JP5165425B2 - バイオセンサの制御温度設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、上下水道の各処理プロセスの水や河川水・湖沼水などの環境水を計測対象水として、その化学成分をモニタリングすることを目的としたバイオセンサ応水質計測器に好適に適用されるバイオセンサの制御温度設定方法に関する。

上下水道の処理水や河川水等の化学成分を測定するバイオセンサは、測定対象水中の測定対象物質を認識する分子識別素子（レセプタ）として、水質計測器に用いられている。バイオセンサは、酵素や抗体などの生体機能性分子や、微生物や細胞など生体そのものを利用している。バイオセンサでは、これらの生体材料を多孔性高分子膜に包括又は共有結合させることにより固定化した固定化膜と、電気化学的検出器などのトランスデュ−サとを組み合わせて測定対象水（試料液、検水）中の化学成分の測定を行うこととしている。バイオセンサは、例えば、有機汚濁物質（ＢＯＤ）やシアンや農薬などの有害化学物質など、従来の他の理化学センサでは計測が難しい化学物質の計測に利用されている。

バイオセンサは、一般的に、測定対象水を上記したような固定化膜に接触させ、これによって生ずる生化学反応により生成又は消費される物質の濃度変化を、検出器の出力（電流、電圧など）変化に変換して測定する。そして、既知濃度の被測定物質の標準液によって得られた検量線を用い、検水に対するセンサ出力から、検水中の目的物質の濃度を算出する。
例えば、目的物質を、微生物の消費する酸素とし、その濃度を算出するようにすることができる。

したがって、測定にあたっては、固定化膜に固定された生体材料が安定に機能するよう温度とｐＨ条件を一定にしている。このため、バイオセンサを応用した計測器では、温度を一定にするために、測定対象水を一定温度に加温する熱交換器と、バイオセンサの温度を一定とする恒温槽とが備えられている。加えて、ｐＨ条件を一定とするために、緩衝溶液が用いられている。

例えば、硝化細菌を用いたバイオセンサは、ｐＨ８〜９で安定に機能する。そこで、本発明者らは、このため、緩衝液としてｐＨ９のキレート態鉄とマグネシウムイオンの両方を含む四ホウ酸ナトリウム水溶液を開発した（特許文献１： 特開平１０−３００７１１号公報）。さらに、この四ホウ酸ナトリウム水溶液に炭酸水素ナトリウムを添加した緩衝液を開発した（特許文献２： 特開平１１−１５３５７３号公報）。
特開平１０−３００７１１号公報 特開平１１−１５３５７３号公報

しかし、測定対象水が地下水や河川水などの環境水や浄水、下水など硬度成分（カルシウム、マグネシウム）を含む場合には、以上のような緩衝液成分中の炭酸イオンと測定対象水中のカルシウムイオンとが反応して水不溶性の炭酸カルシウムが生成するおそれがある。このようにして生成した炭酸カルシウムの沈殿物が、流路を閉塞したり、固定化膜面及び固定化膜と測定対象水との間に介在するナイロン製のネットに付着したりすることがある。その結果、バイオセンサの応答性や、ゼロ点校正値に相当する測定電位の低下を引き起こすことがあった。

これらの原因により、長期モニタリングに支障をきたす場合があり、さらに、上記硬度成分の濃度が高いときには、バイオセンサ温度を３０℃に設定すると、メンテナンスの頻度が高くなることがあった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、バイオセンサ温度を測定対象水の水質に応じ、適切に設定することを可能とするバイオセンサの制御温度設定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法は、測定対象水中の化学物質を計測する水質計測器に用いられるバイオセンサの制御温度設定方法であって、測定対象水の硬度データに対して、ゼロ点校正時におけるセンサ出力の低下が連続運転期間に亘って抑制される上記バイオセンサの制御温度範囲に関するデータを、予め蓄積したデータベースを準備し、このデータベースに基づいて、測定対象水の硬度に応じ上記バイオセンサの制御温度範囲を設定するようにしたことを特徴とする。

