DE102023109524A1

DE102023109524A1 - Vertikale Pflanzsäule, zugehöriges aeroponisches Pflanzenanbausystem und Verfahren zum Aufbringen oder Verankern von Hydrogel

Info

Publication number: DE102023109524A1
Application number: DE102023109524.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Peter; Thomas Walther; Tobias Burmester; Denis Risse; Alexander Voss
Original assignee: Lite Fog GmbH; Lite+fog GmbH
Current assignee: Lite Fog GmbH; Lite+fog GmbH
Priority date: 2023-04-16
Filing date: 2023-04-16
Publication date: 2024-10-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pflanzenanbausystem für eine vertikale Pflanzenanordnung mit mindestens einer vertikalen Pflanzsäule, wobei jede vertikale Pflanzsäule ein Hüllmaterial mit einer gleichmäßigen Oberflächenstruktur aufweist. Das Hüllmaterial umfasst dabei ein Hydrogel, ist mit einem Hydrogel beschichtet oder aus einem Hydrogel gebildet. Auf oder in dem Hydrogel sind nebeneinander Samen angeordnet, die in ihrer Keimungsphase durch das Hydrogel mit Feuchtigkeit und gegebenenfalls mit Nährstoffen versorgt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine vertikale Pflanzsäule, auf dessen Hüllmaterial als Teil der Mantelfläche der vertikalen Pflanzsäule Pflanzen wachsen, wobei der wesentliche Teil des nutzbaren Pflanzenteils von der Mantelfläche der Pflanzsäule in den die Pflanzsäule umgebenden offenen Raum hineinwächst, während sich der wesentliche Teil des Wurzelwerks in den hohlen Innenbereich der Pflanzsäule erstreckt, wobei das Hüllmaterial. welches die Mantelfläche der vertikalen Pflanzsäule zumindest teilweise bildet, Hydrogel umfasst, mit Hydrogel beschichtet ist oder aus Hydrogel gebildet ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Pflanzenanbausystem mit einer vertikalen Pflanzanordnung, wobei die vertikale Pflanzanordnung mehrere vertikale Pflanzsäulen umfasst, deren Mantelfläche ein Hydrogel umfasst, mit einem Hydrogel beschichtet ist oder aus einem Hydrogel gebildet ist.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Aufbringen und Verankern des Hydrogels auf oder in dem Material der Mantelfläche der vertikalen Pflanzsäule.
Hintergrund und Stand der Technik
Der Bedarf an Lebensmitteln wächst mit der steigenden Weltbevölkerung. Gleichzeitig sorgen dynamische Klimabedingungen für sich stetig verändernde Wachstumsbedingungen bis zum völligen Wegfall der konventionellen Landwirtschaft durch Dürren. Die konventionelle Landwirtschaft ist zudem ökologisch und meistens auch ökonomisch nicht nachhaltig. Sie geht einher mit einem steigenden Landverbrauch, mit einem starken Einfluss auf die Biodiversität durch den Anbau von Monokulturen unter Einsatz von Dünge- und Pflanzenschutzmitte. Zudem sind traditionelle Landwirtschaftsbetriebe in ländlichen Gebieten und häufig auch im Ausland angesiedelt, so dass hohe Transportkosten, Transportverluste und mit dem Transport verbundene klimaschädigende Emissionen damit verbunden sind. Ein weiterer Nachteil konventioneller Landwirtschaft ist, dass diese an Pflanz- und Erntezyklen gebunden sind, sodass insbesondere in der Winterzeit die Versorgung mit gesunden Lebensmitteln nur durch einen hohen logistischen Aufwand zu gewährleisten ist. Lebensmittel werden dann vermehrt über lange Transportstrecken importiert oder entstammen aus wenig effektiven Gewächshauskulturen.
Die extensive Landwirtschaft kann in eine nachhaltigere Landwirtschaft gewandelt werden, indem die Produktion nahe am Verbraucher stattfindet, der Flächenverbrauch durch vertikale Pflanzungen in der Höhe reduziert und vollständig auf den Einsatz von Pflanzenschutzmittel verzichtet wird. Hierbei leistet die aeroponische Pflanzenkultur einen wichtigen Beitrag.
Vertikale Landwirtschaft (engl. vertical farming) bezeichnet eine Landwirtschaft, die Massenproduktion pflanzlicher und tierischer Erzeugnisse im Ballungsgebiet der Städte in vertikaler Anordnung. Basierend auf Kreislaufwirtschaft und Hydrokulturen unter Gewächshausbedingungen werden in einer Ausführungsform in Gebäudekomplexen auf mehreren übereinander gelagerten Ebenen ganzjährig Pflanzen herangezogen. In einer anderen Form des vertical farming werden in vertikal angeordneten Pflanzenanbausystemen die Nutzpflanzen in einem Raum vertikal hängend oder stehend auf einer oder mehreren Ebenen angepflanzt, um eine optimale Raumausnutzung zu gewährleisten.
Die Begriffe Pflanzraum oder Pflanzhalle bezeichnen die vorzugsweise geschlossene und hermetisch gegen die Außenwelt gesicherte Gehäusehülle mit allen für den Betrieb des Pflanzenanbausystems benötigten Vorrichtungen. Der geschlossene Raum kann ein Container sein, in und an dem alle Aggregate befestigt oder integriert sind, die für die Versorgung der Pflanzen mit Licht, vorzugsweise mit einem LED-Beleuchtungssystem, einer Klimatisierung, Temperierung und mindestens einer Vernebelungseinrichtung zur Vernebelung der Nährlösung erforderlich sind.
Aeroponik ist ein Pflanzenanbausystem, bei dem Pflanzen unter vollständig kontrollierten Bedingungen in einer Wachstumskammer oder geschlossenen Gebäude (Pflanzhalle, Pflanzraum) kultiviert werden. Die Pflanzen wachsen dabei erdlos und substratlos heran, indem nach Ausbildung der Pflanzenwurzeln diese frei liegend mit einer Nährflüssigkeit beaufschlagt werden. Die Nährstoff- und Flüssigkeitsversorgung erfolgt dabei in Form von Nebel oder feinsten Aerosolen der Nährflüssigkeit. Das Nährstoffaerosol wird dabei von einer oder mehreren Sprühdüsen ausgestoßen oder durch einen oder mehreren Piezoschwingern erzeugt, die in einem Bad der Nährstofflösung angeordnet sind und diese vernebeln. Das Aerosol bzw. der Nebel kann gegebenenfalls unter Nutzung von Leitflächen und/oder Ventilatoren entlang der freiliegenden Wurzeln verteilt werden. Die Zerstäubungszeit und gegebenenfalls die Zerstäubungsintervalle können dabei für ein gedeihliches Pflanzenwachstum gesteuert werden.
Die Nährstofflösung weist im wesentlichen Wasser sowie Nährstoffe, wie zum Beispiel Stickstoffverbindungen, Phosphate und Kaliumverbindungen organischen oder anorganischen Ursprungs auf, die dem Wasser zugesetzt werden.
Damit unterscheidet sich die Aeroponik von anderen Formen des Pflanzenanbaus wie z.B. Hydrokulturen, bei denen die Pflanzenwurzeln sich während des Wachstums in Nährflüssigkeit befinden oder von dieser in flüssiger Form ständigen oder in Intervallen umspült werden.
Aeroponische Pflanzenanbausysteme dienen dem Anbau von Nutzpflanzen in einem geschlossenen, klimatisierten Raum. Im Sinne der Erfindung umfasst der Begriff Nutzpflanze alle Pflanzenarten, die üblicherweise dem menschlichen und/oder tierischen Genuss und/oder medizinischen Zwecken dienen. Beispiel für geeignete Nutzpflanzen sind Salate, wie Feldsalat oder Kopfsalat, Erdbeeren, Auberginen, aber auch exotische Früchte und Nutzpflanzen oder Cannabis, die typischerweise nur in bestimmten Weltregionen wachsen, die ein für die Pflanzenart geeignetes Klima aufweisen.
Die Patentschriften WO 2018/035314 A1 und US 2014/000162 A1 offenbaren Pflanzenanbausysteme, die besonders geeignet für den aeroponischen Anbau von Pflanzen sind. Die Schriften zeigen vertikale Pflanzsäulen, die sich um ihre eigene Achse drehen. Die Systeme der genannten Patentschriften offenbaren ferner Beleuchtungssysteme auf Basis von LED oder anderer geeigneter Beleuchtungsquellen, deren Wellenlängen so ausgewählt sind, dass diese das Pflanzenwachstum in der jeweiligen Wachstumsphase optimal anregen. Die gesamte Pflanzung findet in einem geschlossenen, klimatisierten Raum statt.
