JP2006272323A - ガス混合装置及びガス混合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】混合ガスの使用量が少なく且つ使用量の変動も小さい培養関連等の分野に用いた場合において、構造の簡略化及び小型化を図って、使い勝手のよさを実現し、設備コストの上昇を抑えることが可能なガス混合装置及びガス混合方法を提供する。
【解決手段】２種類の原料ガスのうちの一方の原料ガスＧａが送給されるガス送給路２ａと、他方の原料ガスＧｂが送給されるガス送給路２ｂと、ガス送給路２ａ，２ｂに各々設けた調圧弁３と、一方の流入口４ａに一方のガス送給路２ａを接続し且つ他方の流入口４ｂに他方のガス送給路２ｂを接続した三方弁４と、三方弁４の流出口４ｃに接続した流量調節弁５と、流量調節弁５とガス流量計６を介して接続した小型のガス混合容器７と、ガス混合容器７内で生成される混合ガスの濃度を設定値にすべく三方弁４の２つの流入口４ａ，４ｂを交互に開閉する制御部８を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、２種類の原料ガスを混合して設定濃度の混合ガスを生成して供給するガス混合装置に係わり、特に、微生物や動植物の細胞又は組織等の生物体の培養等に用いられる混合ガスを生成するのに好適なガス混合装置及びガス混合方法に関するものである。

従来、上記したガス混合装置としては、例えば、複数の原料ガス系統の各々に設けられた遮断弁と、各遮断弁を通過した混合ガスを蓄圧するバッファタンクを備えたものがあり、このガス混合装置では、バッファタンクの圧力が設定下限圧力を下回った段階で、バッファタンク内の各ガス組成の濃度の分析値と目標値との差をなくすべく、上記遮断弁の開閉時間を制御することで、断続的に混合ガスを生成するようにしている。
特開２００１−２５９４００号公報

ところが、上記した従来のガス混合装置は、混合ガスの使用量が大量で、しかも、使用量の変動が大きな分野、例えば、半導体製造関連分野や、医療関連分野で使用される都合上、例えば３ｍ^３等のごとく大容量のバッファタンクを必要とするだけでなく、上記したように、バッファタンクの圧力やガス組成の濃度の分析値によって複数の遮断弁を開閉するという複雑な制御を行う必要がある。

ここで、微生物や動植物の細胞又は組織等の生物体の培養等に用いられるラジアルフローバイオリアクターや炭酸ガスインキュベータ等の装置では、混合ガスの使用量が少なく、そして、使用量の変動も小さい。例えば、動物細胞の培養中のｐＨの上昇を防ぐ場合には、培養雰囲気中に対して、培養期間中継続して炭酸ガスを５％含む空気と炭酸ガスとの混合ガスを少量供給するようにしており、この際、ガスの混合精度は、広範囲の中から所望の精度を選択するようになっている。

したがって、このような混合ガスの使用量が少なく且つ使用量の変動も小さい培養関連の分野に上記した従来のガス混合装置を用いた場合には、大型で構造が複雑なものとなることで使い勝手が良好であるとは言い難いうえ、設備コストの上昇をも招き兼ねないという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、混合ガスの使用量が少なく且つ使用量の変動も小さい培養関連等の分野に用いた場合において、構造の簡略化及び小型化を図って、使い勝手のよさを実現し、加えて、設備コストの上昇を抑えることが可能であるガス混合装置及びガス混合方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、互いに等しいガス圧力の２種類の原料ガス送給路を１個の三方弁の２つの流入口にそれぞれ接続すると共に、この三方弁の１つの流出口の下流側に流量調節弁，ガス流量計及び小型のガス混合容器を順次配置し、ガス混合容器内の混合ガスの濃度を設定値にすべく交互に開閉する三方弁の２つの流入口の開時間を制御する制御部を設けることにより、使用目的ガス濃度（所望する濃度）の混合ガスを容易に連続して生成し、そして、供給し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

ここで、
小型のガス混合容器の容量 ：Ｖ（ｃｍ^３）
混合ガスの構成比が大の
原料ガスＧａの流量 ：Ｑ_Ａ（ｃｍ^３／秒）
原料ガスＧｂの流量 ：Ｑ_Ｂ（ｃｍ^３／秒）
原料ガスＧｂの濃度 ：Ｃ（％）
三方弁の交互に開く２つの流入口が
１回ずつ開くのに要する
合計時間であるタイムサイクル ：Ｔ（秒）
タイムサイクルにおいて混合ガスの
構成比が小の原料ガスＧｂ側の三方弁の
流入口が開く時間の割合 ：ａ （０＜ａ＜１）
混合ガスの濃度の許容誤差 ：Ｎ（％）
とした場合、同じ差圧で同じオリフィスを通過させたときの原料ガスＧａと原料ガスＧｂとの流量比は、原料ガスＧａ及び原料ガスＧｂの各密度の平方根に反比例するので、
Ｑ_Ａ：Ｑ_Ｂ＝（１／ρ_Ａ）^１／２：（１／ρ_Ｂ）^１／２ （１）
（但し、ρ_Ａは原料ガスＧａの密度、ρ_Ｂは原料ガスＧｂの密度）
であり、三方弁の原料ガスＧａ側の流入口が開く時間（秒）及び流量（ｃｍ^３／秒）と、三方弁の原料ガスＧｂ側の流入口が開く時間（秒）及び流量（ｃｍ^３／秒）は、表１に示すようになる。

つまり、トータルガス中における原料ガスＧｂの濃度Ｃ（％）は、
Ｃ＝〔ＴａＱ_Ａ（ρ_Ａ／ρ_Ｂ）^１／２／｛Ｔ（１−ａ）Ｑ_Ａ＋ＴａＱ_Ａ（ρ_Ａ／ρ_Ｂ）^１／２｝〕×
１００
＝〔ＴａＱ_Ａ（ρ_Ａ／ρ_Ｂ）^１／２／ＴＱ_Ａ｛（１−ａ）＋ａ（ρ_Ａ／ρ_Ｂ）^１／２｝〕×１００
＝〔ａ（ρ_Ａ／ρ_Ｂ）^１／２／｛１−ａ＋ａ（ρ_Ａ／ρ_Ｂ）^１／２｝〕×１００ （２）
となる。

