JPH0231148A - 生物量の計測方法 - 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、生物（菌体、動物細胞、植物細胞）が沈降し
た状態にあり、培養液や処理水等と界面を形成する培養
槽や処理槽において、生物濃度と生物のつくる界面を同
時にオンラインに計測する方法に関するものである。し
たがって１本発明は。

バイオインダストリをはじめ、食品工業、下水処理とい
った分野において非常に重要な役割を果たすものである
。

（従来の技術） 各種微生物、動・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、活性汚泥を用いる下水処理槽や培養
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。

これらバイオリアクタ等において、細胞の大きさが小さ
い各種微生物における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、菌体
濃度を測定することが一応は可能である（内円ほか４名
編「化学計測ハンドブック」朝食書店（１９８１−６−
２０）ｐ、６１３）。

しかし撹拌等を行わない場合においては、菌体は懸濁状
態ではなく、沈降状態になるのが通例でぁる。このよ）
な場合には攪拌等の操作により槽内の菌体濃度を均一に
した後、懸濁液の一部を取り出し、湿体積を求めたり、
乾燥重量を求めたり、細胞や核を染色した後、顕微鏡下
で細胞数をカウントする等の方法がとられたり、沈降部
についてこれらの方法により菌体濃度を求めるとともに
、菌体の作る界面位置を振動や超音波、目視等により検
出し槽全体の菌体量を推定するのが通例である。したが
っていずれの方法を採用するにせよリアクタや培養装置
から生物をサンプリング法により採取しなければならず
、生物量の情報をリアクタや培養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
開発が重要視されてきたのである。

上記の問題点を解決する手段として、先に本発明者によ
り、電気容量（誘電率）を利用して生物量を測定する方
法が見いだされ、フロック状になった菌体・細胞や固定
化菌体・細胞等を壊すことなくそのまま測定することが
可能となった（特願昭６２−２２４８１号）。　しかし
、従来のこの計測方法では一般に測定電極を相対する位
置に置き平行電極を形成して両電極間の電気容量を測定
していた。しかし正対する位置に電極を設置するのは測
定すべき培養装置が大きくなると電極間距離が大きくな
り、外界の影響等を受は易いという欠点があったにれに
対して１本発明では従来の電極は正対する位置に置くと
いう考えと全く異なり１両電極間の電界が空間内に拡が
る性質を利用して、複数の測定電極を同一面上に配列し
各電極間の電気容量（誘電率）を測定することにより大
きな培養装置においても測定電極を近い位置に設置する
ことを可能にするだけでなく、生物濃度と同時に生物の
作る界面をオンラインに計測することを可能にしたもの
であり、まさに画期的であり、このようなことは従来知
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、沈降伏態にある生物
量をそのままの状態でオンラインに計測することは、全
く不可能であった。また上記したように、電気容量を測
定する従来の技術では直径の大きい培養装置においては
、測定電極を装着するとき電極面積を大きくする必要が
あったり、電極間距離が大きくなり測定における種々の
影響を受けるため生物量を測定することは困難であった
。

そのうえ、従来法では界面の検出は不可能であった。

（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、生物が沈降伏態にある培養槽、処理槽においても
、また非常に大きい培養槽においても誘電測定法により
生物量計測を可能とする目的でなされたものである。

この目的を達成するために各方面から広く研究を進めた
結果、特に工業化という面から、光学的測定法よりも電
気的測定法の方が好適であるとの観点にたち、従来の電
気容量を測定する方法に着目した。

そこで、この方法について更に詳細に研究を行い、電極
に注目し、その設置位置について発想を転換して、電極
を正対する位置に設置するのではなく測定電極を同一平
面上に置いて電気容量（誘電率）を測定したところ、全
く予期せざることに、測定した電気容量値（誘電率）と
生物量との間に一定の関係のあるという新規な知見を得
、これを基に更に研究した結果１本発明に到達したもの
である。

すなわち本発明は、培養槽・処理槽内に複数の電極を同
一面内に設置し、各電極間の電気容量（誘電率）を測定
することを重要な骨子とし、生物濃度と生物の作る界面
を検出することにより生物が培養槽・処理槽内で占める
容積とを同時に検出することにより槽内の生物量を測定
する方法に関するものである。

生物細胞は大雑把にいえば細胞核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。したがって細胞を含んだ測定対
象は、電解液（基質中にはイオンが含まれており電解液
とみなせる）中に、内部に電解液ヲ（細胞液中にはイオ
ンが含まれており電解液とみなせる）含んだ油の粒子（
細胞）が存在する１７ＪＬ／ジヨン系とみなすことがで
きる。このような系については、花卉ら（たとえば文献
：マイク。カフセルとはどんなものか、花卉哲也他、表
面。

