JP2012152155A - Fungus body growth state measurement sensor, fungus body growth state measurement device and fungus body culture system - Google Patents

Fungus body growth state measurement sensor, fungus body growth state measurement device and fungus body culture system Download PDF

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真 石居
Yukako Nakano
由佳子 中野
Tatsuo Sunayama
竜男 砂山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fungus body growth state measurement sensor which can accurately and continuously measure the growth state of a fungus body in a fungus body solution, to provide a fungus body growth state measurement device, and to provide a fungus body culture system.SOLUTION: The fungus body growth state measurement sensor 30 for measuring the growth state of the fungus body in a fungus body solution is characterized by comprising an electrode portion 36 having an anode side electrode 31, a cathode side electrode 32, an ion exchange membrane 33 laminated to the anode side electrode 31 and the cathode side electrode 32 between these electrodes, and a cathode side terminal 35 electrically connected to the cathode side electrode 32, and a case 37 to which the electrode portion 36 is attached so that the anode side electrode 31 and the tip 35a of the cathode side terminal 35 are exposed to the outside, and which receives the cathode side electrode 32 and an oxidation-reduction substance solution 40 in a sealed state.

Description

本発明は、菌体溶液中における菌体の生育状態を計測する菌体生育状態計測センサ、該菌体生育状態計測センサを備えた菌体生育状態計測装置、及び、該菌体生育状態計測装置を備えた菌体培養システムに関するものである。   The present invention relates to a cell growth state measurement sensor that measures the growth state of a cell in a cell solution, a cell growth state measurement device including the cell growth state measurement sensor, and the cell growth state measurement device It is related with the microbial cell culture system provided with.

近年、微生物の工業的利用が拡大しており、例えば、工場等から排出される有機性物質を含む廃棄物の発酵による水素やメタンなどの燃料ガスの生成や、天然ガスの主成分であるメタンガスのメタノールへの変換など、において微生物の利用が進められている。そして、工業的に用いるためには多量の微生物が必要とされ、このような微生物は培養装置を用いて生産される。   In recent years, the industrial use of microorganisms has expanded, for example, the production of fuel gas such as hydrogen and methane by fermentation of waste containing organic substances discharged from factories, etc., and methane gas, which is the main component of natural gas Microorganisms are being used in the conversion of methanol into methanol. A large amount of microorganisms are required for industrial use, and such microorganisms are produced using a culture apparatus.

微生物、即ち、菌体は生き物であるので、同じ条件で培養を行っても菌体の生育状態が一定しないことが、一般的に知られている。そのため、培養装置においては、菌体の生育状態を計測し、この計測した生育状態に応じて、培養のための飼料の量や、菌体を含む菌体溶液の温度などの培養条件を調整することにより、菌体の生育状態を安定させる必要がある。   Since microorganisms, that is, microbial cells are living organisms, it is generally known that the growth state of microbial cells is not constant even when cultured under the same conditions. Therefore, in the culture apparatus, the growth state of the bacterial cells is measured, and the culture conditions such as the amount of feed for cultivation and the temperature of the bacterial cell solution containing the bacterial cells are adjusted according to the measured growth state. Therefore, it is necessary to stabilize the growth state of the cells.

従来、菌体の生育状態の計測は、培養装置から菌体を含む菌体溶液の一部を抜き取り、この抜き取った菌体溶液の濁り具合を、濁度計を用いて計測することにより行っていた(特許文献1)。つまり、菌体溶液の濁り具合が高い程、菌体溶液中の菌体数が多く、濁り具合が低い程、菌体溶液中の菌体数が少ないと推計して、この濁り具合に応じた培養条件の調整を行っていた。   Conventionally, the growth state of bacterial cells has been measured by extracting a part of the bacterial cell solution containing bacterial cells from the culture apparatus and measuring the turbidity of the extracted bacterial cell solution using a turbidimeter. (Patent Document 1). In other words, the higher the turbidity of the bacterial solution, the more the number of bacterial cells in the bacterial solution, and the lower the turbidity, the less the number of bacterial cells in the bacterial solution, and according to this turbidity The culture conditions were adjusted.

また、他にも、培養装置から抜き取った菌体溶液中に含まれる菌体数を、例えば、周知のPCR(Polymerase Chain Reaction)法などを用いて計測したり、培養する菌体が生育に応じて特定のガスを発生するものである場合には、その菌体が発生する特定のガスの濃度や量を計測したりして、菌体の生育状態の計測を行っていた(特許文献2)。   In addition, the number of bacterial cells contained in the bacterial cell solution extracted from the culture apparatus is measured using, for example, a well-known PCR (Polymerase Chain Reaction) method, or the cultured bacterial cells depend on the growth. When a specific gas is generated, the growth state of the microbial cell is measured by measuring the concentration and amount of the specific gas generated by the microbial cell (Patent Document 2). .

特開昭60−234599号公報JP-A-60-234599 特開2002−282826号公報JP 2002-282826 A

しかしながら、菌体溶液には、有効に利用可能な活性状態にある菌体以外にも、死滅した菌体や夾雑物が含まれているので、濁度計を用いた計測では活性状態にある菌体数を得ることができず、そのため、菌体の生育状態を正確に計測することができなかった。また、菌体溶液を濁度計にかけるために培養装置から菌体溶液を抜き取るので、抜き取りに際して培養装置の動作を一時停止する必要があり、そのため、所定の培養条件において生育されている菌体の生育状態を連続して計測することができなかった。また、PCR法などを用いることで菌体数を正確に計測することができるが、上記と同様に菌体溶液の抜き取りが必要なので、菌体の生育状態を連続して計測することができなかった。また、生育時に菌体が発生する特定のガスの濃度や量の変動と、菌体数の増減と、のタイミングは必ずしも一致しないので、該特定のガスの濃度や量の計測によっても、菌体の生育状態を正確に計測することができなかった。   However, since the cell solution contains dead cells and contaminants in addition to the cells that are in an active state that can be used effectively, the cells in the active state are measured using a turbidimeter. The number of bodies could not be obtained, and therefore the growth state of the cells could not be accurately measured. In addition, since the bacterial cell solution is extracted from the culture device in order to apply the bacterial cell solution to the turbidimeter, it is necessary to temporarily stop the operation of the culture device during extraction, so that the bacterial cells grown under the predetermined culture conditions It was not possible to continuously measure the growth state. In addition, the number of bacterial cells can be accurately measured by using a PCR method or the like, but it is necessary to remove the bacterial cell solution in the same manner as described above, so the growth state of the bacterial cells cannot be continuously measured. It was. In addition, since the timing of fluctuations in the concentration and amount of a specific gas generated by the cells during growth does not necessarily coincide with the increase or decrease in the number of cells, the measurement of the concentration and amount of the specific gas can also be used. It was not possible to accurately measure the growth state of.

