Опыт создания школьниками гидропонной системы

Доброго времени суток, уважаемые читатели VC. Данный пост будет посвящен опыту конструирования гидропонной системы, которая была спроектирована группой школьников кластера «БиоХимТех индустрия» на базе ГНБОУ Академия Цифровых Технологий в рамках образовательного проекта по подготовке к НТО Инженерные биологические системы Агробиотехнологии. Данная гидропонная система была сконструирована школьниками с нуля под руководством преподавательского состава различных образовательных направлений ГНБОУ Академии Цифровых Технологий.

Летом 2021 года вдохновившись просмотром видеороликом, в котором ребята делились первым опытом по созданию гидропонной системы, как педагог дополнительного образования решил дать группе школьников самостоятельно собрать с нуля гидропонную систему из подручных материалов, которые можно было найти в строительном магазине.

Как и любой другой проект, проектирование гидропонной установки начиналось с описания технического задания: описание принципов работы гидропоники, вопросы конструирования и размещения отдельных её функциональных элементов.

Гидропоника — метод выращивания культурных растений на жидкой питательной среде, состоящий из многокомпонентного водного раствора различных минеральных солей. Для обеспечения нормальной жизнедеятельности растений, нужно три фактора: источник света, вода, углекислый газ, которые необходимы для обеспечения протекания фотосинтеза, а также растворимые в воде минеральные соединения, которые поглощают растениями в растворённом виде и служат источником питательных веществ.

Основным преимуществом выращивания культурных растений на гидропонике в отличие от их выращивания на грунте является значительная скорость роста культур на водной основе, а также более-менее упрощенная техника выращивания.

Существует множество конструкций гидропонных систем, у каждой из них имеются отличительные черты, которые придают определённые преимущества и недостатки, а также предъявляют определённые требования к их эксплуатации. При выборе конструкции гидропонной системы обращали внимание на особенности сборки в плане эргономичности, простоты дальнейшей эксплуатации, а также с позиции возможности размещения соответствующих датчиков контроля параметров. В итоге решили создать гидропонную систему типа Nutrient Film Technique (NFT). Общий вид конструкции данной гидропонной системы представлен на рис. 1

Гидропонику типа NFT предпочтительно использовать для растений с стрежневой корневой системой, чтобы корни смогли касаться воды и поглощать растворенные питательные вещества.

Гидропонная система была спроектирована и построена с учётом специфики размещения следующих систем контроля:

• Система подачи и слива питательной среды

• Система аэрации питательной среды

• Cистема освещения

• Система контроля параметров питательной среды

• Система климат-контроля

Питательная среда представляет собой многокомпонентный состав солей неорганических соединений, необходимых для жизнедеятельности микро- и макроорганизмов. Для растительных культур питательная среда состоит из совокупности неорганических солей. По сути, питательная среда для выращивания растений представляет собой, совокупность растворенных в воде удобрений. При составлении питательной среды необходимо соблюдать несколько правил:

• Питательная среда должна быть полноценной для растений, то есть содержать все необходимые вещества для обеспечения нормальной жизнедеятельности растений. Для выращивания определённого вида и сорта растения требуется определённый качественный и количественный состав.

• Подбирать такой ионный состав питательной среды, чтобы избежать образование осадков в результате гидролиза солей или при одновременном определённом присутствии катионов и анионов. Например, нежелательно одновременное присутствие в растворе катионов кальция и ортофосфат анионов, которые при совместном присутствии образуют нерастворимый фосфат кальция. Количественной мерой ионного состава питательной среды является ионная сила раствора.

• При составлении рецептуры питательной среды необходимо учитывать величину pH, которое она образует. Величина pH является основным показателем качества приготовления питательной среды. В большинстве случаев рецептур питательной среды норма pH колеблется в диапазоне значений от 6,8 до 7,2.

• Периодически, необходимо производить замеры удельной электропроводности питательной среды, чтобы оценить степень усваивания минеральных веществ растениями во времени, и соответственно отследить сроки замены питательного раствора. На рис. 2 представлен график усвоения минеральных веществ, фасоли на питательной среде на начальном этапе роста растения. Не исключено, что часть ионов поглощается керамзитом – глиняным, слегка пористым материалом, который обладает некоторой малой сорбционной ёмкостью.

• В зависимости от периода выращивания растения на гидропонной рекомендуется корректировать компонентный и количественный состав питательной среды.

Для протекания нормальных метаболических процессов у растений требуется наличие в почве доступных источников минеральных элементов: элементов-органогенов, макроэлементов и микроэлементов. Элементы-органогены – группа химических элементов, которые жизненно необходимы растениям для поддержания жизнедеятельности, поскольку с использованием данных элементов они синтезируют собственные органические вещества. К элементам органогенам относятся: углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор. К микроэлементам относятся ионы кальция, ионы магния, ионы калия, ионы натрия, ионы цинка и меди II, ионы двух- и трёхвалентного железа, а также ионы хлора и других галогенов.

