RU196013U1 - Airport phytotron - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для выращивания растений в искусственных условиях - фитотронам, и предназначена для проведения научных исследований в области физиологии, селекции и биотехнологии растений. Фитотрон содержит светонепроницаемую камеру, разделенную посадочной платформой на изолированные друг от друга, вегетационную и корневую камеры, функционирование которых обеспечено управляемыми в автоматическом режиме системами подготовки и рециркуляции воздуха и питательного раствора, и системой освещения, включающей размещенные в обеих камерах светодиодные светильники со спектральным диапазоном 315-850 нм. Фитотрон содержит средство для непрерывного взвешивания растений, представляющее собой совокупность тензодатчиков, установленных на опорах под посадочной платформой, а также совокупность средств для обеззараживания внутренней среды. Программное обеспечение фитотрона позволяет в автоматическом режиме производить накопление, хранение и обработку экспериментальных данных, а также вести дистанционный онлайн-мониторинг работы устройства. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.The utility model relates to devices for growing plants in artificial conditions - phytotrons, and is intended for scientific research in the field of physiology, breeding and biotechnology of plants. The phytotron contains a light-tight chamber divided by the landing platform into insulated from each other, vegetation and root chambers, the functioning of which is provided by automatically controlled systems for the preparation and recirculation of air and nutrient solution, and a lighting system that includes LED lamps with a spectral range of 315 located in both chambers -850 nm. The phytotron contains a means for continuous weighing of plants, which is a set of load cells mounted on supports under the landing platform, as well as a set of means for disinfecting the internal environment. The phytotron software allows the automatic accumulation, storage and processing of experimental data, as well as remote online monitoring of the operation of the device. 8 cp f-ly, 1 ill.

Description

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.The utility model relates to devices for growing plants in artificial conditions - phytotrons, and is intended for scientific laboratory research in the field of physiology, breeding and biotechnology of plants. The device can also be used to obtain plant products at home, in private farms, and when scaling up for industrial production. The device is especially convenient when the object of research and practical interest is the tuber-root system, as a place of localization of secondary target metabolites that have independent applied value. The use of the device is promising in human and animal life support systems, as well as for solving research problems in special conditions, for example, in conditions of prolonged stay in a limited confined space.

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.A large number of devices are known for soilless cultivation of plants in artificial conditions. Modern phytotrons are automated systems that provide the creation and maintenance of a set of conditions (temperature, illumination, spectral composition of light, humidity, composition of the gas medium and nutrient solution and other parameters) necessary to increase plant productivity. Most of these devices are intended for commercial production of commercial products and are not suitable for laboratory research. Even those that, according to the authors, are intended or can be used for scientific research, have drawbacks that limit their use for this purpose. As an example, patents [RU 134744 U1, publ. November 27, 2013] and [RU 2557572 C2, publ. July 27, 2015] issued to the Fitotron device, which, according to the authors, is intended for biological research. The phytotron contains a working chamber with ventilation openings, a controlled air-cooling unit connected to a temperature sensor located in the immediate vicinity of plants grown in containers. Above the containers are installed panels with placed groups of LEDs with spectral ranges from 400 to 700 nm and a backlight control system. Plants are placed in containers on shelves equipped with ventilation grooves and windows that make up at least half of their area, which allows optimizing the temperature at the location of containers with plants and stabilizing the temperature regime of LEDs. However, the presence of wide ventilation openings and windows in the shelves does not make it possible to provide individual independent climatic conditions in the root and stem zones of the phytotron, which is especially important when cultivating root and tuber-forming plants. The spectral range of the LEDs used covers only the visible region and does not allow expanding the possibilities of biological studies in the near UV and infrared regions, which, according to our studies, can be of great practical and scientific interest. The description does not contain any information about the availability of disinfectants for the internal environment of the phytotron. The device does not allow online monitoring of the growth of biomass of cultivated plants under the influence of climatic factors modeled in the phytotron.

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.Unlike the previous invention, the system described in US patent [US 9807949 (B2), publ. 11/07/2017], allows you to adjust the life conditions of plants separately in the root and stem zones. Each plant is fixed with a sealing membrane in a cylindrical container, which are collected in arrays on a rigid movable frame. The plant nutrition system includes a reservoir with a pump and drainage to remove excess nutrient solution. The root zone is filled with a porous medium that maintains the necessary moisture content of the roots and is permeable to an oxygen-containing mixture supplied through a gas supply manifold under pressure directly to the roots of the plants. The system includes controllers that regulate the supply to the root zone of a nutrient solution and oxygenated gas, light exposure parameters, and the humidity level in the system. As in the previous analogue, the device does not contain online monitoring tools for changes in the mass of cultivated plants under the influence of climatic factors modeled in the phytotron.