本発明は、上記課題に係る問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、菌体溶液中における菌体の生育状態を正確且つ連続して計測できる菌体生育状態計測センサ、菌体生育状態計測装置、及び、菌体培養システムを提供することを目的としている。   The present invention aims to solve the above problems. That is, an object of the present invention is to provide a cell growth state measurement sensor, a cell growth state measurement device, and a cell culture system that can accurately and continuously measure the cell growth state in a cell solution. It is said.

請求項1に記載された発明は、上記目的を達成するために、菌体溶液中における菌体の生育状態を計測する菌体生育状態計測センサにおいて、アノード側電極と、カソード側電極と、前記アノード側電極と前記カソード側電極との間に介在してこれら電極と積層されたイオン交換膜と、カソード側電極と電気的に接続されたカソード側端子と、を有する電極部と、前記アノード側電極と前記カソード側端子の少なくとも一部とが外部に露出されるようにして前記電極部が取り付けられるとともに、前記カソード側電極と該カソード側電極に接触される酸化還元物質とを密封して収容するケースと、を備えていることを特徴とする菌体生育状態計測センサである。   In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 is a cell growth state measuring sensor for measuring a growth state of a cell in a cell solution, wherein the anode side electrode, the cathode side electrode, An electrode section having an ion exchange membrane laminated between these electrodes and an anode side electrode and a cathode side terminal electrically connected to the cathode side electrode; and the anode side The electrode portion is attached so that the electrode and at least a part of the cathode side terminal are exposed to the outside, and the cathode side electrode and the redox material in contact with the cathode side electrode are sealed and accommodated And a cell growth state measuring sensor characterized by comprising:

請求項2に記載された発明によれば、請求項1に記載の菌体生育状態計測センサと、前記菌体生育状態計測センサが備えるアノード側電極とカソード側電極との間に生じた起電力を測定する電力測定手段と、前記電力測定手段によって測定された前記起電力に基づいて、前記菌体の生育状態を算出する生育状態算出手段と、前記生育状態算出手段によって算出された前記菌体の生育状態を出力する生育状態出力手段と、を備えていることを特徴とする菌体生育状態計測装置である。   According to the invention described in claim 2, the electromotive force generated between the microbial cell growth state measurement sensor according to claim 1 and the anode side electrode and the cathode side electrode included in the microbial cell growth state measurement sensor. Power measuring means for measuring, growth state calculating means for calculating the growth state of the bacterial cells based on the electromotive force measured by the power measuring means, and the bacterial cells calculated by the growth state calculating means And a growth state output means for outputting the growth state of the fungus body.

請求項3に記載された発明によれば、菌体溶液を収容する培養容器と、請求項2に記載の菌体生育状態計測装置と、を備えた菌体培養システムにおいて、前記菌体生育状態計測装置が備える菌体生育状態計測センサが、そのアノード側電極を前記菌体溶液に接触するようにして前記培養容器に収容されていることを特徴とする菌体培養システムである。   According to the invention described in claim 3, in the cell culture system comprising a culture container for storing the cell solution and the cell growth state measuring device according to claim 2, the cell growth state The cell culture system, wherein the cell growth state measurement sensor provided in the measurement device is housed in the culture vessel so that the anode side electrode is in contact with the cell solution.

請求項1に記載された発明によれば、アノード側電極とカソード側電極とがそれら間にイオン交換膜を挟んで積層されており、そして、アノード側電極とカソード側電極に電気的に接続されたカソード側端子の少なくとも一部とがケースの外部に露出され且つカソード側電極と該カソード側電極に接触される酸化還元物質とがケースに密封して収容されているので、この露出されたアノード側電極に菌体溶液を接触させることで、バイオ燃料電池の原理により、該菌体溶液中の菌体の代謝反応によって生成される電子を取り出して、アノード側電極とカソード側電極(即ち、カソード側端子)との間に起電力を生じさせることができる。   According to the first aspect of the present invention, the anode side electrode and the cathode side electrode are laminated with the ion exchange membrane interposed therebetween, and are electrically connected to the anode side electrode and the cathode side electrode. Since at least a part of the cathode-side terminal is exposed to the outside of the case and the cathode-side electrode and the redox material in contact with the cathode-side electrode are sealed in the case, the exposed anode By bringing the bacterial cell solution into contact with the side electrode, according to the principle of a biofuel cell, electrons generated by the metabolic reaction of the bacterial cell in the bacterial cell solution are taken out, and the anode side electrode and the cathode side electrode (ie, the cathode side electrode) An electromotive force can be generated between the terminal and the terminal.

請求項2に記載された発明によれば、請求項1に記載された菌体生育状態計測センサを備えており、電力測定手段によって、前記菌体生育状態計測センサが備えるアノード側電極とカソード側電極との間に生じた起電力を測定して、生育状態算出手段によって、前記電力測定手段により測定された前記起電力に基づいて、前記菌体の生育状態を算出する。そして、生育状態出力手段によって、前記生育状態算出手段により算出された前記菌体の生育状態を出力する。そのため、この菌体生育状態計測センサのアノード側電極とカソード側電極との間に生じた起電力を測定して、この測定した起電力に基づいて菌体の生育状態を算出して出力することができる。   According to the invention described in claim 2, the cell growth state measurement sensor according to claim 1 is provided, and the anode side electrode and the cathode side of the cell growth state measurement sensor are provided by the power measurement means. The electromotive force generated between the electrodes is measured, and the growth state calculation means calculates the growth state of the cells based on the electromotive force measured by the power measurement means. The growth state output means outputs the growth state of the cells calculated by the growth state calculation means. Therefore, the electromotive force generated between the anode side electrode and the cathode side electrode of this bacterial cell growth state measurement sensor is measured, and the growth state of the bacterial cell is calculated and output based on the measured electromotive force. Can do.