第２１巻、第７号、　１９８６年）によって理論的解析
が行われてきている。花卉の理論を用いるとエマルジョ
ン系のオイルの状態等（例えば、オイルの占める容積割
合等）を定常的に解析することができる。

この様な背景のもとに本発明者らは種々の菌体。

細胞をもちいて実験を繰り返した結果、ある範囲の周波
数帯域の電気容量が生物量の増加とともに増加する性質
のあることを本研究から明かにすることができた。

通常、計測装置により得られる測定値は電気容量であり
誘電率を直接求めることはできない、その理由は、Ｗ１
気容量は測定のための電極面積、形状、電極間距離等に
より変わるためである。しかしあらかじめセル定数等を
求めておけば、１！気容量の誘電率への変換は容易であ
る。

つぎに培養槽内の壁面に垂直方向に複数の電極を装着し
た場合を例にとり電気容量から生物量を求める方法につ
いて述べる。

電気容量は、電極、培養装置等の形状等の影響をうける
ため、あらかじめ隣接する各電極間で生物を含まない状
態での周波数特性を求めておき、測定対象の周波数特性
から減じることにより、菌体の存在によりもたらされる
電気容量の変化を求める。この時、生物の存在により数
キロヘルツ（にＨｚ）から数メガヘルツ（ＭＨｚ）　（
この範囲は、環境のイオン濃度、測定対象の種類等）に
より違いがある）の広い周波数領域にわたって電気容量
の増加が見られる。したがって電気容量から生物濃度を
算出するには、細胞濃度の変化に対して最も著しい変化
を示す周波数での値を採用してもよいし、適当なデータ
処理を施してもよい。通常、周波数帯域１０ＫＨｚ＝ｌ
ＯＭＨｚにおける電気容量（誘電率）を測定するのが好
ましい。

そこで、予じめ電気容量と生物濃度（乾燥重量。

菌体数等）との関係を求めておけば、電気容量力、ら容
易に生物濃度の算出が可能となる。まず培養槽の最も底
面に近い位置にある二つのＷ１極間力、ら随時上に向か
って各電極間の電気容量を測定する。

各ａｔ！Ｉ　定（ｆｌＩから予め求めておいた生物濃度
との関係から、各電極対で測定できる範囲における生物
濃度を求めることができる。生物が沈降して界面を形成
していると、沈降部にある電極対での測定値は高く、ま
た通常各電極対間での測定値はほぼ同じ値を示す、また
界面より上部にある電極対では低い値を示す、一方電極
間に界面が存在する場合には中間の値を示すが、この値
は通常状態では下にある電極からの距離に比例する。各
電極の培養槽の底面からの高さをあらかじめ測定してお
けば容易に生物の作る界面を算出することができる。

したがって本方法により測定対象生物をサンプリングす
る等の操作を要さずオンラインで生物量の計測が可能と
なる。

第１図は、計測システムの１例を示したものである。培
養槽２には、その内部に菌体等を満たすとともに、複数
の電極１を垂直面内に配置しておく。マルチプレクサ等
により測定電極を切り替えることにより各電極間の電気
容量を誘電率測定装置（ＬＣＲメータ等）５を用いてお
こなう。測定装置５としては、周波数が固定の装置でも
使用可能であるが、複数の周波数で電気容量の測定がで
きるタイプのものが望ましい。測定結果は、ヒトが読み
取りマニュアルによって算出してもよいし、インターフ
ェイスを介してコンピュータ６にデータを転送し、自動
的に生物量を算出してもよい。

第４図は、本発明に係る測定方法を実施する装置の他の
１例を示したものであって、培養槽２の底面から上方へ
複数の電極１を平行に立設したものである０図中３は、
微生物菌体等生物体を示す。

測定対象が微生物に限らず、動物細胞、植物細胞でも測
定できるのはもちろんである。また菌体等が各種固定化
剤を用いて固定化した場合、あるいは付着性動物細胞の
培養に通常用いられるプラスチックビーズ（例えば、フ
ァルマシア社製すイトデックス等）の表面に付着増殖し
た細胞についても自由に測定することができる。

本発明の測定原理にしたがうものであれば、生物体のみ
ならず非生物体の測定も可能である０例えば、土壌）？
濁液中の土壌濃度、粘土その他コロイド液中のコロイド
濃度、凝集物濃度等、化学、物理化学、物理学の各領域
における固体懸濁液中における固体濃度の測定にも広く
利用することができる。