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.As a prototype taken a cultivation facility for growing plants, variants of which are described in [RU 2038747 C1, publ. 09/07/1995]. The author relates the cultivation facility to laboratories with an artificial climate and to facilities for the industrial production of crop products. In the basic version, the structure contains a building, a light-tight partition, dividing the cultivation room into two isolated, accessible for observation zones for the root and stem parts of plants. Each of the zones has independent systems for managing and monitoring the parameters of plant life support. The root zone is made heat-insulated, and the stem zone can be either heat-insulated or light-tight. Plant roots are located in translucent vessels that are movably attached to the lower zone ceiling, to which the plant nutrition system is connected. This allows not only to visually control the process of root formation and the operation of the nutrition system, but, as the author claims, to influence the development of the root system, for example, by irradiating it with light of a certain spectral range, to study the effect of various substances on the development of the root system, to optimize physiological and technological processes, especially when growing plants whose main products are tubers and root crops. Like the previous analogues, the device does not contain tools that allow continuous monitoring of biomass accumulation under the influence of variable environmental factors. The description does not contain information about the spectral ranges of the used light sources and the presence of any means to reduce the bacterial contamination of the internal environment of the cultivation structure.

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.The technical problem solved by this utility model is to create a phytotron with isolated from each other, accessible for observation cameras for the stem and root parts of plants, which allows continuous monitoring of the biomass accumulation of cultivated plants under the influence of variable parameters of their livelihood, providing the possibility of varying lighting parameters in the extended wavelength range and provided with a complex of means that reduce the bacterial contamination of its internal a space of.

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.The problem is solved by the proposed aeroponic phytotron that meets the specified requirements and is characterized by a set of functional capabilities that allow not only to obtain plant products, but also to conduct scientific research aimed at finding conditions for selective effects on the root and stem parts of plants in order to increase their productivity and intensify the accumulation in organs plants of practically important metabolites.

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.The airport phytotron contains a climate chamber placed in a lightproof enclosure, the inner space of which is separated by a lightproof landing platform, isolated from the other, vegetation and root chambers that are accessible for visual observation, as well as life support equipment and means of managing and monitoring the parameters of plant life support in each of the cameras separately , and is distinguished by the fact that as a means of life support it includes a system for preparing and recirculating air, a control system The field and the supply of the nutrient solution and the lighting system, including LED lamps located in the vegetation and root chambers with a spectral range of 315 - 850 nm, while the phytotron additionally contains means for continuous weighing of plants, which is a combination of strain sensors installed between the landing platform and the support, on which it is installed, as well as means for disinfecting the internal environment of the phytotron, including a photocatalytic device for disinfecting air, and e UV light source and a hydroacoustic transducer for the decontamination of a nutrient solution, wherein the availability is provided for visual observation of the presence of video cameras and viewing windows, each of which it equipped with cameras.

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:The essence of the claimed utility model is illustrated in the figure, which schematically shows the internal structure of the phytotron (front view) and, being in functional-constructive unity with it, elements of its life support systems. The list of positions indicated in the figure is given below:

1. Корпус климатической камеры.1. The body of the climate chamber.

2. Вентиляционные отверстия.2. Ventilation holes.

3. Посадочная платформа.3. Landing platform.

4. Опоры для посадочной платформы.4. Supports for the landing platform.

5. Вегетационная камера.5. Vegetation chamber.

6. Корневая камера.6. The root chamber.

7. Видеокамера.7. The camcorder.

8. Датчик температуры.8. Temperature sensor.

9. Датчик влажности.9. Humidity sensor.

10. Датчик углекислого газа.10. Carbon dioxide sensor.

11. Датчик освещенности.11. Light sensor.

12. Тензодатчик.12. The load cell.

13. Рабочая емкость для питательного раствора.13. The working capacity for the nutrient solution.

14. Насос орошения.14. Irrigation pump.

15. Трубопроводная магистраль.15. Pipeline.

16. Съемная форсунка.16. Removable nozzle.

