JP2006161072A - フロー型溶存酸素冨化方法、加圧型電解セル、および加圧型電解セルを備える装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フロー型溶存酸素冨化方法、加圧型電解セル、および加圧型電解セルを備える装置を提供する。
【解決手段】 本発明の加圧型電解セル１０は、フロー環境の加圧下で電解質溶液を電気分解し、電解質溶液が導入される電解処理部２２と、電解処理部２２をカソード側およびアノード側に分離する固体電解質膜３２と、固体電解質膜３２を加圧下で発生するアノード側とカソード側との間の圧力差に対して保持させ、かつアノード側とカソード側との間を連通させるサポート部材３４と、電解処理部２２へと電解質溶液を導入する中空のカソード電極２０およびアノード電極２４と、電解処理部２２のアノード側とカソード側とからそれぞれ前記電解質溶液を加圧下で排出し、接地された中空パイプ２６、２８とを備える。また、本発明は、加圧型電解セル１０を使用するフロー型溶存酸素冨化方法および加圧型電解セル１０を含む装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水中の溶存酸素の冨化方法に関し、より詳細には、水をフローさせながら水中の溶存酸素量を冨化する方法、そのために使用される加圧型電解セル、および加圧型電解セルを備える装置に関する。

水中の溶存酸素は、水の汚染を示す指標として広く使用される重要なパラメータである。また、溶存酸素量は、水中の生物のみならず、酸化還元酵素の活性にも重要な影響を与えるパラメータとなっている。特に酸化還元酵素は、固定化酵素技術およびフローインジェクション分析方法と組み合わされて、種々の分析方法やバイオレメディエーション法が提案されている。

たとえば、特開２００２−２５７７８０号公報（特許文献１）では、緩衝液中にペルオキシダーゼが固定された固定化酵素を使用して被検液と過酸化水素との反応による過酸化水素濃度の減少を測定するフローセルを備えた測定装置が開示され、また、特開平１１−２９００９６号公報（特許文献２）では、リン酸イオン濃度を測定するために、リン酸イオンを含有する試料液とマルトース含有液との混合物を、マルトースホスホリラーゼなどを固定化した固定化酵素に接触させて、フローセル中で化学発光させることによりリン酸イオン濃度を定量するフローインジェクション分析方法が開示されている。この他、特開平７−１９８６５７号公報（特許文献３）、特開平７−６３７２５号公報（特許文献４）においても固定化酵素を使用した溶存酸素量にもとづくフローインジェクション方法が開示されている。

上述したように、固定化酵素技術は、特に酸化還元酵素活性との関連において種々の検討がなされているものの、酵素活性は、水に対する酸素（Ｏ_２）の溶解度により、そのダイナミックレンジが制限されてしまうという不都合があった。

また、溶存酸素量を増加させる技術は、例えば米国特許公開ＵＳ２００４／０１１８７０１Ａ１公報では、電気分解セルを用いる酸素発生装置を開示している（特許文献５）。特許文献５では、極至近距離に電極を配置させ、その間に電流を通じさせることにより酸素を発生させて過飽和水を生成し、過飽和水で植物を成長させる点を開示している。また、特開２００３−８８７３６号公報（特許文献６）では、多孔質膜を通して空気をバブリングさせることにより溶存酸素量を増加させる溶存酸素量増加方法およびそのための装置を開示している。

特許文献５および特許文献６に開示された溶存酸素量の増加方法は、溶存酸素を増大させることはできるものの、そもそも大気圧の下での溶存酸素量を増加させることを目的とするものであり、増加させることができる存酸素量には限界がある。また、加圧された状態で、フローインジェクション分析方法に適用するためには、酸素濃度の絶対量および濃度安定性の点で充分ではないこと、電界セルの耐圧性・変形性といった点で充分なものではなかった。

また、Iida et. al. “Application of an Electrolytic Device to an FIA System for Extension of the Determination Range of L-Ascorbic Acid”, Electrochemistry Vo. 70, No. 7, pp.515-517 (2002)（非特許文献７）、および飯田等、「電解デバイスを導入したL-アスコルビン酸計測システムの開発」、ケミカルセンサ研究会資料、社団法人電気学会、ｐｐ．１２３−１２６、２００３年１１月（非特許文献８）では、電気分解により溶存酸素を増大させたフローインジェクション方法および装置が開示されている。非特許文献７および非特許文献８に開示された電気分解セルを使用することによっても溶存酸素量を、大気圧下での平衡レベルにまで高めることが可能である。しかしながら、より高い溶存酸素量を提供するためには、安定性、耐圧性、およびその取り扱い性が充分ではなく、さらに、大気圧での気液平衡レベルを遙かに超える高濃度の溶存酸素濃度を得る点では充分ではなかった。