Pflanzsäulen sind dadurch charakterisiert, dass sie eine zylindrische Struktur aufweisen, die in der Regel in gewissen Grenzen einen gleichmäßigen Außendurchmesser über die gesamte Länge der Pflanzsäule aufweisen. Es sind aber auch Pflanzsäulen bekannt, die eine mehreckige Außenstruktur oder eine sich verjüngende Säulenstruktur aufweisen. Diese werden im Sinne dieser Erfindung ebenfalls unter dem Begriff Pflanzsäule zusammengefasst. Kennzeichnend ist, dass der wesentliche Anteil des verwertbaren Nutzteils der Nutzpflanzen von der Außenkontur der Pflanzsäule in den offenen, die Pflanzsäule umgebenden Raum hineinwächst, während der wesentliche Teil des Wurzelwerks sich in den hohlen Innenbereich der Pflanzsäule erstreckt.
In aeroponische Pflanzenanbausystemen gemäß dem Stand der Technik weisen die Pflanzsäulen eine Außenhülle auf, die einen hohlen Innenraum umschließt. Die Außenhülle weist Aufnahmen, Pflanzbuchten, Pflanztöpfe bzw. Pflanztröge oder sonstige Öffnungen auf, die mit Nutzpflanzen bepflanzt werden. Diese werden im Folgenden unter dem Begriff Pflanztöpfe zusammengefasst. In die Pflanztöpfe wird ein organisches und/oder anorganisches, poröses oder fasriges Pflanzsubstrat als unterstützendes Material eingebracht, das in erster Linie dazu dient, die Pflanze innerhalb des Pflanztopfes insbesondere zu Beginn des Wachstums zu fixieren. Die Wurzeln erstrecken sich im fortgeschrittenen Pflanzenwachstum von diesem Pflanzsubstrat frei wachsend in den Innenraum der Pflanzsäule, in deren Inneren die Wurzeln mit dem Nährstoffnebel beaufschlagt werden und über den Nebel mit Feuchtigkeit und Nährstoffen versorgt werden. Die Pflanzenwurzeln wachsen aus dem unterstützenden Material oder Pflanzsubstrat heraus.
Die Pflanzsäulen drehen sich in einer Ausführungsform um die eigene Achse, damit die Pflanzen von allen Seiten gleichmäßig beleuchtet werden. Mehrere Pflanzsäulen können an einem Fördersystem hängen oder auf diesem stehen, um die Pflanzsäulen durch den Raum bewegen zu können. Zur Ernte können die Pflanzsäulen, vorzugsweise über eine Schleuse, in einen Ernteraum transportiert werden.
Die Pflanzen werden mit vertikal hängenden oder stehenden LED Konstruktionen oder anderen geeigneten Lampensystemen beleuchtet, die der Höhe der Pflanzstrukturen entsprechen oder diese zumindest komplett ausleuchten. Die LED können mit einer Impulssteuerung betrieben werden, die vorzugsweise die Beleuchtung auf eine bestimmte Blitzfrequenz einstellen kann. Dies ermöglicht Energieeinsparungen von bis zu 80% und eine effiziente Lichtausnutzung durch die Pflanze. In einer Ausführung können mittels der Steuerung der einzelnen LED mit unterschiedlicher spektraler Emission Lichtfarben erzeugt werden, die auf das Wachstumsstadium der Pflanze abgestimmt sind.
Ein Beispiel einer vertikal angeordneten Pflanzsäule, die aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt ist, offenbart die EP 3277078 A1 und die EP 0004103 A1 . Ein Beispiel einer vertikalen aeroponischen Pflanzsäule mit einzelnen Pflanztöpfen, die in eine Pflanzsäule integriert sind, offenbart die EP 3400791 A1 .
Ein alternatives Material zu Kunststoff können Lochbleche oder Lochgitter als Hüllenmaterial der Pflanzsäule eingesetzt werden, an oder in denen Pflanztaschen oder Pflanztöpfe befestigt werden, in denen die Pflanzen heranwachsen. Die Öffnungen des Hüllenmaterials können auch direkt ohne Verwendung einer eingesetzten weiteren Komponente mit Pflanzen bestückt werden, wie die EP 0533939 A1 offenbart. Diese Schrift zeigt ein hydroponisches vertikal angeordnetes Pflanzenanbausystem, bei dem in dem Inneren der Hülle ein absorptiver Schaum angeordnet ist, der Feuchtigkeit und Nährlösung aufnimmt. Die EP 1519121 A1 offenbart ein hydroponisches vertikal angeordnetes Pflanzenanbausystem mit einer Matrix eines vorzugsweise gewobenen, nicht bioabbaubaren Kunststoffmaterials, das die Pflanzenwurzeln aufnimmt. Die EP 0610137 A1 offenbart eine Hülle eines vertikal angeordneten Pflanzenanbausystems mit hängenden Pflanzsäulen aus einem starren oder flexiblen lichtundurchlässigen Kunststoffmaterial mit einem Substrat faseriger Struktur, das die Wurzeln der Pflanzen aufnimmt und den gesamten Innenraum der Pflanzsäule ausfüllt. Durch dieses faserige Substrat im Inneren der Pflanzsäule sickert das Wasser bzw. die Nährlösung. Die EP 0610137 A1 offenbart daher nicht eine aeroponische Pflanzsäule, bei der sich die Wurzeln frei in den inneren Hohlraum der Pflanzsäule erstrecken und dort über Aerosol mit einer Nährlösung versorgt werden. Zudem wird die äußere, dichte Hülle der Pflanzsäule an den Pflanzstellen durchstochen.
Zur Steigerung der Stabilität einer flexiblen Pflanzhülle kann diese innen oder außen mit einem stabilen Kunststoffnetz überzogen sein.
Die WO 2018/035314 A1 nennt beispielhaft einige unterstützende Materialien, in denen die Pflanzen heranwachsen, wie einen offenzelligen Schaum oder ein offenzelliges Matrixmaterial aus Polyurethan, Polyether, Polyethylen, Polyethylen Terephthalate, Poylpropylen, Polystyrene, Polyvinylchlorid oder Polyester. Das unterstützende Material kann Silikon oder andersartige Zusätze mit einer geringen Oberflächenspannung umfassen oder mit einer Silikon-Beschichtung behandelt sein, um den Kontakt zwischen der Nährlösung und dem unterstützenden Material zu verringern. Es können aber auch andere Formen von unterstützenden Materialien genutzt werden, zum Beispiel auf Basis von Pflanzenfasern, wie Kokosfasern oder vorzugsweise chemisch inerten Kunststofffasern.
Nach dem Stand der Technik werden Pflanzen in einer Keimkammer in den Pflanztöpfen oder in einem Keimsubstrat zum Keimen gebracht. Ein oder mehrere Pflanzensamen werden dabei in ein Substrat eingebracht oder auf dieses aufgebracht. Die in den Pflanztöpfen herangekeimten Pflanzen werden dann in einem gewissen Wachstumsstadium mitsamt den Pflanztöpfen in die Pflanztürme versetzt. Alternativ können die gekeimten Pflanzen pikiert und in die Pflanztöpfe verpflanzt werden. Ebenfalls alternativ werden die gekeimten Pflanzen mitsamt dem Keimsubstrat in die Pflanztöpfe eingebracht, wobei die Pflanztöpfe in die Pflanzsäulen eingebracht sind oder in diese eingebracht werden. Kennzeichnend ist, dass während des Lebenszyklus der Pflanze von dem Einbringen des Samens über die Keimung bis zum Pflanzenwachstum mehrere Arbeitsschritte erforderlich sind, die ein menschliches Eingreifen und/oder den Einsatz von Maschinen/Roboter erforderlich machen. Jeder dieser Arbeitsschritte ist mit Kosten verbunden und birgt außerdem die Gefahr der Beschädigung der jungen Pflanzen.
Den Zyklus der Samenkeimung ist ausführlich in der EP 1170 986 B1 beschrieben. Ein Pflanzensamen ist eine vollständige, in sich geschlossene Fortpflanzungseinheit, die im Allgemeinen einem zygotischen Embryo, Nährstoffspeicherreserven in als Kotyledon, Endosperm oder Megagametophyten bezeichneten Strukturen aufweist, sowie einer schützenden Samenschale, die die Speicherreserven und den Embryo umgibt. In der Natur wird die Reifung von Pflanzensamen für gewöhnlich von einem allmählichen Wasserverlust über einen Zeitraum auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 10-35 % begleitet. Sobald dieser niedrige Feuchtigkeitsgehalt erreicht ist, können Pflanzensamen über längere Zeiträume gelagert werden.