請求項3に記載された発明によれば、請求項2に記載された菌体生育状態計測装置を備えており、この菌体生育状態計測装置が備える菌体生育状態計測センサが培養容器に収容されて、そのアノード側電極に菌体溶液が接触されている。そのため、この菌体生育状態計測センサのアノード側電極とカソード側電極との間に生じた起電力を測定して、この測定した起電力に基づいて菌体の生育状態を算出して出力することができる。   According to the invention described in claim 3, the cell growth state measuring device according to claim 2 is provided, and the cell growth state measuring sensor provided in the cell growth state measuring device is accommodated in the culture container. Then, the bacterial cell solution is in contact with the anode side electrode. Therefore, the electromotive force generated between the anode side electrode and the cathode side electrode of this bacterial cell growth state measurement sensor is measured, and the growth state of the bacterial cell is calculated and output based on the measured electromotive force. Can do.

請求項1に記載された発明によれば、菌体溶液中の菌体の代謝反応によって生じる電子を取り出して、アノード側電極とカソード側電極との間に起電力を生じさせることができるので、この起電力は菌体の代謝反応に応じた大きさとなり、即ち、活性状態にある菌体の数(量)、濃度に応じた大きさとなり、そのため、この起電力を用いることで、菌体の生育状態を正確に計測することができる。また、アノード側電極を菌体溶液に常時接触させることで、アノード側電極とカソード側電極との間に菌体の生育状態に応じた起電力を連続的に発生させることができるので、培養容器などから該菌体溶液を抜き取ることなく、菌体の生育状態を連続的に計測できる。   According to the invention described in claim 1, since the electrons generated by the metabolic reaction of the bacterial cells in the bacterial cell solution can be taken out, an electromotive force can be generated between the anode side electrode and the cathode side electrode. This electromotive force has a magnitude corresponding to the metabolic reaction of the microbial cells, that is, a magnitude corresponding to the number (amount) and concentration of the microbial cells in the active state. Therefore, by using this electromotive force, the microbial cells are The growth state of can be accurately measured. In addition, since the anode side electrode is always in contact with the bacterial cell solution, an electromotive force can be continuously generated between the anode side electrode and the cathode side electrode according to the growth state of the bacterial cell. The cell growth state can be continuously measured without removing the cell solution from the above.

請求項2、3に記載された発明によれば、この菌体生育状態計測センサのアノード側電極とカソード側電極との間に生じた起電力を測定して、この測定した起電力に基づいて菌体の生育状態を算出して出力することができるので、菌体の生育状態を正確且つ連続的に計測して出力できる。   According to the invention described in claims 2 and 3, the electromotive force generated between the anode side electrode and the cathode side electrode of the cell growth state measuring sensor is measured, and based on the measured electromotive force. Since the growth state of the microbial cells can be calculated and output, the growth state of the microbial cells can be accurately and continuously measured and output.

本発明の一実施形態を示す菌体培養システムの構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the microbial cell culture system which shows one Embodiment of this invention. 図1の菌体培養システムが備える菌体生育状態計測装置の構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the microbial cell growth state measuring apparatus with which the microbial cell culture system of FIG. 1 is provided.

以下、本発明の菌体培養システム、菌体生育状態計測装置、及び、菌体生育状態計測センサの一実施形態を、図1〜図2を参照して説明する。   Hereinafter, one embodiment of a microbial cell culture system, a microbial cell growth state measuring device, and a microbial cell growth state measurement sensor of the present invention is described with reference to FIGS.

図1に示す菌体培養システム(図中、符号1で示す)は、菌体としてのメタン資化細菌に、飼料となるメタン・酸素混合ガスを与えることにより、該メタン資化細菌を培養するシステムである。本実施形態は、本発明の一例を示すものであり、他の菌体を培養するシステムにも本発明を適用することができる。   The microbial cell culture system shown in FIG. 1 (indicated by reference numeral 1 in the figure) cultivates the methane-assimilating bacterium by supplying a methane / oxygen mixed gas serving as a feed to the methane-assimilating bacterium as the microbial cell. System. This embodiment shows an example of the present invention, and the present invention can be applied to a system for culturing other cells.

菌体培養システム1は、培養容器10と、飼料管19と、飼料タンク21と、菌体生育状態計測装置50と、を備えている。   The cell culture system 1 includes a culture container 10, a feed pipe 19, a feed tank 21, and a cell growth state measuring device 50.

培養容器10は、本体部11と、蓋部12と、ヒータ13と、攪拌装置14と、を備えている。   The culture vessel 10 includes a main body part 11, a lid part 12, a heater 13, and a stirring device 14.

本体部11は、上端が開口され、下端が底壁11aで塞がれた、有底筒状に形成されている。本体部11は、菌体とメディエータとが混合された菌体溶液60を収容する。   The main body 11 is formed in a bottomed cylindrical shape having an upper end opened and a lower end closed by a bottom wall 11a. The main body 11 accommodates a bacterial cell solution 60 in which bacterial cells and mediators are mixed.

培養溶液に含まれる菌体は、メタンを飼料とするメタン資化細菌である。このようなメタン資化細菌は、メタン(CH4)・酸素(O2)混合ガスを飼料として与えられることにより、その代謝反応によってメタノール(CH3OH)と水(H2O)と二酸化炭素(CO2)とを順次生成するとともに、菌体の内部に電子(e-)を取り出す。 The microbial cells contained in the culture solution are methane-utilizing bacteria using methane as feed. Such a methane-assimilating bacterium is supplied with a mixed gas of methane (CH 4 ) and oxygen (O 2 ) as a feed, so that methanol (CH 3 OH), water (H 2 O) and carbon dioxide are produced by the metabolic reaction. (CO 2 ) is sequentially generated, and electrons (e ) are taken out from the inside of the cells.

