JP2012063295A - アルコールセンサー - Google Patents

Abstract

【課題】 応答速度が早く、しかも充分な感度を有していてアルコール発酵の管理に使用しうるアルコールセンサーを提供する。
【解決手段】 上記課題は、アルコール検出素子と、検体からアルコールを透過させて分離するシリコンチューブと、該シリコンチューブを巻回保持する杆体と、該シリコンチューブを透過したアルコールをアルコール検出素子に送るキャリヤーガスラインによりなるアルコールセンサーによって解決される。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルコール発酵の管理等に使用しうるアルコールセンサーに関するものである。

アルコールセンサーは種々のものが開発されており、ガス透過膜としてテトラフルオロエチレン（「テフロン」登録商標）膜を用い、これをセンサーの先端に装着したものが知られている。アルコール発酵の管理に使用しうるものも知られており、そのなかにはシリコンチューブのガス透過性を利用したものもある。これは、２本のステンレススチール管の先端に皮下注射針を取り付けて、この皮下注射針にシリコンチューブの端部を挿入したものである。こうして、両皮下注射針間に取り付けられたシリコンチューブは、直径１ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍ、長さ１０ｃｍでＵ字状に垂れ下がっている。測定方法としては、一方のステンレススチール管から空気を導入して、他方のステンレススチール管から排出される空気に含まれているメタノールをガスクロマトグラフで測定している（非特許文献１）。

Takuo Yano et al .J. Ferment. Technol.，The Society of FermentationTechnology ,Japan,１９７８年 Ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．４，ｐ４２１〜４２７

本発明者が検討した結果、微生物を用いたアルコール発酵またはアルコールを添加した発酵を工場等の比較的大きな発酵槽で行う場合に、発酵液中のアルコール濃度を直接測定しようとすると、従来のテトラフルオロエチレン膜を装着した半導体型アルコールセンサーでは、内圧でテトラフルオロエチレン膜が破れてしまうことがわかった。そこで、シリコン膜の使用を検討したが、シリコン膜はアルコールの透過効率が悪く、従来の半導体型センサーに取り付けたのでは充分な感度が得られない事がわかった。また、シリコンチューブとガスクロマトグラフィーを用いた方法では、検出に約２０分を要し、発酵の管理に用いる事が出来ない。
本発明の目的は、応答速度が早く、しかも充分な感度を有していてアルコール発酵の管理に使用しうるアルコールセンサーを提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するべく鋭意検討の結果、アルコールセンサーのガス透過膜をテトラフルオロエチレン膜からシリコンチューブに代え、このシリコンチューブを杆体外周面に巻回すれば、大きな発酵槽の内圧にも耐える充分な強度を有し、また、アルコール検出素子で検出できる充分な量のアルコールを透過させることができ、かつ、このシリコンチューブを安定に固定して使用できることを見出し、これらの知見に基いて本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、アルコール検出素子と、検体からアルコールを透過させて分離するシリコンチューブと、該シリコンチューブを巻回保持する杆体と、該シリコンチューブを透過したアルコールをアルコール検出素子に送るキャリヤーガスラインによりなるアルコールセンサーに関するものである。

本発明のアルコールセンサーは、充分な耐圧性を有しながら、アルコール検出素子で検出できる充分な量のアルコールを透過させることができるので、大きな発酵槽等においてもアルコール濃度を直ちに検出することができる。

本発明の一例のアルコールセンサーを、右半分を断面で示した側面図である。 本発明のアルコールセンサーと従来のアルコールセンサーについて、メタノール濃度を変えて応答速度と感度を調べた結果を示すグラフである。 本発明のアルコールセンサーの圧力下での応答速度を調べた結果を示すグラフである。

本発明のアルコールセンサーは、アルコールを検出する半導体のアルコール検出素子と、検体からアルコールを透過させて分離するシリコンチューブと、このシリコンチューブを巻回保持する杆体と、シリコンチューブを透過したアルコールをアルコール検出素子に送るキャリヤーガスラインよりなる。