本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法では、好適な形態において、バイオセンサの設定温度範囲を５℃から３０℃とする。

また、本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法は、別の形態で、平均制御温度と、総硬度と、連続運転可能日数とに関する相関データをバイオセンサの制御部に格納し、上記バイオセンサの温度測定装置により、運転中の平均制御温度を算出し、入力された測定対象水の総硬度と該平均制御温度とを自動的に照合することにより、上記バイオセンサのメンテンナンス時期を予測する。
そして、上記予測したバイオセンサのメンテナンス時期に基づき、上記バイオセンサの設定温度を変更し、メンテナンス時期を調整することができる。

なお、本明細書中、測定対象水とは、河川水、地下水などの水道原水や下・排水処理プロセスの流入水をいい、試料液（水）、検水とも称呼される。

本発明によれば、バイオセンサ温度を測定対象水の水質に応じ、適切に設定することを可能とするバイオセンサの制御温度設定方法が提供される。
本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法では、測定対象中の硬度成分であるカルシムイオンが緩衝溶液成分の炭酸イオンと反応してできる炭酸カルシウムの沈殿生成を、温度によって制御しているので、より安定に測定対象水の水質に関係なく水質を連続監視でき、より実用性が高く、メンテンナンス時期を調整することも可能となり、メンテンナスコストを低減できる。

以下に、本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法について、その実施の形態を参照しながらさらに詳細に説明する。

バイオセンサ
まず、本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法に採用することのできるバイオセンサについて、図１に、その一実施の形態を示す。
このバイオセンサ１は、試料流路２を有するフローセル３と、微生物（生体材料）の固定化膜４と、測定対象水中の溶存酸素量を測定する溶存酸素センサ５から構成されている。

フローセル３内には、まず、ナイロン製などのネット６を設置し、該ネット６に接して固定化膜４を設置し、その上に溶存酸素センサ５を取付け、ナット７で固定する。固定化膜４は、ネット６を介して測定対象水と接触することができ、ナット７を締結することによって、ネット６と、固定化膜４と、溶存酸素センサ５とが密接する。これによって、試料流路２を流れる測定対象水中の目的物質を計測することが可能となる。

溶存酸素センサ５内は電解液で満たされており、図示しない電極が設置されている。そして、電極に接続されるリード線８から、溶存酸素濃度に応じた電圧値又は電流値（以下、センサ出力値ともいう）が出力されるようになっている。このような溶存酸素センサとしては従来公知のものが使用可能であり特に限定されない。

固定化膜４に使用される微生物としては、硝化細菌が好ましく、特にアンモニア酸化細菌が好ましい。アンモニア酸化細菌としては、例えば、ニトロソモナス ユーロピア（Nitrosomonas europaea ATCC25978）を例示することができる。
この固定化膜４は、公知の方法に従って作製することができ、例えば、硝化細菌をアルギン酸ナトリウム水溶液に懸濁し、この懸濁液を多孔質のセルロース膜上に滴下してからもう１枚のセルロース膜で挟み、塩化カルシウム水溶液でアルギン酸ナトリウムをゲル化させて菌体を固定化することにより作製できる。

バイオセンサ応用水質計測器
上記のバイオセンサ１を用い、本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法を実施する対象となるバイオセンサ応用水質計測器の概要についてその一実施の形態を、図２に示す。

図２に示すように、このバイオセンサ応用水質計測器には、送液部として、純水、検水（測定対象水）、緩衝溶液Ａ、緩衝溶液Ｂの少なくとも４種類の溶液タンク２１〜２４が設けられ、それぞれ、必要に応じて混合して送液可能なように配管が接続されている。そして、混合後の配管は、バイオセンサ１を内蔵する恒温槽２９に接続されるように構成されている。

溶液タンク２１〜２４の純水、検水、緩衝溶液Ａ、緩衝溶液Ｂは、送液ポンプ３０によって送液可能となっている。なお、純水、検水、緩衝溶液Ａ、緩衝溶液Ｂのそれぞれの送液路には、それぞれの流路を制御するための電磁弁２５〜２８が設けられている。