特開２００２−２５７７８０号公報 特開平１１−２９００９６号公報 開平７−１９８６５７号公報 特開平７−６３７２５号公報 米国特許公開ＵＳ２００４／０１１８７０１Ａ１公報 特開２００３−８８７３６号公報 Iida et. al. "Application of an Electrolytic Device to an FIA System for Extension of the Determination Range of L-Ascorbic Acid", Electrochemistry Vo. 70, No. 7, pp.515-517 (2002) 飯田等、「電解デバイスを導入したL-アスコルビン酸計測システムの開発」、ケミカルセンサ研究会資料、社団法人電気学会、ｐｐ．１２３−１２６、２００３年１１月

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、フロー系において、より安定で、従来よりも高い溶存酸素量を提供することを目的とする。より具体的には、本発明は、フロー系に導入することができる加圧型電解セルを提供することにより、安定なフロー特性を提供しつつ、加圧下での電解を可能とすることにより、水中の溶存酸素を冨化させることを可能とする、フロー型溶存酸素冨化方法、加圧型電解セル、および加圧型電解セルを備える装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、加圧下では、溶存酸素量が増大することに鑑み、加圧下のフロー系で電気分解を生じさせることにより溶存酸素量を効率的に増加させることができることに着目した。

本発明では、アノード側において溶存酸素量を増加させるため、アノード側だけに加圧を行い、一方、水素（Ｈ_２）が生成されるカソード側は、開放系として、水素の蓄積を防止する。このとき、アノード側に約０．２ＭＰａの圧力をかけただけで、隔膜の変形が変形してしまい、より高圧にすると、最終的には破れてしまうという問題があった。また、カソード側は開放系であるため、水素発生に伴う圧力の増加は見られないのに対し、アノード側は酸素発生に伴う更なる圧力増加が生じ、隔膜への負担が増大することになる。本発明者らは、高圧下での電気分解による高い溶存酸素量の提供に対して、耐圧構造を付与することが重要な問題であることを見出した。

本発明は、上記問題点を解決するために、アノード領域とカソード領域との間に配設される隔膜が圧力差により変形または破損しないように隔膜を保持するする有孔サポート部材または多孔質サポート部材を個体電解質膜に隣接して配置し、電気分解により発生する気体に起因する圧力差から隔膜の変形や破損を防止する。サポート部材には、イオン成分の流通を妨げないように、通孔または細孔が形成されていて、隔膜の過度の変形による液漏れや膜の破れを防止する。

すなわち、本発明によれば、フロー条件下で電気化学的に溶存酸素量を冨化するフロー型溶存酸素冨化方法であって、該方法は、
電解質溶液を、電解処理部と、前記電解処理部をアノード側およびカソード側とに分離し、かつサポート部材で支持された固体電解質膜とを備える加圧型電解セルに導入する段階と、
加圧型電解セル内で前記電解質溶液を電気分解する段階と、
前記加圧型電解セルの前記電解処理部のアノード側から溶存酸素が冨化された前記電解質溶液を加圧下で排出させる段階と
を含む、フロー型溶存酸素冨化方法が提供される。本発明の前記電気分解する段階は、前記アノード側と前記カソード側とを、前記アノード側が前記カソード側よりも高圧の圧力非平衡条件もとで行われる、請求項１または２に記載のフロー型溶存酸素冨化方法が提供される。本発明では、溶存酸素が冨化された前記電解質溶液を加圧下で酸素要求型処理装置に導入する段階を含む、フロー型溶存酸素冨化方法が提供される。

また、本発明では、フロー環境の加圧下で電解質溶液を電気分解するための加圧型電解セルであって、前記加圧型電解セルは、
前記電解質溶液が導入される電解処理部と、
前記電解処理部をカソード側およびアノード側に分離する固体電解質膜と、
前記固体電解質膜を加圧下で発生するアノード側とカソード側との間の圧力差に対して保持させ、かつ前記アノード側とカソード側との間を連通させるサポート部材と、
前記電解処理部へと前記電解質溶液を導入する中空のカソード電極およびアノード電極と、
前記電解処理部の前記アノード側と前記カソード側とからそれぞれ前記電解質溶液を加圧下で排出し、接地された中空パイプと
を含む加圧型電解セルが提供できる。