一例を挙げると、メタン資化細菌(Methylosinus trichosporium OB3b)は、メタンを原料として電子を発生しながら二酸化炭素へと酸化反応を行う菌体である。メタン資化細菌は、以下に示す代謝経路でメタン(CH4)を二酸化炭素(CO2)に酸化する。また、この代謝経路(反応)の途中(式2〜4)で電子を放出する。この細菌は、培養槽中でメタンを与えることにより培養することができる。
CH4→CH3OH→H2CO→HCOO-→CO2 ・・・(代謝経路)
CH4+O2+2NADH→CH3OH+H2O+2NAD+ ・・・(1)
CH3OH+2NAD+→H2CO+2NADH ・・・(2)
2CO+H2O+2NAD+→HCOO-+2NADH+H+ ・・・(3)
HCOO-+NAD+→CO2+NADH ・・・(4)
For example, methane-utilizing bacteria (Metylosinus trichosporum OB3b) is a microbial cell that oxidizes to carbon dioxide while generating electrons from methane as a raw material. Methane-utilizing bacteria oxidize methane (CH 4 ) to carbon dioxide (CO 2 ) through the metabolic pathway shown below. In addition, electrons are released during the metabolic pathway (reaction) (Equations 2 to 4). This bacterium can be cultured by supplying methane in a culture tank.
CH 4 → CH 3 OH → H 2 CO → HCOO → CO 2 (metabolic pathway)
CH 4 + O 2 + 2NADH → CH 3 OH + H 2 O + 2NAD + (1)
CH 3 OH + 2NAD + → H 2 CO + 2NADH (2)
H 2 CO + H 2 O + 2NAD + → HCOO - + 2NADH + H + ··· (3)
HCOO + NAD + → CO 2 + NADH (4)

メディエータは、電荷伝達体などとも呼ばれ、菌体内で生成された電子(e-)を菌体外部に伝達するための物質であり、例えば、メチレンブルーなどが用いられる。 The mediator is also called a charge transfer body or the like, and is a substance for transferring electrons (e ) generated in the microbial cell to the outside of the microbial cell. For example, methylene blue is used.

蓋部12は、本体部11の上端の開口を覆うようにして、本体部11に取り付けられる。蓋部12には、飼料管19の一端19aが、蓋部12を貫通して取り付けられている。また、蓋部12には、後述する菌体生育状態計測装置50の電線52が、蓋部12を貫通して取り付けられている。蓋部12は、本体部11に取り付けられたときに、本体部11の内部を気密にするとともに、飼料管19の一端19aを本体部11の内部で且つ菌体溶液60中に位置づける。   The lid portion 12 is attached to the main body portion 11 so as to cover the opening at the upper end of the main body portion 11. One end 19 a of the feed pipe 19 is attached to the lid portion 12 so as to penetrate the lid portion 12. In addition, an electric wire 52 of a cell growth state measuring device 50 described later is attached to the lid portion 12 through the lid portion 12. When the lid portion 12 is attached to the main body portion 11, the inside of the main body portion 11 is hermetically sealed, and the one end 19 a of the feed pipe 19 is positioned inside the main body portion 11 and in the bacterial cell solution 60.

ヒータ13は、本体部11の周壁11bの全周に亘って設けられた、周知の加熱装置である。ヒータ13は、本体部11を介して菌体溶液60を加熱することにより、菌体溶液60の温度を調整する。   The heater 13 is a known heating device provided over the entire circumference of the peripheral wall 11 b of the main body 11. The heater 13 adjusts the temperature of the bacterial cell solution 60 by heating the bacterial cell solution 60 via the main body 11.

攪拌装置14は、本体部11に収容された菌体溶液60を攪拌する装置であり、蓋部12を貫通し且つ回転可能に取り付けられた軸部15と、軸部15の先端に固定されたプロペラ部16と、軸部15の基端を支持するとともに軸部15を回転させるモータ部17と、を備えている。攪拌装置14のプロペラ部16は、本体部11の内部で且つ菌体溶液60中に位置づけられている。攪拌装置14は、定常的に、又は、飼料の供給時などの予め定められたタイミングで、軸部15を介してプロペラ部16を回転させることにより菌体溶液60を攪拌して、菌体溶液60中の菌体、メディエータ、及び、飼料を均一に混合する。   The stirring device 14 is a device that stirs the bacterial cell solution 60 accommodated in the main body portion 11, and is fixed to the shaft portion 15 penetrating the lid portion 12 and rotatably attached to the tip of the shaft portion 15. A propeller portion 16 and a motor portion 17 that supports the base end of the shaft portion 15 and rotates the shaft portion 15 are provided. The propeller part 16 of the stirring device 14 is positioned inside the main body part 11 and in the bacterial cell solution 60. The stirring device 14 stirs the bacterial cell solution 60 by rotating the propeller unit 16 via the shaft 15 steadily or at a predetermined timing such as when feed is supplied. 60 cells, mediator and feed are mixed uniformly.

飼料タンク21は、菌体の飼料となるメタン・酸素混合ガスを収容する。飼料タンク21には飼料管19の他端19bが取り付けられており、飼料タンク21は、該飼料管19を介して培養容器10が備える本体部11の内部と連通されている。また、飼料タンク21は図示しないポンプを備えており、このポンプによって、内部に収容されているメタン・酸素混合ガスを、飼料管19を通じて培養容器10に供給する。   The feed tank 21 stores a methane / oxygen mixed gas serving as a fungal feed. The other end 19 b of the feed pipe 19 is attached to the feed tank 21, and the feed tank 21 communicates with the inside of the main body 11 provided in the culture vessel 10 through the feed pipe 19. The feed tank 21 is provided with a pump (not shown), and the methane / oxygen mixed gas accommodated in the feed tank 21 is supplied to the culture vessel 10 through the feed pipe 19.

菌体生育状態計測装置50は、菌体生育状態計測センサ30と、計測器51と、電線52と、を備えている。   The microbial cell growth state measuring apparatus 50 includes a microbial cell growth state measurement sensor 30, a measuring instrument 51, and an electric wire 52.

菌体生育状態計測センサ30は、図2に示すように、アノード側電極31、カソード側電極32、イオン交換膜33、アノード側端子34、及び、カソード側端子35、を備えた電極部36と、ケース37と、を備えている。   As shown in FIG. 2, the cell growth state measurement sensor 30 includes an electrode unit 36 including an anode side electrode 31, a cathode side electrode 32, an ion exchange membrane 33, an anode side terminal 34, and a cathode side terminal 35. The case 37 is provided.

