Аэропонный фитотрон

Полезная модель относится к устройствам для выращивания растений в искусственных условиях - фитотронам, и предназначена для проведения научных лабораторных исследований в области физиологии, селекции и биотехнологии растений. Устройство также может быть использовано для получения растительной продукции в домашних условиях, в личных подсобных хозяйствах, а при масштабировании - для промышленного производства. Устройство особенно удобно, когда объектом исследования и практического интереса является клубне-корневая система, как место локализации вторичных целевых метаболитов, имеющих самостоятельное прикладное значение. Применение устройства перспективно в системах жизнеобеспечения человека и животных, а также для решения исследовательских задач в особых условиях, например, в условиях длительного пребывания в ограниченном замкнутом пространстве.
Известно большое количество устройств для беспочвенного выращивания растений в искусственных условиях. Современные фитотроны представляют собой автоматизированные системы, обеспечивающие создание и поддержание комплекса условий (температура, освещенность, спектральный состав света, влажность, состав газовой среды и питательного раствора и другие параметры), необходимых для повышения продуктивности растений. В большинстве своем эти устройства предназначены для коммерческого производства товарной продукции и не приспособлены для проведения лабораторных научных исследований. Даже те из них, которые, по утверждению авторов, предназначены или могут быть использованы для проведения научных исследований, имеют недостатки, ограничивающие их применение по данному назначению. В качестве примера можно привести патенты [RU 134744 U1, опубл. 27.11.2013] и [RU 2557572 С2, опубл. 27.07.2015], выданные на устройство «Фитотрон», которое, по утверждению авторов, предназначено для биологических исследований. Фитотрон содержит рабочую камеру с вентиляционными отверстиями, управляемую воздухоохлаждающую установку, соединенную с температурным датчиком, расположенным в непосредственной близости от выращиваемых в контейнерах растений. Над контейнерами установлены панели с размещенными группами светодиодами со спектральными диапазонами от 400 до 700 нм и система управления подсветкой. Растения размещены в контейнерах на стеллажах, оборудованных вентиляционными пазами и окнами, составляющими не менее половины их площади, что позволяет оптимизировать температуру в месте расположения контейнеров с растениями и стабилизировать температурный режим работы светодиодов. Однако наличие широких вентиляционных отверстий и окон в стеллажах не позволяет обеспечить индивидуальные независимые климатические условия в корневой и стеблевой зонах фитотрона, что особенно важно при культивировании корнеплодных и клубнеобразующих растений. Спектральный диапазон использованных светодиодов охватывает лишь видимую область и не позволяет расширить возможности биологических исследований на ближнюю УФ и инфракрасную области, которые, как показывают наши исследования, могут представлять большой практический и научный интерес. В описании нет каких-либо сведений о наличии средств обеззараживания внутренней среды фитотрона. Устройство не позволяет проводить онлайн-мониторинг нарастания биомассы культивируемых растений под влиянием моделируемых в фитотроне климатических факторов.
В отличие от предыдущего изобретения, система, описанная в патенте США [US 9807949 (В2), опубл. 07.11.2017], позволяет регулировать условия жизнеобеспечения растений отдельно в корневой и стеблевой зонах. Каждое растение закреплено с помощью уплотнительной мембраны в цилиндрическом контейнере, которые собраны в массивы на жестком подвижном каркасе. Система питания растений включает резервуар с насосом и дренаж для удаления избытка питательного раствора. Корневая зона заполнена пористой средой, поддерживающей необходимую влажность корней и проницаемой для кислородсодержащей смеси, подаваемой через коллектор подачи газа под давлением непосредственно к корням растений. Система включает контроллеры, регулирующие подачу в корневую зону питательного раствора и насыщенного кислородом газа, параметры светового воздействия, уровень влажности в системе. Как и в предыдущем аналоге, устройство не содержит средств онлайн-мониторинга изменения массы культивируемых растений под влиянием моделируемых в фитотроне климатических факторов.