送液路からの溶液は、エアポンプ３１でエアレーションされた後、熱交換器（図示せず）を介して温度調整された後、恒温槽２９中のバイオセンサ１内を通過して排水されるようになっている。
なお、恒温槽２９は、通常、バイオセンサの微生物の活性に応じて温度調整されている。例えば、硝化細菌を用いたバイオセンサ１の場合には、硝化細菌の活性指標である、溶存酸素消費率が目標制御範囲内になるように温度調整する。
また、バイオセンサ１を含むシステム全体は、その稼動を制御するため図示しない制御部が設けられている。
なお、本明細書中で、例えば、「記憶する」、「値を得る」、「検出する」、「予測する」、「照合する」といった記載は、このような制御部の機能として実現することができる。

バイオセンサの校正と計測器の運転方法
次に、図１のバイオセンサ１を用い、図２のバイオセンサ応用水質計測器を用いて測定対象水中の有害物質（化学物質）を測定する方法について、校正方法を主体として説明する。

はじめに、電磁弁２５、２７を開放し、他の電磁弁２４、２８を閉成し、溶液タンク２１から純水、溶液タンク２３から緩衝溶液Ａをそれぞれ、ゼロ点校正のために流す（ゼロ点校正モード）。そして、バイオセンサ１の安定化した電流出力値を記憶する。

上記ゼロ点校正モードでは、固体化膜４に固定された微生物、例えば硝化細菌に栄養が与えられない。したがって、例えば酸素を目的物質とすると、その消費率がゼロになるはずである。その結果、溶存酸素センサ５が、溶存酸素の上昇を検知し、電流出力値がゼロ点校正値に達する。

次に、電磁弁２５及び電磁弁２７を閉成し、電磁弁２６及び電磁弁２８を開放し、溶液タンク２２から検水、溶液タンク２４から緩衝溶液Ｂをそれぞれ流す。
これによって、検水の測定を開始する（測定モード）。

特開２００６−９８３２７に開示されているように、測定モードにおけるバイオセンサの温度は固定化膜４の活性（酸素消費率）を基に制御することができる。制御温度の推移は、試験水の水質や固定化膜４の初期活性によって異なる、例えば、硝化細菌に対する栄養分が測定対象水中に多く含まれる場合は、比較的低温（例えば、平均制御温度約１５℃）で稼動し、そうでない場合は、比較的高温（例えば、平均制御温度約２５℃）で稼動する必要がある。図６に、参考として、制御温度の履歴を合わせて示す。なお、制御温度そのものは、恒温槽２９、熱交換器を適宜制御することによって制御する。

溶液タンク２４内の緩衝溶液Ｂは、表１に示す組成を備え、硝化細菌の栄養分であるアンモニア性窒素を含む。そのため、恒温槽２９の設定温度によって制御される硝化細菌の活性に応じて、溶存酸素が消費され、酸素消費率の制御目標範囲内のセンサ出力を得る。
なお、酸素消費率は下式のようにして求められる。ゼロ点校正時のセンサ出力をＡ、測定モードにおける任意の時点のセンサ出力をＢとする。
酸素消費率（％）＝１００×（１−Ｂ／Ａ）
ここで、有害物質が流入し、固体化膜４上の微生物の活動を阻害すると、溶存酸素の濃度が上昇する。すなわち、酸素消費率が低下する。これによって有害物質が検出される。

図２のバイオセンサ応用水質計測器では、通常１日１回程度、バイオセンサ１の校正を自動的に行いながら、連続的に検水のモニタリングを行う。
図３に、バイオセンサ１の校正波形を示す。なお、緩衝溶液Ａは緩衝溶液Ｂからアンモニア性窒素を除いたものである。

バイオセンサの制御温度設定方法（その概要）
本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法では、測定対象水中の硬度データと、一般的な測定対象水中の硬度に関するバイオセンサの校正出力の、温度をパラメータとした経時変化に関するデータとに基づいて、バイオセンサの温度を設定するようにしている。この特徴について、さらに説明する。