本発明の前記サポート部材は、通孔を備えるプレートまたは多孔質プレートとすることができる。本発明の前記電解質溶液の電気分解は、前記アノード側と前記カソード側とを、前記アノード側が前記カソード側よりも高圧の圧力非平衡条件として、前記アノード側でＯ_２を生成させる。

さらに本発明では、上記いずれか１項に記載の加圧型電解セルと、
前記加圧型電解セルのカソード側電解処理部とアノード側電解処理部に対して電解質溶液を供給する送液装置と、
前記加圧型電解セルの前記アノード側電解処理部から排出された溶存酸素の冨化された前記電解質溶液が加圧下で導入される酸素要求型処理装置とを備える装置が提供される。

本発明の前記装置は、フローインジェクション分析装置とすることができる。本発明の前記装置は、水質浄化装置とすることができる。本発明の前記酸素要求型処理装置は、固定化酵素カラムとすることができる。

本発明によれば、水中の溶存酸素量を、大気圧を超えたレベルにまで安定的また継続的に高めることを可能とする。このため、本発明のフロー型溶存酸素冨化方法は、溶存酸素の変化量を検出するフローインジェクション分析において、その検出ダイナミックレンジを拡大することにより、リニアリティを著しく改善することができる。また、本発明の加圧型電解セルは、高い溶存酸素量を提供できる結果、酵素活性を著しく高め、またその持続性を高めることを可能とする。さらに、本発明では、上述の加圧型電解セルを備える装置を提供することができる。

以下、本発明を図面に示した具体的な実施の形態をもって説明するが、本発明は、後述する実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の加圧型電気分解セル１０の概略的な構成を示した図である。図１に示される加圧型電気分解セル１０は、カソード部材１２と、アノード部材１４と、カソード部材１２とアノード部材１４とを圧力下で緊密に締結させるための端部部材１６、１８とを含んで構成されている。カソード部材１２には、カソード電極２０が導入されている。カソード電極２０は、中空パイプから形成されていて、燐酸バッファといった電解質溶液を、加圧型電解セル１０の電解処理部２２へと導入している。また、アノード部材１４についても同様に、中空のアノード電極２４が導入されていて、電解処理部２２へと電解質を含む水を導入している。

さらに、カソード部材１２およびアノード部材１４には、同様に導電性の中空パイプ２６、２８が取り付けられていて、電解処理部２２に蓄積された水を加圧下で排出させている。中空パイプ２６、２８は、溶存酸素が冨化された水を、アノード電極２４側から排出し、また水素を含む水をカソード電極２０側から排出させている。さらに、中空パイプ２６、２８は、導電性部材で形成され、グランドに接地されている。また、カソード電極２０、アノード電極２４、および中空パイプ２６、２８は、加圧型電解セル１０に対して耐圧型コネクタ３０ａ〜３０ｄにより連結されていて、少なくとも５.０ＭＰａまでの耐圧性が確保されている。

本発明の加圧型電解セル１０のカソード部材１２とアノード部材１４との間には、固体電解質膜３２が配設されている。固体電解質膜３２は、カソード領域とアノード領域とを、電解処理部２２内部に画成させ、カソード側およびアノード側の成分が、イオン成分を除き、混合しないように隔離している。固体電解質膜３２としては、イオン交換樹脂などのフィルムや、プレートを使用することができるが、イオン成分の物質移動の効率を考慮するとプレートよりも膜から構成することが好ましい。本発明の特定の実施の形態での固体電解質膜は、ナフィオン（登録商標）を使用する。しかしながら、本発明では、これまで知られたいかなる固体電解質膜であっても使用することができる。本発明において使用することができるまた、固体電解質膜３２に隣接して、固体電解質膜３２を支持するためのサポート部材３４が配置されている。サポート部材３４は、後述するように、加圧下で発生するカソード側およびアノード側の圧力差による固体電解質膜３２の変形や破損を防止するために使用される。また、サポート部材３４は、イオン成分の固体電解質膜３２を通した移動を妨げないように、通孔の形成されたプレートまたは多孔質プレートから形成されている。

また、端部部材１６、１８の両側部には、３電極系で電流を通電させる時の参照電極（３６ａあるいは３６ｂ）を挿入することが可能となっている。その際も耐圧型コネクタ３８ａ、３８ｂにより加圧型電解セル１０へと固定することができる。２電極系で電流を通電させる時は、３６ａあるいは３６ｂを使用せず、３８ａ、３８ｂにはエンドキャップを用いる。上述したアノード部材１４、カソード部材１２、端部部材１６、１８には、それぞれ位置合わせされて設けられた固定用ホール４２、４４が形成されていて、ボルト４６、４８により、各部の間に配置されたＯ−リング５４を圧迫して耐圧性を付与している。