17. Поддон.17. The pallet.

18. Сливной штуцер.18. The drain fitting.

19. Подвижная платформа.19. Mobile platform.

20. Датчик электропроводности.20. The conductivity sensor.

21. Датчик рН.21. The pH sensor.

22. Датчик уровня жидкости.22. Liquid level sensor.

23. Крышка рабочей емкости.23. The cover of the working capacity.

24. Емкости для реагентов.24. Tanks for reagents.

25. Клапан подачи воды.25. Water supply valve.

26. Насос для перемешивания питательного раствора.26. Pump for mixing the nutrient solution.

27. Гидроакустическое устройство.27. Hydroacoustic device.

28. Источник УФ света (кварцевая лампа).28. UV light source (quartz lamp).

29. Устройство для нагрева/охлаждения воздуха.29. Device for heating / cooling air.

30. Увлажнитель воздуха.30. Humidifier.

31. Клапан подачи углекислого газа.31. Valve for supplying carbon dioxide.

32. Приточный вентилятор.32. Supply fan.

33. Устройство для обеззараживания воздуха.33. Device for air disinfection.

34. Светодиодный светильник вегетационной камеры.34. LED lamp of the vegetation chamber.

35. Светодиодный светильник корневой камеры.35. LED lamp of the root camera.

36. Циркуляционные вентиляторы.36. Circulating fans.

37. Регуляторы интенсивности излучения светодиодов.37. Regulators of the intensity of radiation of LEDs.

Отдельные элементы устройства, имеющие важное функциональное значение, но не показанные на рисунке для упрощения восприятия, также раскрыты в приведенном ниже описании.Certain elements of the device that have important functional value, but not shown in the figure for ease of perception, are also disclosed in the description below.

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.The main components of the phytotron are the climate chamber and life support equipment, including a nutrient solution control and supply system, an air preparation and recirculation system, and a lighting system, as well as a controller connected to these systems and to a personal computer.

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.The walls of the housing 1 of the climatic chamber of the phytotron are made of opaque material, for example, stainless steel, and have ventilation holes 2. A lightproof landing platform 3 with landing holes mounted on supports 4 divides the internal volume of the climate chamber into a vegetation chamber 5 isolated from each other and the root chamber 6. To improve the quality and effectiveness of lighting, the inner walls of chambers 5 and 6 can be made of mirror stainless steel or coated with reflective material. Access to plants is provided by the presence of lightproof doors (not shown in the figure). Chambers 5 and 6 are equipped with viewing windows made in the form of additional internal frontal transparent walls (not shown in the figure), which can be moved if necessary to take samples, and then returned to their place. It is also permissible to make inspection windows in the form of opening inspection hatches in opaque case doors. The presence of viewing windows provides the opportunity for direct monitoring of the processes occurring in the chamber, without violating the microclimate established in it. For the possibility of remote video surveillance, the phytotron is equipped with 7 cameras installed in the vegetation and root cameras. As an additional option, the phytotron is equipped with a door opening tracking sensor (not shown in the figure), designed to minimize microclimate disturbance inside the chamber.

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.To ensure mutual isolation of the chambers 5 and 6, the planting holes in the landing platform 3 are equipped with cylindrical inserts, inside of which porous material is placed, in the opening of which the root parts of the plant stems are fixed. The porous material does not create obstacles to plant growth, while at the same time it ensures the preservation of independent climatic conditions in the chambers.

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 СО₂ 10 и датчиком освещенности 11, размещенными в вегетационной камере. В качестве датчика освещенности 11 может быть использован квантовый фотометр.As a means of control and monitoring of plant life support parameters, a controller (not shown) installed on the climatic chamber case and connected to a computer is connected to temperature sensors 8 located in each of the cameras, as well as to a humidity sensor 9 and a CO ₂ 10 content sensor and a light sensor 11 located in the growing chamber. As the light sensor 11, a quantum photometer can be used.

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.An important distinguishing feature of the inventive phytotron is the availability of means for continuous weighing of plants, made in the form of a system of load cells 12 connected to the controller installed between the supports 4 and the landing platform 3. It is sensitive, the range of measured values and the number of load cells are selected depending on the estimated total mass of the grown plants. It is optimal to use four load cells mounted symmetrically under the corner zones of a rectangular landing platform. Thus, the system provides the possibility of continuous weighing of plants during the growing season and the transfer of information about the dynamics of biomass growth to a computer, which is of great practical importance, since the nature of the change in this parameter is an important objective indicator of plant well-being during the experiment.

