АЭРОПОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ВЫРАЩИВАНИЯ МИНИ-КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ

Полезная модель относится к области сельского хозяйства и биотехнологии, а именно к оборудованию для ускоренного промышленного производства мини-клубней картофеля в бессубстратном искусственном климате на основе применения исходного оздоровленного материала, полученного использованием метода апикальной меристемы и клонального микроразмножения in vitro.
Одним из главных факторов, гарантирующих достижение потенциально возможного урожая картофеля в любых почвенно-климатических условиях, является высококачественный, свободный от вирусов и бактериальной инфекции посадочный материал. Основой современного элитного семеноводства картофеля в странах с развитой экономикой является ускоренное получение качественного исходного оздоровленного материала на основе применения метода апикальной меристемы и клонального микроразмножения in vitro, что позволяет освободить от вирусной инфекции как новые, так и старые сорта [1].
Получют оздоровленные семенные мини-клубни картофеля в искусственных условиях с помощью гидропонных, а в последние годы аэропонных технологий, используя биотехнологические модули и установки различного технического исполнения, размещая корни картофеля в подвешенном состоянии в воздушно-капельной среде в виде облака влажного тумана, в условиях сбалансированного по спектру освещения, а также возможности осуществления регулирования параметров среды: электропроводности, степени кислотности и температуры питательного раствора, содержания макро и микроэлементов, влажности и пр. [2].
Из уровня техники известна биотехнологическая установка непрерывного производства безвирусного семенного картофеля [3], состоящая из следующих технических и технологических узлов: облегченного каркаса-опоры с размещенными в нем культивационными модулями; блоков освещения растений, содержащих комбинацию люминесцентных ламп и светодиодов; системы подачи питательного раствора посредством работы пьезокерамического элемента; системы контроля развития культивируемых растений при помощи датчиков контроля температуры воздуха и питательного раствора, влажности воздуха, рН раствора, управляемых многоканальным микропроцессором.
Известная установка имеет простую конструкцию и не сложна в эксплуатации, однако ее производительность невысока по причине ограниченного количества посадочных мест для выращивания растений в лотках культивационных модулей.
Из уровня техники известна так же установка для аэрогидропонного выращивания растений, преимущественно клубней или корнеплодов [4], содержащий каркас в виде стеллажа из жестко соединенных между собой вертикальных стоек и горизонтальных перекладин-стяжек, на которых установлены лотки для выращивания растений; систему подачи и слива питательного раствора; систему подачи углекислого газа; системы освещения и вентиляции.
При этом лоток для выращивания растений представляет собой конструкцию модульного типа, содержащую светонепроницаемый корпус, образованный двум расширяющимися кверху неподвижными торцовыми стенками и одной или двумя откидными боковыми стенками. Корпус снабжен панелью с отверстиями для размещения посадочного материала и закрывается светонепроницаемой крышкой-экраном трапециевидного поперечного сечения, большее основание которого расположено внизу. Верхняя часть крышки выполнена с отверстиями для поддержки стеблей растения, соосно расположенными отверстиям посадочной панели.
Каждый лоток содержит два независимых контура подачи питательного раствора для орошения корневой и стеблевой части растений питательным раствором разного состава, напорные трубопроводы которых снабжены форсунками для процедуры впрыска питательного раствора в лоток. Отработанный питательный раствор проходит через фильтр, расположенный в поддоне корпуса лотка и через сливное отверстие патрубка отвода выводится из лотка обратно в систему подачи питательного раствора.
Система освещения содержит светодиодные источники, установленные снаружи на поддоне корпуса лотка в специальных держателях, при этом поверхность поддона лотка является отражателем светового потока.
Известную установку, описанную выше, можно принять за ближайший аналог (прототип) заявленной полезной модели по наибольшему количеству одинаковых с ней существенных признаков.
