УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ

Полезная модель относится к растениеводству, а именно к установкам для выращивания растений в замкнутом технологическом цикле.
Из существующего уровня техники известна установка с рециклом биомассы, которая включает две герметичные камеры, соединенные воздуховодом, - камера для выращивания растений (вегетационная камера) и камера со смесью почвы и растительных отходов [L.Lamotte, В.Saugier, D.Т.Smemofft and M.Andre. A simplified closed artificial ecosystem - recycling of organic matter into wheat plants. Advances in Space Research, 1999, vol.24, No.3, pp.303-308]. Через воздуховод между камерами осуществляется газообмен: растениями в вегетационной камере продуцируется кислород, а растительные отходы во второй камере выделяют углекислый газ. Известное устройство является недостаточно эффективным, так как рециклу подвергается лишь та часть биомассы растений, которая конвертируется в углекислый газ.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является установка для выращивания растений с рециклом биомассы, которая является экспериментальной моделью биологической системы жизнеобеспечения человека [Tikhomirov A.A., Ushakova S.A., Manukovsky N.S., Lisovsky G.M., Kudenko Yu.A., Kovalev V.S., Gribovskaya I.V., Tirranen L.S., Zolotukhin I.G. Synthesis of biomass and utilization of plant wastes in a physical model of biological life-support system. Acta Astronautica, 2003, vol.53, pp.249-257]. Установка содержит вегетационную камеру, емкость с ирригационной водой, нитрификатор и модуль для культивирования грибов. Растения выращивают в вегетационных сосудах на почвоподобном субстрате, который является продуктом биологической переработки растительных отходов. Функцию человека в установке моделирует утилизатор съедобной биомассы растений, который представляет собой физико-химический реактор. Рецикл съедобной биомассы растений осуществляют путем ее выноса из вегетационной камеры с последующим окислением в реакторе. В качестве окислителя используют перекись водорода. Продуктами окисления съедобной биомассы являются вода и зола, которые переносят из реактора в вегетационную камеру под растения. Другой продукт окисления - углекислый газ - вводят в вегетационную камеру из постороннего источника. Чтобы полностью смоделировать функцию человека, из вегетационной камеры вместе со съедобной биомассой необходимо вывести эквивалентное количество газообразного кислорода, что связано с решением дополнительных технических вопросов.
Недостатком известного устройства являются трудности организации газообмена между вегетационной камерой и утилизатором. Кроме того, технологический цикл выращивания растений замкнут не полностью, поскольку для окисления съедобной биомассы в утилизаторе используют перекись водорода - вещество, не подлежащее рециклу в данной установке.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание установки для выращивания растений в замкнутом технологическом цикле.
Данная задача решается за счет того, что в установке для выращивания растений, содержащей вегетационную камеру, емкость с ирригационной водой, нитрификатор, модуль для культивирования грибов и утилизатор съедобной биомассы, утилизатор выполнен в виде камеры для культивирования улиток с двумя отделениями. В верхнем отделении камеры расположены кормушки для улиток на опорах. Нижнее отделение камеры заполнено почвоподобным субстратом, при этом утилизатор размещен внутри вегетационной камеры.
Технический результат от использования полезной модели:
- упрощение газообмена между вегетационной камерой и утилизатором;
- осуществление полного замыкания технологического цикла выращивания растений за счет отказа от использования перекиси водорода и перехода на биологическое окисление съедобной биомассы с помощью улиток;
- возможность масштабирования полезной модели для расчета конфигурации биологической системы жизнеобеспечения человека.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
фиг.1 - установка для выращивания растений;
фиг.2 - утилизатор (вид спереди в разрезе);
фиг.3 - утилизатор (вид справа в разрезе).
Установка для выращивания растений (фиг.1) содержит вегетационную камеру 1, емкость с ирригационной водой 2, нитрификатор 3, модуль для культивирования грибов 4 и утилизатор съедобной биомассы 5, выполненный в виде камеры для культивирования улиток с двумя отделениями - верхним отделением 6 и нижним отделением 7.
В вегетационной камере 1 находятся растения, которые выращивают в вегетационных сосудах 8 на почвоподобном субстрате 9. Вегетационная камера снабжена системами охлаждения и терморегуляции, а также датчиками углекислого газа и кислорода. Вегетационные сосуды размещены в поддоне 10, который трубой 11 с насосом 12 и клапаном 13, а также трубой 14 с клапаном 15 соединен с ирригационной водой в емкости 2. На потолке вегетационной камеры 1 размещены осветительные лампы 16. Модуль для культивирования грибов 4 состоит из 2-х камер - ферментационной 17 и культивационной 18, снабженных системой нагрева и терморегуляции и соединенных воздуховодами 19. Внутри камер 17 и 18 размещены культивационные сосуды 20 с соломой злаковых культур. Посредством воздуховодов 21 и 22 культивационная камера 18 соединена с вегетационной камерой 1. В воздуховод 22 вмонтирован вентилятор 23. Нитрификатор 3 трубой 24 с насосом 25 и клапаном 26, а также трубой 27 с клапаном 28 соединен с ирригационной водой в емкости 2. К утилизатору съедобной биомассы 5 присоединены вентилятор 29, а также сточная труба 30 с фильтром 31.