アノード側電極31は、例えば、多孔体のカーボン膜などで構成された、導電性多孔質膜である。アノード側電極31には、導電性の棒状端子であるアノード側端子34が、電気的に接続されている。   The anode side electrode 31 is a conductive porous film made of, for example, a porous carbon film. An anode side terminal 34 that is a conductive rod-like terminal is electrically connected to the anode side electrode 31.

カソード側電極32は、例えば、多孔体のカーボン膜などで構成された、導電性多孔質膜である。カソード側電極32には、導電性の棒状端子であるカソード側端子35が電気的に接続されている。   The cathode side electrode 32 is a conductive porous film made of, for example, a porous carbon film. A cathode side terminal 35 that is a conductive rod-like terminal is electrically connected to the cathode side electrode 32.

イオン交換膜33は、例えば、ナフィオン(登録商標、NAFION(Dupont社製))などで構成された、絶縁性を有する高分子固体電解質である。イオン交換膜33は、アノード側電極31とカソード側電極32との間に介在して、これら電極と積層されている。   The ion exchange membrane 33 is an insulating polymer solid electrolyte made of, for example, Nafion (registered trademark, NAFION (manufactured by Dupont)). The ion exchange membrane 33 is interposed between the anode side electrode 31 and the cathode side electrode 32 and laminated with these electrodes.

ケース37は、例えば、耐腐食性を有する金属や合成樹脂などを用いて、断面コ字状の器型に形成されている。ケース37には、その開口37aをイオン交換膜33により塞いでケース37の内部を密封するように、電極部36が取り付けられている。このとき、アノード側電極31及びアノード側端子34がケース37の外部に露出され、且つ、カソード側電極32及びカソード側端子35がケース37の内部に収容される。また、カソード側端子35の先端35a(即ち、カソード側電極32に接続された端部とは反対側の端部)が、ケース37を貫通して、ケース37の外部に露出される。ケース37の内部には、カソード側電極32とともに酸化還元物質を含む酸化還元物質溶液40が密封して収容される。カソード側電極32と酸化還元物質溶液40とは、ケース37の内部で互いに接触している。   The case 37 is formed into a U-shaped vessel shape using, for example, a metal having resistance to corrosion or a synthetic resin. An electrode portion 36 is attached to the case 37 so that the opening 37 a is closed by the ion exchange membrane 33 and the inside of the case 37 is sealed. At this time, the anode side electrode 31 and the anode side terminal 34 are exposed to the outside of the case 37, and the cathode side electrode 32 and the cathode side terminal 35 are accommodated inside the case 37. Further, the tip 35 a of the cathode side terminal 35 (that is, the end opposite to the end connected to the cathode side electrode 32) penetrates the case 37 and is exposed to the outside of the case 37. Inside the case 37, the redox material solution 40 containing the redox material together with the cathode side electrode 32 is sealed and accommodated. The cathode side electrode 32 and the redox material solution 40 are in contact with each other inside the case 37.

酸化還元物質溶液40は、例えば、フェロシアン化カリウムなどの、酸化還元反応を行うための物質を含んだ溶液である。   The redox material solution 40 is a solution containing a material for performing a redox reaction, such as potassium ferrocyanide.

本実施形態においては、ケース37は器状に形成されており、その開口37aをイオン交換膜33で塞ぐように電極部36が取り付けられているが、これに限定するものではない。例えば、電極部36を、アノード側電極31が外周面に、カソード側電極32が内周面に、なるように円筒状に形成して、その円筒内部に酸化還元物質溶液40を収容するとともに、円筒の上端部及び下端部の開口を円形蓋状に形成された一対のケース37で塞いで内部を密封した円柱形状の構成など、本発明の目的に反しない限り、その構成は任意である。   In the present embodiment, the case 37 is formed in a container shape, and the electrode portion 36 is attached so as to block the opening 37a with the ion exchange membrane 33, but the present invention is not limited to this. For example, the electrode portion 36 is formed in a cylindrical shape so that the anode side electrode 31 is on the outer peripheral surface and the cathode side electrode 32 is on the inner peripheral surface, and the redox substance solution 40 is accommodated inside the cylinder, The configuration is arbitrary as long as it does not contradict the purpose of the present invention, such as a cylindrical configuration in which the opening at the upper end and the lower end of the cylinder is closed with a pair of cases 37 formed in a circular lid shape and the inside is sealed.

このような菌体生育状態計測センサ30は、アノード側電極31が菌体を含む菌体溶液に接触されることによって、後述するバイオ燃料電池の原理により、該菌体溶液中の菌体の代謝反応によって生成される電子(e-)が取り出されて、アノード側電極とカソード側電極(即ち、カソード側端子)との間に起電力が生じる。 Such a cell growth state measuring sensor 30 is configured such that the anode-side electrode 31 is brought into contact with a cell solution containing the cell, whereby the metabolism of the cell in the cell solution is performed according to the principle of a biofuel cell described later. Electrons (e ) generated by the reaction are taken out, and an electromotive force is generated between the anode side electrode and the cathode side electrode (ie, cathode side terminal).

ここで、本実施形態における、バイオ燃料電池の原理による電力発生動作を説明する。   Here, the power generation operation based on the principle of the biofuel cell in this embodiment will be described.

電極部36は、アノード側電極31と、カソード側電極32と、それら電極の間に介在して積層されたイオン交換膜33と、で主要部が構成されている。アノード側電極31とカソード側電極32とを負荷を介して接続し、回路を構成する。そして、アノード側電極31に、菌体(メタン資化細菌)とメディエータとを含む菌体溶液60を接触させ、カソード側電極32に、フェロシアン化カリウムを含む酸化還元物質溶液40を接触させる。   The main part of the electrode part 36 is composed of an anode-side electrode 31, a cathode-side electrode 32, and an ion exchange membrane 33 that is interposed and laminated between these electrodes. The anode side electrode 31 and the cathode side electrode 32 are connected via a load to constitute a circuit. The anode-side electrode 31 is brought into contact with a bacterial cell solution 60 containing bacterial cells (methane-utilizing bacteria) and a mediator, and the cathode-side electrode 32 is brought into contact with a redox substance solution 40 containing potassium ferrocyanide.