Недостаток прототипа заключается в сложности конструкции лотка для размещения выращиваемых растений. Лоток имеет сложную, нетехнологичную при изготовлении, конфигурацию корпуса (с наклонными стенками) и крышки (трапецеидальную с отверстиями), что связано с используемым в данной конструкции принципом размещения и фиксации стеблевой части растений. Извлечения из лотка выращенных клубней из корневой и стеблевой зон растений через поворотные или съемные части корпуса и крышки также усложняет его конструкцию и делает неудобным обслуживание установки в целом. Идея подвески системы освещения к поддону корпуса с помощью стационарных держателей делает невозможным осуществление регулирования интенсивности светового потока простым перемещением светильников в вертикальной плоскости.
Производственные затраты на изготовление известной установки достаточно высоки, а урожайность клубней или корнеплодов, получаемых в ней оставляет желать лучшего.
Задача полезной модели - создать простую и удобную в эксплуатации аэропонную установку для выращивания оздоровленных и свободных от различных патогенов мини-клубней картофеля в условиях промышленного производства, оптимизировав в ней условия для ускоренного формирования вегетативной массы, развития корневой системы и клубнеобразования.
Технический результат от решения поставленной задачи заключается в упрощении конструкции аэропонного модуля установки и снижении затрат на ее изготовление, ускорении процессов образования и роста мини-клубней картофеля в связи с применением светового потока комбинированного спектрального состава и туманообразующего способа орошения культивируемых растений, а также повышения урожайности за счет увеличения плотности размещения растений на единице площади.
Поставленная задача может быть реализована, а ее технический результат может быть достигнут посредством предлагаемого технического решения заявленной полезной модели, - аэропонной установки для промышленного производства мин-клубней картофеля, содержащей несущий каркас в виде одноярусного стеллажа из жестко соединенных между собой вертикальных и горизонтальных элементов, изготовленных, например, из блок-сополимера, на котором установлены аэропонные модули для выращивания растений, оборудованные расположенной над ними системой их подвязывания, а также управляемую систему питания корневой зоны растений и регулируемую систему комбинированного освещения стеблевой зоны растений.
Каждый аэропонный модуль выполнен в виде снабженного крышкой с отверстиями под посадочные места культивируемых растений прямоугольного бокса, предназначенного для размещения корневой зоны растений, внутренняя поверхность которого оснащена по периметру туманообразующими форсунками, причем, крышка, стенки и днище бокса изготовлены из светонепроницаемого материала, передняя и задняя стенки содержат раздвижные дверцы, а посадочные отверстия для растений расположены в крышке рядами с одинаковым расстоянием между последними и размещены относительно друг друга в шахматном порядке с одинаковым шагом.
Система подвязывания культивируемых растений выполнена в виде регулируемой вертикальной шпалеры, смонтированной в верхней части каркаса, включающей соединенные между собой под прямым углом плоские звенья в виде металлических полос, образующих жесткую горизонтальную решетку, снабженную множеством отверстий под вертикальные жесткие держатели стеблевой части растений, например проволочные, соосно расположенные отверстиям под посадочные места растений в крышке бокса.
Система освещения стеблевой зоны культивируемых растений выполнена в виде комбинации подвесных светодиодных ламп, например LED - ламп, расположенных в центральной части пространства освещаемой зоны, и газоразрядных ламп высокого давления, например, натриевых зеркальных ламп ДНаЗ, расположенных на периферии пространства освещаемой зоны
Система питания корневой зоны растений выполнена в виде замкнутого контура, содержащего емкость для питательного раствора с встроенным в нее фильтром грубой очистки, насос высокого давления для подачи питательного раствора к форсункам, фильтр тонкой очистки, ванну для сбора отработанного питательного раствора, прибор контроля давления в системе, например, манометр.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленной полезной модели в сравнении с ее аналогами свидетельствует, что из известного уровня техники на дату подачи заявки не известно и не следует явным образом устройство того же назначения, что и заявленная полезная модель, в котором бы применялась вся совокупность приведенных в независимом пункте формулы и раскрытых в описании существенных признаков.
При этом предложенная совокупность существенных признаков обеспечивает возникновение у заявленной полезной модели новых свойств, позволяющих реализовать поставленную задачу, что означает ее соответствие критерию «новизна».
Конструкция заявленной полезной модели весьма проста, ее элементы технологичны в изготовлении, поэтому ее промышленное производство не представляет технических трудностей, что свидетельствует о соответствии полезной модели также и критерию «промышленная применимость».