図４に、炭酸カルシウムイオン３０ｍｇ／Ｌに調整した塩化カルシウム水溶液に、緩衝溶液を混合し、その経過時間と炭酸カルシウムの析出量の関係を示す。このように、炭酸カルシウムの生成速度は、その温度に依存しており、高温になるほど析出速度が促進されることが了解される。

バイオセンサの制御温度設定方法（第１の形態）
図５に、図１のような構成のバイオセンサ１であって、硝化細菌を用いたバイオセンサ１の平均制御温度２１℃で制御（制御温度範囲は５℃から３０℃）した場合のゼロ点校正値（出力電流値）の経時変化（９０日間）と、３０℃一定で制御した場合のセンサ校正値の経時変化（５０日間）の結果を示す。
なお、硝化細菌としては、ニトロソモナス ユーロピア（Nitrosomonas europaea ATCC25978）を用いた。
使用した検水は、日本全国で平均的な総硬度である約５０ｍｇ／Ｌの水を使用した。ここで、制御温度範囲の下限温度は、固定化微生物膜の保存温度である５℃とし、制御温度範囲の上限温度は、ニトロソモナスユーロピアの生育条件として最適である３０℃とした。

図５より、平均制御温度２１℃（制御温度範囲は５℃から３０℃）で制御した場合(太い実線)は、校正時のセンサ出力の低下が抑制されており、９０日後のナイロン製のネット６には炭酸カルシウムの付着が全く観察されなかった。
一方、温度３０℃一定で制御した場合は、校正時のセンサ出力の低下が著しく、５０日後のナイロン製のネット６が炭酸カルシウムで閉塞していた。

図５の結果から了解できるように、バイオセンサの温度を適切に制御すれば、硬度成分の固定化膜４への沈着を防止できることが了解される。
すなわち、例えば、図５で対象とした条件下で、バイオセンサの温度を平均制御温度２１℃（制御温度範囲は５℃から３０℃）といった適切な温度範囲で制御することにより、硬度成分によるメンテナンス頻度の低下という課題を解決することができる。
なお、本明細書中、メンテナンスとは、 固定化膜４、又はネット６を交換することや、フローセル３を洗浄することをいう。

本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法では、測定対象水中の硬度を調査し、測定対象水の硬度に関するデータを収集する。すなわち、処理対象となる測定対象水の硬度に関するデータを、例えば制御部のデータベースに保存する。
そして、温度をパラメータとした測定対象水中の硬度と、バイオセンサ校正出力の経時変化を、制御部のデータベースに保存する。すなわち、硬度を異ならせて、図５に相当するようなデータを予め蓄積したデータベースを準備する。
このようなデータに基づいて、測定対象となる測定対象水の硬度に応じ、バイオセンサの温度を設定することにより、測定対象水中の硬度成分濃度の濃淡に依らず、安定したモニタリングが可能となる。

バイオセンサの制御温度設定方法（第２の形態）
バイオセンサは、その温度を測定する装置を備えており、そのバイオセンサの平均制御温度から、バイオセンサのメンテンナンス時期を予測することができる。
図７に、平均制御温度をパラメータとした場合の総硬度と連続運転可能日数との関係を示す。なお、ゼロ点校正値が初期値に対して５０％以下となった時点で運転継続不可能と判定してデータを収集する。
なおここで、平均制御温度とは、運転開始から現時点までのバイオセンサ制御温度の平均値をいう。

例えば、平均制御温度が２２℃であった場合、総硬度１００ｍｇ／Ｌの試料水に対しては約６０日間の連続運転が可能であり、総硬度１５０ｍｇ／Ｌの試料水に対しては約３０日間の連続運転が可能である。
上記のような平均制御温度と、総硬度と、連続運転可能日数とに関する相関データをバイオセンサ１の温度制御回路などの制御部（図示しない）に格納しておく。
そして、運転中の平均制御温度を算出して、入力された測定対象水の硬度条件（総硬度など）と自動的に照合することにより、連続運転可能日数、すなわち、メンテナンス時期を予測することができる。

