УСТАНОВКА ДЛЯ АЭРОПОННОГО ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ IN VITRO
AEROPONIC IN VITRO PLANT CULTIVATION UNIT

Изобретение относится к области сельского хозяйства и биотехнологии, в частности, к оборудованию для бессубстрактного выращивания растений методом аэропоники, и может быть использовано для круглогодичного выращивания растений и производства мини-клубней в контролируемых условиях и на ограниченных площадях.
Известна установка для аэропонного выращивания растений, включающая вегетационную емкость с соединенным узлом полива. Вегетационная емкость выполнена в виде двух одинаковых труб с посадочной поверхностью, на которой выполнены опоры для растений. Для создания питательного тумана использован ультразвуковой генератор, помещенный в питательный раствор [патент РФ на изобретение № 135229, МПК А 01 G31/02, опубликован 26.07.2013].
Наиболее близким по конструкции и технической сущности к заявленному изобретению является аэропонная установка для производства мини-клубней, включающая культивационное помещение с установленными симметрично по обе стороны от оборудованной трапом несущей конструкции светонепроницаемыми панелями с отверстиями для растений, разделяя культивационный объем на два независимых объема, систему подачи и слива питательного раствора, причем орошение корневой системы растений происходит за счет мелкодисперсного распыления питательного раствора в корневой зоне растений, ограниченной U-образными туннелями, выполненными в виде воздухопроницаемой мембраны, концы которой закреплены на нижней поверхности светонепроницаемых панелей с возможностью их опускания и поднимания [патент РФ на изобретение № 2625180, МПК A 01 G 31/02, опубликован 17.11.2014].
Недостатками данных способов выращивания растений и производства мини-клубней методом аэропоники, являются:
- отсутствие электрогенератора с автоматическим запуском работы узлов установки для случаев общего сбоя подачи электроэнергии и прекращения подачи питательного раствора, работы блоков автоматики и освещения. В случае общего сбоя в подаче электроэнергии, увядание и гибель растений наблюдается в течение нескольких часов;
- отсутствие мелкодисперсного распыления питательного раствора разного размера капель, соответствующего фазе роста растений, в частности для растений in vitro и формирования мини-клубней;
- в процессе увлажнении корневой системы ультразвуковом наблюдается активация негативных процессов образования свободных гидроксильных радикалов и атомарного водорода в клетках растений.
Техническим результатом заявленного изобретения является техническая простота и повышение урожайности, улучшение минерального питания растений, автоматизация процессов работы аэропонной установки.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке для аэропонного выращивания растений и получения мини-клубней, содержащей вегетационные емкости, узел полива, представленный баком для питательного раствора, насосом постоянного давления, фильтром мелкой очистки, пластиковыми трубами с установленными на них форсунками. Конструкция форсунок позволяет орошать растения питательным раствором разного размера капель: от 5-30 микрон до 10-50 микрон в зависимости от фазы роста растений. Форсунки покрыты антикоррозионным покрытием - нитридом титана, для исключения коррозионного воздействия питательного раствора и увеличения времени эксплуатации. Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения урожайности и снижения трудозатрат.
Опыты проводились в условиях производственной лаборатории «Технология машиностроения» ФГБОУ ВО «Омский государственный технический университет» и в условиях лаборатории «Клеточная биотехнология» ООО «Элита» с конструированием установки для аэропонного выращивания растений и получения мини-клубней.
В предложенной установке для выращивания растений и производства мини-клубней питательный раствор из бака с помощью насоса постоянного давления периодически распыляется со скоростью подачи 0,25-0,75 л/сек., с помощью форсунок обеспечивается подача капель разного размера к корневой зоне растений в зависимости от фазы роста растений. Цикличность подачи питательного раствора обеспечивается автоматическим блоком управления установкой.
Аэропонная установка для выращивания растений и производства мини-клубней содержит полипропиленовые светонепроницаемые вегетационные емкости, расположенные симметрично в два яруса на несущей конструкции установки. Вегетационные емкости опираются на стойки несущей конструкции, на нижней поверхности вегетационной емкости установлен сливной коллектор для сбора и слива питательного раствора в бак. В верхней поверхности вегетационной емкости установлены пластиковые трубы с форсунками с возможностью регулировки размера распыляемых капель за счет изменения размера проходного сечения выходного отверстия форсунки. Поверхности форсунок покрыты антикоррозионным покрытием нитрида титана для исключения коррозионного воздействия питательного раствора на элементы конструкции форсунки, тем самым исключая ее засорение и увеличивая срок эксплуатации. Форсунки имеют разборную конструкцию, что позволяет проводить их очистку при необходимости.