そして、菌体溶液60中に菌体の飼料となるメタン・酸素混合ガスを吹き込むと、菌体の代謝反応が開始される。菌体はその代謝反応の中で、菌体内部に、プロトン(H+)及び電子(e-)を生成する。 Then, when a methane / oxygen mixed gas serving as a feed for the cells is blown into the cell solution 60, a metabolic reaction of the cells is started. The microbial cell produces protons (H + ) and electrons (e ) inside the microbial cell during its metabolic reaction.

菌体内部で生成されたプロトン(H+)は、菌体溶液60と酸化還元物質溶液40との間の濃度勾配によって、アノード側電極31、イオン交換膜33、及び、カソード側電極32を順次透過して、酸化還元物質溶液40に移動する。そして、酸化還元物質溶液40に移動したプロトン(H+)は、フェロシアン化カリウムから電子(e-)を受け取る。この結果、二価のフェロシアン化カリウムが、三価のフェリシアン化カリウムに遷移する。この反応により、水(H2O)が生成される(酸化反応)。 Protons (H + ) generated inside the microbial cells sequentially pass through the anode side electrode 31, the ion exchange membrane 33, and the cathode side electrode 32 according to the concentration gradient between the microbial cell solution 60 and the redox material solution 40. The light passes through and moves to the redox material solution 40. The proton (H + ) that has moved to the redox material solution 40 receives electrons (e ) from potassium ferrocyanide. As a result, divalent potassium ferrocyanide transitions to trivalent potassium ferricyanide. By this reaction, water (H 2 O) is generated (oxidation reaction).

一方、菌体内部で生成された電子(e-)は、菌体溶液60中のメディエータを介して、アノード側電極31に伝達され、この伝達された電子(e-)は、負荷を介して、カソード側電極32に移動する。そして、カソード側電極32に移動した電子(e-)は、酸化還元物質溶液40中の三価のフェリシアン化カリウムを、二価のフェロシアン化カリウムに還元する(還元反応)。このようにして、アノード側電極31(菌体溶液60)から供給される電子(e-)を、カソード側電極32(酸化還元物質溶液40)で順次消費することにより、電気エネルギーを得ることができる。 On the other hand, the electrons (e ) generated inside the bacterial cells are transmitted to the anode side electrode 31 via the mediator in the bacterial cell solution 60, and the transmitted electrons (e ) are transmitted via the load. And move to the cathode side electrode 32. The electrons (e ) moved to the cathode side electrode 32 reduce trivalent potassium ferricyanide in the redox material solution 40 to divalent potassium ferrocyanide (reduction reaction). In this way, electric energy can be obtained by sequentially consuming the electrons (e ) supplied from the anode side electrode 31 (bacterial cell solution 60) by the cathode side electrode 32 (redox material solution 40). it can.

計測器51は、それぞれ図示しない電流計と、該電流計と接続されたマイクロコンピュータと、該マイクロコンピュータと接続された液晶ディスプレイなどの表示装置と、を備えている。電流計は、一対の電線52を介して、菌体生育状態計測センサ30のアノード側端子34及びカソード側端子35に接続されており、それら端子間(即ち、アノード側電極31とカソード側電極32との間)を流れる電流(即ち、起電力(電気エネルギー))を測定して、該電流値に応じた信号をマイクロコンピュータに向けて出力する。   The measuring instrument 51 includes an ammeter (not shown), a microcomputer connected to the ammeter, and a display device such as a liquid crystal display connected to the microcomputer. The ammeter is connected to the anode side terminal 34 and the cathode side terminal 35 of the bacterial cell growth state measurement sensor 30 via a pair of electric wires 52, and between these terminals (that is, the anode side electrode 31 and the cathode side electrode 32). And a signal corresponding to the current value is output to the microcomputer.

マイクロコンピュータは、アノード側電極31とカソード側電極32との間を流れる電流と、菌体溶液中の単位体積当たりの菌体数と、の相関関係について予め定められた情報(相関情報)を備えている。この相関情報は、例えば、予備的試験の結果などに基づいて定められている。マイクロコンピュータは、電流計によって測定された電流値に応じた信号が入力されると、上記相関情報に基づいて、入力された信号に対応する単位体積当たりの菌体数を示す情報を算出して表示装置に送信する。そして、表示装置は、菌体の生育状態として、単位体積当たりの活性状態にある菌体数を表示(即ち、出力)する。即ち、以上から、明らかなように、計測器51は、即ち、請求項中の電力測定手段、生育状態算出手段、及び、生育状態出力手段に相当する。   The microcomputer includes information (correlation information) predetermined on the correlation between the current flowing between the anode-side electrode 31 and the cathode-side electrode 32 and the number of cells per unit volume in the cell solution. ing. This correlation information is determined based on, for example, the result of a preliminary test. When a signal corresponding to the current value measured by the ammeter is input, the microcomputer calculates information indicating the number of cells per unit volume corresponding to the input signal based on the correlation information. Send to display device. Then, the display device displays (that is, outputs) the number of cells in an active state per unit volume as the growth state of the cells. That is, as is clear from the above, the measuring instrument 51 corresponds to the power measurement means, the growth state calculation means, and the growth state output means in the claims.

本実施形態において、計測器51は、アノード側電極31とカソード側電極32との間を流れる電流を測定するものであったが、これに限らず、電圧を測定するものなど、アノード側電極31とカソード側電極32との間に生じる起電力(電気エネルギー)を測定するものであればよい。また、計測器51は、菌体の生育状態として、菌体溶液60中の単位体積当たりの活性状態にある菌体数を出力するものであったが、これに限らず、菌体の生育状態として、アノード側電極31とカソード側電極32との間を流れる電流値を直接出力するなど、菌体の生育状態に応じて変化する情報(即ち、菌体の生育状態を示す情報)であれば、出力する情報の種類は任意である。   In the present embodiment, the measuring instrument 51 measures the current flowing between the anode-side electrode 31 and the cathode-side electrode 32. However, the present invention is not limited to this, and the anode-side electrode 31 such as one that measures voltage is used. What is necessary is just to measure the electromotive force (electric energy) generated between the cathode electrode 32 and the cathode side electrode 32. In addition, the measuring device 51 outputs the number of cells in an active state per unit volume in the cell solution 60 as the cell growth state, but is not limited thereto, and the cell growth state is not limited thereto. As long as the current value flowing between the anode side electrode 31 and the cathode side electrode 32 is directly output, the information changes according to the growth state of the fungus body (that is, information indicating the growth state of the fungus body). The type of information to be output is arbitrary.