バイオセンサの制御温度設定方法（第３の形態）
本発明では、上記第２の実施形態で予測したバイオセンサのメンテンナンス時期を基に、バイオセンサの設定温度を変更し、メンテナンス時期を調整することもできる。
図８において、総硬度１５０ｍｇ／Ｌの試料水に対する連続運転可能日数を約３０日から約６０日に、すなわち、メンテナンス頻度を１／２にしたい場合、バイオセンサの平均制御温度が２２℃から１５℃に低下すれば良い。平均制御温度と、総硬度と、連続運転可能日数とに関する相関データは、バイオセンサ１の温度制御回路などの制御部に格納されており、このような調整を行うことが可能である。
図８に固定化膜４の活性の温度特性の一例を示す。このような場合、温度制御の目標値を酸素消費率９８±２％から８０±４％とすることにより、上記のような平均制御温度の低下が可能となる。ただし、平均制御温度を低下させることにより、固定化膜４の活性が漸減し、固定化膜４の交換が必要な状態になってしまうと、メンテナンス頻度は逆に上昇してしまうため、酸素消費率の推移とゼロ点の推移とを比較しながら、平均制御温度（酸素消費率の制御目標値）を決定する必要がある。

本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法に採用することのできるバイオセンサについて、その一実施の形態を説明する概念図である。 本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法を実施する対象となるバイオセンサ応用水質計測器についてその一実施の形態を示す概念図である。 本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法に関連し、運転モードと、バイオセンサ出力との関係を示すグラフである。 本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法に関連し、ＣａＣＯ_３濃度の経時変化を示すグラフである。 本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法に採用することのできるバイオセンサについて、ゼロ点校正値の経時変化を測定した結果を示すグラフである。 本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法に採用することのできるバイオセンサについて、温度の経時変化を測定した結果を示すグラフである。 本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法に採用することのできるバイオセンサについて、総硬度と連続運転可能日数との関係を測定した結果を示すグラフである。 本発明に係るバイオセンサの制御温度設定方法に採用することのできるバイオセンサについて、制御温度と酸素消費率との関係を測定した結果を示すグラフである。

符号の説明

１ バイオセンサ
２ 試料流路
３ フローセル
４ 固定化膜
５ 溶存酸素センサ
６ ネット
７ ナット
８ リード線
２１、２２、２３、２４ 溶液タンク
２５、２６、２７、２８ 電磁弁
２９ 恒温槽
３０ 送液ポンプ
３１ エアポンプ

Claims (4)

1. 測定対象水中の化学物質を計測する水質計測器に用いられるバイオセンサの制御温度設定方法であって、測定対象水の硬度データに対して、ゼロ点校正時におけるセンサ出力の低下が連続運転期間に亘って抑制される上記バイオセンサの制御温度範囲に関するデータを、予め蓄積したデータベースを準備し、このデータベースに基づいて、測定対象水の硬度に応じ上記バイオセンサの制御温度範囲を設定するようにしたことを特徴とするバイオセンサの制御温度設定方法。
2. バイオセンサの設定温度範囲が５℃から３０℃であることを特徴とする請求項１のバイオセンサの制御温度設定方法。
3. 平均制御温度と、総硬度と、連続運転可能日数とに関する相関データをバイオセンサの制御部に格納し、上記バイオセンサの温度測定装置により、運転中の平均制御温度を算出し、入力された測定対象水の総硬度と該平均制御温度とを自動的に照合することにより、上記バイオセンサのメンテンナンス時期を予測することを特徴とする請求項１のバイオセンサの制御温度設定方法。
4. 上記予測したバイオセンサのメンテナンス時期に基づき、上記バイオセンサの設定温度を変更し、メンテナンス時期を調整することを特徴とする請求項３のバイオセンサの制御温度設定方法。

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