図１には、固定用ホール４２、４４が例示的に示されているものの、図１に示した実施の形態では、加圧型電解セル１０が直方体型に形成され、対応する端部部材には、四隅に固定用ホール４２、４４が形成されている。また、固定用ホール４２、４４は、図１に示した実施の形態では、端部部材１６側が先止まりに形成されていて、端部部材１８側から挿入されるボルト４６、４８に螺合して、加圧型電解セル１０の各部材を締結している。なお、本発明の加圧型電解セル１０の各部材は、電極などを除き、プラスチックなどの絶縁性材料で形成されている。なお、電解処理部２２のそれぞれカソード側およびアノード側に破線で示した部分は、ガスパージ用のリリース・バルブであり、手動または自動で開閉可能とされている。特に、本発明においては、カソード側のリリース・バルブは、開放されており、カソード側が加圧されず、またアノード側は、電解処理の期間中は閉じられていて、アノード側だけに加圧が行われ、溶存酸素濃度が加圧下で高められる。さらに、本発明では、加圧型電解セルの形状としては、直方体の他にも、円筒形、球形など、使用される圧力、容量などの条件に応答して、適宜選択して設計することができる。

加圧下での電気分解について以下に説明する。まず、本発明では、電解質溶液としては、生化学的に多く使用される緩衝溶液を使用することができ、これらの緩衝溶液としては、例えば、100 mM Tris-HCl緩衝液、MOPS-EDTA-酢酸ナトリウム緩衝液、酢酸−酢酸ナトリウム緩衝液、100mM K-PO₄、0.1mM EDTA (pH7.4)、Tris-Ac緩衝液、Tris-Ac-エタノールアミン緩衝液の他、市販のいかなる標準アミノ酸分析用緩衝液キットに含まれる緩衝液を挙げることができる。また、本発明においてはこれらの緩衝溶液の他、電気化学的に酸素（Ｏ_２）と水素（Ｈ_２）とを生成させることができる電解質溶液であれば、特に制限無く使用することができる。

いずれの緩衝液を使用する場合でも、カチオン成分は、水素イオンよりもイオン化傾向が大きく、またアノード側では水酸イオンが還元されるので、トータルの電気化学的反応は、下記式で示される。

すなわち、Ｈ_２の方が、Ｏ_２の２倍量生成されることになる。一方、２０℃での水に対する水素分子の溶解度は、０．０１８ｃｍ^３／ｃｍ^３であり、酸素分子の溶解度は、０．０３１ｃｍ^３／ｃｍ^３である。このため、Ｈ_２の方が、Ｏ_２よりも多く発生し、また水に対してより溶解しないので気体として放出されることになる。また、加圧型電解セル内においてＨ_２が蓄積すると不具合が生じる場合も想定される。このため、加圧下で水を電気分解する場合には、本発明においては、アノード側だけを高圧とし、カソード側はできるだけ低圧、具体的には大気圧に開放するか、または、水素を除去しながら連続的に電気分解することが好ましい。このため、加圧型電気分解セル１０のアノード側とカソード側には、大きな圧力差が形成され、イオン成分の連通を確保しながら、上述した高い圧力差に対抗させる必要がある。

本発明では、このような圧力差に対応するために、ナフィオン膜ではなく、導電性プラスチックといったプレートを使用することもできるものの、固体電解質膜を通過するイオン成分の移動度が低下してしまうことにより、電解効率が低下してしまう。そこで、本発明では、固体電解質膜を圧力差に対抗してサポートするサポート部材を、固体電解質膜に隣接して配置する。

図２は、本発明のカソード部材１２およびアノード部材１４と、その間に配設される固体電解質膜３２およびサポート部材３４の支持構造を詳細に示した分解斜視図である。固体電解質膜３２は、カソード部材１２とアノード部材１４との間に保持されている。また、カソード部材１２およびアノード部材１４には、電極を挿入するための開口５６、５８が形成され、図示しないカソード電極およびアノード電極が挿入されて、開口６０およびカソード側の開口により、電解処理部を形成するための空間を提供している。さらに、開口６０には、固体電解質膜３２を弾性的に固定するためのシリコーンシート５０を収容する収容構造６２が形成されていて、この収容構造は、図２中では隠されているカソード部材１２の同様な位置にも形成されている。