В качестве прототипа взято культивационное сооружение для выращивания растений, варианты которого, описаны в [RU 2038747 С1, опубл. 07.09.1995]. Автор относит культивационное сооружение к лабораториям с искусственным климатом и к сооружениям для промышленного получения продуктов растениеводства. В базовом варианте сооружение содержит корпус, светотеплонепроницаемую перегородку, разделяющую культивационное помещение на две изолированные, доступные для наблюдения зоны для корневой и стеблевой частей растений. Каждая из зон имеет самостоятельные системы управления и контроля параметров жизнеобеспечения растений. Корневая зона выполнена светотеплоизолированной, а стеблевая зона может быть как светотеплоизолированной или светотеплопроницаемой. Корни растений располагаются в подвижно прикрепленных к потолку нижней зоны светопрозрачных сосудах, к которым подведена система питания растений. Это позволяет не только визуально контролировать процесс корнеобразования и работу системы питания, но и, как утверждает автор, влиять на развитие корневой системы, например, облучая ее светом определенного спектрального диапазона, исследовать влияние различных веществ на развитие корневой системы, оптимизировать физиологические и технологические процессы, особенно при выращивании растений, основной продукцией которых являются клубне- и корнеплоды. Как и предыдущие аналоги, устройство не содержит средств, позволяющих в непрерывном режиме контролировать накопление биомассы под влиянием варьируемых факторов внешней среды. В описании не содержится сведений о спектральных диапазонах использованных источников света и о наличии каких-либо средств для снижения бактериальной обсемененности внутренней среды культивационного сооружения.
Техническая проблема, решаемая настоящей полезной моделью, состоит в создании фитотрона с изолированными друг от друга, доступными для наблюдения камерами для стеблевой и корневой частей растений, позволяющего в непрерывном режиме контролировать накопление биомассы выращиваемых растений под влиянием варьируемых параметров их жизнеобеспечения, обеспечивающего возможность варьирования параметров освещения в расширенном диапазоне длин волн и обеспеченного комплексом средств, снижающих бактериальную обсемененность его внутреннего пространства.
Проблема решена предлагаемым аэропонным фитотроном, отвечающим указанным требованиям и характеризующимся комплексом функциональных возможностей, позволяющих не только получать растительную продукцию, но и проводить научные исследования, направленные на поиск условий избирательного воздействия на корневую и стеблевую части растений с целью повышения их продуктивности и интенсификации накопления в органах растений практически важных метаболитов.
Аэропонный фитотрон содержит помещенную в светонепроницаемый корпус климатическую камеру, внутреннее пространство которой разделено светонепроницаемой посадочной платформой на изолированные одна от другой, доступные для визуального наблюдения, вегетационную и корневую камеры, а также средства жизнеобеспечения и средства управления и контроля параметров жизнеобеспечения растений в каждой из камер отдельно, и отличается тем, что в качестве средств жизнеобеспечения он включает систему подготовки и рециркуляции воздуха, систему контроля и подачи питательного раствора и систему освещения, включающую размещенные в вегетационной и корневой камерах светодиодные светильники со спектральным диапазоном 315 - 850 нм, при этом фитотрон дополнительно содержит средство для непрерывного взвешивания растений, представляющее собой совокупность тензодатчиков, установленных между посадочной платформой и опорой, на которой она установлена, а также средства для обеззараживания внутренней среды фитотрона, включающие фотокаталитическое устройство для обеззараживания воздуха, а также источник УФ-излучения и гидроакустический излучатель для обеззараживания питательного раствора, при этом доступность для визуального наблюдения обеспечена наличием видеокамер и смотровых окон, которыми оборудована каждая из камер.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется рисунком, на котором схематически показано внутреннее устройство фитотрона (вид спереди) и, находящиеся с ним в функционально-конструктивном единстве, элементы систем его жизнеобеспечения. Список позиций, обозначенных на рисунке, приведен ниже:
1. Корпус климатической камеры.
