物基礎実験装置「カレ・デ・ベール」の(a)植物設置モジュールと(b)環境計測モジュール

灯･LED のスペクトル特性，自然環境における植物の光学特性の計測と計算が理解する．第３週目の「植物の光合成機能の評価」では，「カレ・デ・ベール」を用いて光合成と呼- 8 -大分工業高等専門学校紀要

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吸の基礎，光合成速度と呼吸速度の測定方法，光補償点，CO2 補償点を理解する．第４週目の「環境制御とエネルギー収支」では，「カレ・デ・ベール」あるいは「カレ・デ・ベール plus」を用いて，閉鎖環境をモニタリング・制御するために必要な空気調和の基礎とエネルギー収支の考え方を理解する．
表-1「つながり工学演習」全体の授業計画

図-6(a) 太陽高度と全天，直達，散乱日射量の関係

４．植物基礎実験

図-6(b) 太陽高度と純放射量の関係(1) 「光と植物の成長」実験 5)

図-6 は，学生実験結果を示しており，図-6(a)太陽高度

本実験では，晴天時に屋外の日射量，光量子量および照と全天，直達，散乱日射量の関係，図-6(b)太陽高度と純放度を実際に測定することによって，それらの測定原理を理射量の関係を示す．学生は，各種測定器の使用方法解し，以下に示す物理量の関連性を理解する 1)．

に関する専門用語，太陽光の性質を通して，太陽光が植物放射①

日射量，光合成光子フラックス密度 PPFD，照度の関係に与える影響を学習する 2)．

②太陽高度と直達日射量および散乱日射量の関係③

地面上の放射収支(2) 「植物の光学特性」実験 6)

実験は，図-5 に示すように，約 10 人毎に図-4(a)放射計

光環境が植物におよぼす影響は，大きく量的な影響と質

測装置 1 組を使用して測定した．
日射計（英弘精機 ML-01，的な影響の 2 つに分類される．前者は主に光合成速度，ひ上向き用 1 台，下向き用 1 台）
，光量子計（英弘精機 ML-

いては植物の量的な成長への影響であり，後者は主に植物020P）1 台，照度計（英弘精機 ML-020SO）1 台，赤外線放の発芽や節間伸長，開花などの形態への影響である．本実射計（クリマテック CHF-IR02）1 台，棒状ガラス温度計 1

験では，光が植物におよぼす質的影響について実験を通じ個，熱電対 2 対，データロガー（日置電気 LR8431）1 台，て，以下に示す学習をする 2) 3)．

長さ 30 cm の細棒の先端に直径 3-4cm の黒色球を取り付①より CASIO アプリにアクセスして結果を得ている．

分光放射計による光合成有効放射，光量子，照度，放射量の測定

けたもの 1 個から構成されている．太陽高度は，スマホに②太陽，蛍光灯，LED の放射スペクトルの違い③

葉の光学特性，波長による吸収率，反射率，透過率の違い④

緑色以外の植物（紅葉した葉など）の光学特性
実験は，図-7 に示すように，図-4(b)分光放射計（英弘精機

MS-720）を使用して，観葉植物の１枚葉および群落（木幹の部分）の光学特性を測定した．図-8(a)に１枚葉の波長と吸収率，反射率，透過率および図-8(b)群落（木幹の部分）のそれを示す．
図-9 は，光源による放射スペクトルの違いの実験風景で
図-5 「光と植物の成長」の実験風景あり，「カレ・デ・ベール（蛍光灯タイプ）」と「カレ・デ・- 9 -大分工業高等専門学校紀要

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ベール（LED タイプ）」の光源下に分光放射計を設置して測定する．図-10 は，３種光源の測定結果である．
これらの測定値から，光源による放射測定値の違いとして，赤色領域（660nm）および遠赤色領域（730nm）の放射量，光量子密度比ζ，フィクトクロムの光平衡φを算出す
る 7)．