この濃度Ｃ（％）に制御中の三方弁の原料ガスＧａ側の流入口が閉じた時点（三方弁の原料ガスＧｂ側の流入口が開く直前）におけるガス混合容器内の原料ガスＧｂの濃度（Ｃ_ＡＥ（％））は、
Ｃ_ＡＥ＝〔｛（Ｖ−ＴＱ_Ａ（１−ａ））×Ｃ／１００｝／Ｖ〕×１００ （３）
であり、初めの濃度Ｃ（％）に対する比をとると、
Ｃ_ＡＥ／Ｃ＝（Ｖ−ＴＱ_Ａ（１−ａ））／Ｖ＝１−ＴＱ_Ａ（１−ａ）／Ｖ （４）
となる。

したがって、使用目的ガス濃度の許容誤差をＮ（％）ないしそれ以下にするには、
ＴＱ_Ａ（１−ａ）／Ｖ≦Ｎ／１００ （５）
を満たすべく制御すればよいことになる。

例えば、Ｃ_ＡＥ／Ｃを０．９以上にするには、式（４）を用いて、
｛１−ＴＱ_Ａ（１−ａ）／Ｖ｝＞０．９を満足させればよく、
すなわち、式（５）を用いて、使用目的ガス濃度の許容誤差Ｎを１０（％）として、
ＴＱ_Ａ（１−ａ）／Ｖ＜０．１を満足させればよい。

この際、原料ガスＧａを空気（密度ρ_Ａ＝１．２９３ｋｇ・ｍ^−３）とし、原料ガスＧｂを炭酸ガス（密度ρ_Ｂ＝１．９７７ｋｇ・ｍ^−３）とすると、同じ差圧で同じオリフィスを通過させたときの原料ガスＧａと原料ガスＧｂとの流量比は、式（１）から、
Ｑ_Ａ：Ｑ_Ｂ＝１：０．８１ となり、１タイムサイクル中における原料ガスＧａ側の流入口が開く時間（秒）及び容積比と、原料ガスＧｂ側の流入口が開く時間（秒）及び容積比は、表２に示すようになる。

つまり、トータルガス中における原料ガスＧｂの濃度Ｃ（％）は、式（２）から、
Ｃ＝〔０．８１Ｔａ／｛Ｔ（１−ａ）＋０．８１Ｔａ｝〕×１００
＝８１ａ／（１−０．１９ａ） （６）
となり、このとき、原料ガスＧｂの濃度Ｃを５（％）、小型のガス混合容器の容量Ｖを２５０（ｃｍ^３）とすると、式（６）により ａ≒０．０６１ が求まるから、上記した
ＴＱ_Ａ（１−ａ）／Ｖ＜０．１に、このａ≒０．０６１とＶ＝２５０を代入すると、
ＴＱ_Ａ＜２６．６が求まる。

通常、ガス流量が約０．３３（ｃｍ^３／秒）＝２０（ｃｍ^３／分）程度で使用することから、タイムサイクルＴは９０秒程度にまで延ばすことができる。

また、Ｃ_ＡＥ／Ｃを０．９５以上にするには、式（４）を用いて、
｛１−ＴＱ_Ａ（１−ａ）／Ｖ｝＞０．９５を満足させればよく、
すなわち、式（５）を用いて、使用目的ガス濃度の許容誤差Ｎを５（％）として、
ＴＱ_Ａ（１−ａ）／Ｖ＜０．０５を満足させればよい。

この際、上記と同様に、原料ガスＧａを空気とし、原料ガスＧｂを炭酸ガスとし、原料ガスＧｂの濃度Ｃを５（％）、小型のガス混合容器の容量Ｖを２５０（ｃｍ^３）とすると、式（６）により ａ≒０．０６１ が求まるから、上記した
ＴＱ_Ａ（１−ａ）／Ｖ＜０．０５に、ａ≒０．０６１とＶ＝２５０を代入すると、
ＴＱ_Ａ＜１３．３が求まる。

したがって、ガス流量を１（ｃｍ^３／秒）＝６０（ｃｍ^３／分）程度に増したとしても、タイムサイクルＴを１３．３秒以下にすれば、原料ガスＧｂの濃度の許容誤差Ｎを５（％）以下にすることができることになる。なお、混合ガスの構成比が１：１である場合には、いずれか一方を原料ガスＧａとして演算すればよい。

そこで、本発明の２種類の原料ガスを混合するガス混合装置では、互いのガス圧力を等しくする調圧弁をそれぞれ有する２つのガス送給路と、２つの流入口及び１つの流出口を具備して上記２つの流入口のうちの一方の流入口に一方のガス送給路を接続すると共に他方の流入口に他方のガス送給路を接続した三方弁と、この三方弁の流出口に接続した流量調節弁と、上記流量調節弁とガス流量計を介して接続した小型のガス混合容器と、このガス混合容器内で生成される混合ガスの濃度を設定値にすべく上記三方弁の２つの流入口を交互に開閉する制御部を備えたものとし、この制御部が、
上記した式（５）の ＴＱ_Ａ（１−ａ）／Ｖ≦Ｎ／１００ を満たすべく制御するようにした。

一方、本発明のガス混合方法では、圧力を互いに等しくした２種類の原料ガスを三方弁の２つの流入口からそれぞれ流入させて、この三方弁の流出口側に位置させた小型のガス混合容器内で混合するに際して、
上記した式（５）の ＴＱ_Ａ（１−ａ）／Ｖ≦Ｎ／１００ を満たすべく三方弁の２つの流入口を交互に開閉制御する構成としたことを特徴としている。

本発明では、ガス混合操作を開始すると、三方弁の交互に開閉する２つの流入口の開時間（この交互の開時間のタイムサイクルは条件により異なるが、通常は数秒から数十秒である。）が制御部によってコントロールされ、２種類の原料ガスは、交互に三方弁を通過して流量調節弁及びガス流量計を介して連続的に実質大気圧雰囲気の小型のガス混合容器に小容量ずつ送給される。そして、このガス混合容器内において、２種類の原料ガスが拡散及び分散等の運動により混合することで、所望の濃度範囲の混合ガスが生成される。

