JP2005006519A - 炭酸ガス培養器 - Google Patents

Abstract

【課題】自然対流方式を採用した炭酸ガス培養器であっても、微風循環方式を採用した炭酸ガス培養器と同等のガス制御性及び復帰性を持たせることができる炭酸ガス培養器を提供する
【解決手段】庫内環境が自然対流によって均一化される炭酸ガス培養器であって、庫内に向けて炭酸ガスを吹き出す供給口１１ａ と、前記供給口１１ａ に至るガス供給路を開閉する弁１３と、庫内の炭酸ガス濃度を検出するガスセンサ１０と、前記ガスセンサ１０の出力に基づいて前記弁１３を開閉させる制御部１６とを備えている。前記ガスセンサ１０は、前記供給口１１ａ からの炭酸ガスが当たる位置に設けられ、前記制御部１６は、前記ガスセンサ１０が前記供給口１１ａ からの炭酸ガス濃度が設定値に達したことを検出すると前記弁１３を閉じ、庫内の炭酸ガス濃度が設定値よりも低くなったことを検出すると前記弁１３を開くという開閉動作を繰り返すように制御する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大学基礎研究、医薬品、臨床、畜産分野において、細胞や組織、細菌などの培養に使用される炭酸ガス培養器に係り、特に、庫内環境が自然対流によって均一化される炭酸ガス培養器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の炭酸ガス培養器に関連した文献として次のようなものがある。
【０００３】
【実用新案文献１】
実用新案出願公告公報平成３年第２８４６号
【実用新案文献２】
実用新案出願公告公報昭和６０年第１０３９９号
【特許文献１】
特許出願公開公報平成３年第６５１７６号
【０００４】
従来の炭酸ガス培養器は、庫内の環境を迅速に均一化するため、庫内にファンを設置し、微風で強制的に庫内を循環させる方式が主流になっている。しかし、上記方式は、微風とはいえ庫内の循環風速が自然対流に比べると大きくなるため、庫内の一部で発生した雑菌（培養目的とは異なる細菌）が循環流にのり庫内全体に拡散されて、コンタミネーション（雑菌による試料の汚染）の危険性を増大させる。また、風速が大きいことは、培養容器中の培地の乾燥を増大し、微量の培地を使用した培養においては常に乾燥の危険にさらされることとなる。さらに、庫内が高湿であることもあり、ファンには埃などが固着しやすく、雑菌の温床になりやすい。この雑菌を多く含んだファンが回転することにより雑菌は庫内全体にばら撒かれることとなり、当然コンタミネーションの危険性が増大することとなる。以上のことより、市場においてはより穏やかな培養環境を提供できる自然対流型の培養器が望まれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、炭酸ガスは空気よりも比重が大きく、加えて、ガスボンベは庫外に設置されるため、庫内温度が培養に最もよく使用される温度である約３７℃に設定されている場合、供給される炭酸ガスは設定温度よりも低いことが多くなる。そのため、庫内に供給されたガスはさらに庫内空気よりも比重が大きくなる。
これにより庫内に供給された炭酸ガスは先ず底部に向かって落下し、しばらく底部に滞留した後、炭酸ガスの温度が上昇するにつれて対流により循環するようになる。
【０００６】
よって、庫内全体の均一性を考慮して仮に庫内背面中央部に炭酸ガスセンサを設置すると、ガスセンサが均一なガス濃度を感知するまでに幾分かの時間のずれが発生する。つまり、ガスセンサが設定（炭酸ガス）濃度を感知してからガス供給を停止したのでは、この時間のずれ分だけがガスが余剰に供給されたことになり、結果的にオーバーシュートを引き起こすこととなる。一方、オーバーシュートを押さえるためガス供給流量やガス供給圧を押さえると、扉開放後の復帰が大幅に遅れることとなってしまう。この相反する課題を同時にかなえるガス制御方法が必要となる。
【０００７】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、自然対流方式を採用した炭酸ガス培養器であっても、微風循環方式を採用した炭酸ガス培養器と同等のガス制御性及び復帰性を持たせることができる炭酸ガス培養器を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１ に記載の本発明の炭酸ガス培養器は、庫内に向けて炭酸ガスを吹き出す供給口と、前記供給口に至るガス供給路を開閉する弁と、庫内の炭酸ガス濃度を検出するガスセンサと、前記ガスセンサの出力に基づいて前記弁を開閉させる制御部とを備えている。