Заявленная полезная модель проиллюстрирована рисунками, где изображено:
- на фиг. 1 - схематичное изображение общего вида заявленной установки и системы освещения;
- на фиг. 2 - схематичное изображение каркаса установки;
- на фиг. 3 - крышка аэропонного модуля в плане;
- на фиг. 4 - схематичное изображение аэропонных модулей в сборе с системой подвязывания культивируемых растений;
- на фиг. 5 - схематичное изображение конструкции системы подвязывания растений в плане;
- на фиг. 6 - схема работы системы питания корневой зоны растений;
Аэропонная установка для промышленного выращивания мини-клубней картофеля (фиг. 1) содержит несущий каркас 1 (фиг. 2) в виде одноярусного стеллажа из жестко соединенных между собой вертикальных и горизонтальных элементов, изготовленных из долговечного и надежного материала, например, из блок-сополимера с допустимой нагрузкой до 400 кг, на котором смонтированы аэропонные модули для выращивания растений.
Материал стеллажа, блок-сополимер, выбран не случайно. В условиях повышенной влажности среды культивации растений картофеля и изменения степени рН питательного раствора облегчается чистка и дезинфекция стеллажа. Конструкция каркаса облегченная, сборно-разборная и может быть легко перенесена в любое нужное место.
Каждый аэропонный модуль выполнен в виде снабженного крышкой 3 с отверстиями под посадочные места культивируемых растений прямоугольного бокса 2, предназначенного для размещения корневой зоны растений. Крышка 3 бокса 2 имеет посадочные отверстия для культивируемых растений, расположенные в крышке рядами с одинаковым расстоянием между последними и размещенные относительно друг друга в шахматном порядке с одинаковым шагом (фиг. 3). Таким образом крышка 3 бокса 2 фактически является посадочной панелью микрорастений картофеля, закладываемых в бокс аэропонной установки. В дальнейшем многорядная схема расположения посадочных отверстий в шахматном порядке обеспечит достаточное пространство для роста и развития микрорастений картофеля, обеспечит необходимую их освещенность и циркуляцию воздуха между ними.
Крышка, стенки и днище бокса 2 изготовлены из светонепроницаемого материала с целью предотвращения появления одноклеточных микроводорослей при орошении питательным раствором корневой зоны растений картофеля туманообразующими форсунками 4, которые размещены по периметру внутренней поверхности бокса 2 аэропонного модуля (фиг. 6) в количестве, достаточном для обеспечения интенсивного проникновения питательной среды в корневую зону растений. Передняя и задняя стенки бокса 1 содержат раздвижные дверцы 5 (фиг. 4) для свободного доступа к сбору урожая мини-клубней картофеля с двух сторон аэропонного модуля и обслуживанию форсунок 4 без нанесения случайных повреждений корням.
В верхней части каркаса 1 установки над аэропонными модулями смонтирована система подвязывания стеблевой зоны растений картофеля (фиг. 4). Она выполнена в виде регулируемой в зависимости от стадии роста растений (на рисунках условно не показано) вертикальной шпалеры, включающей соединенные между собой под прямым углом плоские звенья в виде металлических профильных полос 6, 7 (фиг. 5), образующих жесткую горизонтальную решетку, снабженную множеством отверстий (на рисунках условно не показано) под вертикальные жесткие держатели 8 стеблевой части растений. Упомянутые отверстия звеньев решетки шпалеры расположены соосно отверстиям под посадочные места культивируемых растений картофеля, выполненным в крышке 3 бокса 2 аэропонного модуля. Держатели 6 изготовлены из проволоки, которые, не допуская излишней нагрузки на стебли картофеля, надежно фиксируют последние в процессе вегетации.
Система регулируемого освещения стеблевой зоны культивируемых растений выполнена в виде комбинации подвесных светодиодных ламп 9, (фиг. 1) например LED - ламп, расположенных в центральной части освещаемого пространства зоны, и газоразрядных ламп высокого давления 10, например, натриевых зеркальных ламп ДНаЗ, расположенных на периферии пространства освещаемой зоны.