アルコールを検出する半導体のアルコール検出素子は、検知対象ガスの存在下で、電導度の低い酸化スズ半導体を用いる事によって、空気中のガス濃度の増加と共にセンサーの電導度が増大する事を利用してガス濃度に対応した信号を出力する事が出来る。例えばフィガロ技研株式会社から市販されている有機溶媒検知素子TGS822等を使用する事が出来る。

検体からアルコールを透過させて分離するシリコンチューブは、例えばタイガースポリマー株式会社にて市販されているシリコンチューブ等を使用できる。チューブは、外径が3〜0.5ｍｍΦ程度、通常1.2〜0.8ｍｍΦ程度、肉厚が1〜0.05ｍｍ程度、通常0.3〜0.1ｍｍ程度、長さが200〜50ｃｍ程度、外表面積では0.01〜0.002ｍ^２程度のものが適当である。

このシリコンチューブを巻回保持する杆体は、外周面に上記シリコンチューブを螺旋状に巻回して保持できる大きさがあればよい。外形は、丸棒状、角棒状等いずれの形状であってもよく、内部は中空の筒体であってもよい。杆体の材質は特に限定されず、ステンレススチール等の金属、テトラフルオロエチレン、ポリプロピレン等のプラスチック等を例示できる。

キャリヤーガスラインは、シリコンチューブを透過したアルコールをアルコール検出素子に送るラインである。キャリヤーガスは、アルコールと反応しないものであれば如何なるガスも利用できるが、空気を使用するのが簡便である。

これらを保持する部材は、その機能を発揮できれば特に限定されないが、例えば、センサー基端部にキャリヤーガスの入口と出口を有し、そこからキャリヤーガスの送気管が接続されセンサーの先端にはシリコンチューブを巻回保持する杆体が固着され、シリコンチューブから戻るキャリヤーガスラインの途中あるいは末端にはアルコール検出素子収容室が設けられていればよい。キャリヤーガスの送気管には杆体を固定しうる金属管を用いてもよく、あるいは、シリコンチューブをキャリヤーガスの入口から出口まで用いて、杆体を固定する固定部材、例えば金属棒等を別途設けてもよい。保持部材には、そのほか、発酵槽等の検体を測定しようとする容器などに取り付ける取付金具等を適宜設けることができる。

本発明のアルコールセンサーは、通常、その電気信号をアルコール濃度に変える演算機能を有するコンピューターやさらにはレコーダーなどが付設されて使用される。

本発明のアルコールセンサーは、水性液の検体にシリコンチューブ部分を接触させて使用し、シリコンチューブを透過してくるアルコール濃度をアルコール検出素子で検出することによって検体のアルコール濃度を知ることができる。その際、必要により予め既知のアルコール濃度を変えて検量線を作成してこれをコンピューターに入力しておき、検量線との照合で検体のアルコール濃度を求めることができる。

本発明のアルコールセンサーで検出しうるアルコールは用いる検出素子に依存するが、基本的には揮発性であればよく、特に制限されないが、特に炭素数１〜４のアルコール、メタノール、エタノール、ブタノール等を例示することができる。また、一酸化炭素やメタンやイソブタン、ヘキサン、ベンゼン、アセトン等も測定する事が出来る。（ただし、例えばメタノールとエタノールの混合物などでは、それぞれの物質の感度に応じた総和として出力される。）具体的な例としては、メタノールやエタノールを発酵原料としてアミノ酸や、ビタミン類などの発酵代謝産物、生理活性ペプチドやタンパク質などを生産する発酵液、通常のグルコースなどの糖を発酵原料に用いたエタノールやブタノール発酵液、酵母などエタノールを副生する発酵における培養管理等を挙げることができる。

耐圧型アルコールセンサーの作成
本発明の一実施例であるアルコールセンサーの右半分を断面で表わした側面図を図１に示す。このセンサーは、全体が丸棒状をしており、上からアルコール検出素子１を収容する収容室２と、その底部に螺合する軸筒３とその下端部に螺合する杆体４と、杆体４の底部を閉止する端キャップ５よりなっている。