Es ist auch bekannt, Pflanzen in Hydrogelmedien zu züchten, wie EP0072214 oder EP0570080A1 zeigen. Hydrogele sind Materialien, die bei Aufnahme von Wasser quellen. Ein Hydrogel ist ein Polymer, das Wasser enthält und gleichzeitig wasserunlöslich ist. Das Polymer kann natürlichen Ursprungs sein, wie z.B. Gelatine, oder auch künstlichen Ursprungs. Beispiele sind Polaxamere, Blockpolymere aus Ethylenoxid und Propylenoxid. Hydrogelmoleküle sind chemisch zu dreidimensionalen Netzwerken verknüpft, z. B. durch ionische oder kovalente Bindungen oder Verwicklungen der Polymerketten. In Wasser quellen sie aufgrund einer eingebauten hydrophilen Polymerkomponente auf und nehmen dabei stark an Volumen zu. Einige Gele enthalten bis zu 90 % Wasser. In der Pflanzenzucht werden Pflanzen in einem Hydrogelmedium kultiviert, das durch die Nährflüssigkeit aufgequollen ist. Das Hydrogel dient auch als Stütze für die Pflanzen.
In DE 2103873 , EP 141374 , EP 107141 , US 4562663 , WO 8502972 , US 4779376 , WO 9207457 wird die Einbettung von Pflanzenmaterial in Hydrogele beschrieben, die aus ionisch vernetzbaren Polysacchariden wie z.B. Algmat, Gelatine oder Carageenan oder Xanthangummi hergestellt werden.
Die EP 1 574 522 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung quellfähiger modifizierter Cellulose- oder Stärkeether durch Behandlung wasserlöslicher Cellulose- oder Stärkeether mit einem Vernetzungsmittel.
Hydrogele müssen von Natur aus wasserunlöslich sein und dürfen nicht zu stark dehnbar sein. Es ist wichtig, dass bei vollständig gequollenem Hydrogel im Wurzelbereich Kapillarkanäle zwischen den Hydrogelpartikeln erhalten bleiben. Dadurch wird eine Luftzirkulation zu den Pflanzenwurzeln ermöglicht. Andernfalls kann das Kultursystem anaerob werden. In vielen Fällen werden Hydrogele mit anderen organischen oder anorganischen Substratbestandteilen gemischt, um Pflanzen zu kultivieren.
Hydrogele können auch aus Substanzen mit fungiziden Eigenschaften bestehen, diese enthalten oder mit diesen vermischt sein. So offenbart EP 1886562 A1 Antimyotika, die natürlichen Ursprungs sind oder zumindest keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt haben. Sie werden in den Boden eingebracht oder auf Pflanzen aufgetragen, um deren Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten zu erhöhen. Die WO 2016042379 A1 offenbart den Transport von Agrochemikalien im Allgemeinen durch Hydrogele zu den Pflanzenwurzeln.
WO0027180A1 offenbart ein Hydrogel, das als Stütze oder Träger für Pflanzen dient und die Pflanze während des Wachstums stützen oder halten kann und gleichzeitig als Quelle für die Wasserversorgung der Pflanze dient.
Die US2021040272A1 offenbart einen Pflanztopf, in dem das Hydrogel horizontal in Schichten angeordnet ist, wobei die Schichten durch ein Abstandsmaterial getrennt sind. Das Abstandsmaterial dient dazu, die faserige Wurzelbildung und die Wasser- und Sauerstoffversorgung der Wurzeln zu verbessern.
Die Patentschrift US11297783B2 offenbart einen Behälter zur Verwendung in einem Hydrokultursystem, der in seinem Inneren Wasser und Nährflüssigkeit enthält. Die Lösung der US11297783B2 ist somit einem anderen Gebiet der Pflanzenzucht zuzuordnen als die erfinderische Lösung des vorliegenden Patents. Die Außenhülle des Behälters der US11297783B2 kann mehrschichtig, zumindest doppelwandig aufgebaut sein, wobei eine Schicht Hydrogele umfasst oder eine Materialschicht des Behälters selbst aus einem quellfähigen Material hergestellt ist. Die Hydrogele dienen dazu, Nährstoffe an das im Behälter befindliche Wasser abzugeben. Die US11297783B2 offenbart ferner, dass der Zwischenraum zwischen zwei Schichten des Behältermaterials Samen enthalten kann, wobei die Schichten Öffnungen aufweisen, um das Wachstum von Wurzeln und des nutzbaren Teils der Pflanze, wie z.B. ihrer Blätter, in den umgebenden Raum des Behälters zu ermöglichen. Die US11297783B2 offenbart nicht die vorteilhafte Anwendung dieser Lösung bei der aeroponischen Pflanzenzucht, sondern nur bei der Aquakultur, bei der sich die Wurzeln der Pflanzen im Wasser befinden oder sich in das im Behälter enthaltene Trägermaterial oder Hydrogel erstrecken. Die US11297783B2 sieht zur Versorgung der Wurzeln mit Sauerstoff ein aufwendiges Belüftungssystem vor, das Sauerstoff in das im Behälter befindliche Wasser einbringt. Zudem erfordert die Herstellung der Hülle einen mehrstufigen Fertigungsprozess, bei dem die beiden Schichten beispielsweise durch Schweißen oder Ultraschallfügen miteinander verbunden werden.
Auch unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit erweist sich die Lösung von US11297783B2 als wenig vorteilhaft. Das Saatgut befindet sich zwischen zwei Schichten, die miteinander verschweißt oder auf andere geeignete Weise miteinander verbunden sind. Damit ist eine Wiederverwendung des Trägermaterials ausgeschlossen. Es kann nicht gewaschen und neu beschichtet werden, sondern ist nach der Ernte Abfall.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine vertikale Pflanzsäule bereitzustellen, die es ermöglicht, eine Pflanze von der Keimung des Samens bis zur Ernte auf einer vertikalen Pflanzsäule zu kultivieren.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine vertikale Pflanzsäule bereitzustellen, die in der Keimungsphase ausreichend Feuchtigkeit und Nährstoffe zur Verfügung stellt, so dass die Keimung sicher gelingt und der Keimling sicher und robust auf der vertikalen Pflanzsäule wächst.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren offen zu legen, mit dem eine vertikale Pflanzsäule effektiv mit einem Hydrogel beschichtet oder ausgerüstet werden kann, wobei das Hydrogel vorzugsweise auch Samen umfasst oder die Oberfläche des Hydrogels mit Samen beaufschlagt wird,
Beschreibung
Die Aufgabe wird mittels des erfindungsgemäßen vertikalen Pflanzsäule für eine vertikale Pflanzanordnung gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den nachfolgenden Unteransprüchen dargelegt.
Vertikale Pflanzsäulen sind dadurch charakterisiert, dass sie eine zylindrische Struktur aufweisen, die in der Regel in gewissen Grenzen einen gleichmäßigen Außendurchmesser über die gesamte Länge der Pflanzsäule aufweisen. Es sind aber auch Pflanzsäulen bekannt, die eine mehreckige Außenstruktur oder eine sich verjüngende Säulenstruktur aufweisen. Diese werden im Sinne dieser Erfindung ebenfalls unter dem Begriff Pflanzsäule zusammengefasst. Kennzeichnend ist, dass der wesentliche Anteil des verwertbaren Nutzteils der Nutzpflanzen von der Außenkontur bzw. Mantelfläche der Pflanzsäule in den offenen, die Pflanzsäule umgebenden Raum hineinwächst, während der wesentliche Teil des Wurzelwerks sich in den hohlen Innenbereich der Pflanzsäule erstreckt. Die Außenkontur entspricht der Mantelfläche der senkrechten Pflanzsäule, daher werden die Begriffe im Folgenden synonym verwendet.
Die vertikale Ausrichtung der Pflanzsäulen bedeutet, dass diese in einem Winkel zur Horizontalen ausgerichtet sind, der bevorzugt 80-100 Grad, besonders bevorzugt 90 Grad beträgt. Die Erstreckung der Pflanzsäule ist in vertikaler Richtung (Y-Richtung) und beträgt ein Vielfaches als die Erstreckung in horizontaler Richtung (X-Richtung), d.h. die Pflanzsäule ist bevorzugt um ein Vielfaches höher wie breit
Ein weiteres kennzeichnendes Merkmal ist, dass die Außenkontur bzw. die Mantelfläche der vertikalen Pflanzsäule einen inneren Hohlraum umschließt. An der Außenkontur bzw. Mantelfläche der vertikalen Pflanzsäule wachsen Pflanzen in Pflanzflächen oder Pflanztöpfen, deren Blätter und Stängel, in den die Pflanzsäule umgebenden Raum ragen, während die Wurzeln freiliegend in den inneren Hohlraum der vertikalen Pflanzsäule ragen. Der Hohlraum wird von mindestens einem Aerosol einer Nährflüssigkeit durchströmt, das von mindestens einer Aerosolerzeugungsvorrichtung erzeugt wird.
Die Nährstofflösung bzw. Nährflüssigkeit weist im wesentlichen Wasser sowie Nährstoffe, wie zum Beispiel Stickstoffverbindungen, Phosphate und Kaliumverbindungen organischen oder anorganischen Ursprungs auf, die dem Wasser zugesetzt werden.
