JP6061295B2

JP6061295B2 - 懸濁粒子濃縮方法および装置

Info

Publication number: JP6061295B2
Application number: JP2013025429A
Authority: JP
Inventors: 龍郎秋葉
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2013-02-13
Filing date: 2013-02-13
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2033-02-13
Also published as: JP2014151303A

Description

本発明は、媒質中の懸濁粒子個数密度を懸濁粒子の性状に影響を与えることなく濃縮する方法および装置に関し、海洋観測技術分野、粒子計測技術分野、および湿式乾式粉体工学技術分野などで利用できるものである。

従来海洋科学において、海水中の懸濁物主にプランクトン(サイズ１０ミクロンから数ｍｍ)の現存量などの調査には、海水試料を深度別に採集、濃縮するためにプランクトンネットが利用されてきた(非特許文献１参照)。なお、対象とする最小サイズはプランクトンネットの網目で決定する。
従来のプランクトンネットでは採集と濃縮を同時に行うため、曳網方向に沿って集められてしまうため曳網方向の分布がわからなくなる、プランクトンが逃げる、あるいは傷むなどの問題があった。また網目の流体力学抵抗により濾水量が正確にわからないという問題があった。図４を参照して説明すると、ＡからＢにまで網を曳くとその網口が通過した水の体積が理想的には濾水されるはずだが、網の抵抗によりその濾水量は実際には図示の円柱の体積より小さくなってしまっていた。その体積を正確に見積もることは困難であった。

"From the Hensen net toward four-dimensional biological Oceanography"Peter H.Wiebe,Mark C.Benfield, Progress in Oceanography 56(2003) 7-136

気中、液中などの媒質中に微生物や非生物粒子、総称して懸濁粒子が存在するときに、それら懸濁粒子が何であるかどういう性状をもっているかという分析する際には、分析する対象粒子が含まれる媒体を単位時間当たり処理する能力、懸濁粒子個数密度によって分析が難しくなる場合がある。
例えば、対象とする懸濁粒子個数密度がｎ(個／Ｌ)で分析装置の処理能力がＶ(Ｌ／ｓ)の性能であるとすると単位時間あたりに測定できる数は、二つのパラメーターの乗算ｎＶでとなる。すなわち(ｎＶ)^-1が最低１個の粒子の分析ができる時間になる。
一方、粒子が時間的に分解、凝縮など変化したり、気体液体などの媒質に流動場があると測定しながら対象とする媒質自体がいれかわったり、対象が変化したりすることがある。この対象とする懸濁粒子や媒質の変化する時間をＴとするとＴ^-1＞ｎＶでなければいけないことになる。
そこで、プランクトンの現存量の測定を例に従来の問題点を挙げると、従来の手法では以下のような問題があった。
（１）プランクトンネットという網を利用してプランクトンをある一定の方向網を動かしながら採取していた。
これはプランクトンを採取するためのものであるが、同時に上記の個体数密度ｎを濾過により増加させる(濃縮する)方法となっている。この方法で人為的に個体数密度ｎは増加できるものの、曳網する方向にプランクトンを採集するため、その密度分布が曳網方向に対して存在しても曳網した水柱中の個体数密度分布の平均が測定できるだけであった。また、曳網時の網による抵抗のため曳網された流体の一部が濾水されずに捕えられないようになり、結果個数密度の平均値も不正確であった。
（２）この問題を回避するためＩＯＮＥＳＳ、ＭＯＣＮＥＳＳなどの開閉式採取機が開発された。深度の刻みが１０ｍや５０ｍと大きく、また装置が巨大になり、その操作に大型のＡフレームやクレーンを必要としていた。装置が水中で動くことにより自然な状態の分布が乱され、１メートルなどの細かい深度分布を測定できなかった。したがって空間分布が粗くなり、また細かい時間間隔例えば１０分間隔や１分間隔での測定が困難であった。
（３）そこで、簡易的に深度分布を測定できる様に現場でプランクトンを濃縮する技術が必要である。できるだけ短い時間で一定の水隗を採取し、次にその水隗の体積を濾過により小さくすることで、計測対象とする媒質の体積を減らす必要がある。
（４）次に時間的制約について説明する。例えば図５で示したポンプの吸引口にフィルターが装着されている場合を考える。できるだけ短い時間にフィルターを濾過しようとすると水流の速度を上げる必要があるが、その吸引力により対象の微粒子がつぶれたり、破壊されたり、あるいは互いに凝集して本来の性状が変化させられてしまう。またポンプのつくる水流により空間的な分布の様子が変化してしまう。
一方、ゆっくり採水すると上述のように時間がかかり、計測対象であるプランクトンが移動したり、マリンスノーなどの様な凝集粒子の場合分解したり、環境の変化などにより対象そのものの性状が変化し、また対象をプランクトンとする場合はその逃避運動能力により、全体のプランクトンの一部が逃避してしまい採集することができなくなり、本来の個体数密度より低く測定されてしまう。すなわちある瞬間にその場所にいたプランクトンの性状、個体数密度が変化しない程度の短い時間に一定体積の水隗を囲い込む必要がある。濾過による性状の変化や、ポンプ水流による分布形状の変化の問題を回避するためバケツのような採水器で採取することも考えられるが、この場合、採取する水隗の容積に比例して重量が重くなってしまい、やはり高頻度に層別に採集することは困難であった。