固体電解質膜３２のさらにカソード部材１２の側には、通孔６４の形成されたサポート部材３４が配置され、シリコーンシート５２を介してカソード部材１２の開口に形成された支持構造に位置決めされる。また、カソード部材１２側には、図示しないＯ−リング溝が形成されており、Ｏ−リング５４により加圧下でのシールドを可能とさせている。なお、サポート部材３４は、固体電解質膜に対してカソード側に配置することが、効率的に固体電解質膜の変形を抑制することができる点で好ましい。しかしながら、固体電解質膜の膜厚または剛性に依存して、サポート部材３４は、アノード側に配置されても良い。

本発明において電気分解は、ガルバノスタットの能力に応じて適切な電解電流、例えば電流値を１００ｍＡ以下の範囲として行うことができる。また、圧力は、後述するフローインジェクション装置を使用する場合には、流量制御バルブや細管を廃液口に設置するなどの加圧手段を使用することにより、２．０ＭＰａ程度まで加えることができる。また、カソード側で発生するＨ_２は、そのまま電解処理部２２から排出された後、廃棄することもできるし、また特に水素を含む電解液が必要とされる場合には、その目的に供給することができる。

図３は、本発明の加圧型電解セルを備えるフロー型溶存酸素冨化装置を示した図である。図３に示すフロー型溶存酸素冨化装置７０は、概ね高速液体クロマトグラフ装置に類似した構成とされており、定量ポンプ７２、ペリスタポンプ７４と、電解用電源７６と、加圧型電解セル７８とを含んで構成されている。電解用電源７６の陽極（＋側）端子は、中空アノードに接続され、陰極（−側）端子は、中空カソードに接続されていて、中空のアノードおよびカソードが電解セル７８の電解処理部にまで延びて、電気分解により酸素（Ｏ_２）を加圧下で生成させている。また、図３に示したフロー型溶存酸素冨化装置７０は、さらにダンパ８０と、インジェクション・バルブ８２と、酸素消費型処理装置である固定化酵素カラム８４とを含んでいる。また、各ポンプ７２、７４には、それぞれキャリア貯め６６、６８に蓄えられた緩衝液（電解質溶液）が供給されている。

緩衝液としては、上述したこれまで知られたいかなる緩衝液でも使用することができる。緩衝液は、概ね、１．０ｍｌ／ｍｉｎ程度の流量で送液されている。ダンパ８０は、定量ポンプ７２により送られたキャリアの脈流を防止するために用いられるが、脈流を防止する必要がない場合には、使用しなくとも良い。インジェクション・バルブ８２は、本発明のフロー型溶存酸素冨化装置を、フローインジェクション分析装置として使用する特定の実施の形態では、ループ付ロータリー・バルブとされ、マイクロシリンジによる注入操作が可能とされていてもよい。

固定化酵素カラム８４は、担体に担持された酵素からなる固定化酵素が保持されている。固定化酵素カラム８４に担持された酵素は、高い溶存酸素濃度により高い活性が与えられ、フローインジェクション分析においては高い感度およびダイナミックレンジを付与する。本発明において使用できる酵素としては、例えば、チロシナーゼ、ラッカーゼ、マンガンペルオキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、アミンオキシダーゼ、グルコースオキシダーゼ、尿酸オキシダーゼ、ペルオキシダーゼ、カタラーゼ、チロシナーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、などを挙げることができる。しかしながら、本発明では、上記以外にも適切な酸化還元酵素であれば、特に制限無く適用することができる。

固定化酵素カラム８４から排出された電解質溶液は、電解質溶液の移動に伴って被検出物質を検出器８６へと送られ、検出器８６により検出対象の検出が行われる。本発明において酵素反応の検出は、溶存酸素量を直接的に検出する酸素電極や、酵素反応により生成される反応熱を検出する、固定化酵素カラム８４と一体として形成された熱検出器８８などを使用することができる。さらに、検出器８６、または熱検出器８８には、図示しない適切な増幅装置などを介してレコーダ９０が接続されていて、電圧または電流信号を、時間に対してプロットさせている。また、本発明では、水素を含む電解質溶液は、廃液貯め９２へと送られ、水素の処理が行われる。