図-7 「植物の光学特性」の実験風景

図-10 (a)太陽光，(b)蛍光灯，(c)LED のスペクトル(3) 「植物の光合成機能の評価」実験 8)
植物と大気との間において CO2 や水蒸気などのガス成分
図-8(a) １枚葉の光学特性は主に葉の気孔を介して交換されている．例えば CO2 は，日中には光合成によって大気から葉内へ輸送され，夜間では呼吸によって葉内から大気へ輸送される．水蒸気は蒸散によって葉内から大気へ輸送される．このような葉内と大気との間におけるガスのやりとりをガス交換といい，葉内外のガス交換は拡散現象によって行われる 4）．
本実験では，植物を入れた閉鎖容器内における CO2 の収支から植物の CO2 交換速度を求める方法を用いて，環境条件が異なる条件における大葉（図-11）の光合成速度を評価す
る．

図-8(b) 群落葉の光学特性

図-9 「蛍光灯と LED のスペクトル測定」の実験風景

図-11 光合成実験に用いた大葉- 10 -

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図-12 は，「植物の光合成機能の評価」の実験風景を示す．

(4) 「環境制御とエネルギー収支」実験 8)「カレ・デ・ベール」２台用いて，1 台は太陽光と蛍光灯光源下における CO2 濃度変化の測定，さらに 1 台は暗幕（暗条件）下における CO2 濃度変化を測定する．

(a)

図-13 チャンバー法における CO2 濃度の経時変化，(a)太陽光,(b)暗幕,(c)蛍光灯

太陽

暗幕

蛍光灯

(b)

(c)
図-14 高濃度（750-650μm）および通常濃度（400-300μm）の光合成速度
図-12 「植物の光合成機能の評価」の実験風景，
植物には熱環境を緩和する効果がある．その仕組みを理(a)太陽光，(b)暗幕（暗条件），(c)蛍光灯

解するには，植物とその周辺でどのように熱のやりとりが図-13 は，チャンバー法における太陽光，暗幕および蛍行われているかを考える必要がある．ある系に加えられた光灯下における CO2 濃度の経時変化を示す．図-14 には，熱がどのような形でどこへ伝えられたかを示すものを熱３条件の測定結果を使って，算出した光合成速度を示す．

収支といい，熱収支を明らかにすることは，その系におけこの図より高濃度（750-650μm）および通常濃度（400-300る熱環境を理解する大きな手助けになる．本実験では，通μm）の光合成速度の相違を確認する．

気システムに植物を入れて，微気象計測によるシステム内での熱収支を計測し，植物の蒸散による熱環境緩和効果を- 11 -

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５．植物工場見学

評価する．以下の項目を学習する．
①

湿り空気の性質②

絶対湿度 x，相対湿度ψ，比湿 q，飽差 D

基礎学習内容と実機の関連性について理解を深めるた③

顕熱，潜熱，通気システム内での熱収支

めに，植物工場を見学する．見学候補として表-4 に示す施設がある．本候補から１施設を見学する．

表-2 チャンバー入口･出口の温湿度共試材料
砂ペーパタオル
拡げたペーパタオル
キュウリ

表-4 植物工場の見学候補

時間 気 温 相対湿度 飽和水蒸気 水蒸気圧[min] T[℃]

名

RH[％] 圧 es[hPa] e[hPa]