上記課題を解決するために、本発明は、蓋と、容器と、容器又は蓋に設けた伸縮自在の筒状部材と、該筒状部材の伸長手段及び収縮手段を備えた懸濁粒子濃縮装置であって、前記伸長手段は、容器側から伸縮自在の筒状部材を蓋まで伸長することにより、又は、蓋側から伸縮自在の筒状部材を容器まで伸長することにより、蓋と伸長した筒状部材と容器とで画定された密封空間内に懸濁粒子を補捉し、前記収縮手段は、筒状部材を収縮することで蓋と筒状部材と容器とで画定された密封空間の体積を小さくして懸濁粒子個体数密度をあげるとともに、伸長により捕捉する動作と収縮による濃縮作業を二段階にわけることで捕捉を短時間で行い、粒子の性状を変えないように濃縮することを特徴とする。
また、本発明は、所定の設定深度に懸下される蓋と、蓋から所定位置下方に配置された容器と、容器又は蓋に設けた伸縮自在の筒状部材と、該筒状部材の伸長手段及び収縮手段を備えた懸濁粒子濃縮装置であって、前記伸長手段は、容器側から伸縮自在の筒状部材を蓋まで伸長することにより、又は、蓋側から伸縮自在の筒状部材を容器まで伸長することにより、蓋と伸長した筒状部材と容器とで画定された密封空間内に懸濁粒子を補捉し、前記収縮手段は、筒状部材を収縮することで蓋と筒状部材と容器とで画定された密封空間の体積を小さくして懸濁粒子個体数密度をあげるとともに、伸長により捕捉する動作と収縮による濃縮作業を二段階にわけることで捕捉を短時間で行い、粒子の性状を変えないように濃縮することを特徴とする。
また、本発明は、所定の設定深度の位置に水平方向に懸下される蓋と、容器と、容器又は蓋に設けた伸縮自在の筒状部材と、該筒状部材の伸長手段及び収縮手段を備えた懸濁粒子濃縮装置であって、前記伸長手段は、容器側から伸縮自在の筒状部材を蓋まで伸長することにより、又は、蓋側から伸縮自在の筒状部材を容器まで伸長することにより、蓋と伸長した筒状部材と容器とで画定された密封空間内に懸濁粒子を補捉し、前記収縮手段は、筒状部材を収縮することで蓋と筒状部材と容器とで画定された密封空間の体積を小さくして懸濁粒子個体数密度をあげるとともに、伸長により捕捉する動作と収縮による濃縮作業を二段階にわけることで捕捉を短時間で行い、粒子の性状を変えないように濃縮することを特徴とする。
また、本発明は、前記懸濁粒子濃縮装置において、前記伸縮自在な筒状部材は、ジャバラ、または、摺動する複数の筒状部材で構成されたことを特徴とする。
また、本発明は、前記懸濁粒子濃縮装置において、前記蓋及び伸縮自在な筒状部材は、一部または全面を網状あるいはフィルター状に構成したことを特徴とする。
また、本発明は、蓋と、容器と、容器又は蓋に設けた伸縮自在の筒状部材と、該筒状部材の伸長手段及び収縮手段を用いた懸濁粒子濃縮方法であって、前記伸長手段により、容器側から伸縮自在の筒状部材を蓋まで伸長することにより、又は、蓋側から伸縮自在の筒状部材を容器まで伸長することにより、蓋と伸長した筒状部材と容器とで画定された密封空間内に懸濁粒子を補捉する捕捉工程と、次に、前記収縮手段により、筒状部材を収縮することで蓋と筒状部材と容器とで画定された密封空間の体積を小さくして懸濁粒子個体数密度をあげる濃縮工程とからなり、伸長により捕捉する動作と収縮による濃縮作業を前記捕捉工程と濃縮工程の二段階にわけることで捕捉を短時間で行い、粒子の性状を変えないように濃縮できるようにしたことを特徴とする。