本発明において使用することができる固定化酵素は、市販のものが利用できる場合には、市販のものを使用することができる。また、上述した固定化処理は、特定の酵素を担体に固定化させることにより行うことができ、酵素の固定化には、種々の固定化方法を使用することができる。例えば酵素の固定化のための方法としては、例えばグルタルアルデヒドなどを利用する架橋法、ヒドロキシアパタイトなどを利用する物理的吸着法、イオン交換樹脂などを利用するイオン結合法、ジアゾニウム塩などを利用する共有結合法、アルギン酸や膜などを利用した包括法など、これまで当業界において知られた固定化方法であればいかなる方法でも用いることができ、特定の方法に限定されるものではない。

また、本発明において酵素を固定化させる担体には、シリカ、アルミナ、ケイ藻土、ガラスなど種々の担体を使用することができるものの、細孔の安定性および取扱性といった点から、人工的に合成された微細孔性ガラスを用いることができる。上述した担体の粒子径は、１００μｍ〜数ｍｍの範囲とすることができ、またポアサイズとしては、約１０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で使用することができる。

また、上述した担体としては、酵素および使用条件などの特定の用途に対応して、ガラス以外にも、酵素の固定化に用いることのできる白金や金等で作成した電極、寒天、逆ミセルなどを利用することができる。担体に対して酵素を固定させる場合の処理は、種々考えられるものの、所定量の担体を、シランカップリング剤、チタンカップリング剤、その他の金属−有機カップリング剤で処理して有機物に対する結合性を与え、緩衝溶液を使用して調整した酵素溶液を担体に加えて乾燥する方法を好ましく用いることができる。

図４は、本発明の加圧型電解セルを備える水質浄化装置の実施の形態を示した図である。図４に示した加圧型電解セルを備える装置９４は、図３に示したフローインジェクション分析装置と概ね同様の構成とされている。キャリア貯め９６には、例えばダイオキシン、ＰＣＢ、２，４−ジクロロフェノール、ビスフェノールＡなどの環境ホルモンなどが含まれた河川、湖沼などの水に、適切な緩衝成分を加えて電解質溶液が蓄積されている。

また、キャリア貯め９８には、同様な緩衝成分を含むキャリアが貯められていて、定量ポンプ１００、ペリスタポンプ１０２により加圧型電解セル１０６へと送られている。加圧型電解セル１０６において溶存酸素量が冨化された状態で、固定化酵素カラム１０８へと送られ、汚染成分が分解され、水質の浄化が行われる。また、本発明の他の実施の形態では、固定化酵素カラム１０８から排出された電解質溶液を再度キャリア貯め９６へと循環させ、汚染物質が除去されるまで、浄化処理を繰り返すこともできる。図４の実施例で使用することができる酵素としては、ラッカーゼ、マンガンペルオキシダーゼなどを挙げることができる。この場合も、溶存酸素の冨化された状態で酵素活性が高められることにより、酵素活性の持続期間を向上でき、また分解活性も高めることができる。なお、本発明者らは、固定化ラッカーゼが純水中でも触媒作用を示すことを見出しており、通電可能な範囲において緩衝液を加えなくても該システムと組み合わせ効果をあげることができる。

以下、本発明のフロー型溶存酸素冨化装置をフローインジェクション装置に適用した実施例を用いて、本発明を、より詳細に説明する。

（実施例１）
本発明のフロー型溶存酸素冨化装置を図３に示すフローインジェクション分析装置として構成した。キャリアとしては、５０ｍＭのクエン酸塩緩衝液（ｐＨ５．０）を使用した。なお、このとき、固定化酵素カラムは、ブランクとし、空の状態で酸素冨化のみを検討できるようにした。使用した送液ポンプは、アノード側セル通液用ポンプとしてＰＵ−１５０８ｉダブルプランジャポンプ（株式会社ＪＡＳＣＯ製）を、カソード側セル通液用ポンプとしてPERISTA BIO-MINIPUMP（アトー株式会社製）を使用した。キャリアの送液条件は、流速１ｍｌ／ｍｉｎとし、アノード側セル内の圧力を０．２ＭＰａとした。

加圧型電解セルにガルバノスタット（ＨＡ−１５１、北斗電工株式会社製）を使用して、電流を加えた。酸素電極としては、BO−P、株式会社バイオット製を使用し、ポテンシオ−ガルバノスタット（ＨＡ−３０１、北斗電工株式会社製）、電流計（ゼロシャントアムメータＨＭ−１０４、北斗電工株式会社製）および、レコーダ（マルチペンレコーダ、株式会社理化電機製、MULTI-PEN RECORDER (R-62MB)）を使用して、酸素電極からの出力電流をモニタした。加圧型電解セルに１０ｍＡの電流を通じて送液し、酸素電極からの出力電流を測定したところ、酸素電極の出力電流は、１２μＡであった。