なお、このガス混合容器については、通常は、ガス流出口を備えた専用のガス混合容器が使用されるが、生物体の培養装置等では、上部に空間部を有する培養槽（室）や循環培養液収容容器等をガス混合器として用いることが可能である。但し、この際の容量Ｖ（ｃｍ^３）は、容器上部の空間部の容量とする。

そして、上記混合ガスは、ガス流出口を備えた前者のガス混合容器の場合には、そのガス流出口を通して培養装置等の供給先に供給されることとなり、また、上部に空間部を有する後者のガス混合器の場合には、その混合空間から直接供給されて、使用されることとなる。

この際、三方弁の交互に開閉する２つの流入口の開時間の小刻みな制御を上述した如く行うことで、使用するガス濃度の許容誤差を２〜３０％の範囲で選択し得ることとなり、すなわち、使用目的を考慮して、高精度からラフな精度に至るまでの範囲内で選択し得ることとなる。

なお、混合ガスを培養装置等へ供給する場合には、この混合ガスを無菌ガスとするために、この培養装置等へのガス流入前の流路の適宜位置に、必要に応じて無菌フィルタ等を設ければよい。また、混合ガスの供給先には、排気用のベントフィルタを必要に応じて、設けることもできる。

本発明によれば、上記した構成としているので、例えば、混合ガスの使用量が少なく且つ使用量の変動も小さい培養関連等の分野に用いた場合において、構造の簡略化及び小型化を図って、使い勝手のよさを実現し、加えて、設備コストの上昇を抑えることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

図１に示すように、本発明のガス混合装置１は、２種類の原料ガスのうちの一方の原料ガスＧａが送給されるガス送給路２ａと、２種類の原料ガスのうちの他方の原料ガスＧｂが送給されるガス送給路２ｂと、これらのガス送給路２ａ，２ｂにそれぞれ設けられて互いのガス圧力を等しくする調圧弁３と、２つの流入口４ａ，４ｂのうちの一方の流入口４ａに一方のガス送給路２ａを接続すると共に他方の流入口４ｂに他方のガス送給路２ｂを接続した三方弁４と、この三方弁４の流出口４ｃに接続した流量調節弁５と、ガス流出口７ｃを具備して流量調節弁５とガス流量計６を介して接続した小型のガス混合容器７と、このガス混合容器７内で生成される混合ガスの濃度を設定値にすべく三方弁４の２つの流入口４ａ，４ｂを交互に開閉する制御部８を備えている。なお、図１における符号９は、ガス圧力計である。

このガス混合装置１において、三方弁４として制御機能付き三方弁、例えば電磁弁やエア駆動弁等を用いることができる。また、流量調節弁５としてニードル弁やオリフィスを用いることができ、ニードル弁を用いることが好ましい。さらに、ガス流量計６として面積式流量計やマスフローコントローラを用いることができ、面積式流量計を用いることが好ましい。

また、上記ガス混合装置１において、小型のガス混合容器７の形状及び材質は特に限定されるものではなく、耐圧性も必要ない。

さらに、本発明のガス混合装置における好ましい実施形態において、図４に示すように、複数個の小型のガス混合容器Ｍ（Ｍ１，Ｍ２，…，Ｍｎ）を備え、これらのガス混合容器Ｍと三方弁４の流出口４ｃに接続する流量調節弁５との間に、ガス流量計６を介して、制御部８により開閉制御される切換弁１０をそれぞれ設けた構成を採用することができる。

この際、
複数個のガス混合容器の中から
選択したガス混合容器Ｍｎの容量 ：Ｖ_ｎ（ｃｍ^３）
混合ガスの構成比が大の
原料ガスＧａの流量 ：Ｑ_Ａ（ｃｍ^３／秒）
三方弁の交互に開く２つの流入口が
１回ずつ開くのに要する
合計時間であるタイムサイクル ：Ｔ（秒）
タイムサイクルにおいて混合ガスの
構成比が小の原料ガスＧｂ側の三方弁の
流入口が開く時間の割合 ：ａ_ｎ （０＜ａ_ｎ＜１）
混合ガスの濃度の許容誤差 ：Ｎ_ｎ（％）
とした場合、制御部８が、上記した式（５）に準じる
ＴＱ_Ａ（１−ａ_ｎ）／Ｖ_ｎ≦Ｎ_ｎ／１００ （７）
を満たすべく上記三方弁４の２つの流入口４ａ，４ｂを交互に開閉制御すると共に、この三方弁４のタイムサイクルに合わせ、且つ、一方の流入口４ａの開及び他方の流入口４ｂの閉に同期させて複数個のガス混合容器Ｍの中から選択したガス混合容器Ｍｎに接続する切換弁１０を開閉制御するように成すことができる。

そして、本発明のガス混合方法の好ましい実施形態として、圧力を互いに等しくした２種類の原料ガスを三方弁４の２つの流入口４ａ，４ｂからそれぞれ流入させて、この三方弁４の流出口４ｃ側に位置させた複数個の小型のガス混合容器Ｍのうちの適宜ガス混合容器Ｍｎ内で混合するに際して、上記した式（７）のＴＱ_Ａ（１−ａ_ｎ）／Ｖ_ｎ≦Ｎ_ｎ／１００を満たすべく三方弁４の２つの流入口４ａ，４ｂを交互に開閉制御すると共に、この三方弁４のタイムサイクルに合わせ、且つ、一方の流入口４ａの開及び他方の流入口４ｂの閉に同期させて複数個のガス混合容器Ｍの中から選択したガス混合容器Ｍｎに接続する切換弁１０を開閉制御する、具体的には、図５に示すように、三方弁４のタイムサイクルＴに合わせ、且つ、一方の流入口４ａの開及び他方の流入口４ｂの閉に同期させて、例えば、３個のガス混合容器Ｍ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）の中から選択したガス混合容器Ｍに接続する切換弁１０を開閉制御する構成を採用することができる。

なお、図５（ａ）は、三方弁４のタイムサイクルＴにおいて、混合ガスの構成比が大の原料ガスＧａを混合ガスの構成比が小の原料ガスＧｂよりも先に供給する場合を示し、一方、図５（ｂ）は、三方弁４のタイムサイクルＴにおいて、混合ガスの構成比が大の原料ガスＧａよりも混合ガスの構成比が小の原料ガスＧｂを先に供給する場合を示している。