Der Teil der Mantelfläche der vertikalen Pflanzsäule, auf dem die Pflanzen wachsen, wird im folgenden auch als Hüllmaterial bezeichnet. Die Mantelfläche kann weitere Elemente, wie zum Beispiel zur Befestigung des Hüllmaterials, umfassen
Die Außenkontur bzw. Mantelfläche des vertikalen Pflanzturms weist eine Außenfläche, die der den Pflanzturm umgebenden Umgebung zugewandt ist, und eine Innenfläche, die dem vom Pflanzturm umschlossenen Hohlraum zugewandt ist, auf.
Die Mantelfläche der vertikalen Pflanzsäule weist in ihrem Endzustand während des Pflanzenwachstums eine Oberfläche ohne Zerklüftungen, größere Öffnungen oder eingebrachte Pflanztöpfe auf, wie sie aus dem Stand der Technik für die Aufnahme von Pflanzen bekannt sind. Das die Mantelfläche zumindest überwiegend bildende Hüllmaterial kann eine gewisse Rauigkeit aufweisen, die jedoch gleichmäßig über die gesamte Fläche verteilt ist. Das Hüllmaterial weist eine gleichmäßige Oberflächenstruktur auf.
Erfindungsgemäß weist wenigstens die äußere und/oder die innere Oberfläche des Hüllmaterials der vertikalen Pflanzsäule eine Beschichtung oder eine Laminatschicht auf, die ein Hydrogel umfasst. Diese Hydrogel umfassende Schicht dient als Anzucht- oder Wachstumsschicht. In einer weiteren Ausführungsform kann das Hüllmaterial, das die Außenkontur oder die Mantelfläche der vertikalen Pflanzsäule bildet, selbst ein Hydrogel sein oder ein Hydrogel enthalten.
Die Aufgabe des Hydrogels als Bestandteil der Anzucht- oder Wachstumsschicht besteht darin, Feuchtigkeit in Form von Flüssigkeit und gegebenenfalls Wasserdampf zur Verfügung zu stellen, die in die, in oder auf der Hydrogelschicht befindlichen Samen eindiffundieren und die Keimung auslösen. Die Hydrogele geben bevorzugt Nährflüssigkeit, die neben Wasser auch Nährstoffe enthält, an die Samen ab. Die Hydrogele dienen ausschließlich dazu, die Keimungs- und Embryonalphase des Pflanzenwachstums einzuleiten und zu fördern, während die Nährstoffversorgung mit zunehmendem Wurzelwachstum mehr und mehr durch die Aerosole der Nährflüssigkeit erfolgt, die durch den inneren Hohlraum des Pflanzturms bewegt werden und die freiliegenden Wurzeln der Pflanzen, die sich in den inneren Hohlraum des Pflanzturms erstrecken, mit Nährflüssigkeit versorgen.
Eine zweite Aufgabe des Hydrogels ist die Fixierung des Samens (Saatguts) während der Keimung auf dem Hüllmaterial, das zumindest einen Teil der Mantelfläche der vertikalen Pflanzsäule bildet.
Der Begriff Beschichtung umfasst im Sinne der Erfindung sowohl eine Beschichtung aus einer Flüssigphase als auch ein Laminat oder andere Verbunde, wobei mindestens eine Schicht Hydrogele umfasst. Der Begriff Beschichtung ist dabei in einem weiten Sinne zu verstehen, d.h. die Hydrogele können auch von dem die Außenkontur bzw. Mantelfläche bildenden Hüllmaterial der vertikalen Pflanzsäule, wie z.B. einem textilen Gewebe oder Vliesmaterial, aufgenommen sein oder Bestandteil des Hüllmaterials, wie z.B. eines textilen Gewebes oder Vliesmaterials, sein.
Als wasserlösliche oder wasserquellbare Polymere, die Bestandteil von Hydrogelen sind, können z. B. verwendet werden Polyvinylalkohole, Polyvinylacetat, Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylsäure und ihre Derivate, Polymethacrylsäure und ihre Derivate, Polyethylenglykole, Polypropylenglykole, Cellulosederivate, Stärke und Stärkederivate, alle Formen anderer Polysaccharide, in Form von Homoglykane oder Heteroglykanen, Galactomannane, Xanthan, Guarderivate, Carrageen, Alginate, Pektine, Gelatine, Gummi arabicum.
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Der Begriff Hydrogel oder Hydrogele umfasst im Sinne der Erfindung Polymere, die nach Aufnahme von Wasser oder Feuchtigkeit quellen, aber auch gleichermaßen wasserlösliche oder wasserquellbare Polymere, die erst nach Befeuchtung im Pflanzenturm Wasser oder Feuchtigkeit aufnehmen. Eine Beschichtung mit Hydrogelen umfasst im Sinne der Erfindung eine Beschichtung mit nach Wasser- bzw. Feuchtigkeitsaufnahme gequollenen Hydrogelen, aber auch eine Beschichtung mit Hydrogelen im trockenen oder weitgehend trockenen Zustand.
Im Sinne der Erfindung werden Polymerisate, die in der Lage sind, ein Vielfaches ihres Eigengewichts an Flüssigkeit aufzunehmen und zu speichern, durchgängig als Hydrogele (auch im trockenen Zustand) bezeichnet. Der Begriff Hydrogel ist dabei synonym zu den Bezeichnungen „Superabsorber“, „hochquellfähiges Polymerisat“, „quellfähiges Harz“, „wasserabsorbierendes Harz“, „wasserabsorbierendes Polymer“ oder ähnlichen Bezeichnungen zu verstehen.
Die Hydrogel enthaltende Beschichtung kann andere Additive enthalten, wie z. B. pH-Stabilisatoren, Klebrigmacher, Rheologieadditive, Bakterizide, Fungizide, Nährstoffe, Verdickungsmittel, ohne auf die aufgeführten Additive beschränkt zu sein.
Als Klebrigmacher kann der Überzug natürliche Harze oder Gummen wie Mastix, Damar, Elemi, Styrax, Euphorbium, Sandarak, Galbanum, Gummi arabicum oder Karaya, modifizierte natürliche Harze wie Kolophoniumderivate oder synthetische Harze oder Gummen wie Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyvinylether, Polyurethane, Polyisobutylene, Polyvinylester oder Silikone enthalten.
Hydrogele zeichnen sich durch ein stark viskoelastisches Verhalten aus, das auf das Vorhandensein von zwei Phasen zurückzuführen ist: eine feste Matrix, die durch die Vernetzung der Polymerketten gebildet wird, und die darin absorbierte Flüssigkeit. Der Vernetzungsgrad von Hydrogelen ist vorzugsweise durch Vernetzungsmittel einstellbar. Eine zu flüssige Matrix führt zu einem unerwünschten Fließen des Hydrogels, d.h. die Matrix des Hydrogels muss so eingestellt werden, dass die flüssige Komponente nicht dominiert.
Andererseits darf der Vernetzungsgrad auch nicht zu hoch eingestellt werden, da mit zunehmendem Vernetzungsgrad die Wasseraufnahmefähigkeit abnimmt.
In einer bevorzugten Form sind Hydrogele biologisch abbaubar. Biologisch abbaubar bedeutet, dass ein Werkstoff oder ein Produkt durch Mikroorganismen ohne definierte Bedingungen allmählich vollständig in CO2, Wasser und Biomasse abgebaut wird. Der Zeitraum der Bioabbaubarkeit ist vorzugsweise so zu wählen, dass das Hydrogel während der Keim- und Wachstumsphase keinem Abbau durch Bakterien, Viren oder Pilze unterliegt.
Die Beschichtung kann neben den Hydrogelen weitere Additive enthalten. Die Beschichtung kann Perlit enthalten. Perlit bezeichnet in diesem Zusammenhang ein alteriertes (chemisch und physikalisch umgewandeltes) vulkanisches Glas (Obsidian) und gehört damit zu den Gesteinen. Es handelt sich um ein Aluminiumsilikat mit mehr als 70 % Siliziumdioxid. Besonders charakteristisch für den Rohperlit ist, dass in ihm Wasser eingeschlossen ist, und zwar zwischen 2 und 5 % der Gesamtmasse. Wird das zerkleinerte und vorgetrocknete Gestein, also der Rohperlit, Temperaturen um 1000°C ausgesetzt, so expandiert das Material und es entsteht ein sehr leichtes und poröses, offenporiges Granulat aus zelligen, kugelförmigen Partikeln, das als Blähperlit oder „industriell“ expandierter Perlit bezeichnet wird. Erfindungsgemäß ist es aber auch vorteilhaft, „natürlich“ geblähtes Perlit zu verwenden. Je nach Gehalt und eingeschlossenem Kristallwasser im Perlitgestein, also dem Rohperlit, quillt dieses auf das 15- bis 20-fache seines ursprünglichen Volumens auf. Die Schüttdichten liegen je nach Korngröße zwischen vierzig und hundert Kilogramm pro Kubikmeter. Die Beschichtung kann Vermiculit enthalten. Vermiculit gehört zu den Tonmineralen, die durch ihre lonenaustauschfähigkeit wesentlich zur Bodenfruchtbarkeit beitragen. Sie ähneln in Struktur und Aussehen den Glimmermineralen und bilden wie diese flockige Kristalle. Die Beschichtung kann Gesteinsmehle, insbesondere Lavamehle, enthalten. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die genannten Ton- oder Gesteinsmaterialien beschränkt, sondern umfasst alle geeigneten Gesteins- oder Tonmaterialien.