Источники элементов-органогенов

Углерод: углекислый газ (CO2), карбонаты щелочных металлов (Na2CO3, K2CO3)

Кислород и водород: вода (H2O)

Азот: нитритные, нитратные и аммонийные удобрения (NaNO2, NaNO3, KNO3, Ca(NO3)2, NH4NO3)

Фосфор: фосфатные удобрения (KH2PO4, Na2HPO4, K3PO4)

Сера: сульфаты (Na2SO4), сульфиды (K2S), сульфит-ионы (Na2SO3), тиосульфаты (Na2S2O3)

В конструированной гидропонике использовали следующий компонентный состав питательной среды, пропись которого представлена в таблице №1.

Взвешивание компонентов проводили на аналитических весах, в пределах 5% погрешности от рассчитанной и взятый на соответствующий объём растворителя. Питательную среду готовили объёмом 7,5 л. В качестве растворителя использовали дистиллированную воду, хотя можно использовать и водопроводную. Раствор питательной среды готовили в пластиковом контейнере.

Приготовленный в пластиковом контейнере питательный раствор по ПВХ трубам, в которых стоят горшки с растениями, с помощью погружного аквариумного насоса производительностью 350 л/ч, а также перистальтического водяного насоса производительностью 300 л/ч, которые были подключены последовательным образом. Отмечу, что с выбором производительности погружного насоса просчитались, поэтому пришлось ставить второй насос. Для слива питательной среды из ПВХ труб, ранее был предусмотрен сливной вентиль, но из-за плохой герметизации от него отказались, и решили сделать слив на дне ПВХ трубы. Данное решение позволило решить проблему циркуляции питательной среды в гидропонной системе.

С целью организации воздушного питания корневой системы растений в гидропонную систему была проведена система аэрации. В качестве источника сжатого воздуха использовался аквариумный компрессор, а также силиконовые трубки вместе с аэраторами, которые проложили и прикрепили по дну ПВХ труб. Необходимо отметить, что при образовании отложении нерастворимых солей поры аэратора забивались и в результате компрессор испытывал серьёзную нагрузку, и было решено периодически проводить промывку водопроводной водой гидропонной системы после каждого слива питательной среды.

Изначально в качестве источника света сначала использовано специальная LED фитолампа прожекторного типа, которое впоследствии из-за сильного светового излучения и высокой термоэмиссии заменили на светодиодную фитолампу, которое в окончательном варианте конструкции заменили на светодиодное ленточное освещение. Во время эксплуатации гидропонной системы было обнаружено, что искусственный источник освещения серьёзно влияет на параметры микроклимата, а именно на показатели влажности внутреннего воздушного пространства гидропоники, которое создавало нарушение процесса транспирации листьев растительных культур. Решение подобной проблемы пока, что остановились на периодическом опрыскивании растений водой из пульверизатора, хотя в предыдущем варианте конструкции гидропоники был поставлен кулер от системного блока для вентиляции микросреды. Также помимо выбора источника освещения нужно предусмотреть режим освещения, поскольку бывают короткодневные и длиннодневные растения.

В качестве измерительного устройства для измерения и контроля параметров питательной среды и воздуха использовались цифровые лаборатории Sense Disc комплекта Расширенный вместе с соответствующими сенсорами, которые были в наличии. Питательную среду контролировали по следующим показателям качества, которые приведены в таблице №2

Состояние воздуха над гидропонной системой, оценивалось по следующим параметрам:

В результате конструирования гидропонной системы не было предусмотрено поставить датчик влажности почвы, атмосферный барометр, а также поплавковый уровнемер.

Растения сажают на твердый пористый питательный субстрат, коим в гидропонной системе выступает различного размера зерён керамзит. Сначала проводилось выращивание салата, но он плохо всходил, сперва из-за чрезмерно плотной посадки, а затем, видимо, по причине высокой плотности укладки керамзита и неправильного подобранного режима и источника освещения. Поэтому первым, хорошо проросшей культурой явилось культура фасоли со стержневой корневой системой.

Первый этап конструирования гидропоники был успешно пройден. В перспективе попытаемся на данной гидропонной системе вырастить томаты и огурцы, а также провести автоматизацию датчиков с помощью Arduino и попытаться сделать математическую модель функционирования гидропонной системы в каком-нибудь инструменте мультифизического моделирования. На рис. 4 - 6 представлены промежуточная и окончательная конструкция гидропонной системы.

В создании гидропоники участвовали следующие лица:

Команда инженеров: Щвец Александр, Старшинов Роман

Химик: Андреева Анастасия, Анна Шоронова

Биолог: Сухорутченко Василиса

Биотехнолог: Баранник Савва

Группа промышленных дизайнеров: Верхушкина Виктория, Осинина Вивея, Гайле Марина, Мещеров Алексей, Пучковский Алекс, Васюхина Анастасия

Научные руководители: Мяхлов Влад Андреевич, Гришин Владимир Владимирович