JPH02140650A - 生物量計測用電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、培養装置、バリオリアクタ、処理装置内の生
物量をオンラインで計測するための電極に関するもので
ある。したがって本発明は、バイオインダストリをはじ
め、医療、食品工業、下水・廃水処理といった分野にお
いて非常に重要な役割を果すものである。

（従来の技術） 各種微生物、動物細胞、植物細胞等を用いて有用物質を
生産するバイオリアクタや培養装置は、その内部の生物
量が時々刻々変化するものであり、バイオリアクタ、培
養装置の制御を行ったり、内部状態を知る上で生物量を
測定することが非常に重要である。

バイオリアクタ等において、細胞の大きさが小さい各種
微生物においては、懸濁溶液中の菌体濃度の測定では、
培地中での微生物の各種光学的性質に基づいて、微生物
濃度を測定することが一応は可能である。しかし、光を
使用した各種測定法では生物以外のＳＳの混在による生
物量の誤認、測定溶液の色や気泡による誤差の増大、測
定機構の複雑さ等の問題点がある。この様な場合には、
現在のところリアクタや培養装置から細胞をサンプリン
グ法により採取しなければならず、培養系への雑菌汚染
の危険性が大きく、雑菌汚染のため高価な培養液を廃棄
しなければならないことが多く、培養効率の向上が望ま
れていたのである。また生物量等の情報をリアクタや培
ｉ装置のオンライン制御等に反映することは不可能であ
り、生物をサンプリングすることなく、オンラインで生
物量を測定できる方法の開発が亀栗視されてきたのであ
る。

最近、本発明者らにより培養装置内に金属電極を装着し
電気伝導度（導電率）および／又は電気容量（誘電率）
を測定することにより生物量をオンライン・リアルタイ
ムに計測する方法が発明された。

本発明は、上記計測法により電気容量および／又は電気
伝導度の測定を可能とする生物量計測用電極に関するも
のであり、このような電極は従来知られておらず、新規
である。

（発明が解決しようとする問題点） 上記したように、従来の技術では、サンプリングするこ
となく、培養中の微生物量、動物および植物細胞といっ
た生物量を測定することは、全く不可能であった。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記の技術の現状に鑑みてなされたものであ
って、培養槽中に少なくとも一対の金属電極を挿入し電
極が形成する電界中の電気容量および／又は電気伝導度
を測定することにより生物量のオンライン計測を可能と
するものである。

生物細胞は大雑把にいえば細胞核等を含む細胞質とそれ
を取り囲む細胞膜、壁から構成されている、このうち細
胞膜は脂質が主体となって構成されており非常に電気抵
抗値が高い。従って細胞を電界中におくと、細胞質に含
まれたイオンが移動することにより分極現象を示す、し
たがって細胞は一種のコンデンサとみなせる。一方細胞
を取り囲む培養液中には種々のイオンが含まれており細
胞を含む培養液は抵抗とコンデンサが並列に接続した等
価回路で示すことができる。したがってこのコンデンサ
部にあたる電気容量値を測定することにより細胞量の測
定が可能となる。なお細胞内のイオンが分極することに
よる影響はほぼ１０　ＭＨｚ以下であった。

そこで、金属電極を装着し、電気容量、電気伝導度とい
った電気量を計測することにより各種生物量をサンプリ
ングすることなく、オンライン・リアルタイムで測定で
きる計測用電極を開発するため、各方面から検討の結果
、ここに遂に外界からのノイズ等の影響も受けることな
く正確に且つ容易に生物量を計測しつる電極の開発に成
功したものである。

以下、本発明に係る生物量計測用電極について、図示し
た実施例を参照しながら詳述する。

先ずはじめに、本発明に係る生物量計測用電極に装着す
る金属電極について検討した。第１図に。

電解液（２０ｍＭ−ＣａＣ１□溶液）中に一対の電極（
電極面ＮｔＬ、−ｎ、電極間距＠４０’ｍｍ）を挿入し
て電気容量の周数特性をｉｎｑ定した一例を示す。ここ
で低周波側にいくにつれ電気容量が急激に大きくなるが
これは電極分極の影響である。この電極分極の影響はイ
オン濃度が高くなるにつれ高周波側にシフトしていくこ
とが知られている。本発明において種々の金属について
電極分極の周波数特性を測定した結果を第１図に示す。

第１図において、１は白金黒電極、２は白金電極、３は
ステンレス電極、４はアルミニウム電極、５は銅電極で
の測定結果である。これから、溶液中のイオン濃度が低
い場合には種々の金属をａ！極として採用することがで
きるが、生物の培養するようなイオン濃度の高い場合に
は白金黒電極が適していることが明かとなった。生物培
養時においても比較的イオン濃度の低い場合には白金電
極、ステンレス電極等が使用できるのはもちろんである
。

このような材料からなる金属電極を用いた本発明に係る
生物量計測用＃を極の１実施例について、第２図を参照
しながら説明する。

本実施例において、電極２１は、一対の金属電極（例え
ば電極面積：４ｄ）を例えば２ｃｍの間隔をおいて平行
に設置している。なお、Ｗ極の設貢数は一対に限定され
ず必要あれば更に多数としてもよいし、また電極面は同
一平面上に設置してもよいし、正対位置に設置してもよ
い。本電極は、誘電体である基材２２上に一対の金属電
極２１を電極相互の位置関係が変化しないようにしっか
りと固定し、各電極にリード線を取り付け、リード線２
３は基材内を通すことにより培養液と電気的、物理的に
分離したものである。基材からでた各リード線は２本に
別れ（電流用コードと電圧用コード）計ａ＋ｑ装置＆　
（図示せず）に接続する。なおリード線は、シールドす
ることなくそのまま用いてもよいが、本実施例において
は、外界の電波等のノイズをカットして更に正確な計測
値を得るために、シールド線２４とした。各リード線２
３のシールド２４は、基材２２を出たところで互に電気
的に接続した。図中２５はそのシールド接続部を示し、
２６は接続端子を示す。