前記ガスセンサは、前記供給口からの炭酸ガスが当たる位置に設けられている。前記制御部は、前記ガスセンサが前記供給口からの炭酸ガス濃度が設定値に達したことを検出すると前記弁を閉じ、庫内の炭酸ガス濃度が設定値よりも低くなったことを検出すると前記弁を開くという開閉動作を繰り返すように制御することを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、前記ガスセンサが前記供給口からの炭酸ガスが当たる位置に設けられているので、ガスセンサが、実際の庫内濃度よりも高い設定値濃度を感知してガスの供給を止める。このように、一時的に炭酸ガスセンサの感度を設定値よりも高める。
そして、庫内へガスが拡散してガスセンサが設定値よりも低くなったことを感知すると、再び自動的にガス供給を始める。更に、ガスセンサが再び設定値であることを感知すると、ガス供給を止める。このようなガス供給のＯＮ／ＯＦＦを繰返して、庫内ガス濃度を迅速に均一化する。
【００１０】
請求項２に記載の本発明の炭酸ガス培養器は、請求項１に記載の特徴に加えて、前記供給口が炭酸ガスの全部又は一部を吹き上げる構成であり、吹き上げられた炭酸ガスが降りかかる位置に前記ガスセンサが配置されていることを特徴とする。
上記構成によれば、ガスセンサにあまりに直接的にガスが噴きつけられることがなく、ガス濃度に大きなピークが発生し、制御部からの指示値が大きく変動することがない。
【００１１】
請求項３に記載の本発明の炭酸ガス培養器は、請求項１又は２に記載の特徴に加えて、前記供給口に至るガス供給路は、キャピラリーチューブを含んで形成され、前記供給口からの庫内に供給される流量が前記キャピラリーチューブで調整されるように構成されている。
上記構成によれば、ガスの供給量の均一化が図れ、それによって庫内ガス濃度の迅速な均一化に寄与する。
【００１２】
請求項４に記載の本発明の炭酸ガス培養器は、請求項１乃至３に記載のいずれかの特徴に加えて、前記供給口に至るガス供給路に炭酸ガスの温度を庫内温度に近づける加熱手段が設けられていることを特徴とする。
上記構成によれば、炭酸ガスの温度が庫内温度近くまで昇温されているので、供給炭酸ガスが庫内底部に滞留する時間を短縮し、庫内ガス濃度の迅速な均一化に寄与する。
【００１３】
請求項５に記載の本発明の炭酸ガス培養器は、請求項４に記載の特徴に加えて、前記加熱手段が、前記供給路を形成するキャピラリーチューブを庫内温度調整用のジャケットに沿わせることにより形成されていることを特徴とする。
上記構成によれば、供給炭酸ガスを昇温するための特別な手段を要せず、既存の機器構成で供給炭酸ガスの昇温が達成できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態に係る炭酸ガス培養器の断面図である。図１ において、符号１ は炭酸ガス培養器の庫本体、２ は外扉を示している。
前記庫本体１ は前面に開口部１ａを有する略立方体の容器である。前記外扉２ は、前記庫本体１ の開口部１ａを閉じる。前記外扉２ の内側にはパッキン材１７が設けられており、前記庫本体１ 内を密閉する。前記外扉２ を構成する壁部材の中には、加温ヒータ６ が設けられている。
前記庫本体１ は内壁１ｂと外装壁１ｃとを有する。庫本体１ 内の背面側にマイクロプロセッサ等の制御部１６の部品を取りつける電装空間３ が前記内壁１ｂと外装壁１ｃの間に設けられている。
【００１５】
前記内壁１ｂには、ジャケット４ 、加温ヒータ６ 、断熱層５ が含まれる。前記外装壁１ｃの内側であって上面、側面に沿って、断熱層５ が設けられている。前記外装壁１ｃの内側であって背面には、前記電装空間３ を開けて断熱層５ が設けられている。前記断熱層５ は中空空間層であってもよいし、断熱材を充填した層であってもよい。
前記外装壁１ｃの内側であって底面に沿って、加温ヒータ６ が設けられている。
【００１６】