称

方 式

作物

規 模

日本式

レタス等

小規模

大葉

中規模

ハーブ

中規模

オランダ式

パプリカ

大規模

オランダ式

パプリカ

大規模

IN

23.4

46.1

28.78

13.27

アクア農園

OUT

41.4

16.2

79.44

12.87

二宮農園

日本式

有限会社 スウェデポニ

スウェーデック久住

ン式

IN

23.7

47.2

29.31

13.83

OUT

39.3

22.0

71.05

15.63

IN

23.6

46.2

29.13

13.46

OUT

35.5

33.2

57.80

19.19

IN

25.1

52.5

31.8716.73

OUT

27.9

44.4

37.58

16.68

農業生産法人 株式会社
リッチフィールド由布

愛彩ファーム九重

６．まとめ

表-3 チャンバー入口･出口の比湿，顕熱と潜熱

本報告では，アグリエンジニアリング教育として，専攻科１年生で実施する「つながり工学演習」と本演習の使用を目的として開発した植物基礎実験装置「カレ・デ・ベール」を紹介した．農学・生物系学科がない工学系の大分高専において，植物を対象にした計測の実験及び生態データの解析をコンパクトにかつ能率的に収めた装置は，利便性に富んでいる．また，実験書は，工学系学生が効果的に受講できるような計算に配慮している．本実験装置を含めた
本教育カリキュラムの全国高専への普及と、今後、多くのの修了生の輩出により我が国の農業を工業技術から支える人材が増え，我が国農業のあり方が変わるものと期待する．

謝辞：
本実習の立案および実験，実験書作成にあたっては，著者の一人である大阪府立大学大学院科

生命環境科学研究渋谷俊夫准教授のご有益なご討論ご助言を戴いた．特に，「植物の光合成機能の評価」実験，「環境制御とエネル

図-14 各種材料の顕熱，潜熱，熱緩和機能ギー収支」実験の実験書は，渋谷准教授の作成された実験
実験は，「カレ・デ・ベール」のチャンバー内に砂，ペー書に準じている．ここに感謝の意を表する．
本 実 習 装 置 の 開 発 は ， 文 部 科 学 省 の 平 成 29 年 度

パタオルおよび植物を入れた４条件で行う．
白熱灯 150W を点灯後のチャンバー入口と出口の温度，湿度の経時変化を測定する．表-2 に，それぞれの条件の温度，湿度の経時変化を示す．表-3 に，比湿および顕熱，潜熱の計算結果を示す．本実験結果では，植物の状態があまり良くなかっため，「“KOSEN(高専)4.0”イニシアティブ」の「アグリエンジニアリング教育(研究)の導入」及び株式会社新興技術研究所の寄附金「新しい農業実習装置の調査研究に関する助成」によった．ここに感謝の意を表する．

植物による熱緩和効果は見られなかった．

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参考文献

5) 渡部一郎編:「農業環境実験法」，サイエンスハウス，

1） 髙木夏樹・高橋明宏・松崎賜：都城高専における農工学に関する実験教育，都城工業高等専門学校紀要, Vol.

1987.
6) Hamlyn,G.J. :植物と微気象(第 3 版) 植物生理生態学

53, pp.29-34, 2017.

への定量的なアプローチ，久米篤ほか監訳，森北出版,

2) 吉澤宜之, 高橋徹, 松本佳久, 小西忠司, 佐藤秀則,岡茂八郎, 一宮一夫, 穴井孝義, 佐藤達郎, 古川明2017.
7) Campbell, G.S. : 生物環境物理学の基礎

德：我が国農業の将来を高専での工学教育が支える,
大分工業高等専門学校紀要, Vol. 53, pp.63-70, 2017.

第 2 版，久米 篤ほか監訳, 森北出版, 2010.
8) 大阪府立大学大学院

3) 高橋徹, 菊川裕規, 軽部周, 衛藤賢一, 高木浩一,濵
田英介, 中川裕子, 古川明德：アグリエンジアリング
教育の展開-工学技術者のための農学概論-, 大分工業

生命環境科学研究科

渋谷俊夫

准教授ホームページ，実験実習
http://envbio.envi.osakafu-u.ac.jp/lab_demonstration.
（2019 年 6 月 28 日アクセス）

高等専門学校紀要, Vol.54, pp.16-20,2017.
4) 高木浩一, 高橋徹, 濵田英介編著：工学技術者のための農学概論, 理工図書, 2018.

- 13 -（2019 年 9 月 30 日受理）