本発明のガス混合装置及びガス混合方法における好ましい実施形態では、複数個のガス混合容器Ｍ（供給先）に、同一又は互いに異なるガス濃度の混合ガスを供給し得ることとなり、複数個のガス混合容器Ｍに対して、互いに異なるガス濃度の混合ガスを供給する場合には、微生物や動植物の細胞又は組織などの生物体の培養等において、ガス濃度の互いに異なる複数の同時培養等を行い得ることとなる。

加えて、例えば、複数の同時培養を行っている際に、特定の培養の混合ガス使用量が際立って多い場合には、その培養に必要なガス濃度の混合ガスを複数個のガス混合容器Ｍで調製して供給することも行い得ることとなる。

なお、上記した複数個の小型のガス混合容器Ｍを備えた本発明のガス混合装置の使用方法としては、例えば、ガス混合容器Ｍを全数連続して使用したり、１個を含む一部を繰り返して使用したりして、ガス混合を行うことができる。

さらにまた、本発明のガス混合装置のより好ましい実施形態において、図４に示すように、複数個の小型のガス混合容器Ｍ（Ｍ１，Ｍ２，…，Ｍｎ）を備え、これらのガス混合容器Ｍと三方弁４の流出口４ｃに接続する流量調節弁５との間に、ガス流量計６を介して、制御部８により開閉制御される切換弁１０をそれぞれ設けた構成を採用し、この際、制御部８が、上記した式（７）のＴＱ_Ａ（１−ａ_ｎ）／Ｖ_ｎ≦Ｎ_ｎ／１００を満たすべく三方弁４の２つの流入口４ａ，４ｂを交互に開閉制御すると共に、この三方弁４のタイムサイクルに合わせ、且つ、混合ガスの構成比が小なる方の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁４の流入口４ｂが開く時間帯が、複数個のガス混合容器Ｍの中から選択したガス混合容器Ｍｎに接続する切換弁１０の開閉タイミングに対してオフセットさせて制御するように成すことができる。

そしてまた、本発明のガス混合方法のより好ましい実施形態として、圧力を互いに等しくした２種類の原料ガスを三方弁の２つの流入口４ａ，４ｂからそれぞれ流入させて、この三方弁の流出口４ｃ側に位置させた複数個の小型のガス混合容器のうちの適宜ガス混合容器ｎ内で混合するに際して、上記三方弁の交互に開く２つの流入口４ａ，４ｂが１回ずつ開くのに要する合計時間であるタイムサイクルをＴ（秒）、混合ガスの構成比が大なる方の原料ガスＧａの流量をＱ_Ａ（ｃｍ^３／秒）、複数個のガス混合容器の中から選択したガス混合容器ｎの容量をＶ_ｎ（ｃｍ^３）、上記タイムサイクルにおいて混合ガスの構成比が小なる方の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁４の流入口４ｂが開く時間の割合をａ_ｎ、混合ガスの濃度の許容誤差をＮ_ｎ（％）とした場合、ＴＱ_Ａ（１−ａ_ｎ）／Ｖ_ｎ≦Ｎ_ｎ／１００を満たすべく三方弁の２つの流入口４ａ，４ｂを交互に開閉制御すると共に、この三方弁のタイムサイクルに合わせ、且つ、混合ガスの構成比が小なる方の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁４の流入口４ｂが開く時間帯が、複数個のガス混合容器Ｍの中から選択したガス混合容器Ｍｎに接続する切換弁１０の開閉タイミングに対してオフセットさせて制御する構成を採用することができ、具体的には、例えば、図６（ａ）に示すように、混合ガスの構成比が小の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁４の流入口４ｂが開く時間帯を、３個のガス混合容器Ｍ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）の中から選択したガス混合容器Ｍに接続する切換弁１０の閉時点よりも早めたり、図６（ｂ）に示すように、混合ガスの構成比が小の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁４の流入口４ｂが開く時間帯を、３個のガス混合容器Ｍ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）の中から選択したガス混合容器Ｍに接続する切換弁１０の開時点よりも遅らせたりする構成を採用することができる。

ガスを混合する場合、通常、混合ガスにおいて構成比が小なる方の原料ガスＧｂの所望濃度を調製するが、本発明のガス混合装置及びガス混合方法におけるより好ましい実施形態では、混合ガスの構成比が小なる方の原料ガスＧｂの送給の前後に混合ガスの構成比が大なる原料ガスＧａの送給が行われるので、すなわち、構成比が小なる方の原料ガスＧｂが混合ガスの構成比が大なる原料ガスＧａに挟み込まれて送給されるので、原料ガスＧｂの全量がガス混合容器Ｍに送給されることとなり、したがって、原料ガスＧｂの設定濃度に対して、より変動幅の少ない混合ガスが得られることとなる。

本発明のガス混合装置及びガス混合方法における好ましい実施形態において、ガス混合容器Ｍが１０個を超えると、各ガス混合容器Ｍに対する原料ガスの補充送給間隔が長くなって、気相のガス濃度が所望する値から外れてしまう恐れがあるので、ガス混合容器Ｍの個数は、２〜１０個とすることが望ましく、２〜６個とすることがより好ましい。

また、複数個のガス混合容器Ｍと流量調節弁５との間に、ガス流量計６を介して、配置する切換弁１０としては、制御機能付き切換弁、例えば、電磁弁やエア駆動弁やマニホールド弁等を用いることができ、また、例えば、ガス混合容器Ｍが２個の場合には、上記原料ガスの送給路に接続する三方弁４と同じものを用いることができる。

なお、本発明のガス混合装置の稼動開始時において、複数個のガス混合容器Ｍ内は、目的以外の気体で満たされているので、目的とする混合ガスが安定して調製されるまでリードタイムを必要とするのは言うまでもない。

上記原料ガスとしては、空気（一種類の原料ガスとして定義する）や炭酸ガスや酸素が挙げられ、これらの原料ガスから２種類の原料ガスを組み合わせて混合する。

この際、一方の原料ガスの好適例としては、空気が挙げられ、また、２種類の原料ガスの組み合わせの好適例としては、特に生物体の培養等に用いられる空気と炭酸ガスの組み合せ、空気と酸素の組み合せ及び酸素と炭酸ガスの組み合わせが挙げられる。