Die Beschichtung kann Mineralwolle oder Holzfasern enthalten.
Additive und gegebenenfalls zugesetzte Farbstoffe oder Pigmente können auch dazu dienen, Hydrogele lichtundurchlässiger zu machen. Dies kann bei dünnen Umhüllungen und dünnen Hydrogelschichten erforderlich sein, um den Lichteinfall durch diese Schichten zu verhindern, der das Wurzelwachstum beeinträchtigen könnte.
In einer bevorzugten Form enthalten die Hydrogele Nährstoffe, die eine gleichmäßige und erfolgreiche Keimung während der Keimungsphase fördern. Diese Nährstoffe umfassen Zuckerformen wie Saccharose, Glucose, Fructose oder vergleichbare Zuckerformen wie andere Monosaccharide. Das Hydrogel kann zusätzlich oder alternativ andere Formen von Kohlenhydraten enthalten. Die Hydrogele können auch andere Nährstoffe enthalten, die die Homogenität der Samen fördern. Solche Nährstoffe umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, anorganische Mineralien, Vitamine und Hormone. Beispiele für anorganische Mineralien sind Phosphor, Stickstoff, Kalium, Kalzium, Magnesium, Schwefel, Mangan, Zink, Eisen, Jod, Bor, Kobalt oder Kupfer. Ein Beispiel für ein Vitamin ist die Ascorbinsäure, auch Vitamin C genannt.
Eine gleichmäßige Keimung und Ausbildung der Pflanzen ist z.B. bei Blattpflanzen wie Salat wichtig, damit alle Pflanzen eines Pflanzturms zum Erntezeitpunkt einen gleichmäßigen Reifezustand aufweisen.
Abweichend vom bekannten Stand der Technik wachsen die Pflanzen nicht vollständig während ihres gesamten Wachstumszyklus in der Hydrogelschicht. Diese dient vielmehr ausschließlich der Keimung eines zuvor oder nachträglich eingebrachten Samens (Saatguts) und/oder der Anzucht einer Pflanze. Kennzeichnend ist, dass die Wurzeln der Pflanze bereits in einem frühen Stadium des Pflanzenwachstums frei in den inneren Hohlraum des Pflanzturms wachsen und dort über den im Hohlraum befindlichen Nebel mit Feuchtigkeit und Nährstoffen versorgt werden. Dadurch ist auch eine ausreichende Versorgung der Pflanzenwurzeln mit Sauerstoff gewährleistet.
Unter Keimung versteht man den Beginn der Samenentwicklung. Sie umfasst den Wachstumsprozess des im fruchtbaren Samen befindlichen Embryos vom Austritt der Keimwurzel bis zur vollständigen Ausbildung des Keimlings. Für die Keimung müssen verschiedene Bedingungen erfüllt sein. Die wichtigsten sind Wärme, Wasser, Licht (oder Lichtmangel) und Sauerstoff. Die Sauerstoffversorgung des Samens ist durch die relativ dünne Schale gewährleistet. Sauerstoff wird für den Stoffwechsel der Pflanze benötigt. Der Abbau von Reservestoffen (und damit die Gewinnung der für die Keimung notwendigen Energie) erfolgt durch Dissimilationsprozesse. Dabei wird Sauerstoff als Elektronenakzeptor benötigt. Nach der Ausbildung der Pflanzenwurzeln wachsen diese freiliegend in den Innenraum des Pflanzturms, wo sie zusammen mit der Feuchtigkeit in Form von Nebel oder Aerosolen, die sich durch Schwerkraft und/oder Druck im Innenraum des Pflanzturms bewegen oder durch eine oder mehrere Einrichtungen wie Ventilatoren bewegt werden, mit Sauerstoff versorgt werden. Dadurch findet im Bereich der Pflanzenwurzeln ein ständiger Luftaustausch statt, der vorteilhafterweise eine kontinuierliche und ausreichende Versorgung der Pflanzenwurzeln mit Luftsauerstoff gewährleistet.
Die Keimung des Saatgutes in oder auf der Hydrogelschicht auf dem Hüllmaterial der vertikalen Pflanzsäule hat den Vorteil, dass die Pflanze von der Keimung bis zur Ernte im aeroponischen Pflanzsystem wachsen kann, ohne dass zwischenzeitlich umgepflanzt oder getopft werden muss. Der damit verbundene Arbeitsaufwand und die Kosten entfallen. Die Gefahr, dass die empfindliche Jungpflanze bei einem Umpflanzvorgang z.B. aus einem Anzuchttopf in das aeroponische Pflanzsystem beschädigt wird, besteht bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht.
Die Hydrogelbeschichtung kann während der Herstellung des Hüllmaterials, das die Außenkontur oder die Mantelfläche des vertikalen Pflanzturms bildet, oder nachträglich aufgebracht werden. Bevorzugt wird die Hydrogelbeschichtung auf die Innen- und/oder Außenfläche des aus dem Hüllmaterial geformten Hohlkörpers der vertikalen Pflanzsäule aufgetragen.
Das Hüllmaterial, das die bepflanzbare Außenkontur oder die Mantelfläche des vertikalen Pflanzenturms bildet, muss aus einem Material oder Materialien bestehen, die eine Durchwurzelung ermöglichen, so dass sich die Wurzeln der Pflanze in einem fortgeschrittenen Stadium des Pflanzenwachstums frei in den Hohlraum des vertikalen Pflanzenturms erstrecken, der von dem Hüllmaterial umschlossen ist. Das Hüllmaterial definiert die Außenkontur oder Mantelfläche der vertikalen Pflanzsäule.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung bildet das Hüllmaterial eine Mantelfläche einer Pflanzsäule. Eine Pflanzsäule weist üblicherweise eine zylindrische Form mit einem gleichförmigen Außendurchmesser auf, wobei das Hüllmaterial die Mantelfläche des Zylinders bildet. Der wesentliche Anteil des verwertbaren Nutzteils der in oder auf dem Hüllmaterial angeordneten Pflanzen ragen in den offenen, die Pflanzsäule umgebenden Raum, während das Wurzelwerk sich in den hohlen Innenbereich der Pflanzsäule erstreckt. Die Pflanzsäule ist vertikal angeordnet, wobei analog zur vertikalen Anordnung des Hüllmaterials die Pflanzsäule ebenfalls in einem Winkel zur Horizontalen angeordnet ist, der größer 30° beträgt. Mittels einer derartigen Anordnung eins Hüllmaterials als Mantelfläche einer Pflanzsäule ist eine höhere Bewuchsdichte von Pflanzen pro Flächeneinheit als in einer ebenen Anordnung einer Matte möglich, der zur Verfügung stehende Raum eines Pflanzenanbausystems wird daher effizienter genutzt.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Mantelfläche der Pflanzsäule von einer oder mehreren Hüllmaterialsegmenten gebildet. Vorteilhafterweise kann die Mantelfläche neben einem einzelnen Hüllmaterialsegment von einer Mehrzahl von Hüllmaterialsegmenten gebildet werden, wobei die einzelnen Hüllmaterialsegmente mittels geeigneter Befestigungselementen miteinander verbunden sind. Die Pflanzsäule kann daher leicht und schnell in der Größe unterschiedlichen räumlichen Gegebenheiten angepasst werden, beschädigte Hüllmaterialsegmente können ebenso einfach und schnell ausgetauscht werden.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist das oder die Hüllmaterialsegment/e an einem Trägersystem befestigt. Mittels des Trägersystems werden das bzw. die Hüllensegment/e vertikal angeordnet und in vertikaler Position gehalten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Trägersystem drehbeweglich gelagert. Die auf dem Trägersystem angeordnete Hüllmaterialsegment/e wird daher durch bei einer Drehbewegung des Trägersystems ebenfalls gedreht. Das bzw. die Hüllmaterialsegment/e kann bzw. können daher z.B. einer Beleuchtungseinrichtung derart zugewandt werden, dass eine maximale Lichtausbeute der auf dem Hüllmaterialsegment angeordneten Pflanzen gewährleistet ist. Die Drehbewegung ermöglicht eine Begrenzung der Beleuchtungseinrichtungen auf eine oder zwei Beleuchtungseinrichtungen, da jede Teilfläche der Mantelfläche der Pflanzsäule mit einer identischen Lichtmenge bestrahlt wird, da die Mantelfläche durch die Drehbewegung an der mindestens einen Beleuchtungseinrichtung vorbeigeführt wird.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst das Trägersystem eine Befestigungsvorrichtung. Mittels der Befestigungsvorrichtung wird das Hüllmaterial an dem Trägersystem angeordnet und in vertikaler Position gehalten.