（実施例２）
実施例１と同様の装置（ポテンシオーガルバノスタットはPOWER PAC 1000、日本バイオ・ラッドラボラトリーズ株式会社製、固定化酵素充填用カラムは、空カラム、ジーエルサイエンス株式会社製）を使用して、加圧型電解セルに対して３０ｍＡの電流を加えて酸素電極からの出力電流を測定したところ、約１７μＡの出力電流が得られた。キャリアの送液条件は、流速１ｍｌ／ｍｉｎとし、アノード側セル内の圧力を０．６ＭＰａとした。

（比較例１）
実施例１と同様の装置を使用して、加圧型電解セルに電流を通じずに酸素電極の出力を測定したところ３．６μＡの電流しか得られなかった。

（比較例２）
実施例１と同様の装置を使用して、キャリアに大気圧下での酸素バブリングを行って溶存酸素量を増加させ、酸素電極の出力を測定したところ８μＡの出力電流が得られた。

上述した実施例および比較例で得られた結果を表１にまとめて示す。表１に示されるように、加圧型電解セルに１０ｍＡの電流を通じた場合には、電気分解を行わず、室温（約３０℃）の飽和酸素濃度を含む比較例１に対して、約３倍の出力電流が得られた。このことは、酸素電極が溶存酸素量に応答した出力電流を生成することを考えれば、本発明の方法により、溶存酸素量が約３倍となっていることが示される。また、３０ｍＡの電流を通じた場合には、比較例１の約５倍の出力電流値が得られ、溶存酸素量が約５倍となっていることが示される。一方、本発明で得られた出力電流値（溶存酸素量）は、大気圧下での酸素バブリングで得られた溶存酸素量と比較しても、それぞれ１．５倍（実施例１）および２．２倍（実施例２）となっており、電流値の増大に応じて溶存酸素量を効率的に増加させることができることが示される。すなわち、本発明によれば、加圧下での溶存酸素量まで電解電流の強度に応答して任意に溶存酸素量を増加させることができることが示された。

（実施例３）
図３に示すフローインジェクション分析装置を構成し、溶存酸素量の増大に伴う酵素活性の向上を、検量線の直線範囲より検討した。このとき、キャリア（電解質溶液）としては、５０ｍＭのクエン酸塩緩衝液（ｐＨ５．０）を使用し、基質としては、Ｌ−アスコルビン酸を用い、固定化酵素カラムとしては、ラッカーゼをガラス担体に固定化した固定化酵素を充填したカラムを使用した。また、検出器としては、紫外−可視分光光度計（株式会社ＪＡＳＣＯ製、ＵＶ−９７０、λ＝２６５ｎｍ）を使用し、吸収スペクトルの減少量が、基質のインジェクションの濃度に対してリニアリティを示すか否かを検討した。使用した送液ポンプは、アノード側セル通液用ポンプとしてＰＵ−１５０８ｉダブルプランジャポンプ（株式会社ＪＡＳＣＯ製）を、カソード側セル通液用ポンプとしてPERISTA BIO-MINIPUMP（アトー株式会社製）使用した。キャリアの送液条件は、流速１ｍｌ／ｍｉｎとし、アノード側セル内の圧力を０．６ＭＰａとして行った。

図５には、実施例３で得られた吸光度を縦軸とし、Ｌ−アスコルビン酸の濃度を横軸としてプロットした図を示す。Ｌ−アスコルビン酸は、２６５ｎｍに吸収を示し、酵素反応産物であるデヒドロアスコルビン酸は吸収を示さない。そのため、酵素活性が強いほど吸光度は小さく、逆に酵素活性が低いほど吸光度は大きくなる。また、活性が上限に達すると、その値は、カラムを通さない際のＬ−アスコルビン酸の値に近づくため、その濃度から、検量線の傾きが変化することになる。この点から図５を検討すると、加圧下の電気分解によるデータ（◆）では、Ｌ−アスコルビン酸の濃度が、６ｍＭまで吸光度がリニアに増加していることが示される。一方、常圧下のデータ（■）では、リニアリティのある領域は、僅かに２ｍＭ程度であり、加圧下での電気分解により、従来に比較して少なくとも３倍、酵素活性が向上していることが示された。