本発明において、混合ガスの構成比が大なる方の原料ガスＧａの流量Ｑ_Ａは、その値が０．０５（ｃｍ^３／秒）未満の場合は、流速制御が実質的に困難であり、一方、１５００（ｃｍ^３／秒）を超える場合には、単位時間当たりの流量が多くなって装置全体が大型になるので、一般的使用範囲として、原料ガスＧａの流量Ｑ_Ａを０．０５〜１５００（ｃｍ^３／秒）とすることが望ましく、０．２〜１０（ｃｍ^３／秒）とすることがより望ましい。

また、本発明において、小型のガス混合容器の容量Ｖは、その値が１０（ｃｍ^３）未満の場合は、ガス成分の局在化が生じ、一方、２０００００（ｃｍ^３）を超える場合には、装置全体が大型になるので、一般的使用範囲として、ガス混合容器の容量Ｖを１０〜２０００００（ｃｍ^３）とすることが望ましく、５０〜２０００（ｃｍ^３）とすることがより望ましい。

さらに、本発明において、混合ガスの濃度の許容誤差Ｎを２〜３０（％）とすることが望ましく、２〜１０（％）とすることがより望ましい。

さらにまた、本発明において、タイムサイクルＴは、その値が１（秒）未満の場合は、三方弁の開閉制御が実質的に困難であり、一般的使用範囲として、タイムサイクルＴを１〜１０００（秒）とすることが望ましく、３〜１００（秒）とすることがより望ましい。なお、制御部８としては、通常用いられるＰＬＣ(プログラマブル・ロジック・コントローラ；シーケンスコントローラ)を有効に用いることができる。

［実施例１］
原料ガスＧａを空気とすると共に原料ガスＧｂを炭酸ガスとし、図１に示す本発明のガス混合装置１を用いてこれらの２種類の原料ガスＧａ，Ｇｂの混合実験をおこなった。

上述したように、同じ差圧で同じオリフィスを通過させたときの原料ガスＧａと原料ガスＧｂとの流量比は、式（１）から、Ｑ_Ａ：Ｑ_Ｂ＝１：０．８１ となり、１タイムサイクル中における原料ガスＧａ側の流入口が開く時間（秒）及び容積比と、原料ガスＧｂ側の流入口が開く時間（秒）及び容積比は、表２に示すようになる。

したがって、トータルガス中における原料ガスＧｂの濃度Ｃ（％）は、表２及び式（２）から、Ｃ＝８１ａ／（１−０．１９ａ）となり、この式から、三方弁４（ＭＴＶ−３−Ｍ６ＮＡ：高砂電気工業株式会社製）の原料ガスＧｂ側の開時間比率ａを求めた。

タイムサイクルＴを２０（秒）とし、上式から原料ガスＧｂの濃度Ｃが２，５，７，１０（％）のときの三方弁４の原料ガスＧｂ側の開時間比率ａを求めると、それぞれ０．０２４６，０．０６１，０．０８５，０．１２０６となり、したがって、三方弁４の原料ガスＧｂ側の開時間は、それぞれ０．４９２，１．２２，１．７０，２．４１２（秒）となる。

原料ガスＧａの流量Ｑ_Ａを約０．３３（ｃｍ^３／秒）＝２０（ｃｍ^３／分）、ガス混合容器７の容量Ｖを２５０（ｃｍ^３）とし、混合ガスの濃度の許容誤差Ｎを５（％）としてタイムサイクルＴの範囲を求めた。その結果を表３に示す。

そこで、タイムサイクルＴを表３の値よりも小さい２０（秒）とし、シーケンスコントローラ（ＦＸ１Ｓ−１４ＭＴ：三菱電機株式会社製）に上記の値をインプットし、原料ガスＧａ及び原料ガスＧｂの供給圧をいずれも０．０３ＭＰａとしてガス混合を行った。

そして、この混合ガスを赤外線式ＣＯ_２センサ（ＧＭＰ２２１：ＶＡＩＳＡＬＡ製）を装着した上記大気開放口を有する２５０（ｃｍ^３）容量のガス混合容器７に流入させ、このガス混合容器７内の原料ガスＧｂの濃度Ｃを計測した。その結果を表４に示す。

表４に示す結果から、本発明の簡易なガス混合装置１を用いることによって、精度よく設定通りの濃度の混合ガスが得られたことが判る。

［実施例２］
原料ガスＧａ及び原料ガスＧｂの供給圧をいずれも０．０５ＭＰａとし、原料ガスＧｂの濃度Ｃを５（％）に設定し、原料ガスＧａの流量Ｑ_Ａを表５に示すように変化させること以外は、上記実施例１に記載したのと同様にしてガスの混合及び原料ガスＧｂの濃度Ｃの計測を行った。その結果を表５に示す。

表５に示す結果から、本発明の簡易なガス混合装置１を用いることによって、原料ガスＧａの流量Ｑ_Ａが変化しても原料ガスＧｂの濃度Ｃがほとんど変化しないガスの混合が可能であることが判る。

［実施例３］
上記ガス混合装置１を使用し、原料ガスＧａを空気とすると共に原料ガスＧｂを炭酸ガスとし、原料ガスＧａ及び原料ガスＧｂの供給圧をいずれも０．０３ＭＰａとし、後述するように、細胞培養中に原料ガスＧｂの濃度Ｃを所定の各設定値に変更した。このときの制御部８における他の要素の設定値は表６に示すとおりである。なお、この実施例では、ガス混合装置１のガス混合容器７に代えて、後記図２に示すリザーバーボトル１３を用いていて、このリザーバーボトル１３の空間部１３Ａの容積Ｖは１２０（ｃｍ^３）であり、使用目的ガスである原料ガスＧｂの濃度の許容誤差Ｎは１０（％）である。

図２に示すように、恒温室１１内で５（ｃｍ^３）容量のラジアルフローバイオリアクター（エイブル社製）１２を用い、ポンプ１７の作動により培養液Ｆを流量３．５（ｃｍ^３／分）で循環させながら、ＴＷＮＴ４（ヒト肝星細胞Ｌ１９０を不死化した細胞ｍｙｏｆｉｂｒｏｂｌａｓｔ）を３１２時間（１３日間）培養した。

