JPH0870845A - 培養システムに付設する排出ガスの循環方法とその装 置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微生物などを培養生長させる培養槽に空気な
どのガスを供給し、これで発生する排出ガスの一部を循
環させて培養槽に順次供給し、排出ガスに含有する有用
物質により被培養物の増殖成表を促進させること。 【構成】 培養槽の温度、攪拌機の回転速度、殺菌除
菌、供給ガスの流量などを調整する制御駆動機構を設け
た培養システムにおいて、廃棄していた排出ガスを供給
ガスの圧力を有する一部のガスで循環ポンプを作動し
て、排出ガスの一部を吸引回送して供給ガス管に導入し
ながら、間欠的に培養槽に円滑に戻して有用ガスを導入
することにより増殖生長を促進する排出ガスの循環方法
とその装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微生物や動植物などの
生物の細胞や組織を培養槽の液体培地の中で培養するシ
ステムにおいて、使用済排出ガスを再度該培養槽中に給
送する循環装置及び循環方法に関し、特に、培養中に発
生して排出ガス中に含まれる有用物質や成分を順次培養
槽中に供給して、培養や成育を促進するための排出ガス
循環装置とその循環方法に関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、微生物や動植物の細胞塊や組織を培
養液槽中で生育培養する方法やそのシステムは供給する
空気などの混合ガスを予め除菌して流量を制御しながら
温度制御した培養槽中を流通させたのち、大気中に排出
するという一方の方向のみに流通作用させていた。この
ような一方向のガス流通方法による生育培養は広範に利
用されていて、植物の色素やアルカロイド等の有用物質
を生産したり、クローン化された植物を槽内で増殖させ
るものである。また、培養や物質生産を効率的にするた
めにコスト高となっても酸素や二酸化炭素などを付加し
た空気を通気していた。さらに、工場で排出する二酸化
炭素を植物細胞や藻類、クロレラに代表されるラン藻な
どに固定化させて近隣環境の保全と共にその有効利用を
する研究もされている。一方、微生物で二酸化炭素を固
定化するため、例えば、ポリーβ−ヒドロキシブチレイ
トに代表される生分解性ポリマーの生産を目的とした培
養には二酸化炭素を通気する空気に付加するようにされ
ている。そして更に、アクアリウムで鑑賞魚と水草を飼
育する場合は昼間は水草が光合成により水中に酸素を放
出するので空気による通気の必要はないが、夜間は魚も
水草も水中の酸素を吸収するので多量の水草があるほど
酸欠になりやすく、そのために、通気をしている現状で
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術で述べたもののうち、培養槽の液体培地を通過したガ
スは使用済排出ガスとして大気中に廃棄され、特に、空
気に酸素や二酸化炭素を付加混合して通気しても、槽内
の液体中をバブリングしながら上昇して、実質的にその
多くが培養に利用されない状態で槽外へ排出されるた
め、必要以上の大量の酸素その他のガスを空気に付加混
合しないと目標とする増殖培養や有用物質の生育生産が
できない現状で、付加物質の利用が不充分となり、経済
的にも損失が大である。

【０００４】また、動植物の細胞や組織の培養研究にお
いて、フラスコ培養から装置社システム培養による通気
培養にスケールアップすると、通気で水や液体中にとけ
ている二酸化炭素が追い出されるように排出され、これ
から起こる二酸化炭素不足の場合も生ずる。更に、アク
アリウムで鑑賞魚と水草を飼育する場合も鑑賞魚が発生
させる二酸化炭素は通気によって追い出されてしまい、
これにより水草の生育に好ましくないことから、毎日、
二酸化炭素を空気に付加補給しなければならぬという問
題点を有していた。

【０００５】本発明は、従来の技術の有するこのような
問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、供給ガスが培養槽、或いはアクアリウム内を通
過したのち槽外へ排出される廃棄ガスには被培養物が生
成した有用なガスが混入しており、この有用な排出ガス
の一部を循環させて再度培養槽に供給することにより、
供給ガスに高コストのガスを付加することなく槽内の酸
素や二酸化炭素の不足分を補って培養生物の生育を促進
する方法とその装置を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明装置が付加配設される従来の培養システムは
最も汎用的に使用される公知の培養方法であって、攪拌
器付密閉培養槽内の培地を最適培養温度に調整してお
き、この培養槽内はコンプレッサより圧力的に供給され
る空気などの供給ガスは供給管内の流量を制御されなが
ら除菌手段を介して供給され、槽内の液体培地に均一に
ガス気泡を吐出して通過させ、通過上昇した排出ガスは
槽外に廃棄される。培養槽が、生物の培養飼育槽の場合
は少なくとも攪拌器を除去すると共に必要に応じて温度
調整を停止して屋内培養室温の温度で飼育成長させる方
法である。

【０００７】上記培養システムに設けられる排出ガスの
循環方法は、培養槽に導入される供給ガスの所望の割合
の流量を間欠的に切換流通し、その切換流体圧による作
動体の動作で排出ガスの所望の一部を間欠的に吸引した
のち、前記供給ガスの管ラインに導入し、供給ガスに排
気ガスを加えたものを培養槽に流入させるものである。

【０００８】上記培養システムの構成は、図１、図２に
示す如く、培養槽１と管路及び電気的制御機構で接続さ
れた制御筐体２からなる。培養槽１の攪拌器の回転速
度、槽を囲繞したジャケットの水温、供給ガスの流量等
は筐体２内の演算制御器（ＣＰＵ）で処理し、制御盤３
に検出表示し、これをキーで段階的に設定して調整す
る。