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.The system for monitoring and supplying the nutrient solution, which is an integral part of the claimed utility model, includes a working capacity for the nutrient solution 13 connected to it through an irrigation pump 14 pipe line 15, at the outlet of which, located in the lower part of the root chamber 6, removable nozzles 16 are installed, providing the supply of finely divided nutrient solution to the roots of plants. To prevent nozzle clogging, fine filters (not shown) and a dirt trap (not shown) are installed in the line, which is a sedimentation tank with an inlet, outlet for purified liquid and a drain valve to remove sediment. At the bottom of the root chamber 6, a pan 17 is obliquely mounted, from which excess nutrient solution draining by gravity through the drain fitting 18 is returned to the working tank for the nutrient solution 13. For ease of maintenance, the working tank and pump can be placed on a movable platform 19. Inside the working tank 13 are installed conductivity sensor 20, a pH sensor 21 and a liquid level sensor 22 connected to the controller, controlling a given composition, acidity and level of nutrient solution in the working tank. As the level sensor 22, for example, an ultrasonic three-position (upper limit, lower limit, normal) sensor can be used. The nutrient solution can be prepared in a separate container or directly in the working tank under the control of sensors 20, 21 and 22. Under the cover 23 of the working tank are installed tanks for reagents 24 (acid, alkali, salt solutions, etc.), of which, if necessary, with peristaltic pumps (not shown in the figure), the reagents in the right proportion and in the right amount are fed into the working tank 13. To supply water to the working tank, use valve 25. To circulate the nutrient solution in the working tank, use circulation pump 26. The working tank is equipped with a sonar emitting device 27, similar, for example, to the device described in [RU 2651197 C1, publ. 04/18/2018], which, due to the action of cavitation forces, destroys bacterial cells and fungal spores [Akopyan V.B., Ershov Yu.A. The basics of the interaction of ultrasound with biological objects. Moscow, URIGHT Publishing House, 2016, 223 S.], providing a decrease in the level of bacterial contamination of the nutrient solution. If the nutrient solution is prepared in a separate container, it is also equipped with a similar device. Additional protection of the nutrient solution from bacterial pathogens is carried out using a UV light source (quartz lamp) 28, mounted under the cover of the working container.

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.The system of preparation and recirculation of air, which is an integral part of the claimed aeroponic phytotron, provides air circulation in the growing chamber of the phytotron with the possibility of replenishment of air from the environment. The system includes a phytotron mounted on the housing and connected to the internal volume through technological holes, a device for heating / cooling the air 29 supplied to the phytotron, an air humidifier 30, a carbon dioxide supply valve 31, a supply fan system 32, and an air purification device 33. As a heater / cooler 29 can be used thermoelectric installation with a reversible power system that runs on Peltier elements, or air conditioning. As the humidifier 30, for example, an ultrasonic aerosol generator can be used. A device for air purification 33 is a photocatalytic air purifier described in [RU 2497584 C1, publ. November 10, 2013], with the help of which the air supplied to the phytotron is cleaned of possible organic impurities, including biopathogen cells.

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.The phytotron lighting system is represented by two independent lighting modules 34 and 35 located, respectively, in the vegetation and root chambers. Module 34 of the interior lighting of the vegetation chamber is a waterproof multi-spectral lamp containing a combination of monochromatic LED arrays with a wavelength range that includes the entire physiologically active visible spectrum from 400 to 780 nm and, in addition, the infrared region up to 850 nm and the near ultraviolet region 365 - 400 nm . The radiation intensity of each of the matrices can be regulated in manual and / or automatic, programmable and controlled mode in the range from 0 to 100%. Active cooling of the lighting module is provided by a system of circulation fans 36. The module for internal lighting of the root chamber 35 is a moisture-proof multispectral, with the possibility of emitting monochromatic radiation, controlled in manual or automatic programmed mode, an LED energy-saving lamp mounted on the wall of the camera. The possibility of manual control of the lighting system is provided by the presence of regulators 37 of the radiation intensity of LEDs of different spectral ranges located on the upper panel of the housing 1.