上述したように、本発明によれば、加圧下での溶存酸素量にまで任意に溶存酸素量を増加させることができるフロー型の溶存酸素冨化方法、加圧型電解セル、および加圧型電解セルを備える装置が提供できることが示された。したがって、本発明は、溶存酸素量の増加による酸化還元酵素の活性を利用する分析装置、水質改善装置、など加圧型電解セルを備える種々の装置を提供することができる。具体的には、フローインジェクション分析装置、水質改善装置、汚水、下水、水道水などの処理装置、微生物などの培養装置、医療機器、健康機器などを提供することができる。

本発明の加圧型電気分解セルの概略的な構成を示した図。 本発明のカソード部材およびアノード部材と、その間に配設される固体電解質膜およびサポート部材の支持構造を詳細に示した図。 本発明の加圧型電解セルを備えるフロー型溶存酸素冨化装置を示した図。 本発明の加圧型電解セルを備える水質浄化装置の実施の形態を示した図。 実施例３で得られた吸光度を縦軸とし、アスコルビン酸の濃度を横軸としてプロットした図。

符号の説明

１０…加圧型電気分解セル、１２…カソード部材、１４…アノード部材、１６、１８…端部部材、２０…カソード電極、２２…電解処理部、２４…アノード電極、２６、２８…中空パイプ、３０ａ〜ｄ…耐圧型コネクタ、３２…固体電解質膜、３４…サポート部材、３６…電極、３８ａ、３８ｂ…耐圧型コネクタ、４２、４４…固定用ホール、４６、４８…ボルト、５０…シリコーンシート、５２…シリコーンシート、５４…Ｏ−リング、５６、５８…開口、６０…開口、６２…収容構造、６４…通孔

Claims (10)

1. フロー条件下で電気化学的に溶存酸素量を冨化するフロー型溶存酸素冨化方法であって、該方法は、
   電解質溶液を、電解処理部と、前記電解処理部をアノード側およびカソード側とに分離し、かつサポート部材で支持された固体電解質膜とを備える加圧型電解セルに導入する段階と、
   加圧型電解セル内で前記電解質溶液を電気分解する段階と、
   前記加圧型電解セルの前記電解処理部のアノード側から溶存酸素が冨化された前記電解質溶液を加圧下で排出させる段階と
   を含む、フロー型溶存酸素冨化方法。
2. さらに、溶存酸素が冨化された前記電解質溶液を加圧下で酸素要求型処理装置に導入する段階を含む、請求項１に記載のフロー型溶存酸素冨化方法。
3. 前記電気分解する段階は、前記アノード側と前記カソード側とを、前記アノード側が前記カソード側よりも高圧の圧力非平衡条件もとで行われる、請求項１または２に記載のフロー型溶存酸素冨化方法。
4. フロー環境の加圧下で電解質溶液を電気分解するための加圧型電解セルであって、前記加圧型電解セルは、
   前記電解質溶液が導入される電解処理部と、
   前記電解処理部をカソード側およびアノード側に分離する固体電解質膜と、
   前記固体電解質膜を加圧下で発生するアノード側とカソード側との間の圧力差に対して保持させ、かつ前記アノード側とカソード側との間を連通させるサポート部材と、
   前記電解処理部へと前記電解質溶液を導入する中空のカソード電極およびアノード電極と、
   前記電解処理部の前記アノード側と前記カソード側とからそれぞれ前記電解質溶液を加圧下で排出し、接地された中空パイプと
   を含む加圧型電解セル。
5. 前記サポート部材は、通孔を備えるプレートまたは多孔質プレートである、請求項４に記載の加圧型電解セル。
6. 前記アノード側と前記カソード側とを、前記アノード側が前記カソード側よりも高圧の圧力非平衡条件として、前記アノード側でＯ_２を生成させる、請求項４または５に記載の加圧型電解セル。
7. 請求項４から６のいずれか１項に記載の加圧型電解セルと、
   前記加圧型電解セルのカソード側電解処理部とアノード側電解処理部に対して電解質溶液を供給する送液装置と、
   前記加圧型電解セルの前記アノード側電解処理部から排出された溶存酸素の冨化された前記電解質溶液が加圧下で導入される酸素要求型処理装置と
   を備える装置。
8. 前記装置は、フローインジェクション分析装置である、請求項７に記載の装置。
9. 前記装置は、水質浄化装置である、請求項７に記載の装置。
10. 前記酸素要求型処理装置は、固定化酵素カラムである、請求項７から９のいずれか１項に記載の装置。

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