本発明は、上記したように濃度測定、菌体ｉ測定だけで
はなく、濁度測定にも利用できるし、また沈降ないし凝
集度の測定にも利用することができる。前者の実際の用
途としては、河川、湖水。

海水の濁度測定換言すれば清澄度測定があり、後者の実
際の用途としては、界面の測定によって、下水処理槽に
おいて上澄部分と沈降部分との境界面の検出を行うこと
により、上澄部分を河川に放流するのに利用することが
でき、公害防止技術としても本発明は卓越している。

次に１本発明の実施例についてのべるが、これらは単な
る例示であって、なんら本発明を制限するものではない
。

実施例１ 壁面に垂直方向に５６ｃｍ間隔で４個の金属電極（電極
面積：１ｄ）を装着した培養槽にアルギン酸カルシウム
で固定化した酵母を種々の位置まで充填した時の各電極
間での電気容量を測定した結果を第２図に示す。ａは培
養槽の底面から５６ｍｍと１１２ｍｍ、　　ｂは１１２
ｍｍと１６８ｍｍ、　ｃは１６８ｍｍと２２４ｍｍの位
置に装着した電極間で測定した結果である。

そして、あらかじめ各電極間の電気容量値と菌体濃度（
乾燥重量、菌体数等）との関係を求めておき、各電極間
での測定値結果から容易に菌体の界面および各電極間で
の菌体濃度を測定することができた。

実施例２ 壁面に垂直方向に５６ｃｍ間隔で４個の金属電極（電極
面積＝１ｄ）を装着した培養槽に下水処理場から採取し
た活性汚泥を種々位置まで充填した時の各電極間での電
気容量を測定した結果を第３図に示す。ａは培養槽の低
面から５６ｍｍと１１２ｍ＋ａ、　ｂは１１２＋ｍと１
６８＋ｐ、ｍ、　　ｃは１６８ｍｍと２２４ｍ＠（７）
位［にＭｓした電極間で測定した結果である。そして、
あらかじめ各電極間での電気容量値と菌体濃度（乾燥重
量等）との関係を求めておき、各電極間での測定値結果
から容易に菌体の界面および各電極間での菌体濃度を測
定することができた。

実施例３ 壁面に幅５ｎ＋ｍ長さ３００ｍ＋ａの一対の金属電極を
平行に５０ｍｍの間隔をおいて底面から５０ｍｍの位置
から３５０ｍｎ＋の高さまで設置した培養槽（第４図）
に、アルギン酸カルシウムで固定化した酵母を種々の高
さまで充填した時の電極間の電気容量を測定した結果を
第５図に示す、そして、あらかじめ電極間での電気容量
値と菌体のつくる界面との関係を求めておき、測定値か
ら容易に菌体の界面を測定することができた。

（発明の効果） 本発明は、電気容！（誘電率）を測定することにより生
物（菌体）量を計測する場合において、複数の測定電極
を同一面上に配列することにより生物濃度と生物の作る
界面位置を同時に検出することにより、沈降伏態にある
生物量をオンライン・リアルタイムに計測することを可
能とする従来なしえなかった新規にして卓越した効果を
有するものである。

したがって本発明によれば、沈降伏態にある生物量を非
破壊的に測定することができ、バイオテクノロジー、水
処理分野、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。

そのうえ本発明によれば、生物体のみならず懸濁体であ
れば土壌粒子、粘土粒子、下水処理槽での凝集体等非生
物体にも広く適用することができ、食品工業、化学工業
、生命工学工業、公害防止工業の各技術分野において、
各種の固液分離に広く利用できる。

また本発明は、混濁針、汚濁針、界面計等にも利用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の計測システムを図示したものであり、
第２図及び第３図は固定化酵母及び活性汚泥における測
定例をそれぞれ図示したものである。第４図は本・発明
方法を実施するための、平行に電極を装置した培養装置
の１例を図示したものである。第５図は、固定化酵母に
おける界面測定例を図示したグラフである。 代理人　弁理士　戸　１）親　男

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、生物を含む溶液内に、複数の電極を同一面上に設置
   し、各電極間の電気容量（誘電率）を測定することによ
   り、生物濃度を測定すると共に、生物の高濃度域と低濃
   度域との界面を検出することを特徴とする生物量の計測
   方法。 ２、生物を含む溶液内に、複数の電極を垂直面上に設置
   し、各電極間の電気容量（誘電率）を測定することを特
   徴とする界面の検出方法。 ３、周波数帯域１０ＫＨｚ−１０ＭＨｚにおける電気容
   量（誘電率）を測定することを特徴とする特許請求の範
   囲第２項に記載の方法。