この間、培養液ＦのｐＨの推移を見て、原料ガスＧｂの濃度Ｃの設定値（初期設定値 ５％（ｖ／ｖ））を培養後１４４時間に４％、２１６時間に３％、２８８時間に１％にした。

なお、液体培地としては、５％ＦＢＳ添加ＡＳＦ１０４（味の素社製）（液体培地調製時のｐＨ７．８（室温）、グルコース濃度２５８ｍｇ／ｄｌ）を使用した。

この循環される培養液Ｆを中継する２５０（ｃｍ^３）容積のベントフィルター付き密閉型リザーバーボトル１３内の培養液量は１３０（ｃｍ^３）（循環中、この培養液はマグネティックスターラー１４で撹拌される）であり、その空間部１３Ａ（容量１２０（ｃｍ^３））に、上記ガス混合装置１からの原料ガスが無菌フィルタ１５を介して導入され、この密閉型リザーバーボトル１３内の空間部１３Ａで混合ガスが生成される。

このときの密閉型リザーバーボトル１３内の培養液ＦのｐＨ及び細胞増殖の指標となる乳酸濃度（ｍｇ／ｄｌ）を測定した。その結果を表７及び図３のグラフに示す。なお、図３のグラフにおいて、縦軸はｐＨ、原料ガスＧｂの濃度Ｃの設定値及び乳酸濃度である。

表７及び図３のグラフから、本発明のガス混合装置１を使用し、供給する混合ガスの原料ガスＧｂ（炭酸ガス）の濃度Ｃを調節制御することにより、培養液ＦのｐＨを培養中ほぼ一定値に保つことができ、その結果、培養細胞も正常に増殖したことが判る。

なお、図２において、符号１６はベントフィルタである。

［実施例４］
原料ガスＧａを空気とすると共に原料ガスＧｂを炭酸ガスとし、図４に示すガス混合装置１を用いて、これらの２種類の原料ガスＧａ，Ｇｂの混合実験をおこなった。なお、上記ガス混合装置１において、２個のガス混合容器Ｍ１，Ｍ２を有するものを用い、このガス混合装置１では、切換弁１０として三方弁（ＭＴＶ−３−Ｍ６ＮＡ：高砂電気工業株式会社製）を用いている。

この場合も、原料ガスＧａと原料ガスＧｂとの流量比は、Ｑ_Ａ：Ｑ_Ｂ＝１：０．８１（空気流量Ｑ_Ａ：０．４２ｃｍ^３／秒＝２５ｃｍ^３／分）となり、したがって、トータルガス中における原料ガスＧｂの濃度Ｃ（％）は、Ｃ＝８１ａ／（１−０．１９ａ）となり、この式から求めた三方弁４（ＭＴＶ−３−Ｍ６ＮＡ：高砂電気工業株式会社製）の原料ガスＧｂ側の開時間比率ａは、原料ガスＧｂの濃度Ｃがガス混合容器Ｍ１で５（％）、ガス混合容器Ｍ２で３（％）のとき、それぞれ０．０６１，０．０３７となる。

この際、混合ガスの濃度の許容誤差Ｎを、ガス混合容器Ｍ１，Ｍ２いずれも設定濃度の７（％）としてタイムサイクルＴを２０（秒）とすると、三方弁４の原料ガスＧｂ側の開時間及び原料ガスＧａ側の開時間（２０（秒）−原料ガスＧｂ側の開時間（秒））は表８に示すようになる。

そこで、タイムサイクルＴを２０（秒）とし、シーケンスコントローラ（ＦＸ１Ｓ−１４ＭＴ：三菱電機株式会社製）に上記の値及び切換弁１０の開閉を三方弁４の一方の流入口４ａの開と他方の流入口４ｂの閉に同期させるタイミング（このときの切換弁１０の開閉時間間隔は、タイムサイクルＴと同一の２０（秒））をインプットし、原料ガスＧａ及び原料ガスＧｂの供給圧をいずれも０．０３ＭＰａとして３（時間）、すなわち、５４０（サイクル）のガス混合を行った（図５のタイプ）。

そして、この混合ガスを赤外線式ＣＯ_２センサ（ＧＭＰ２２１：ＶＡＩＳＡＬＡ製）をそれぞれ装着した大気開放口を有するいずれも１１０（ｃｍ^３）容量のガス混合容器Ｍ１，Ｍ２に順次流入させ、これらのガス混合容器Ｍ１，Ｍ２内の原料ガスＧｂの濃度Ｃ（％）をそれぞれ計測した。

その結果、原料ガスＧｂ（炭酸ガス）の濃度が、ガス混合容器Ｍ１では２４分後に９（％）に達し、それ以降は、４．８〜５．１（％）を維持し、一方、ガス混合容器Ｍ２では２１分後に２．９（％）に達し、それ以降は、２．９〜３．１（％）を維持した。

この結果から、本発明の簡易なガス混合装置１を用いることにより、２個のガス混合容器Ｍ１，Ｍ２個々において、精度よく設定通りに濃度を違えた混合ガスが得られたことが判る。

［実施例５］
原料ガスＧａを空気とすると共に原料ガスＧｂを炭酸ガスとし、図４に示すガス混合装置１を用いて、これらの２種類の原料ガスＧａ，Ｇｂの混合実験をおこなった。なお、上記ガス混合装置１において、２個のガス混合容器Ｍ１，Ｍ２を有するものを用い、このガス混合装置１では、切換弁１０として三方弁（ＭＴＶ−３−Ｍ６ＮＡ：高砂電気工業株式会社製）を用いている。

この場合も、原料ガスＧａと原料ガスＧｂとの流量比は、Ｑ_Ａ：Ｑ_Ｂ＝１：０．８１（空気流量Ｑ_Ａ：０．４２ｃｍ^３／秒＝２５ｃｍ^３／分）となり、したがって、トータルガス中における原料ガスＧｂの濃度Ｃ（％）は、Ｃ＝８１ａ／（１−０．１９ａ）となり、この式から求めた三方弁４（ＭＴＶ−３−Ｍ６ＮＡ：高砂電気工業株式会社製）の原料ガスＧｂ側の開時間比率ａは、原料ガスＧｂの濃度Ｃがガス混合容器Ｍ１で５（％）、ガス混合容器Ｍ２で２（％）のとき、それぞれ０．０６１，０．０２５となる。