2. Вентиляционные отверстия.
3. Посадочная платформа.
4. Опоры для посадочной платформы.
5. Вегетационная камера.
6. Корневая камера.
7. Видеокамера.
8. Датчик температуры.
9. Датчик влажности.
10. Датчик углекислого газа.
11. Датчик освещенности.
12. Тензодатчик.
13. Рабочая емкость для питательного раствора.
14. Насос орошения.
15. Трубопроводная магистраль.
16. Съемная форсунка.
17. Поддон.
18. Сливной штуцер.
19. Подвижная платформа.
20. Датчик электропроводности.
21. Датчик рН.
22. Датчик уровня жидкости.
23. Крышка рабочей емкости.
24. Емкости для реагентов.
25. Клапан подачи воды.
26. Насос для перемешивания питательного раствора.
27. Гидроакустическое устройство.
28. Источник УФ света (кварцевая лампа).
29. Устройство для нагрева/охлаждения воздуха.
30. Увлажнитель воздуха.
31. Клапан подачи углекислого газа.
32. Приточный вентилятор.
33. Устройство для обеззараживания воздуха.
34. Светодиодный светильник вегетационной камеры.
35. Светодиодный светильник корневой камеры.
36. Циркуляционные вентиляторы.
37. Регуляторы интенсивности излучения светодиодов.
Отдельные элементы устройства, имеющие важное функциональное значение, но не показанные на рисунке для упрощения восприятия, также раскрыты в приведенном ниже описании.
Основными составными частями фитотрона являются климатическая камера и средства жизнеобеспечения, включающие систему контроля и подачи питательного раствора, систему подготовки и рециркуляции воздуха и систему освещения, а также контроллер, связанный с перечисленными системами и с персональным компьютером.
Стенки корпуса 1 климатической камеры фитотрона выполнены из светонепроницаемого материала, например, из нержавеющей стали, и имеют вентиляционные отверстия 2. Светонепроницаемая посадочная платформа 3 с посадочными отверстиями, установленная на опорах 4, разделяет внутренний объем климатической камеры на изолированные друг от друга, вегетационную камеру 5 и корневую камеру 6. Для улучшения качества и эффективности освещения внутренние стенки камер 5 и 6 могут быть выполнены из зеркальной нержавеющей стали или облицованы светоотражающим материалом. Доступ к растениям обеспечен наличием светонепроницаемых дверей (на рисунке не показаны). Камеры 5 и 6 оборудованы смотровыми окнами, выполненными в форме дополнительных внутренних фронтальных прозрачных стенок (на рисунке не показаны), которые могут быть сдвинуты при необходимости отбора образцов, после чего возвращены на место. Также допустимо выполнение смотровых окон в форме открываемых смотровых люков в непрозрачных дверях корпуса. Наличие смотровых окон обеспечивает возможность непосредственного наблюдения за происходящими в камере процессами, не нарушая установившегося в ней микроклимата. Для возможности дистанционного видеонаблюдения фитотрон оборудован видеокамерами 7, установленными в вегетационной и корневой камерах. В качестве дополнительной опции фитотрон оборудован датчиком отслеживания открывания дверей (на рисунке не показан), предназначенным для минимизации нарушения микроклимата внутри камеры.
Для обеспечения взаимоизолированности камер 5 и 6 посадочные отверстия в посадочной платформе 3 оборудованы цилиндрическими вкладышами, внутри которых размещен пористый материал, в отверстии которого зафиксированы прикорневые части стеблей растений. Пористый материал не создает препятствий для роста растений, при этом обеспечивает по мере их роста сохранение в камерах независимых климатических условий.
2
В качестве средства управления и контроля параметров жизнеобеспечения растений используют установленный на корпусе климатической камеры и подключенный к компьютеру контроллер (на рисунке не показан), соединенный с размещенными в каждой из камер датчиками температуры 8, а также с датчиком влажности 9, датчиком содержания СО 10 и датчиком освещенности 11, размещенными в вегетационной камере. В качестве датчика освещенности 11 может быть использован квантовый фотометр.