第４．５図に本電極を用いて２０＋ｍＭ、　４０膳Ｍ、
　６０ｍＭ。

８０ａ＋Ｍ、　Ｏ，１Ｍ、　０．１５ＭのＮａＣ１溶液
を測定したときの周波数特性を示す。生物の培養液の様
に電気伝導度の高い試料について電気容量を測定する場
合、計測装置から電極までのリード線によるインダクタ
ンス成分の影響が大きくなる。第４図は第２図に示す電
極の接続端子からシールド接続部までの部分の補正を行
った場合の測定結果である。イオン濃度が増加するにつ
れ１００Ｋ）ｌｚ付近以上の周波数帯域で測定値が大き
くマイナスになる。これはインダクタンスの補正が不十
分のためと推定し′＃１極部までの補正を行ったところ
第５図に示すように電極特性を改善することができた。

なおインダクタンス成分の補ＩＥには周波数３００Ｋｌ
ｌｚでの値を用いて行った。これから周波数３００にＨ
ｚにおいて電気容量の測定をおこなえば、本電極をもち
いて培養液中のイオン濃度が変化しても生物濃度の計測
が可能であることが明かとなった。

第３図は、本発明に係る生物′ｋｋ測定用電極の別の実
施例を図示したものである。本実施例においては、基材
３２に装着した各電極３１に、（第２図のようにリード
線２３を各１本ずつ接続するのではなく）リード線３３
を２本ずつ（電流用コード、電圧用コード）接続すると
ともに、リード線３３（本実施例には全部で４本のリー
ド線が図示されている）はシールド線３４とし、しかも
各リード線３３のシールド３４は基材内で電気的に接続
した。第２図に図示した実施例においては、シールド接
続部２５を基材２２の外部に設けたが、本実施例におい
ては、シールド接続部３５は、基材３２内のしかも電極
３１に近い位置に設けた。基材内において電極に可及的
近い位置ですべてのコードのシールドをしっかりと接続
するほうが特性がよくなることが判明したがらである。

なお、３６は接続端子を示す。

第３図に示した生物量測定用電極を用いて、２０ｍＭ、
　４０ｍＭ、　６０ｍＭ、８０ｍＭ、　０．ＩＮ、　０
．１５ＭのＮａＣ１溶液を測定したときの周波数特性を
第６図に示した。第６図から明らかなように、測定した
すべてのイオン濃度において電極分極の影響がないとみ
なせる３００Ｋ）ｌｚより高周波側においてほぼ一定値
をしめし、上記の電極にくらべ電極特性が非常に改善さ
れることがわかった。

このように、本電極をもちいれば生物培養槽等のように
イオン濃度が高く、かつイオン濃度が変動する場合にも
生物を含む培養液の電気容量を安定に測定できることが
明かとなった。また複数の周波数で、測定結果から生物
濃度の算出が可能となり測定精度の向上がはかれること
がわかった。

（発明の効果） 本発明における電極を用いることにより、従来サンプリ
ングすることなく測定することが不可能であった、培養
槽内の生物量オンライン針側を可能とするという従来な
しえなかった新規にして卓越した効果かえられた。

したがって本発明によれば、微生物、動物細胞および植
物細胞量を非破壊的に測定することができ、バイオテク
ノロジー、ワクチン製造、微生物、初物細胞および植物
細胞を用いる実験、研究の技術用野、その他各方面にお
いて広く本発明を利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、金属電極材料の相違による電気８斌の周波数
特性の変化を図示したものである。 第２図及び第３図は、本発明に係る生物量計測用電極の
一実施例をそれぞれ図示したものである。 第４図及び第５図は、第２図に図示した生物量計測用電
極を用いて、各種濃度の食塩水溶液を測定して得られた
周波数特性を示し、そして第６図は、第３図に図示した
生物量計測用電極を用いて同様に測定した周波数特性を
示したものである。 代理人　弁理士　戸　１）親　男 Ｍｌ（ｚ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、誘電体である基材上に少なくとも一対の金属電極を
   電極相互の位置関係が固定された状態で装着し、電極に
   はリード線を各１本又はそれ以上取り付けるとともに、
   リード線は基材内を通すことによって液体媒質と電気的
   及び／又は物理的に分離し、且つリード線の電極と反対
   の端末に接続端子を取り付けてなることを特徴とする生
   物量計測用電極。 ２、誘電体である基材上に少なくとも一対の金属電極を
   電極相互の位置関係が固定された状態で装着し、電極に
   リード線を取り付け、リード線はシールド線とするとと
   もに基材内を通すことによって液体媒質と電気的及び／
   又は物理的に分離する一方各リード線のすべてのシール
   ドを基材内及び／又は基材外で電気的に接続せしめ、且
   つリード線の電極と反対の端末に接続端子を取り付けて
   なることを特徴とする生物量計測用電極。