この際、混合ガスの濃度の許容誤差Ｎを、ガス混合容器Ｍ１，Ｍ２いずれも設定濃度の７（％）としてタイムサイクルＴを２０（秒）とすると、三方弁４の原料ガスＧｂ側の開時間及び原料ガスＧａ側の開時間（２０（秒）−原料ガスＧｂ側の開時間（秒））は表９に示すようになる。

そこで、タイムサイクルＴを２０（秒）とし、シーケンスコントローラ（ＦＸ１Ｓ−１４ＭＴ：三菱電機株式会社製）に上記の値をインプットし、原料ガスＧａ及び原料ガスＧｂの供給圧をいずれも０．０３ＭＰａとして４（時間）、すなわち、７２０（サイクル）のガス混合を行った。

この際、ガス混合容器Ｍ１側の切換弁１０を開とすると共に、この時点の７秒後に混合ガスの構成比が小の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁４の流入口４ｂを開とするようにして制御を開始し、次いで、混合ガスの構成比が大の原料ガスＧａの送給に切り換わっている間に、上記ガス混合容器Ｍ１側の切換弁１０を三方弁４のタイムサイクルＴと同一の時間間隔２０（秒）で閉とするのと同時に、ガス混合容器Ｍ２側の切換弁１０を開とすると共に、この時点の７秒後において再び混合ガスの構成比が小の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁４の流入口４ｂを開とする制御を行い、以降、これらの工程を繰り返すように制御を継続した。

すなわち、混合ガスの構成比が小の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁４の流入口４ｂが開く時間帯を、２個のガス混合容器Ｍ（Ｍ１，Ｍ２）の中から選択したガス混合容器Ｍに接続する切換弁１０の開時点よりも７秒遅らせるように制御した（図６のタイプ）。なお、ガス混合容器Ｍ１，Ｍ２の切換弁１０の各開時間（秒）において、原料ガスＧａの送給路に接続する三方弁４の流入口４ａの開時間に相当する開時間の内訳は、表１０に示すようになる。そして、この切換弁１０の各開時間（秒）は、表１０に示す原料ガスＧａ側の開時間の合計（秒）に、表９に示す原料ガスＧｂ側の開時間の合計（秒）を加算したものであり、いずれも２０（秒）になる。

このようにして、混合ガスを赤外線式ＣＯ_２センサ（ＧＭＰ２２１：ＶＡＩＳＡＬＡ製）をそれぞれ装着した大気開放口を有するいずれも１１０（ｃｍ^３）容量のガス混合容器Ｍ１，Ｍ２に順次流入させ、これらのガス混合容器Ｍ１，Ｍ２内の原料ガスＧｂの濃度Ｃ（％）をそれぞれ計測した。

その結果、原料ガスＧｂ（炭酸ガス）の濃度が、ガス混合容器Ｍ１では２１分後に４．９（％）に達し、それ以降は、４．９〜５．０（％）を維持し、一方、ガス混合容器Ｍ２では２３分後に１．９（％）に達し、それ以降は、１．９〜２．０（％）を維持した。

この結果から、本発明の簡易なガス混合装置１を用いることにより、２個のガス混合容器Ｍ１，Ｍ２個々において、より精度よく設定通りに濃度を違えた混合ガスが得られたことが判る。

本発明のガス混合装置の一実施例を示す概略構成説明図である。（実施例１〜３） 図１におけるガス混合装置を培養分野に用いた際の使用例説明図である。（実施例３） 図２の培養において培養液のｐＨと原料ガスの濃度の設定値と細胞増殖の指標となる乳酸濃度との各時間的変化を示すグラフである。 本発明のガス混合装置の他の実施例を示す概略構成説明図である。（実施例４及び実施例５） 図４のガス混合装置を用いてガスを混合する際の原料ガスの送給路に接続する三方弁に対する切換弁の開閉タイミングを説明する図（ａ），（ｂ）である。 図４のガス混合装置を用いてガスを混合する際の原料ガスの送給路に接続する三方弁に対する切換弁の他の開閉タイミングを説明する図（ａ），（ｂ）である。

符号の説明

１ ガス混合装置
２ａ，２ｂ ガス送給路
３ 調圧弁
４ 三方弁
４ａ，４ｂ 流入口
４ｃ 流出口
５ 流量調節弁
６ ガス流量計
７，Ｍ ガス混合容器
８ 制御部
１０ 切換弁
Ｇａ，Ｇｂ 原料ガス

Claims (10)