Важным отличительным признаком заявляемого фитотрона является наличие средства для непрерывного взвешивания растений, выполненного в форме системы подсоединенных к контроллеру тензодатчиков 12, установленных между опорами 4 и посадочной платформой 3. Чувствительнось, интервал измеряемых значений и количество тензодатчиков подбирают в зависимости от предполагаемой суммарной массы выращиваемых растений. Оптимальным является использование четырех тензодатчиков, установленных симметрично под угловыми зонами прямоугольной посадочной платформы. Таким образом, система обеспечивает возможность непрерывного взвешивания растений в ходе вегетации и передачи информации о динамике нарастания биомассы в компьютер, что имеет важное практическое значение, поскольку характер изменения этого параметра является важным объективным показателем благополучия растений в ходе эксперимента.
Система контроля и подачи питательного раствора, являющаяся неотъемлемой частью заявляемой полезной модели, включает рабочую емкость для питательного раствора 13, соединенную с ней через насос орошения 14 трубопроводную магистраль 15, на выходе которой, расположенном в нижней части корневой камеры 6, установлены съемные форсунки 16, обеспечивающие подачу мелкодисперсного питательного раствора к корням растений. Для предотвращения засорения форсунок в магистрали установлены фильтры тонкой очистки (на рисунке не показаны) и грязеулавливатель (на рисунке не показан), представляющий собой осадочную емкость с входом, выходом для очищенной жидкости и сливным краном для удаления осадка. На дне корневой камеры 6 наклонно установлен поддон 17, из которого стекающий самотеком через сливной штуцер 18 избыток питательного раствора возвращается в рабочую емкость для питательного раствора 13. Для удобства обслуживания рабочая емкость и насос могут быть размещены на подвижной платформе 19. Внутри рабочей емкости 13 установлены соединенные с контроллером датчик электропроводности 20, датчик рН 21 и датчик уровня жидкости 22, контролирующие заданный состав, кислотность и уровень питательного раствора в рабочей емкости. В качестве датчика уровня 22 может быть использован, например, ультразвуковой трехпозиционный (верхний предел, нижний предел, норма) датчик. Питательный раствор может быть приготовлен в отдельной емкости или непосредственно в рабочей емкости под контролем датчиков 20, 21 и 22. Под крышкой 23 рабочей емкости установлены емкости для реагентов 24 (кислота, щелочь, растворы солей и др.), из которых при необходимости с помощью перистальтических насосов (на рисунке не показаны) реактивы в нужной пропорции и в нужном количестве подаются в рабочую емкость 13. Для подачи воды в рабочую емкость служит клапан 25. Для перемешивания питательного раствора в рабочей емкости используют циркуляционный насос 26. Рабочая емкость оснащена гидроакустическим излучательным устройством 27, подобным, например устройству, описанному в [RU 2651197 С1, опубл. 18.04.2018], которое, благодаря действию кавитационных сил, разрушает бактериальные клетки и грибные споры [Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами. Москва, Изд-во «ЮРАЙТ», 2016, 223 С.], обеспечивая снижение уровня бактериальной обсемененности питательного раствора. Если питательный раствор готовят в отдельной емкости, ее также оборудуют аналогичным устройством. Дополнительную защиту питательного раствора от бактериальных патогенов осуществляют с помощью источника УФ света (кварцевая лампа) 28, установленного под крышкой рабочей емкости.