При таком сочетании примененных источников света культивируемые растения получают комбинированное облучение, - близкое к солнечному спектру от натриевых ламп ДНаЗ и смесь синего и красного спектра свечения с диапазоном частот 430-455 нм и 600-660 нм соответственно, что необходимо для создания условий непрерывной активации ростовых процессов стеблевой зоны растений, выращенных в условиях in vitro, в течение всего вегетационного периода.
Система питания корневой зоны растений (фиг. 6) выполнена в виде замкнутого контура, содержащего емкость 11 для питательного раствора с встроенным в нее фильтром грубой очистки 12, насос высокого давления 13 для подачи питательного раствора к туманообразующим форсункам 4, фильтр тонкой очистки 14, ванну для сбора отработанного питательного раствора (на рисунках условно не показана), поступающего через фильтр грубой очистки 12 обратно в емкость 11. Контроля давления в системе осуществляется манометром 15. Система размещения форсунок 4 во внутреннем пространстве бокса 2 аэропонного модуля обеспечивает интенсивное питание корневой зоны растений, а двойная система очистки питательного раствора повышает надежность работы форсунок.
Аэропонная установка для промышленного выращивания мини-клубней картофеля работает следующим образом.
В отверстия посадочных мест крышки 3 бокса 2 (фиг. 1) помещают меристемные пробирочные микрорастения картофеля, выращенные в условиях in vitro. При этом внутри прямоугольного бокса 2 аэропонного модуля размещают свободно свисающие зачатки корней растений картофеля, а над поверхностью крышки 3 бокса 2 размещают стеблевую часть растений.
Питательный раствор из емкости 11 (фиг. 8) насосом высокого давления 13 через фильтр тонкой очистки 14 по напорному трубопроводу через систему туманообразующих форсунок 4 впрыскивают в корневую зону растений картофеля с определенной периодичностью, обеспечивая объемное проникновение питательной среды в корни растений, представляющих собой тонкие впитывающие волоски, интенсивность роста которых зависит от степени дисперсности капелек питательного тумана. В паузах между подачей питательного раствора происходит аэрация пространства, окружающего корни. При этом значительно улучшается не только насыщение корней кислородом, но и скорость их роста. Отработанный питательный раствор попадает в ванну (на рисунках условно не показано), накапливается в ней и через фильтр грубой очистки 12 вновь поступает в емкость 11.
Периодичность и продолжительность орошения осуществляется в автоматическом режиме в зависимости от стадии вегетации стеблевой части растений, максимальная интенсивность роста которой обеспечивается комбинацией светового потока заданной частоты спектра свечения, излучаемого примененными источниками света.
В результате создания в аэропонной установке описанных выше условий выращивания растений картофеля происходит быстрый рост и раннее созревание его мини-клубней. При достижении мини-клубнями кондиционных размеров осуществляют их периодический сбор через раздвижные дверцы 5 (фиг. 4) аэропонного модуля.
Таким образом в заявленной аэропонной установке с помощью оптимально подобранных и управляемых факторов минерального питания, спектрального состава света, а также температуры и влажности в стеблевой и корневой зонах можно управлять метаболизмом растений картофеля, - ускорять отток сахарозы из хлоропластов в клубни, реально ускоряя в них накопление крахмала, тем самым создавая предпосылки ускоренного получения в промышленных условиях высококачественных мини-клубней картофеля, свободных от вирусов, бактерий, грибов и прочих патогенов.
Изготовлен опытный образец установки, который позволит в промышленных масштабах круглогодично выращивать экологически чистый посадочный материал картофеля. Высокий выход продукции обеспечит ее низкую себестоимость.
Список использованной литературы.
1. Н.Н. Семчук и др. «Модульная технология ускоренного размножения новых перспективных сортов картофеля», вестник Новгородского государственного университета, №67, 2012 г., с. 86.
2. Электронный ресурс http://alt.com.ru/aeroponika/.
3. А.В. Милехин и др. «Перспективы использования биотехнологических установок в безвирусном семеноводстве картофеля в среднем Поволжье», известия Самарского научного центра РАН, т. 16, №5(3), 2014 г., с. 1187-1189, рис. 2.
4. RU №88246 U1, опубл. 10.11.2009, бюл. №31