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.Unlike the prototype, in which the stem and root zones have independent control and monitoring systems, the proposed device for monitoring and controlling the operation of all phytotron systems uses a common controller connected to a personal computer, which controls all life support systems in the phytotron chambers. From the sensors of temperature, humidity, light, carbon dioxide content, pH, electrical conductivity and liquid level, the controller receives data on climatic parameters inside the phytotron chambers and on the composition and amount of nutrient solution in the working tank. If deviations are found that are outside the permissible limits, the controller sends signals to the actuators, which bring the climatic parameters to the specified values. A user-programmable alarm system provides reliable automatic tracking of parameters. When the parameters deviate critically from the set values, the alarm system gives visual and audible signals.

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.The phytotron software allows the accumulation, processing, storage and documentation of data obtained during the experiment, and also allows remote online monitoring and control of the operation of individual modules and the device as a whole. The presence of cameras and viewing windows allows real-time monitoring of the processes occurring in the cameras without disturbing the established balance of climatic parameters inside the device.

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.The presence of strain gauges connected to the controller allows you to track the dynamics of changes in the integral indicator of plant mass, determined automatically with the time interval specified by the experimental conditions, as the average mass value obtained from each of the load cells installed under the landing platform. The phytotron software allows you to save and statistically process biomass growth data depending on changes in climatic parameters specified by the experimental conditions independently in the growing and root chambers. Such research capabilities are not provided by any of the known devices for growing plants in artificial conditions.

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/м²⋅с. квантов. Каждый участок монохроматического излучения излучает до 300 микромоль/м²⋅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.The selection of optimal lighting conditions is an important area of study of plant physiology, which allows to accelerate the growth and development of plants, to increase their quality and productivity. A feature of the proposed phytotron is the presence of separate independent lighting modules in the vegetation and root chambers, which allows us to study the influence of lighting conditions of the separately root and stem parts of plants on the synthesis and transport of target metabolites. In the maximum mode, the lighting modules emit up to 1200 micromol / m ² ⋅ s. quanta. Each section of monochromatic radiation emits up to 300 micromol / m ² ⋅ s. quanta. This level of radiation in combination with a wide spectral range - the spectrum of visible light from 400 to 780 nm and, in addition, the infrared region up to 850 nm, as well as the near ultraviolet region from 365 to 400 nm - in combination with the ability to control the radiation intensity from 0 to 100 % in each spectral range expand the possibilities of research in comparison with known analogues and provide important information on the influence of lighting parameters on plant development. Depending on the task, the controller provides maintenance in the cameras of the phytotron of a given level of illumination or controls the operating mode and radiation intensity of LED monochromatic lamps according to a given program. The program of work of lighting modules includes the possibility of simulating sunrise and sunset by changing the spectral composition and intensity of radiation, as well as the possibility of pulsed inclusion of radiation in a given section of the spectrum according to the program provided for by the experimental conditions.

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.The uniform upward air flow created in the growing chamber prevents overheating of the internal volume. As an additional measure of protection against overheating or drying out of plants under the influence of thermal radiation from the lighting modules, it is possible to automatically turn off or reduce the light intensity if the temperature and humidity sensors show a critical deviation of climatic parameters from a given level.

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.The air preparation and recirculation system controlled by the controller ensures that the device maintains the specified temperature conditions, the required humidity level and carbon dioxide content, as well as the disinfection of the air-gas mixture circulating in the system. The fan system, including the supply and circulation ventilation, provides the fresh air of the desired temperature from the environment into the cultivation chamber and removes it outside the chamber.

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.A comprehensive system for reducing the level of bacterial contamination, including disinfection of the air supplied to the phytotron and antibacterial treatment of the nutrient solution using hydroacoustic and UV emitters, provides protection of the phytotron's internal environment from biopathogens.

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.The convenience of sampling for analyzing product quality and studying the dynamics of the accumulation of practically important metabolites in individual parts of plants during the growing season is ensured by the presence of separate, easily movable viewing windows for each of the chambers, allowing sampling without a total imbalance in the climatic conditions established in each of the chambers .

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.Thus, the described device allows independent modeling of conditions in the vegetation and root chambers, provides an extended range of variation of lighting parameters, allows continuous monitoring of the increase in plant mass during the experiment, provides a high level of disinfection of the internal environment and allows, including remote mode, online monitoring, accumulation, processing and documentation of experimental data.