1. ２種類の原料ガスを混合するガス混合装置であって、互いのガス圧力を等しくする調圧弁をそれぞれ有する２つのガス送給路と、２つの流入口及び１つの流出口を具備して上記２つの流入口のうちの一方の流入口に一方のガス送給路を接続すると共に他方の流入口に他方のガス送給路を接続した三方弁と、この三方弁の流出口に接続した流量調節弁と、上記流量調節弁とガス流量計を介して接続した小型のガス混合容器と、このガス混合容器内で生成される混合ガスの濃度を設定値にすべく上記三方弁の２つの流入口を交互に開閉する制御部を備えたことを特徴とするガス混合装置。
2. 小型のガス混合容器を複数個備え、複数個のガス混合容器と三方弁の流出口に接続する流量調節弁との間に、制御部により開閉制御される切換弁をそれぞれ設けた請求項１に記載のガス混合装置。
3. 制御部は、上記三方弁の交互に開く２つの流入口が１回ずつ開くのに要する合計時間であるタイムサイクルをＴ（秒）、混合ガスの構成比が大なる方の原料ガスＧａの流量をＱ_Ａ（ｃｍ^３／秒）、上記タイムサイクルにおいて混合ガスの構成比が小なる方の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁の流入口が開く時間の割合をａ、小型のガス混合容器の容量をＶ（ｃｍ^３）、混合ガスの濃度の許容誤差をＮ（％）とした場合、
   ＴＱ_Ａ（１−ａ）／Ｖ≦Ｎ／１００
   を満たすべく上記三方弁の２つの流入口を交互に開閉制御する請求項１に記載のガス混合装置。
4. 制御部は、上記三方弁の交互に開く２つの流入口が１回ずつ開くのに要する合計時間であるタイムサイクルをＴ（秒）、混合ガスの構成比が大なる方の原料ガスＧａの流量をＱ_Ａ（ｃｍ^３／秒）、複数個のガス混合容器の中から選択したガス混合容器ｎの容量をＶ_ｎ（ｃｍ^３）、上記タイムサイクルにおいて混合ガスの構成比が小なる方の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁の流入口が開く時間の割合をａ_ｎ、混合ガスの濃度の許容誤差をＮ_ｎ（％）とした場合、
   ＴＱ_Ａ（１−ａ_ｎ）／Ｖ_ｎ≦Ｎ_ｎ／１００
   を満たすべく上記三方弁の２つの流入口を交互に開閉制御すると共に、この三方弁のタイムサイクルに合わせ、且つ、一方の流入口の開及び他方の流入口の閉に同期させて複数個のガス混合容器の中から選択したガス混合容器ｎに接続する切換弁を開閉制御する請求項２に記載のガス混合装置。
5. 制御部は、上記三方弁の交互に開く２つの流入口が１回ずつ開くのに要する合計時間であるタイムサイクルをＴ（秒）、混合ガスの構成比が大なる方の原料ガスＧａの流量をＱ_Ａ（ｃｍ^３／秒）、複数個のガス混合容器の中から選択したガス混合容器ｎの容量をＶ_ｎ（ｃｍ^３）、上記タイムサイクルにおいて混合ガスの構成比が小なる方の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁の流入口が開く時間の割合をａ_ｎ、混合ガスの濃度の許容誤差をＮ_ｎ（％）とした場合、
   ＴＱ_Ａ（１−ａ_ｎ）／Ｖ_ｎ≦Ｎ_ｎ／１００
   を満たすべく上記三方弁の２つの流入口を交互に開閉制御すると共に、この三方弁のタイムサイクルに合わせ、且つ、混合ガスの構成比が小なる方の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁の流入口が開く時間帯が、複数個のガス混合容器の中から選択したガス混合容器ｎに接続する切換弁の開閉タイミングに対してオフセットさせて制御する請求項２に記載のガス混合装置。
6. 圧力を互いに等しくした２種類の原料ガスを三方弁の２つの流入口からそれぞれ流入させて、この三方弁の流出口側に位置させた小型のガス混合容器内で混合するに際して、
   上記三方弁の交互に開く２つの流入口が１回ずつ開くのに要する合計時間であるタイムサイクルをＴ（秒）、混合ガスの構成比が大なる方の原料ガスＧａの流量をＱ_Ａ（ｃｍ^３／秒）、上記タイムサイクルにおいて混合ガスの構成比が小なる方の原料ガスＧｂが流入する三方弁の流入口が開く時間の割合をａ、上記小型のガス混合容器の容量をＶ（ｃｍ^３）、混合ガスの濃度の許容誤差をＮ（％）とした場合、
   ＴＱ_Ａ（１−ａ）／Ｖ≦Ｎ／１００
   を満たすべく三方弁の２つの流入口を交互に開閉制御することを特徴とするガス混合方法。
7. 圧力を互いに等しくした２種類の原料ガスを三方弁の２つの流入口からそれぞれ流入させて、この三方弁の流出口側に位置させた複数個の小型のガス混合容器のうちの適宜ガス混合容器ｎ内で混合するに際して、
   上記三方弁の交互に開く２つの流入口が１回ずつ開くのに要する合計時間であるタイムサイクルをＴ（秒）、混合ガスの構成比が大なる方の原料ガスＧａの流量をＱ_Ａ（ｃｍ^３／秒）、複数個のガス混合容器の中から選択したガス混合容器ｎの容量をＶ_ｎ（ｃｍ^３）、上記タイムサイクルにおいて混合ガスの構成比が小なる方の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁の流入口が開く時間の割合をａ_ｎ、混合ガスの濃度の許容誤差をＮ_ｎ（％）とした場合、
   ＴＱ_Ａ（１−ａ_ｎ）／Ｖ_ｎ≦Ｎ_ｎ／１００
   を満たすべく三方弁の２つの流入口を交互に開閉制御すると共に、この三方弁の開閉タイムサイクルに合わせ、且つ、一方の流入口の開及び他方の流入口の閉に同期させて複数個のガス混合容器の中から選択したガス混合容器ｎに接続する切換弁を開閉制御することを特徴とするガス混合方法。
8. 圧力を互いに等しくした２種類の原料ガスを三方弁の２つの流入口からそれぞれ流入させて、この三方弁の流出口側に位置させた複数個の小型のガス混合容器のうちの適宜ガス混合容器ｎ内で混合するに際して、
   上記三方弁の交互に開く２つの流入口が１回ずつ開くのに要する合計時間であるタイムサイクルをＴ（秒）、混合ガスの構成比が大なる方の原料ガスＧａの流量をＱ_Ａ（ｃｍ^３／秒）、複数個のガス混合容器の中から選択したガス混合容器ｎの容量をＶ_ｎ（ｃｍ^３）、上記タイムサイクルにおいて混合ガスの構成比が小なる方の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁の流入口が開く時間の割合をａ_ｎ、混合ガスの濃度の許容誤差をＮ_ｎ（％）とした場合、
   ＴＱ_Ａ（１−ａ_ｎ）／Ｖ_ｎ≦Ｎ_ｎ／１００
   を満たすべく三方弁の２つの流入口を交互に開閉制御すると共に、この三方弁のタイムサイクルに合わせ、且つ、混合ガスの構成比が小なる方の原料ガスＧｂの送給路に接続する三方弁の流入口が開く時間帯が、複数個のガス混合容器の中から選択したガス混合容器ｎに接続する切換弁の開閉タイミングに対してオフセットさせて制御することを特徴とするガス混合方法。
9. ２種類の原料ガスのうちの一方の原料ガスを空気とした請求項６〜８のいずれかひとつの項に記載のガス混合方法。
10. ２種類の原料ガスの組み合わせとして、空気と炭酸ガスの組み合わせ、空気と酸素の組み合わせ、及び酸素と炭酸ガスの組み合わせのうちのいずれかの組み合わせとした請求項６〜８のいずれかひとつの項に記載のガス混合方法。

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