Вегетационные емкости оборудованы крышками - посадочными плоскостями, которые имеют отверстия для посадки растений (10х10 см) с эластичными вставками и возможностью открывания и извлечения из емкостей созревших мини-клубней. В верхней части вегетационной емкости имеются технологические отверстия для введения пластиковых труб внутрь вегетационной емкости. Вегетационная емкость соединена с баком узла полива, причем периодичность и время подачи питательного раствора регулируется блоком автоматического управления на базе Arduino, который включает: освещение на 16 часов, 8 часов отсутствие освещения; распыление раствора: 30 секунд распыление, 20 минут - отсутствие распыления - аэрация. Установка для аэропонного выращивания растений и производства мини-клубней оснащена электрогенератором (бесперебойным блоком питания, аккумулятором) с автоматическим запуском работы узлов установки при общем сбое подачи электроэнергии.
Заявленная конструкция вегетационной емкости с автоматическим блоком управления позволяет надежно доставлять минеральное питание растениям в виде мелкодисперсного раствора, создаваемого с помощью форсунок и программного обеспечения автоматизации работы системы освещения и орошения, обеспечивая интенсивное проникновение питательной среды в корневую систему растения. Уменьшаются трудозатраты и улучшается питание растений и повышается их урожайность. Заявленная установка для аэропонного выращивания растений промышленно применима. Изготовлен опытный образец установки, который позволит круглогодично выращивать растения и получать мини-клубни в контролируемых условиях и на ограниченных площадях.
Установка работает следующим образом.
Бак наполняют питательным раствором. Оператор фиксирует растения с помощью эластичных вставок в отверстиях посадочной плоскости вегетационной емкости. После заполнения отверстий растениями посадочную плоскость прикрепляют к вегетационной емкости. Аналогично заполняют растениями все посадочные плоскости вегетационных емкостей. Включают автоматическую систему управления блоком освещения и насосом постоянного давления, обеспечивающую заданную цикличность и время их работы. В периоды работы блока освещения загораются люминесцентные лампы и светодиодные ленты синего и красного спектров света в заданные интервалы времени. В периоды работы насоса постоянного давления питательный раствор из бака по трубопроводу поступает в фильтр мелкой очистки, после попадает в напорный коллектор, затем в пластиковые трубы и через форсунки обеспечивается подача капель с размерами от 5-30 микрон до 10-50 микрон к корневой зоне растений в зависимости от фазы роста растений. Питательный раствор периодически распыляется со скоростью подачи 0,25-0,75 л/сек. во всем объеме вегетационных емкостей. Мелкодисперсные частицы питательного раствора орошают корневую систему растений в вегетационных емкостях в заданные периоды времени - 30 секунд распыление, 20 минут отсутствие распыления - процесс аэрации. Конденсируясь на стенках, питательный раствор далее стекает в сливной коллектор, а затем по трубопроводу возвращается в бак с питательным раствором. В периоды отсутствия распыления корни растений имеют доступ к кислороду. Установка для аэропонного выращивания растений и производства мини-клубней оснащена автоматическим блоком управления циклами освещения и подачи питательного раствора, электрогенератором с автоматическим запуском работы узлов освещения и подачи питательного раствора при общем сбое подачи электроэнергии.
В процессе роста на корнях растений образуются мини-клубни. Для удобства сбора мини-клубней в установке предусмотрена посадочная плоскость с зажимами. Сбор мини-клубней осуществляется в следующей последовательности: программу работы установки останавливают, оператор открывает посадочную плоскость вегетационных емкостей, проводит сбор мини-клубней. В процессе культивирования растений и получения мини-клубней у оператора имеется возможность автоматизированного контроля за основными узлами и блоками установки.
По сравнению с прототипом, предложенное устройство снизит трудозатраты, позволит равномерно орошать корни растений необходимым размером частиц питательного раствора в зависимости от фазы роста растений, что обеспечит благоприятные условия для роста растений и получения мини-клубней. При этом у оператора имеется доступ к корневой системе растений путем открывания посадочной плоскости вегетационной емкости, что практически не требует значимых физических затрат. Распыление питательного раствора с помощью насоса постоянного давления и систему форсунок обеспечивает подачу капель разного размера создавая благоприятные условия для аэрации корневой системы и не оказывая негативное влияние на окислительные процессы в клетках растений. Блок автоматического управления на базе Arduino позволяет автоматизировать циклы подачи питательного раствора и освещения, тем самим минимизирует работу оператора и исключает человеческий фактор. Электрогенератор с автоматическим запуском узлов установки позволяет аэропонной установке работать в автономном режиме при отключении электроэнергии.