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.The claimed utility model gives the researcher additional opportunities to obtain information about the characteristics of plant growth and development, depending on environmental conditions. At the same time, the phytotron has a complete set of options that allow it to be used for the production of plant products at home and on private farms, and when scaling, for industrial production. The compact size, the full cycle of ensuring the operation of its systems and the ability to remotely monitor online and control its operation make it possible to use the inventive phytotron in life support systems and for conducting scientific research in special conditions, for example, at space and polar stations, submarines.

Claims (9)

1. Аэропонный фитотрон, содержащий 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, управления и контроля параметров жизнеобеспечения растений в каждой из камер отдельно, отличающийся тем, что в качестве средств жизнеобеспечения он включает смонтированные на корпусе фитотрона и соединенные с внутренним объемом через технологические отверстия устройство для нагревания/охлаждения подаваемого в фитотрон воздуха, увлажнитель воздуха, клапан подачи углекислого газа, приточные вентиляторы и устройство для очистки воздуха; рабочую емкость для питательного раствора, соединенную с ней через насос орошения трубопроводную магистраль, на выходе которой, расположенном в нижней части корневой камеры, установлены съемные форсунки; независимые, 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 содержит средства для обеззараживания воздуха и питательного раствора, причем доступность для визуального наблюдения обеспечена наличием видеокамер и смотровых окон, которыми оборудована каждая из камер.1. An airport phytotron containing a climate chamber placed in a lightproof enclosure, the interior of which is divided by a lightproof landing platform into vegetative and root chambers that are isolated for visual observation, as well as means of life support, management and control of plant life support parameters in each chamber separately , characterized in that as a means of life support it includes mounted on the phytotron housing and connected to the internal volume through the technological apertures apparatus for heating / cooling the air supplied to the phytotron, a humidifier, the feed carbon dioxide valve, air supply fan and an apparatus for cleaning air; working capacity for the nutrient solution, connected to it through an irrigation pump, a pipe line, at the outlet of which, located in the lower part of the root chamber, removable nozzles are installed; independent LED luminaires located in the vegetation and root chambers with a spectral range of 315-850 nm, while the phytotron additionally contains means for continuous weighing of plants, which is a combination of load cells installed between the landing platform and the support on which it is installed, and also contains means for disinfecting air and nutrient solution, and the availability for visual observation is provided by the presence of cameras and viewing windows, which are equipped ach of the chambers. 2. Фитотрон по п. 1, отличающийся тем, что внутренние стенки корпуса выполнены светоотражающими.2. The phytotron according to claim 1, characterized in that the inner walls of the housing are made reflective. 3. Фитотрон по п. 1, отличающийся тем, что совокупность тензодатчиков включает четыре тензодатчика, установленные симметрично под угловыми зонами посадочной платформы.3. The phytotron according to claim 1, characterized in that the set of load cells includes four load cells mounted symmetrically under the corner zones of the landing platform. 4. Фитотрон по п. 1, отличающийся тем, что смотровые окна в камерах выполнены в форме размещенных внутри корпуса независимых сдвигаемых фронтальных прозрачных стенок.4. The phytotron according to claim 1, characterized in that the viewing windows in the chambers are made in the form of independent movable frontal transparent walls placed inside the housing. 5. Фитотрон по п. 1, отличающийся тем, что смотровые окна выполнены в форме открываемых смотровых люков в непрозрачных дверях корпуса.5. The phytotron according to claim 1, characterized in that the viewing windows are made in the form of opening inspection hatches in opaque case doors. 6. Фитотрон по п. 1, отличающийся тем, что в качестве средства для обеззараживания воздуха он содержит фотокаталитический воздухоочиститель.6. The phytotron according to claim 1, characterized in that it contains a photocatalytic air purifier as a means for disinfecting the air. 7. Фитотрон по п. 1, отличающийся тем, что в качестве средства для обеззараживания питательного раствора он содержит гидроакустический излучатель и источник УФ-излучения.7. The phytotron according to claim 1, characterized in that as a means for disinfecting the nutrient solution, it contains a hydroacoustic emitter and a source of UV radiation. 8. Фитотрон по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит датчик открывания дверей.8. The phytotron according to claim 1, characterized in that it further comprises a door opening sensor. 9. Фитотрон по п. 1, отличающийся тем, что он оборудован аварийной сигнализацией.9. The phytotron according to claim 1, characterized in that it is equipped with an alarm.

Images