更に、前記断熱層５ 及び加温ヒータ６ の内側にジャケット４ が設けられている。前記ジャケット４ は、その内側に水若しくは空気が流されて、庫内温度維持若しくは保持用手段として機能する。本実施形態においては、ウォータジャケットを用いている。
前記ジャケット４ は、細菌などの培養試料を庫内へ装入するための前記庫本体１ の開口部１ａと一致する開口部と、前記試料を収納する培養室４ａを形成するように、前記庫本体１ の上面及び側面並びに底面を構成する前記断熱層５ の内側の面に沿って設けられている。このように、庫本体１ を構成する内壁１ｂはジャケット４ と断熱層５ という二重層になっている。
【００１７】
前記培養室４ａの試料を配置する試料棚７ が設けられている。前記培養室４ａ内であって前記ジャケット４ の底面には加湿バット８ が配置されている。加湿バット８ は蒸留水を収容して前記培養室４ａ内の湿度を供給する。
前記ジャケット４ の背面中央に設けられた孔４ｂから前記培養室４ａ内へ向かってセンサユニット９ が突出している。
前記センサユニット９ 内には炭酸ガスセンサ１０及びガス供給チューブ１１のガス供給口１１ａ が、前記センサユニット９ の外側面には庫内温度センサ１２が取り付けられている。前記炭酸ガスセンサ１０は庫内の炭酸ガス濃度を検出する。前記炭酸ガスセンサ１０としては、熱伝導率検出式（ＴＣＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）センサが挙げられる。
【００１８】
前記供給口１１ａ から庫内に向けて炭酸ガスを吹き出す。
ガス供給チューブ１１としては、キャピラリーチューブが挙げられる。ガス供給量はできるだけ小さくするが、培養室４ａ容量と庫内濃度復帰時間から試算して、最小供給量を求めてガス供給チューブ１１の直径サイズ及び長さを決定する。庫内濃度復帰時間とは、外扉２ を開放した後、再び外扉２ を閉めてから庫内ガス濃度が設定値まで復帰するのに要する時間である。
ガス供給チューブ１１は、前記断熱層５ 内に配管されている。ガス供給チューブ１１の一部、即ち、ガス供給口１１ａ 側の部分は前記ジャケット４ に沿って這うように配管されている。
【００１９】
これによってガス供給チューブ１１内を流れる炭酸ガス温度をジャケット４ により昇温し、庫内の培養室４ａにガスが放出されるときのガス温度を庫内ガス温度に近づける。このように、前記ジャケット４ は前記供給口１１ａ に至るガス供給チューブ１１を含む供給路の炭酸ガスの温度を庫内温度に近づける加熱手段としても機能する。このとき、前記ジャケット４ に沿って這わす長さは、前記最小供給量と１回分の吹きだし量との関係で決定する。
前記供給口１１ａ に至るガス供給路を開閉してガス供給チューブ１１に流れるガスの流量を調節し、庫内へ供給されるガスの供給量を調節する電磁弁１３が庫の外側のガス供給チューブ１１に設けられている。
【００２０】
前記ジャケット４ 内の水位及び水温を検出する水位センサ２１及び水温センサ１５が設けられている。
前記加温ヒータ６ 、炭酸ガスセンサ１０、庫内温度センサ１２、電磁弁１３、水位センサ２１及び水温センサ１５は、前記マイクロプロセッサ等の制御部１６によって制御される。
例えば、前記制御部１６は、前記炭酸ガスセンサ１０が前記供給口１１ａ からの炭酸ガス濃度が設定値に達したことを検出すると前記電磁弁１３を閉じ、庫内の炭酸ガス濃度が設定値よりも低くなったことを検出すると前記電磁弁１３を開くという開閉動作を繰り返すように、前記炭酸ガスセンサ１０の出力に基づいて前記電磁弁１３を開閉させる。
【００２１】
また、培養室４ａの背面側に、特に、前記センサユニット９ 周辺に、培養トレイ及び／又は試料棚７ を設置しない空間（二点鎖線で区切られた部分参照、以下、ダクトという）１８を設ける。この部分の拡散を速めることにより、庫内背面に設置された炭酸ガスセンサがより速く、より正確な濃度を感知できるようにする。
【００２２】
次に、前記センサユニット９ 内の様子を図２及び図３ を用いて説明する。図２は図１ のＡ 矢視図である。センサユニット９ 内が見えるように部分的に断面図となっている。図３ は、図２ のＢ−Ｂ 線断面図である。
センサユニット９は、センサ取付板１８、センサカバー１９、センサユニットパッキン２０を有している。