Система подготовки и рециркуляции воздуха, являющаяся неотъемлемой частью заявляемого аэропонного фитотрона, обеспечивает воздухооборот в вегетационной камере фитотрона с возможностью подпитки воздухом из окружающей среды. Система включает смонтированные на корпусе фитотрона и соединенные с внутренним объемом через технологические отверстия, устройство для нагрева/охлаждения подаваемого в фитотрон воздуха 29, увлажнитель воздуха 30, клапан подачи углекислого газа 31, систему приточных вентиляторов 32 и устройство для очистки воздуха 33. В качестве нагревателя/охладителя 29 может быть использована термоэлектрическая установка с реверсивной системой электропитания, работающая на элементах Пельтье, или воздушный кондиционер. В качестве увлажнителя 30 может быть использован, например, ультразвуковой генератор аэрозоля. Устройство для очистки воздуха 33 представляет собой фотокаталитический воздухоочиститель, описанный в [RU 2497584 С1, опубл. 10.11.2013], с помощью которого подаваемый в фитотрон воздух очищается от возможных органических примесей, включая клетки биопатогенов.
Система освещения фитотрона представлена двумя независимыми осветительными модулями 34 и 35, размещенными, соответственно, в вегетационной и корневой камерах. Модуль 34 внутреннего освещения вегетационной камеры представляет собой влагозащищенный многоспектральный светильник, содержащий комбинацию монохроматических светодиодных матриц с диапазоном длин волн, включающим весь физиологически активный видимый спектр от 400 до 780 нм и, дополнительно - инфракрасную область до 850 нм и ближнюю ультрафиолетовую область 365 - 400 нм. Интенсивность излучения каждой из матриц может регулироваться в ручном и/или автоматическом, программируемом и контролируемом режиме в интервале от 0 до 100%. Активное охлаждение осветительного модуля обеспечено системой циркуляционных вентиляторов 36. Модуль 35 внутреннего освещения корневой камеры представляет собой влагозащищенный полиспектральный, с возможностью выделения монохроматичного излучения, управляемый в ручном или автоматическом программируемом режиме, светодиодный энергосберегающий светильник, установленный на стенке камеры. Возможность ручного управления системой освещения обеспечена наличием размещенных на верхней панели корпуса 1 регуляторов 37 интенсивности излучения светодиодов разных спектральных диапазонов.
В отличие от прототипа, в котором стеблевая и корневая зоны имеют самостоятельные системы управления и контроля, в предлагаемом устройстве для контроля и управления работой всех систем фитотрона используют связанный с персональным компьютером общий контроллер, под управлением которого находятся все системы жизнеобеспечения в камерах фитотрона. От датчиков температуры, влажности, освещенности, содержания углекислого газа, рН, электропроводности и уровня жидкости в контроллер поступают данные о климатических параметрах внутри камер фитотрона и о составе и количестве питательного раствора в рабочей емкости. При обнаружении отклонений, выходящих за допустимые пределы, контроллер подает сигналы исполнительным механизмам, которые приводят климатические параметры к заданным значениям. Программируемая пользователем система аварийной сигнализации обеспечивает надежное автоматическое отслеживание параметров. При критическом отклонении параметров от установленных значений система сигнализации подает визуальный и звуковой сигналы.
Программное обеспечение фитотрона позволяет осуществлять накопление, обработку, хранение и документирование данных, полученных в ходе эксперимента, а также позволяет вести дистанционный онлайн-мониторинг и управление работой отдельных модулей и устройства в целом. Наличие видеокамер и смотровых окон позволяет в режиме реального времени наблюдать происходящие в камерах процессы, не нарушая установившийся баланс климатических параметров внутри устройства.
Наличие соединенных с контроллером тензодатчиков позволяет отслеживать динамику изменения интегрального показателя массы растений, определяемого автоматически с временным интервалом, заданным условиями эксперимента, как усредненное значение массы, полученное от каждого из установленных под посадочной платформой, тензодатчиков. Программное обеспечение фитотрона позволяет сохранять и статистически обрабатывать данные прироста биомассы в зависимости от изменения климатических параметров, задаваемых условиями эксперимента независимо в вегетационной и корневой камерах. Таких исследовательских возможностей не обеспечивает ни одно из известных устройств для выращивания растений в искусственных условиях.