In einer Weiterbildung der Erfindung steht die Befestigungsvorrichtung ein Befestigungselement umfasst, das mit wenigstens einem Hüllmaterialsegment in Eingriff. Mittels des Befestigungselements ist das wenigstens ein Hüllmaterialsegment mit der Befestigungsvorrichtung des Trägersystems bevorzugt lösbar verbindbar.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung weist wenigstens ein Hüllmaterialsegment ein Verbindungselement auf, das mit dem Befestigungselement des Trägersystems in Eingriff steht. Das Verbindungselement steht mit dem Befestigungselement vorzugsweise lösbar in Eingriff, um die Hüllmaterialsegment schnell und einfach an das Trägersystem anzuordnen bzw. wieder zu lösen.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Hüllmaterialsegment mit Hilfe von auf der Mantelfläche angeordnete Dornen am Trägersystem befestigt. Die Dornen greifen in komplementär ausgeführte Befestigungselemente des Trägersystems ein, z.B. entsprechende Aussparungen oder aber in die Hüllmaterial direkt ein.
Das Hüllmaterial kann auch schlauch- oder rohrförmig ausgebildet sein, wobei das Hüllmaterial über das Trägersystem gestülpt oder gezogen wird.
Das Hüllmaterial kann auch bandförmig ausgebildet sein, wobei das Hüllmaterial in mehreren Windungen um das Trägersystem gewickelt wird.
Das Hüllmaterial ist vorzugsweise flexibel. Vorzugsweise ist die Hüllmaterial flexibel und in einem gewissen Maße dehnbar, so dass diese über das Befestigungselement gestülpt, gezogen oder um dieses herum gewickelt werden kann.
Das Hüllmaterial, das die Mantelfläche der vertikalen Pflanzsäule bildet, kann in einer Ausführung starr und eigensteif sein, so dass auf ein Trägersystem verzichtet werden kann. In einer Ausführungsform kann die Beschichtung, die ein oder mehrere Hydrogele umfasst, die durch Streichen oder Sprühen auf die Innen- und/oder Außenseite der Umhüllung aufgebracht werden. In diesem Fall enthält die Beschichtung vorzugsweise ein Thixotropiermittel. Ein Thixotropiermittel ist ein rheologisches Additiv, das in Beschichtungsstoffen bewirkt, dass beim Auftragen des Materials unter Scherbeanspruchung eine Viskositätserniedrigung eintritt, die eine leichte Verteilung der flüssigen Schicht begünstigt, und ohne Beanspruchung eine Viskositätserhöhung eintritt, so dass die Tropfneigung verringert wird. Beispiele für Thixotropiermittel sind: pyrogene Kieselsäuren mit Silanolgruppen, die ein reversibles gelartiges Kieselsäureskelett ausbilden können. Organoschichtsilikate wie Bentonite wirken als Thixotropiermittel; organische Thixotropiermittel sind gehärtetes Rizinusöl sowie spezielle Polyester und thixotrope Harze, .zum Beispiel. Alydharze mit Polyamiden.
Vorzugsweise weist die Umhüllung des Pflanzturms entlang der vertikalen Erstreckung eine oder mehrere seitliche Öffnungseinrichtungen, z.B. in Form eines Reißverschlusses, auf, die es ermöglicht, das Umhüllungsmaterial für den Beschichtungsvorgang im Streich- oder Sprühverfahren flächig aufzubereiten.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein flexibles Hüllmaterial zur Bildung des Pflanzturms in einer Beschichtungsmaschine mit einer Hydrogel enthaltenden Beschichtung versehen, die gegebenenfalls nach dem Beschichtungsvorgang getrocknet wird. Als Beschichtungsverfahren kommen Rakel- und Walzenbeschichtung, Sprühverfahren, Flexo- oder Siebdruck und jedes andere geeignete Beschichtungsverfahren in Betracht. Vorzugsweise enthält die Beschichtung Mittel, die die Haftung der Hydrogelschicht auf dem Hüllmaterial erhöhen. Diese Mittel können Klebstoffe oder Lacke oder reaktive Stoffe sein, die unter Einwirkung von Luftsauerstoff, Feuchtigkeit oder UV-Strahlung aushärten. Durch die Aushärtung der reaktiven Stoffe wird eine vorzugsweise poröse Haltestruktur geschaffen, die die Hydrogelschicht auf dem Hüllmaterial fixiert. Vor der Beschichtung kann das Hüllrohrmaterial einer Corona- oder Plasmavorbehandlung unterzogen werden, um die Oberflächenspannung des flexiblen Hüllrohrmaterials vor der Beschichtung zu erhöhen.
In einer anderen Ausführung enthält die Beschichtung zusätzlich zu den Hydrogelen Fasermaterialien, die ein Gerüst für die Beschichtung bilden. Die Fasermaterialien können anorganischen Ursprungs, wie Steinwolle, oder organischen Ursprungs, wie Kokosfasern, sein. Die faserhaltige Beschichtung kann mit jedem der im Rahmen dieser Erfindung genannten Beschichtungsverfahren aufgebracht werden.
Die Hydrogelschicht kann mit einer Spritzpistole, einer Rolle oder einem anderen geeigneten Gerät direkt auf das Hüllmaterial der Mantelfläche einer stehenden oder hängenden vertikalen Pflanzsäule aufgetragen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Hüllmaterial eine hohe Oberflächenspannung von mehr als 40 mN/m, bevorzugt mehr als 50 mN/m und besonders bevorzugt mehr als 65 mN/m auf, wodurch die Haftung bzw. Verankerung des Hydrogels an bzw. in dem Hüllmaterial verbessert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Hüllmaterial eine höhere Oberflächenspannung als das Hydrogel auf. Die gewünschte Oberflächenspannung des Hüllmaterials kann durch eine geeignete Beschichtung und/oder durch eine Plasma- oder Coronavorbehandlung erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auf das Hüllmaterial der vertikalen Pflanzsäule ein Klebstoff, vorzugsweise auf natürlicher und nachwachsender Basis, aufgebracht, der die Haftung des Hydrogels auf dem Hüllmaterial verbessert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die äußeren Schichten bzw. Oberflächen der Hydrogelschicht durch eine Nachbehandlung der Hydrogelschicht und/oder eine Vorbehandlung des Hüllmaterials, auf das die Hydrogelschicht aufgebracht wird, stärker vernetzt, so dass mindestens eine äußere Schicht der Hydrogelschicht eine höhere Viskosität aufweist als der Kern der Hydrogelschicht. Es bildet sich eine „Haut“ auf der Hydrogelschicht. Diese Haut verhindert ein Abfließen der Viskositätsschicht bzw. ein zu schnelles Austrocknen der relativ dünnen Hydrogelschicht. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass nachvernetzte Hydrogele stabiler gegenüber einer Auflösung in feuchter Umgebung sind. Die Nachvernetzung ermöglicht auch ein gutes Beschichtungsergebnis und eine leichtere Beschichtung des Hüllmaterials als dies bei einem von vornherein hochvernetzten Hydrogel der Fall wäre. Der „weiche Kern“ begünstigt auch die Feuchtigkeitsabgabe in das eingebettete oder auf die Oberfläche des unvernetzten Hydrogels aufgebrachte Saatgut. Die Vernetzung der äußeren, dem Hüllmaterial abgewandten Oberfläche des auf dem Hüllmaterial befindlichen Hydrogels wird erreicht, indem in einem ersten Schritt die Hydrogelschicht auf das Hüllmaterial aufgebracht und in einem zweiten Schritt mit einer Vernetzerlösung besprüht oder in einer anderen Form beaufschlagt wird.
Die Vernetzung der inneren, dem Hüllmaterial zugewandten Oberfläche der Hydrogelschicht wird erreicht, indem in einem ersten Schritt eine Vernetzerlösung auf das Hüllmaterial aufgebracht wird und in einem zweiten Schritt die Hydrogelschicht aufgetragen wird.
Die Vernetzerlösung kann durch Aufsprühen, Aufrollen oder in einer anderen geeigneten Art und Weise aufgebracht werden.
In einer anderen Ausführung wird die Vernetzung physikalisch herbeigeführt oder initiiert.
Ein Beispiel für eine geeignete Vernetzungslösung ist Calciumchlorid, ein Stoff, der lebensmittelrechtlich unbedenklich ist und als Lebensmittelzusatzstoff unter der Nummer E509 als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen ist. Grundsätzlich können alle geeignete Vernetzerlösungen eingesetzt werden, die lebensmittelrechtlich zugelassen sind. Dem Hydrogel kann auch ein Initiator zugesetzt werden, der mit der Vernetzerlösung in Wechselwirkung tritt und die Benetzung auslöst.