本発明では、自然状態の分布に加える擾乱が少なくまた、例えば１０ｃｍ程度空間分解での鉛直分布も測定できる。
また、本発明では、プランクトンの確保と濃縮を別過程で行うので、凝集、つぶれなどの心配が減り、プランクトンの性状に与える影響がすくない。
また、従来のプランクトンネットではネットの長さが長く船上でのとりまわしに困難が伴っていたが、本発明ではネットの扱いが容易になる。
本発明は高い精度で捕捉する体積を決めることができ、粒子数密度の値が従来のものより正確である。

本発明の懸濁粒子濃縮方法および装置の基本構成を示した概念図である。図中、(１)は初期状態、(２)はＢが伸長して懸濁粒子を捕捉した状態、(３)はＢが収縮して懸濁粒子個体数密度を増加させた状態を示す。本発明の鉛直方向で使用する懸濁粒子濃縮装置の一例を示す図である。本発明の水平方向で使用する懸濁粒子濃縮装置の一例を示す図である。従来のプランクトンネットの問題点を説明するための図である。従来のポンプの吸引口にフィルターが装着されたタイプの懸濁粒子濃縮装置を示す図である。

図１は、本発明の懸濁粒子濃縮方法および装置の基本構成を示した概念図である。図中、(１)は蓋Ａと懸濁粒子を収納する容器が間隔を置いて配置された初期状態を示す図である。容器又は蓋には伸縮自在な筒状部材が設けられている。(２)は、容器側から伸縮自在の筒状部材Ｂを蓋まで伸長することにより、又は、蓋側から伸縮自在の筒状部材Ｂを容器まで伸長することにより、蓋Ａと容器との間に存在する懸濁粒子を、蓋Ａと伸長した筒状部材Ｂと容器で画定された密封空間内に補捉した状態を示す。このとき、捕捉される空間の位置を正確に決めることができ、また、自然状態の分布に加える撹乱も少ないので、個体の逃避運動性能などにより捕捉すべき個体の一部が逃避してしまうことが少ない。また正確な体積の水を捕捉することができる。(３)は、筒状部材Ｂが収縮することで蓋Ａと筒状部材Ｂと容器とで画定された密封空間の体積を小さくして懸濁粒子個体数密度をあげた状態を示す。このとき、蓋Ａ及び伸縮自在の筒状部材Ｂの一部又は全面を網状あるいはフィルター状にして濃縮する。また、容器を用いることにより、容器内に懸濁粒子がたまるので、網目に懸濁粒子が凝縮することがなく、懸濁粒子がつぶれることもない。また、懸濁粒子個体数密度をあげた状態では全体の体積が小さくなるので、例えば海洋から引き上げる場合に便利である。
このように伸長するときは本来の水を濃縮しないので逃避の影響が少なく、また収縮時に個体数密度を増加させるが、このとき対象懸濁物が凝集などにより性状が変わらないように濃縮すれば、懸濁粒子個体数密度を増加させることができる。
伸縮自在の筒状部材Ｂの伸長・収縮の起動の作動信号は索につけられた錘をメッセンジャーとして使用したものであっても、タイマー付リリース機構でも、電磁的な機構でも可能である。
上記伸長・収縮する機構を具備した濃縮装置を複数鉛直に配置すれば、短時間に深度分布を測定することができる。また、伸長・収縮する機構は鉛直方向でも水平方向でも使用することができる。
伸縮自在の筒状部材Ｂの伸長・収縮する機構は、例えばジャバラ、あるいは、摺動する複数の筒状部材などで実現することができる。

（実施例１）
鉛直方向で使用するための本発明の懸濁粒子濃縮装置の一例を、図２に示す。浮きから所定の深度設定の長さに懸下された蓋と、伸縮自在な筒状部材を上部に設けた容器と、蓋から所定位置下方にある筒状部材を蓋に向けて伸長する伸長手段と、伸長した筒状部材を蓋側に収縮させる収縮手段を備えた懸濁粒子濃縮装置であって、図では伸長手段として錘１番を採用し、収縮手段として錘２番を採用し、伸縮自在な筒状部材はジャバラを採用しているが、他の機構を採用しても良いことはもちろんである。図２では蓋の上部全面が網状に示してあるが、一部を網状あるいはフィルター状としても良く、また、伸縮自在な筒状部材の一部或いは全部を網状あるいはフィルター状としてもよい。また、図２では、筒状部材は容器側に設けてあるが、蓋側に設けることもできる。
図２の懸濁粒子濃縮装置を調査船等から投下し(このとき筒状部材は収縮した状態にある)、錘１番を外すと錘１番の重さでロープを介して伸縮自在な筒状部材が蓋に向かって伸長する。筒状部材が蓋まで伸長し、蓋と伸長した筒状部材と容器とで画定された密封空間内に懸濁粒子を補捉すると、次に、錘２番が外れて錘２番の重さでロープを介して容器が蓋に向かって引き上げられかつ伸縮自在な筒状部材が蓋に向かって収縮し、容器内に懸濁粒子が濃縮されることとなる。容器は、例えば数リットル〜５０ｃｃ程度の容量があればよい。