センサ取付板１８の前面に、炭酸ガスセンサ１０、ガス供給口１１ａ が取り付けられて突出している。そして、庫内温度センサ１２からの温度信号を導く導線１２ｂ がセンサ取付板１８を貫通している。前記炭酸ガスセンサ１０及びガス供給口１１ａ の取付部及び前記導線１２ｂ の貫通部からガスが漏れることのないように密閉されている。
【００２３】
センサ取付板１８の背面側には、サンプリングポート１４、ガス供給口１１ａ にそれぞれ接続されたサンプリングチューブ１４ａ 及びガス供給チューブ１１が突出している。サンプリングチューブ１４ａ 及びガス供給チューブ１１並びに導線１２ｂ は前記ジャケット４ の孔４ｂに通されている。
前記センサ取付板１８は、庫内のガスが前記ジャケット４ の孔４ｂから漏れることのないように、パッキン２０を介して、前記ジャケット４ の孔４ｂを覆うように取り付けられている。
【００２４】
前記炭酸ガスセンサ１０とガス供給口１１ａ は庫内の左右方向に並べて取り付けられている。前記炭酸ガスセンサ１０はガス供給口１１ａ の近辺であって、前記供給口１１ａ からの炭酸ガスが直接ではないが当たる位置に設けられている。言い換えれば、前記供給口から炭酸ガスが供給されるとき、最初に濃度が高くなり易い位置に配置されている。
ガス供給口１１ａ から直接炭酸ガスセンサ１０にガスが吹き付けられることのないように、供給口１１ａ は庫内の上下方向に開口するようにＴ字型のものが採用されている。
【００２５】
前記センサ取付板１８の前面上の炭酸ガスセンサ１０、ガス供給口１１ａ 、導線１２ｂ を覆うように、センサカバー１９がセンサ取付板１８に取り付けられている。
前記センサカバー１９の前面にはガス放出口１９ａ が複数設けられている。前記センサカバー１９の側面には、シリコンチューブ１２ａ で保護された庫内温度センサ１２が取り付けられている。前記センサ取付板１８に設けられた前記導線１２ｂ と庫内温度センサ１２は接続されている。
このように、本実施形態では、一つのセンサユニット９ 内に、炭酸ガスセンサ１０とガス供給口１１ａ とサンプリングポート１４が設けられている。
【００２６】
上記構造の炭酸ガス培養器の作動を説明する。
制御部１６は最初に水温センサ１５からの電気信号に基づいて加温ヒータ６ を制御して培養室４ａ内の温度を所定の値に調整する。培養室４ａ内の温度が所定の温度に達し、旦つ、湿度が飽和安定状態に到達したとき、熱伝導率検出式炭酸ガスセンサ１０からの電気信号の値を基準値として培養室４ａ内の炭酸ガス濃度を検知しながら電磁弁１３を制御して図示しないガスボンベから炭酸ガスを庫内へ供給する。このときの温度及び湿度の制御は移動平均法により行う。
【００２７】
ガス供給の際、供給ガスを炭酸ガスセンサ１０に噴きつけ、一時的に炭酸ガスセンサ１０の感度を設定値よりも高めることにより、ガス供給をＯＦＦ にする。このＯＦＦ 時間を利用してガスの拡散時間を稼ぐ。ガスが庫内に拡散してガス濃度が設定値よりも低くなったことを感知すると、再び、ガス供給を自動的に始める。この後、このようなガス供給のＯＮ／ＯＦＦを繰り返す。
但し、ガスセンサ１０に対してあまり直接的に供給ガスを噴き付けると、ガス濃度に大きなピークが発生し、制御部１６からの指示値が大きく変動するので、噴き付け方を工夫する。
【００２８】
例えば、炭酸ガスの一部を吹き上げるようにＴ字型供給口１１ａ を使用して上下方向にガスを噴出する。即ち、ガスセンサ１０が設けられる方向に対して垂直な方向にガスを噴出するようにガス供給口１１ａ の方向を定める。
そして、吹き上げられた炭酸ガスが降りかかる位置に前記炭酸ガスセンサ１０を配置する。
こうすれば、供給口１１ａ の左右方向に位置するガスセンサ１０にあまりに直接的にガスが噴きつけられることがなく、ガス濃度に大きなピークが発生し、制御部１６からの指示値が大きく変動することがない。
【００２９】
尚、上方だけに噴出する供給口１１ａ を採用して炭酸ガスの全部を吹き上げる構成にしてもよい。下方だけに噴出する供給口１１ａ を採用して炭酸ガスの全部を吹き下げる構成にしてもよい。庫内の濃度の均一化を速くするには上方に吹き上げることが好ましい。
【００３０】
図４ を参照しつつ具体的に説明する。図４は本実施形態におけるガス供給のＯＮ／ＯＦＦの様子を示すグラフである。ガス供給のＯＮ／ＯＦＦは電磁弁１３の開閉によって行う。設定値濃度は５％である。