次に、上述した菌体培養システム1の動作(作用)の一例を説明する。   Next, an example of the operation (action) of the above-described cell culture system 1 will be described.

菌体培養システム1の使用者は、まず、培養容器10内に、培養する菌体を含む菌体溶液60と、菌体生育状態計測センサ30とを収容する。このとき菌体生育状態計測センサ30は菌体溶液60中に沈められる。これにより菌体生育状態計測センサ30のアノード側電極31が菌体溶液60に接触する。そして、飼料タンク21から所定量のメタン・酸素混合ガスを菌体溶液60に吹き込むとともに、攪拌装置14によって菌体溶液60を攪拌し、さらに、ヒータ13によって菌体溶液60を所定温度に加熱する。   The user of the cell culture system 1 first accommodates the cell solution 60 containing the cells to be cultured and the cell growth state measurement sensor 30 in the culture container 10. At this time, the cell growth state measuring sensor 30 is submerged in the cell solution 60. Thereby, the anode side electrode 31 of the bacterial cell growth state measuring sensor 30 comes into contact with the bacterial cell solution 60. Then, a predetermined amount of methane / oxygen mixed gas is blown into the bacterial cell solution 60 from the feed tank 21, the bacterial cell solution 60 is stirred by the stirring device 14, and the bacterial cell solution 60 is heated to a predetermined temperature by the heater 13. .

すると、菌体が、メタン・酸素混合ガスを飼料として消化することにより生育して、その数を増加させる。この菌体による飼料の消化時には、その内部で代謝反応が行われており、この代謝反応によって電子が生成されて、菌体生育状態計測センサ30のアノード側電極31とカソード側電極32との間に電流が流れる。そして、計測器51によってこの電流値を測定し、この電流値から求めた、菌体溶液60中の単位体積当たりの活性状態にある菌体数を表示する。使用者は、表示された菌体数に基づいて、菌体の生育状態を安定させるように、飼料の供給量又は菌体溶液60の温度の調整を行う。   Then, microbial cells grow by digesting methane / oxygen mixed gas as feed, and increase the number thereof. During the digestion of the feed with the cells, a metabolic reaction is carried out therein, and electrons are generated by the metabolic reaction, and between the anode side electrode 31 and the cathode side electrode 32 of the cell growth state measurement sensor 30. Current flows through And this electric current value is measured with the measuring device 51, and the number of the microbial cells in the active state per unit volume in the microbial cell solution 60 calculated | required from this electric current value is displayed. The user adjusts the feed amount or the temperature of the bacterial cell solution 60 so as to stabilize the growth state of the bacterial cells based on the displayed number of bacterial cells.

本実施形態によれば、菌体生育状態計測センサ30において、アノード側電極31とカソード側電極32とがそれらの間にイオン交換膜33を挟んで積層されており、そして、アノード側電極31とカソード側電極32に電気的に接続されたカソード側端子35の先端35aとがケースの外部に露出され且つカソード側電極32と該カソード側電極32に接触される酸化還元物質溶液40とがケース37に密封して収容されているので、この露出されたアノード側電極31に菌体溶液60を接触させることで、バイオ燃料電池の原理により、該菌体溶液60中の菌体の代謝反応によって生成される電子を取り出して、アノード側電極31とカソード側電極32(即ち、カソード側端子35)との間に電流(起電力)を生じさせることができる。   According to this embodiment, in the cell growth state measuring sensor 30, the anode side electrode 31 and the cathode side electrode 32 are laminated with the ion exchange membrane 33 interposed therebetween, and the anode side electrode 31 and The tip 35a of the cathode side terminal 35 electrically connected to the cathode side electrode 32 is exposed to the outside of the case, and the cathode side electrode 32 and the redox substance solution 40 that is in contact with the cathode side electrode 32 are the case 37. Since the cell solution 60 is brought into contact with the exposed anode-side electrode 31, it is generated by the metabolic reaction of the cells in the cell solution 60 according to the principle of a biofuel cell. The extracted electrons can be taken out to generate a current (electromotive force) between the anode-side electrode 31 and the cathode-side electrode 32 (that is, the cathode-side terminal 35).

以上より、本発明によれば、菌体溶液60中の菌体の代謝反応によって生じる電子を取り出して、アノード側電極31とカソード側電極32との間に電流(即ち、起電力)を生じさせることができるので、この電流は菌体の代謝反応に応じた大きさとなり、即ち、活性状態にある菌体の数に応じた大きさとなり、そのため、この電流を用いることで、菌体の生育状態を正確に計測することができる。また、アノード側電極31を菌体溶液60に常時接触させることで、アノード側電極31とカソード側電極32との間に菌体の生育状態に応じた電流を連続的に発生させることができるので、培養容器10などから該菌体溶液60を抜き取ることなく、菌体の生育状態を連続的に計測できる。   As described above, according to the present invention, electrons generated by the metabolic reaction of the bacterial cells in the bacterial cell solution 60 are taken out, and a current (that is, an electromotive force) is generated between the anode side electrode 31 and the cathode side electrode 32. Therefore, this current has a magnitude according to the metabolic reaction of the cells, that is, a size according to the number of cells in the active state. Therefore, by using this current, the growth of the cells can be achieved. The state can be accurately measured. In addition, since the anode side electrode 31 is always in contact with the bacterial cell solution 60, a current corresponding to the growth state of the bacterial cells can be continuously generated between the anode side electrode 31 and the cathode side electrode 32. The growth state of the bacterial cells can be continuously measured without removing the bacterial cell solution 60 from the culture vessel 10 or the like.