2
2
Подбор оптимальных условий освещения является важным направлением исследования физиологии растений, позволяющим ускорить рост и развитие растений, повысить их качество и продуктивность. Особенностью предлагаемого фитотрона является наличие отдельных независимых осветительных модулей в вегетационной и корневой камерах, что позволяет изучать влияние условий освещения отдельно корневой и стеблевой части растений на синтез и транспорт целевых метаболитов. В максимальном режиме осветительные модули излучают до 1200 микромоль/м⋅с. квантов. Каждый участок монохроматического излучения излучает до 300 микромоль/м⋅с. квантов. Такой уровень излучения в сочетании с широким спектральным диапазоном - спектр видимого света от 400 до 780 нм и, дополнительно, инфракрасная область до 850 нм, а также ближняя ультрафиолетовая область от 365 до 400 нм - в сочетании с возможностью регулирования интенсивности излучения от 0 до 100% в каждом спектральном диапазоне расширяют возможности исследования в сравнении с известными аналогами и позволяют получать важную информацию о влиянии параметров освещения на развитие растений. В зависимости от поставленной задачи, контроллер обеспечивает поддержание в камерах фитотрона заданного уровня освещенности или управляет режимом работы и интенсивностью излучения светодиодных монохроматических светильников по заданной программе. В программу работы осветительных модулей заложена возможность имитации восхода и заката солнца путем изменения спектрального состава и интенсивности излучения, а также возможность импульсного включения излучения в заданном участке спектра по программе, предусмотренной условиями эксперимента.
Создаваемый в вегетационной камере равномерный восходящий поток воздуха предотвращает перегрев внутреннего объема. В качестве дополнительной меры защиты от перегрева или пересыхания растений под действием теплового излучения от осветительных модулей предусмотрена возможность автоматического отключения или снижения интенсивности освещения, если датчики температуры и влажности показывают критическое отклонение климатических показателей от заданного уровня.
Управляемая контроллером система подготовки и рециркуляции воздуха обеспечивает в процессе работы устройства поддержание заданных температурных условий, требуемого уровня влажности и содержания углекислого газа, а также обеззараживание циркулирующей в системе газовоздушной смеси. Система вентиляторов, включающая приточную и циркуляционную вентиляцию, обеспечивает подачу в культивационную камеру свежего воздуха нужной температуры из окружающей среды и выведение его за пределы камеры.
Комплексная система снижения уровня бактериальной обсемененности, включающая обеззараживание подаваемого в фитотрон воздуха и антибактериальную обработку питательного раствора с использованием гидроакустического и УФ-излучателей, обеспечивает защиту внутренней среды фитотрона от биопатогенов.
Удобство отбора проб для анализа качества продукции и исследования динамики накопления практически важных метаболитов в отдельных частях растений в процессе вегетации обеспечено наличием отдельных для каждой из камер, легко сдвигаемых смотровых окон, позволяющих проводить забор образцов без тотального нарушения баланса климатических условий, установившихся в каждой из камер.
Таким образом, описанное устройство позволяет осуществлять независимое моделирование условий в вегетационной и корневой камерах, обеспечивает расширенный диапазон варьирования параметров освещения, позволяет проводить непрерывный мониторинг нарастания массы растений в ходе эксперимента, обеспечивает высокий уровень обеззараживания внутренней среды и позволяет осуществлять, в том числе, в удаленном режиме, онлайн-мониторинг, накопление, обработку и документирование экспериментальных данных.
Заявленная полезная модель дает исследователю дополнительные возможности для получения информации об особенностях роста и развития растений в зависимости от окружающих условий. При этом фитотрон обладает полным набором опций, позволяющих использовать его для производства растительной продукции в домашних условиях и личных подсобных хозяйствах, а при масштабировании - для промышленного производства. Компактные размеры, полный цикл обеспечения работы его систем и возможность дистанционного онлайн-мониторинга и управления его работой позволяют использовать заявляемый фитотрон в системах жизнеобеспечения и для проведения научных исследований в особых условиях, например, на космических и полярных станциях, подводных лодках.