本実施形態の場合、センサユニット９ 内が先に炭酸ガスで充満するので、ガスセンサ１０が、実際の庫内濃度よりも高いセンサユニット９ 内の濃度を感知してガスの供給を止める（Ｔ１参照）。このように、一時的に炭酸ガスセンサ１０の感度を設定値よりも高める。
【００３１】
センサユニット９ から庫内へガスが拡散して、ガス濃度が設定値よりも低くなったことをガスセンサ１０が感知すると、再び自動的にガス供給を始める（Ｔ２参照）。
そして、ガスセンサ１０が再び設定値であることを感知すると、ガス供給を止める（Ｔ３参照）。このようなガス供給のＯＮ／ＯＦＦを繰返す（Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７ 参照）。Ｔ１−Ｔ２ 間は最初であるので長いが、Ｔ３−Ｔ４ 間及びＴ５−Ｔ６ 間と次回からは略同じ周期でＯＮ／ＯＦＦが繰返される。
上記のようにガス供給が制御されると、本実施形態にかかわる炭酸ガス培養器が自然対流方式を採用したものであっても庫内環境の迅速な均一化が可能である。
【００３２】
【実施例】
次に、実施例を説明する。内容量２８リットルの小型の炭酸ガス培養器において、熱伝導率検出式炭酸ガスセンサを庫内背面に設置し、背面側に４０ｍｍのダクトを設けた。また供給ガス用キャピラリーチューブとして１ｍｍ（短径） ×３ｍｍ（長径） のビニールチューブを１０ｍ 巻いてウォータージャケット４ 天井部に設置した。ガス噴出しは真上と真下に同時に噴出すようＴ字型コネクタを使用した。
ガス供給圧５０ｋＰａ で運転した場合、庫内の炭酸ガス濃度は±０．２％以内で制御された。また、外扉２ が３０秒開放された後、外扉２ を閉めてガス濃度が設定値に復帰するまでの時間は６ 分以内であった。これは実用上問題ない範囲である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の炭酸ガス培養器によれば、自然対流方式を採用しているにもかかわらず、微風循環方式を採用した炭酸ガス培養器と同等のガス制御性及び復帰性を持たせることができる。
更に、自然対流方式なので、庫内環境をより穏やかに、自然に近い状態に近づけることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る炭酸ガス培養器の断面図
【図２】図２は図１ のＡ 矢視図
【図３】図２ のＢ−Ｂ 線断面図
【図４】本実施形態におけるガス供給のＯＮ／ＯＦＦの様子を示すグラフ
【符号の説明】
１０ ガスセンサ
１１ａ 供給口
１３ 弁
１４ サンプリングポート
１６ 制御部

Claims (5)

1. 庫内環境が自然対流によって均一化される炭酸ガス培養器であって、
   庫内に向けて炭酸ガスを吹き出す供給口と、前記供給口に至るガス供給路を開閉する弁と、庫内の炭酸ガス濃度を検出するガスセンサと、前記ガスセンサの出力に基づいて前記弁を開閉させる制御部とを備え、
   前記ガスセンサは、前記供給口からの炭酸ガスが当たる位置に設けられ、前記制御部は、前記ガスセンサが前記供給口からの炭酸ガス濃度が設定値に達したことを検出すると前記弁を閉じ、庫内の炭酸ガス濃度が設定値よりも低くなったことを検出すると前記弁を開くという開閉動作を繰り返すように制御する炭酸ガス培養器。
2. 前記供給口は炭酸ガスの全部又は一部を吹き上げる構成であり、吹き上げられた炭酸ガスが降りかかる位置に前記ガスセンサが配置されている請求項１に記載の炭酸ガス培養器。
3. 前記供給口に至るガス供給路は、キャピラリーチューブを含んで形成され、前記供給口からの庫内に供給される流量が前記キャピラリーチューブで調整されるように構成されている請求項１又は２に記載の炭酸ガス培養器。
4. 前記供給口に至るガス供給路に炭酸ガスの温度を庫内温度に近づける加熱手段が設けられた請求項１乃至３に記載のいずれかの炭酸ガス培養器。
5. 前記加熱手段が、前記供給路を形成するキャピラリーチューブを庫内温度調整用のジャケットに沿わせることにより形成されている請求項４に記載の炭酸ガス培養器。

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