また、この菌体生育状態計測センサ30のアノード側電極31とカソード側電極32との間に生じた電流を測定して、この測定した電流に基づいて菌体の生育状態を算出して出力することができるので、菌体の生育状態を正確且つ連続的に計測して出力できる。そのため、出力された菌体の生育状態に応じて培養条件を調整することにより、菌体の生育状態を安定させることができる。   Further, the current generated between the anode side electrode 31 and the cathode side electrode 32 of the bacterial cell growth state measuring sensor 30 is measured, and the growth state of the bacterial cell is calculated and output based on the measured current. Therefore, the growth state of the bacterial cells can be accurately and continuously measured and output. Therefore, the growth state of the bacterial cells can be stabilized by adjusting the culture conditions according to the output growth state of the bacterial cells.

本実施形態においては、計測器51は、菌体の生育状態を表示装置に表示するものであったが、これに限らず、計測器51によって、例えば、遠隔地に対し伝送線などを介して菌体の生育状態を示す信号を送信するなど、菌体の生育状態の出力方法については任意である。また、計測器51に、菌体の生育状態と培養条件との相関関係について予め定められた情報を備え、そして、計測器51によって、該情報に基づいて、計測された生育状態に応じた培養条件となるように、ヒータ13及び飼料タンク21を制御するようにしてもよい。このようにすることで、菌体の生育状態の変化に応じて、迅速に培養条件を調整することができ、菌体の培養をより効率よく行うことができる。   In the present embodiment, the measuring instrument 51 displays the growth state of the bacterial cells on the display device. The method for outputting the growth state of the bacterial cells is arbitrary, such as transmitting a signal indicating the growth state of the bacterial cells. Further, the measuring device 51 is provided with information predetermined for the correlation between the growth state of the bacterial cells and the culture conditions, and the culture according to the growth state measured by the measuring device 51 based on the information. You may make it control the heater 13 and the feed tank 21 so that it may become conditions. By doing in this way, according to the change of the growth state of a microbial cell, culture conditions can be adjusted rapidly and culture | cultivation of a microbial cell can be performed more efficiently.

また、本実施形態においては、メタン資化細菌の生育状態を計測するものであったが、これに限らず、菌体生育状態計測センサ30において、バイオ燃料電池の原理により、菌体内部に生成された電子を取り出して、起電力を生じさせることができるものであれば、菌体の種類は任意である。   In the present embodiment, the growth state of the methane-utilizing bacteria is measured. However, the present invention is not limited to this, and the cell growth state measurement sensor 30 generates the inside of the cell body according to the principle of the biofuel cell. As long as the generated electrons can be taken out and an electromotive force can be generated, the type of bacterial cells is arbitrary.

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。   In addition, embodiment mentioned above only showed the typical form of this invention, and this invention is not limited to embodiment. That is, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

1 菌体培養システム
10 培養容器
30 菌体生育状態計測センサ
31 アノード側電極
32 カソード側電極
33 イオン交換膜
34 アノード側端子
35 カソード側端子
36 電極部
37 ケース
40 酸化還元物質溶液(酸化還元物質)
50 菌体生育状態計測装置
51 計測器(電力測定手段、生育状態算出手段、生育状態出力手段)
60 菌体溶液
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cell culture system 10 Culture container 30 Cell growth state measurement sensor 31 Anode side electrode 32 Cathode side electrode 33 Ion exchange membrane 34 Anode side terminal 35 Cathode side terminal 36 Electrode part 37 Case 40 Redox substance solution (redox substance)
50 microbial cell growth state measuring device 51 measuring instrument (electric power measurement means, growth state calculation means, growth state output means)
60 Cell solution

Claims (3)

菌体溶液中における菌体の生育状態を計測する菌体生育状態計測センサにおいて、
アノード側電極と、カソード側電極と、前記アノード側電極と前記カソード側電極との間に介在してこれら電極と積層されたイオン交換膜と、カソード側電極と電気的に接続されたカソード側端子と、を有する電極部と、
前記アノード側電極と前記カソード側端子の少なくとも一部とが外部に露出されるようにして前記電極部が取り付けられるとともに、前記カソード側電極と該カソード側電極に接触される酸化還元物質とを密封して収容するケースと、を備えている
ことを特徴とする菌体生育状態計測センサ。
In the cell growth state measurement sensor that measures the growth state of the cell in the cell solution,
An anode-side electrode, a cathode-side electrode, an ion-exchange membrane laminated between the anode-side electrode and the cathode-side electrode, and a cathode-side terminal electrically connected to the cathode-side electrode And an electrode part having
The electrode part is attached so that the anode side electrode and at least a part of the cathode side terminal are exposed to the outside, and the cathode side electrode and the redox material in contact with the cathode side electrode are sealed. A cell growth state measuring sensor.
請求項1に記載の菌体生育状態計測センサと、
前記菌体生育状態計測センサが備えるアノード側電極とカソード側電極との間に生じた起電力を測定する電力測定手段と、
前記電力測定手段によって測定された前記起電力に基づいて、前記菌体の生育状態を算出する生育状態算出手段と、
前記生育状態算出手段によって算出された前記菌体の生育状態を出力する生育状態出力手段と、を備えていることを特徴とする菌体生育状態計測装置。
The cell growth state measuring sensor according to claim 1,
A power measuring means for measuring an electromotive force generated between the anode side electrode and the cathode side electrode of the cell growth state measurement sensor;
Based on the electromotive force measured by the power measuring means, a growth state calculating means for calculating a growth state of the fungus body,
And a growth state output means for outputting the growth state of the cells calculated by the growth state calculation means.
菌体溶液を収容する培養容器と、請求項2に記載の菌体生育状態計測装置と、を備えた菌体培養システムにおいて、
前記菌体生育状態計測装置が備える菌体生育状態計測センサが、そのアノード側電極を前記菌体溶液に接触するようにして前記培養容器に収容されていることを特徴とする菌体培養システム。
In a microbial cell culture system comprising a culture vessel that contains a microbial cell solution, and the microbial cell growth state measuring device according to claim 2,
The cell culture system, wherein the cell growth state measurement sensor provided in the cell growth state measurement device is housed in the culture vessel so that the anode side electrode is in contact with the cell solution.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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