Верхнее отделение 6 утилизатора 5 выполнено в виде короба, закрываемого сверху крышкой 32 (фиг.2), а нижнее отделение 7 имеет форму округлого желоба (фиг.3). Соединение отделений камеры осуществляется с помощью креплений 33 (фиг.3). В верхнем отделении 6 утилизатора 5 расположены кормушки для улиток 34, закрепленные на опорах 35, а также штуцеры 36-39 для воздухообмена между вегетационной камерой и утилизатором. Каждая опора 35 состоит из двух расходящихся к низу пластин с фланцами. Соединение опор 35 со стенками верхнего отделения камеры 6 выполнено с помощью креплений 40. В нижнем отделении камеры 7 на подложке-фильтре 41 размещен почвоподобный субстрат 42, под которым находится штуцер 43. Утилизатор размещен внутри вегетационной камеры 1 на опорах 44.
Установка для выращивания растений работает следующим образом.
Растения культивируют в вегетационной камере 1 при освещении с помощью ламп 16 в вегетационных сосудах 8 на почвоподобном субстрате 9. Функция растений в предлагаемой установке - продукция биомассы и кислорода, а также поглощение углекислого газа. Увлажнение почвоподобного субстрата 9 проводят путем подтопления ирригационной водой из емкости 2. При этом открывают клапан 13, закрывают клапан 15 и включают насос 12. Ирригационная вода поступает из емкости 2 через трубу 11 в поддон 10. Когда ирригационная вода достигает в поддоне 10 заданного уровня, выключают насос 12. Ирригационная вода проникает в почвоподобный субстрат 9 через отверстия в дне вегетационных сосудов 8. После увлажнения почвоподобного субстрата открывают клапан 15 и спускают воду из поддона 10 в емкость 2 через трубу 14. Если рН ирригационной воды поднимается выше определенного уровня, проводят ее закачку в нитрификатор 3 через трубу 24. При этом открывают клапан 26, закрывают клапан 28 и включают насос 25. В нитрификаторе 3 происходит подкисление ирригационной воды. Продолжительность выдержки ирригационной воды в нитрификаторе 3 определяют экспериментально. Спуск воды из нитрификатора 3 в емкость 2 проводят через трубу 27 при открытом клапане 28.
Урожай растений делят на несъедобную и съедобную части. Листовую несъедобную биомассу измельчают и закапывают в почвоподобный субстрат 9, находящийся в вегетационных сосудах 8. Солому злаковых культур помещают в культивационные сосуды 20 и подвергают тепловой обработке в ферментационной камере 17. Культивационные сосуды с обработанной соломой засевают мицелием гриба, проводят проращивание соломы мицелием и переводят в культивационную камеру 18, в которой получают плодовые тела гриба. Пророщенную солому закапывают в почвоподобный субстрат 9, находящийся в вегетационных сосудах 8. Пассивный воздухообмен между ферментационной камерой 17 культивационной камерой 18 осуществляется через воздуховоды 19. Между культивационной камерой 18 и вегетационной камерой 1 воздухообмен проводится через воздуховоды 21 и 22 с помощью вентилятора 23.
После сбора урожая часть съедобной биомассы растений используют как посевной материал в очередном технологическом цикле. Оставшуюся часть съедобной биомассы растений, а также плодовые тела гриба измельчают и размещают в кормушках 34 и на поверхности почвоподобного субстрата 42 в утилизаторе 5 как корм для улиток. В утилизаторе 5 с помощью улиток осуществляется биологическое окисление корма. Продуктами биологического окисления съедобной биомассы растений являются углекислый газ, метаболическая вода и отходы жизнедеятельности улиток. Распределение корма между кормушками 34 и почвоподобным субстратом 42 стимулирует движение улиток, поскольку, съев корм на почвоподобном субстрате 42, улитки вынуждены подниматься вверх к кормушкам 34 по опорам 35, а затем снова спускаться на почвоподобный субстрат 42, который является благоприятной средой их обитания. Назначение опор 35 - увеличение площади обитания и двигательной активности улиток, что положительно влияет на их состояние. Отходы жизнедеятельности улиток накапливаются в почвоподобном субстрате 42, где происходит их частичная минерализация. При этом почвоподобный субстрат 42 выполняет роль дезодоранта. Избыток влаги и жидких выделений улиток проходит слой почвоподобного субстрата 42, подложку-фильтр 41, штуцер 43, фильтр 31, трубу 30 и попадает в емкость 2 с ирригационной водой. Периодически разъединяют верхнее и нижнее отделения утилизатора 5, чтобы извлечь почвоподобный субстрат 42, распределить его под растения и заменить на почвоподобный субстрат 9 из вегетационных сосудов 8. В почвоподобном субстрате 9 под растениями происходит полная минерализация отходов жизнедеятельности улиток. Воздухообмен между утилизатором 5 и вегетационной камерой 1 осуществляется с помощью вентилятора 29, который вводит воздух через штуцеры 36 и 37. Выход воздуха из утилизатора 5 происходит через штуцеры 38 и 39. С помощью воздухообмена из утилизатора 5 удаляют избыток углекислого газа и восполняют недостаток кислорода, необходимого для биологического окисления съедобной биомассы растений.
Полезная модель обеспечивает выращивание растений в замкнутом технологическом цикле и может быть использована как аналог биологических систем жизнеобеспечения человека.