収容室２は円筒形をしており、上面にはキャリヤーガスの入口６と出口７が設けられ、中心部にはさらにアルコール検出素子１を固着し、かつ電気信号を取り出す端子８が取り付けられている。周壁は２重壁になっていてその壁の間がキャリヤーガスの入側通路になっている。収容室２の底部中心からは、先端が軸筒３の内部を貫通して杆体４下部に達する小管９が垂設されている。この小管９内がキャリヤーガスの出側になっている。

軸筒３は、それを貫通する小管９の内側がキャリヤーガスの出側、小管９と軸筒３の内壁との間がキャリヤーガスの入側になっている。軸筒３の周面中央より上方には発酵槽（図示されていない）に取り付けるためのフランジ１０が形成され、その下方には周溝が形成されていてそこに発酵槽の内外を遮断するＯ−リング１１が嵌め込まれている。

杆体４の上端近傍と下端近傍にはキャリヤーガスの出口１２と入口１３が形成されており、その間にはシリコンチューブ１４が杆体４の外周面を螺旋状に巻回して取着されている。杆体４は軸筒３より小径になっていてシリコンチューブ１４の外縁が軸筒３の外周面を越えないようになっている。杆体４の内部は小管９を通す小孔１５が貫通形成され、小孔１５の下部にキャリヤーガスの入側と出側を遮断するＯ−リング１６が嵌め込まれている。

このセンサーは外径約3.7ｍｍ、全長約200ｍｍで、全体がステンレススチールでできている。シリコンチューブ１４はタイガースポリマー株式会社製のシリコンチューブで外径1ｍｍ、肉厚0.2ｍｍ、全長が105ｃｍである。アルコール検出素子１にはフィガロ技研株式会社製のTGS822を用いる事により、耐圧型アルコールセンサー装置を作成した。

耐圧型アルコールセンサーと従来型アルコールセンサーの応答速度・感度の比較
撹拌ユニットと温度センサーを装着した小型発酵槽（500mL容）に従来型と耐圧型それぞれのアルコールセンサーを装着し、蒸留水を400ml張り込み、撹拌速度700rpm、温度37℃となるように制御した。温度が安定したことを確認した後、メタノールを添加して終濃度が2%となる様に調整した。出力値の安定を確認後、各アルコールセンサーを2.0%にキャリブレーションを行って測定を開始、10分毎にメタノールを添加して終濃度を変化させた。その結果、図２）に示す様に耐圧型アルコールセンサーは従来型アルコールセンサーと同等の応答速度・感度を有していた。

耐圧型アルコールセンサーを用いた圧力下でのアルコール濃度測定
撹拌ユニットを装着した加圧可能な発酵槽（30L容）に耐圧型アルコールセンサーを装着して蒸留水を12L張り込み、槽内圧力を20kPaに調整して撹拌速度110rpmとなるように制御した。アルコールセンサーの出力値の安定を確認後に測定を開始、10分毎にメタノールを添加して終濃度を変化させた。その結果、図３）に示す様に、耐圧型アルコールセンサーは、加圧条件下でも十分な応答速度と感度を有していた。

本発明のアルコールセンサーは耐圧性がありながらアルコール濃度を短時間で検出できるのでアルコールを原料や生産物とする発酵の管理などに広く利用できる。

１ アルコール検出素子
２ 収容室
３ 軸筒
４ 杆体
５ 端キャップ
６ キャリヤーガス入口
７ キャリヤーガス出口
８ 端子
９ 小管
１０ フランジ
１１ Ｏ−リング
１２ 出口
１３ 入口
１４ シリコンチューブ
１５ 小孔
１６ Ｏ−リング

Claims (1)

1. アルコール検出素子と、検体からアルコールを透過させて分離するシリコンチューブと、該シリコンチューブを巻回保持する杆体と、該シリコンチューブを透過したアルコールをアルコール検出素子に送るキャリヤーガスラインによりなるアルコールセンサー。

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