Die Vernetzung kann durch radikale Polymerisation erreicht werden. Chemisch vernetzte Gele können durch radikalische Polymerisation von Monomeren mit niedrigem Molekulargewicht in Gegenwart von Vernetzungsmitteln hergestellt werden. Ein Beispiel ist Poly(2-hydroxyethylmethacrylat) (pHEMA) ist ein gut bekanntes und häufig untersuchtes Hydrogelsystem, welches auf diese Weise vernetzt werden kann.
Wasserlösliche Polymere verdanken ihre Löslichkeitseigenschaften dem Vorhandensein funktioneller Gruppen (hauptsächlich OH, COOH, NH ), die für die Bildung von Hydrogelen genutzt werden können. Kovalente Bindungen zwischen Polymerketten können durch die Reaktion von funktionellen Gruppen mit komplementärer Reaktivität, wie z. B. eine Amin-Carbonsäure- oder eine Isocyanat-OH/NH-Reaktion, oder durch die Bildung von Schiffschen Basen hergestellt werden.
Die Vernetzung kann auch durch Kondensationsreaktionen herbeigeführt werden. Eine Kondensationsreaktion ist eine Substitutionsreaktion, bei der sich zwei Moleküle unter Abspaltung eines einfachen Moleküls (meist Wasser, aber auch Kohlenstoffdioxid, und andere) miteinander verbinden.
Die Vernetzung kann durch ionische Wechselwirkungen erfolgen.
Alginat ist ein bekanntes Beispiel für ein Polymer, das durch ionische Wechselwirkungen vernetzt werden kann. Alginat ist ein Polysaccharid mit Mannuron- und Glucuronsäureresten und kann durch Calciumionen vernetzt werden. Die Vernetzung kann bei Raumtemperatur und physiologischem pH-Wert durchgeführt werden. Diese Vernetzungsmethode ist im Sinne der Erfindung die meist bevorzugte Vernetzungsmethode.
Dies sind nur einige Beispiele für Vernetzungsinstrumente und -verfahren. Die Mittel und Verfahren sind nicht auf die aufgeführten beschränkt. Die einzige Anforderung an das Vernetzungsmittel oder die Vernetzungsmethode ist, dass das Mittel oder die Methode nicht zu einer Beeinträchtigung der lebensmittel- oder arzneimittelrechtlich sicheren Nutzung der Nutzpflanzen, die als Lebens- oder Arzneimittel auf den vertikalen Pflanzsäulen wachsen, führen darf. Das Vernetzungsmittel, wie auch das Hydrogel, muss lebensmittel- bzw. arzneimittelkonform sein.
In dieser Erfindung werden die Begriffe Samen und Saatgut gleichbedeutend verwendet. Der Begriff Saatgut bezeichnet jedoch immer mehrere Samen.
In einer Ausführung werden die Samen (das Saatgut) vor der Beschichtung des Hüllmaterials der vertikalen Pflanzsäule mit dem Hydrogel dem Hydrogel beigegeben und das Gemisch aus Hydrogel und Samen auf das Hüllmaterial aufgetragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in einem ersten Schritt das Hydrogel auf das Hüllmaterial aufgebracht und in einem zweiten Schritt die Samen (das Saatgut) auf die Oberfläche aufgebracht. Die Samen zeigen in praktischen Versuchen eine gute Haftung auf der Oberfläche. Die Samen können z.B. über Siebe auf das Hüllmaterial aufgebracht werden, um einen gleichmäßigen Pflanzabstand zu gewährleisten.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, das Hydrogel während der Keimung und der ersten Wachstumsphase ausreichend feucht zu halten, bevor die Pflanzenwurzeln, die sich in den inneren Hohlraum der vertikalen Pflanzsäule erstrecken, über das Aerosol ausreichend mit Feuchtigkeit und Nährstoffen versorgt werden.
Bei einer Ausführung wird das Hydrogel über das Aerosol im inneren Hohlraum der vertikalen Pflanzsäule mit Feuchtigkeit versorgt. Das Aerosol dringt durch das Hüllmaterial in die Hydrogelschicht ein. Eine wichtige Anforderung ist die genaue Kontrolle der Aerosolmenge. Zu viel Aerosol kann in einem frühen Stadium, in dem die Pflanzenwurzeln noch nicht ausreichend durch das Hüllmaterial verankert sind, dazu führen, dass die Hydrogelschicht mit den Samen oder Pflanzen abgewaschen wird. Zu wenig Aerosol führt dagegen zum Austrocknen des Hydrogelüberzuges.
Die Steuerung der Aerosolmenge kann über die Messung der Luftfeuchtigkeit im Inneren der vertikalen Pflanzensäule und/oder über die Messung der Feuchtigkeit der Hydrogelbeschichtung mit einem geeigneten Feuchtesensor erfolgen. Diese Sensorik ist mit einer Steuerung verbunden, die wiederum den Aerosolerzeuger oder zugehörige Komponenten ansteuert.
In einer anderen Ausführung befindet sich die vertikale Pflanzsäule während der Keimung und der ersten Wachstumsphase in einer Umgebung mit ausreichend hoher Luftfeuchtigkeit, um ein Austrocknen der Hydrogelschicht zu verhindern. Nach erfolgreicher Bewurzelung der Pflanzen kann die vertikale Pflanzsäule in eine Umgebung mit geringerer Luftfeuchtigkeit umgesetzt werden.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispielen erläutert:.

1 zeigt ein Pflanzenanbausystem mit einer vertikalen Pflanzanordnung im Sinne der Erfindung. Dieses Pflanzenanbausystem mit einer vertikalen Pflanzanordnung umfasst mindestens eine vertikale Pflanzsäule 101, die in einem Pflanzraum 102 angeordnet ist. Der Pflanzraum 102 ist ein geschlossenes Gehäuse oder eine geschlossene Gebäudehülle, die mit allen für den vertikalen Pflanzenanbau erforderlichen Vorrichtungen, wie beispielsweise Einrichtungen zur Klimatisierung des Pflanzraums, versehen ist. Das Pflanzenanbausystem umfasst ferner mindestens eine vertikal ausgerichtete Beleuchtungseinrichtung 103, deren Leuchten, vorzugsweise LEDs („light emitting diodes“), eine das Pflanzenwachstum fördernde spektrale Emission erzeugen und deren Strahlrichtung auf mindestens eine vertikale Pflanzsäule 101 ausgerichtet ist, so dass die auf dieser vertikalen Pflanzsäule 101 heranwachsenden Pflanzen beleuchtet werden.. Die mindestens eine Pflanzsäule 101 kann hängend oder stehend in dem Pflanzraum 102 angeordnet sein.

Das Pflanzenanbausystem mit einer vertikalen Pflanzanordnung umfasst vorzugsweise mehrere vertikale Pflanzsäulen 101, wie in 1 dargestellt. Die vertikalen Pflanzsäulen 101 können mit einer Befestigungsvorrichtung, hier in Form einer Aufhängevorrichtung 105 dargestellt, an einem Transportsystem 104 befestigt sein. Das Transportsystem 104 ist dazu eingerichtet, die vertikalen Pflanzsäulen 101 in dem Pflanzraum 102 zu bewegen. Das Transportsystem 104 kann dabei an der Decke oder am Boden des Pflanzraumes 102 befestigt oder verankert sein. Das Transportsystem 104 ist mit einer Steuerung (nicht dargestellt) verbunden, über die die Verfahrbewegung gestartet oder gestoppt werden kann.
2 zeigt eine Detailansicht der Komponenten eines Pflanzenbausystems, wie es in 1 schematisch dargestellt ist. Die vertikale Pflanzsäule 101 weist eine äußere Mantelfläche 106 auf. Auf dieser Mantelfläche 106 wachsen Pflanzen, deren Blätter und Stängel 108 sich bei fortgeschrittenem Pflanzenwachstum in den die vertikale Pflanzsäule 101 umgebenden Raum erstrecken, während sich deren Wurzeln 109 freiliegend in den inneren Hohlraum 107 der vertikalen Pflanzsäule 101 erstrecken.
Die Mantelfläche 106 besteht in der gezeigten Ausführung aus einem Hüllmaterial 110 und einer Hydrogelschicht 111. Die Mantelfläche 106 umschließt entlang der vertikalen Erstreckung der vertikalen Pflanzsäule 101 zumindest seitlich den inneren Hohlraum 107, durch den Aerosole 112 einer Nährflüssigkeit gefördert werden. Die Aerosole 112 werden durch mindestens eine Aerosolerzeugungseinrichtung 113 erzeugt. Die Aerosolerzeugungsvorrichtung 113 ist mit der vertikalen Pflanzsäule 101 derart verbunden, dass die von der mindestens einen Aerosolerzeugungsvorrichtung 113 erzeugten Aerosole 113 in und durch den inneren Hohlraum 107 der vertikalen Pflanzsäule 101 geleitet werden. Die mindestens eine Aerosolerzeugungsvorrichtung 113 kann ein Teil der vertikalen Pflanzsäule 101 sein, wie dargestellt, oder außerhalb der vertikalen Pflanzsäule 101 angeordnet sein, wobei die Aerosole 112 von der mindestens einen Aerosolerzeugungsvorrichtung 113 in den Hohlraum 107 der vertikalen Pflanzsäule 101 geleitet oder gefördert werden.