（実施例２）
水平方向で使用するための本発明の懸濁粒子濃縮装置の一例を、図３に示す。浮きから所定の深度設定の位置に水平に方向に懸下された蓋と、伸縮自在な筒状部材を蓋側に設けた容器と、蓋から所定位置だけ水平方向に離れた筒状部材を蓋に向けて伸長する伸長手段と、伸長した筒状部材を蓋側に収縮させる収縮手段を備えた懸濁粒子濃縮装置であって、図では、水平方向に懸下するためにカーテンレール状のもので懸下している。伸長手段及び収縮手段は図示していないが、図２と同様に錘１番、錘２番を採用することもでき、収縮時には容器の懸下部分はカーテンレール状のものに沿って容器が蓋に向けて水平方向に移動自在に懸下しておく。
図３では、伸縮自在な筒状部材はジャバラを採用しているが、他の機構を採用しても良いことはもちろんである。また、図３では、筒状部材は容器側に設けてあるが、蓋側に設けることもできる。また、図３では蓋の全面が網状に示してあるが、一部を網状あるいはフィルター状としても良く、また、伸縮自在な筒状部材の一部或いは全部を網状あるいはフィルター状としてもよい。

上記実施例の説明では、伸長手段及び収縮手段として錘を挙げたが、錘に限定されることなく、伸縮自在の筒状部材の伸長或いは収縮ができる機構であれば、タイマー付リリース機構でも、電磁的な機構でも、有線・無線信号により指令信号を送る機構のものであっても採用できることはもちろんである。

本発明は、主に、動物プランクトンの分布を詳細に測定するために工夫したものであって、生態系計測の研究に役立つが、それだけでなく釣り愛好家や一般漁業者も利用できるものである。たとえば、餌の分布を簡易に測定することができ、また、魚群探知機で得た深度データにあわせてその海域の餌生物の種類別分布密度を測定することができる。
また懸濁粒子分布を詳細に測定することができるので海洋土木工事にともなう濁度の原因となる懸濁粒子の挙動測定や、ダムの廃砂時の環境影響評価に利用できる。また粒子サイズスペクトルをトレーサーとすれば海流や水流の測定にも利用できる。

Claims

蓋と、容器と、容器又は蓋に設けられ一部または全面を網状あるいはフィルター状とされた伸縮自在の筒状部材と、を用いた水中の微生物や非生物粒子からなる懸濁粒子を一定の水塊から捕捉し濃縮する方法であって、
一対の対向する前記蓋及び前記容器を水中に間隔を置いて近接移動可能に配置し前記蓋と前記容器との間に捕捉される空間を形成する配置工程と、
前記筒状部材を前記蓋及び前記容器の間で伸長させて前記捕捉される空間を密封空間とし前記水中の前記懸濁粒子をこの中に補捉する捕捉工程と、
前記容器又は前記蓋を近接移動させ前記筒状部材を収縮させて前記容器内に前記懸濁粒子を濃縮させる濃縮工程と、からなることを特徴とする懸濁粒子濃縮方法。
前記配置工程は、前記蓋を所定の設定深度に懸下し、前記容器を前記蓋から所定位置下方に配置する工程であることを特徴とする請求項１記載の懸濁粒子濃縮方法。
前記配置工程は、一対の対向する前記蓋及び前記容器を所定の設定深度に水平になるように懸下する工程であることを特徴とする請求項１記載の懸濁粒子濃縮方法。
請求項１乃至３のうちの１つに記載の懸濁粒子濃縮方法に用いられる懸濁粒子濃縮装置であって、
一対の対向する蓋及び容器と、
前記容器又は前記蓋に設けられ一部または全面を網状あるいはフィルター状とされた伸縮自在の筒状部材と、
前記筒状部材を収縮状態から伸張状態にして前記蓋及び前記容器の間で伸長させる伸長手段と、を含むことを特徴とする懸濁粒子濃縮装置。
前記筒状部材は、ジャバラで構成されたことを特徴とする請求項４記載の懸濁粒子濃縮装置。
前記蓋及び前記筒状部材は、一部または全面を網状あるいはフィルター状に構成したことを特徴とする請求項４又は５に記載の懸濁粒子濃縮装置。