Die vertikale Pflanzsäule 101 kann während des Betriebs eine Rotation 114 ausführen, so dass die Mantelfläche 106 und die darauf wachsenden Pflanzen durch mindestens eine Beleuchtungseinrichtung 103, die sich etwa entlang der Längsachse der vertikalen Pflanzsäule 101 erstreckt, gleichmäßig beleuchtet werden, um das Pflanzenwachstum zu stimulieren.
Die 3 und 4 zeigen einen Querschnitt durch das Material der Mantelfläche 106 der vertikalen Pflanzsäule 101. Der Aufbau ist zweilagig dargestellt, bestehend aus dem Hüllmaterial 110 und einer darauf befindlichen Hydrogelschicht 111. Das Hüllmaterial 110 kann mit einem Hydrogel 111 beschichtet sein, wobei zumeist ein Teil des Hydrogels 111 in das Hüllmaterial eindringt. Das Hüllmaterial 110 kann das Hydrogel 111 umfassen, was bedeutet, dass das Hüllmaterial 110 zumindest den überwiegenden Teil des Hydrogels 111 in seine Struktur aufgenommen hat. Das Hüllmaterial 110 kann selbst aus einem Hydrogel gebildet sein.
3 zeigt eine Beschichtung, bei der die Samen 115 zusammen mit dem Hydrogel 111 auf das Hüllmaterial 110 aufgebracht wurden. Dazu wurden die Samen 115 und das Hydrogel 111 zunächst gemischt und gemeinsam auf das Hüllmaterial 110 aufgebracht.
4 zeigt eine Beschichtung mit einem Hydrogel 111, auf dessen Oberfläche die Samen 115 fixiert sind. In diesem Fall wurde zunächst das Hydrogel 111 auf das Hüllmaterial 110 aufgetragen und in einem zweiten Schritt die Samen 115 auf die Oberfläche des Hydrogels 111 aufgebracht und durch das Hydrogel 111 fixiert.
In beiden Ausführungsformen (3 und 4) dient das Hydrogel 111 zur Fixierung der Samen 115 auf dem Hüllmaterial und zur Befeuchtung der Samen 115 und des Keimlings während der Keimphase.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Pflanzenanbausystem für eine vertikalen Pflanzanordnung, umfassend wenigstens eine vertikale Pflanzsäule 101, wobei jede vertikale Pflanzsäule 101 wenigstens ein vertikal angeordnetes Hüllmaterial 110 umfasst, wobei das Hüllmaterial 110 eine gleichmäßige Oberflächenstruktur aufweist und das Hüllmaterial 110 ein Hydrogel 111 umfasst, mit einem Hydrogel 111 beschichtet ist oder aus einen Hydrogel 111 gebildet ist. wobei mehrere Samen 115 nebeneinander auf oder in dem Hydrogel 111 angeordnet sind und das Hydrogel 111 den Samen 115 auf dem Hüllmaterial 110 fixiert und während der Keimungsphase mit Feuchtigkeit und gegebenenfalls Nährstoffen versorgt, wobei das Hüllmaterial 111 wenigstens ein Teil der Mantelfläche 106 einer vertikalen Pflanzsäule 101 bildet und die Mantelfläche 106 einen inneren Hohlraum 107 der vertikalen Pflanzsäule 101 umschließt,
Pflanzenanbausystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das wenigstens eine Hüllmaterial 110 der vertikalen Pflanzsäule 101 mindestens 80%, bevorzugt 90% und besonders bevorzugt 95% der Mantelfläche 106 der vertikalen Pflanzsäule 101 bildet,
Pflanzenanbausystem nach Anspruch 1 oder 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die vertikale Pflanzsäule 101 mit mindestens einer Erzeugungseinrichtung 113 für Aerosole 112 der Nährflüssigkeit verbunden ist, wobei die Aerosole 112 durch den inneren Hohlraum 107 der der vertikalen Pflanzsäule 101 über seine gesamte Länge oder abschnittsweise gefördert werden, wobei die Aerosole 112 der Nährflüssigkeit mindestens dazu dienen, die im Stadium eines fortgeschrittenen Pflanzwachstums die sich in den inneren Hohlraum 107 erstreckenden, freiliegenden Wurzeln 109 der Pflanzen mit Nährflüssigkeit zu beaufschlagen,
Pflanzenanbausystem nach Anspruch 1 oder 1 und wenigstens einem weiteren Anspruch aus 2-3, gekennzeichnet dadurch, dass das Hüllmaterial 110 flexibel und/oder dehnbar ist,
Pflanzenanbausystem nach Anspruch 1 oder 1 und wenigstens einem weiteren Anspruch aus 2-3, gekennzeichnet dadurch, dass dass das Hüllmaterial 110 starr ist, wobei das Hüllmaterial 110 Öffnungen aufweist, welche von den Wurzeln 109 der Pflanze durchdrungen werden können oder aus einem Material gebildet ist, welches von den Wurzeln 109 der Pflanze durchdrungen werden kann, so dass sich diese zu einem fortgeschrittenen Zeitpunkt des Pflanzenwachstums sich die Wurzeln 109 in den Inneren Hohlraum 107 der vertikalen Pflanzsäule 101 erstrecken,
Pflanzenanbausystem nach Anspruch 1 oder 1 und wenigstens einem weiteren Anspruch aus 2-3 und 4 oder 5, gekennzeichnet dadurch, dass das Hüllmaterial 110 ein textiles Gewebe, Gewirke, Vlies, Papier oder eine poröse Folie oder ein Verbund aus zwei oder mehr Lagen dieser Materialen ist,
Pflanzenanbausystem nach Anspruch 1 und wenigstens einem weiteren Anspruch aus 2-6, gekennzeichnet dadurch, dass das wenigstens ein Hüllmaterial 110 mit Befestigungsmitteln auf einer Trägerstruktur befestigt oder über diese gezogen oder gestülpt oder um diese gewickelt ist,
Verfahren zum Aufzucht und Wachstum von Pflanzen, gekennzeichnet dadurch, dass das Saatgut 115 mit einem Hydrogel vermischt wird und anschließend die Mischung aus Saatgut 115 und Hydrogel 111 auf das Hüllmaterial 110 aufgebracht wird oder alternativ in einem ersten Schritt das Hydrogel 111 auf das Hüllmaterial 110 aufgebracht wird und in einem zweiten Schritt das Saatgut 115 auf die Oberfläche der Hydrogelschicht 110 aufgebracht wird, wobei diese beiden alternativen Verfahrensschritte vor oder nach der Montage des Hüllmaterials 110 an der vertikalen Pflanzsäule 101 erfolgen,
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass wobei das Hydrogel 111 zur Fixierung der Saatguts 115 auf dem Hüllmaterial und zur Versorgung mit Feuchtigkeit und ggf. Nährstoffen während der Keimphase dient,
Verfahren nach Anspruch 8 und 9, gekennzeichnet dadurch, dass wobei das Hydrogel 111 durch Aerosole 112 befeuchtet wird, die durch den inneren Hohlraum 107 der vertikalen Pflanzsäule 101 über die gesamte Länge oder in Abschnitten transportiert werden, um ein Austrocknen des Hydrogels 111 zu verhindern,
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, dass die Aerosolzufuhr 112 auf der Grundlage von Wachstumsparametern der Pflanze, Feuchtigkeitswerten der Hydrogelschicht 111 oder anderen geeigneten Kenn- oder Messgrößen so gesteuert wird, dass die Hydrogelschicht 111 ausreichend befeuchtet, aber nicht von oder aus dem Hüllmaterial ausgewaschen wird,
Verfahren nach Anspruch 8 und 9, gekennzeichnet dadurch, dass während der Keimungsphase die vertikale Pflanzsäule 101 einschließlich des Hüllmaterials 110, das die Hydrogelschicht umfasst oder mit dieser beschichtet ist, einer Umgebung mit erhöhter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt wird, die die vertikale Pflanzsäule 101 umgibt, oder das Hydrogel 111 wird ständig oder sporadisch besprüht oder mit einem Nebel aus Aerosolen bedeckt,
Verfahren nach Anspruch 8 und wenigstens einem weiteren Anspruch aus 9-12, gekennzeichnet dadurch, dass das Hydrogel 111 nach Aufbringen auf das Hüllmaterial 110 einer Nachbehandlung unterzogen wird, welche eine Oberflächenhärtung wenigstens einer Oberfläche des Hydrogels 111 bewirkt.