【０００９】制御筐体２の入口ポート４より給送された
供給ガスは図２の流量計５と調節弁６で調節される。そ
して被培養物の種類によっては排出ガス循環装置を介さ
ずに手動切換弁３０より供給ガス管２８ｂを通り除菌フ
ィルタ７を介して、直接に培養槽１内の多数の吐出ノズ
ル８に接続し、ガスを液体培地に噴出して、培地に有益
ガスを混入溶解させる。この時、攪拌機９が、緩慢に回
転して混入を助成すると共に、ジャケット１０内の水温
を調整して培養を促進する。そして、有益ガスが混入し
たのちの排出ガスは密閉蓋１１より排出管１２を介して
筐体２の放出管１３より大気中に放出廃棄される。

【００１０】前記培養システムに介在させる排出ガス循
環装置は培養槽乃至飼育培養槽１で発生した排出ガスを
該培養槽に戻す循環ポンプ１５を設ける。循環ポンプ１
５は弾性隔壁１６により供給ガス室１７と排出ガス室１
８に仕切られる。排出ガス室１８は培養槽１の発生排出
ガス用吸引管が接続され、その送気管は供給ガス管に接
続されて培養槽に送り込まれる。

【００１１】前記供給ガス室１７は、供給ガスを圧力的
に送り込んで弾性隔壁を膨張復帰させることにより排出
ガスを吸引吐出する循環ポンプ作動室である。供給ガス
室を作動させて、排出ガスの循環流量、循環のタイミン
グを規制する供給ガス室の駆動制御機構が供給管と供給
ガス室との間に設けられる。この駆動制御機構１９は制
御筐体２０内に循環ポンプ１５と共に配設される。駆動
制御機構１９は、制御筐体２０内の供給ガス管に設けた
流量計の数値を演算制御器に表示したこの流量の設定し
た所望の一部の供給ガス量を時間的に開にした切換弁で
供給ガス室に送り込む。そして、切換弁を閉にしたの
ち、供給ガス室の送気管に設けた開閉弁を開にして放出
管或いは通気している供給ガス管に戻すように制御する
ものである。

【００１２】

【作 用】屋内培養室には多数個の培養システムが配設
され、この培養システムに空気などの通気用ガスを圧送
すすコンプレックは１個乃至２個備えられる。

【００１３】供給ガス量が培養槽１の容量に対して過大
な流量のときは制御筐体２内の流量調節弁６を操作して
調整する。

【００１４】また、供給ガス管や排出ガスの循環する管
には供給乃至排出ガスの逆流を阻止する逆止弁を設け、
供給ガス管に供給ガス室から急激に大量の供給ガスが流
入して培養槽に過大なガスが負荷され、これにより装置
の誤作動を招くようなことがないよう、余分な給送ガス
は逆止弁を有する放出管で大気中に放出すると共に大気
が放出管より逆流しないようにしている。

【００１５】培養槽中に発生した過大な排出ガスが圧力
的に循環ポンプの排出ガス室に流入した弾性隔壁の膨張
変形を抑制し、装置の誤作動が発生するのち、これを阻
止すべく、戻し用送気管には前記余分な排気ガスを大気
中に放出する逆止弁は放出管を設けている。

【００１６】排出ガス循環装置に空気からなる供給ガス
を用いて液体培養槽に被培養物であるにちにちそうを懸
濁培養すると、二酸化炭素の供給が良好でにちにちそう
の増殖生産が著しく促進され、供給ガスにコストの高い
二酸化炭素を付加する必要がないものである。

【００１７】排出ガス循環装置で鑑賞魚と水草の飼育生
長をを促進させるには、前記培養槽の攪拌器を抜き取っ
て、これを水槽（アクアリウム）として使用する。従っ
て、水槽の温度調整機構は作動を停止させ、培養室の調
整温度で飼育する。昼間は水草が光合成で二酸化炭素を
吸収して水中に酸素を放出し、鑑賞魚は酸素を吸収して
二酸化炭素を排出する。夜間は水草も魚も酸素を吸収し
て二酸化炭素を放出する。これに対して、空気からなる
ガスに排出ガスを加えて水槽に供給すると、酸素も二酸
化炭素も生育に充分な量を供給可能である。

【００１８】

【実施例】実施例について図面を参照して説明する。図
１、図２において、培養槽１には制御筐体２及び制御筐
体２０とが通気管によって接続されている。

【００１９】培養槽１は、モータ２２と減速器より培地
での水中に羽根２３を有する回転軸が設けられた攪拌機
９が配設され、槽１の周囲には温度調節水を流通させる
ジャケット１０を設ける。そして、槽内底部には、供給
ガスの噴出する多孔ノズル８を配置したものである。

【００２０】制御筐体２内に配設された演算制御器（Ｃ
ＰＵ）２４は培養槽の機器の状態を検知して制御盤３に
数値を表示し、この数値に対し、培養に最適な設定値を
キーにより指令して作動させるものである。即ち、培地
水の温度をセンサで検地して温度表示設定部２５ａで適
温に設定する。この指令信号によりジャケット１０に自
動開閉弁を有する水管２６を介してポンプ２７で冷却水
を供給、排出しながら循環させ、そして、ヒーター付熱
交換器を備えた温度調整機２５で設定温度に保持する。

【０００２１】前記攪拌器９にもうけたエンコーダーで
回転速度を検知して回転速度表示設定部９ａで適性回転
数に設定指令する。更に、コンプレッサ（図示せず）で
筐体２内にガスを通気させる供給ガス管２８ａの部分に
は流量計５と、その上流に流量調節弁６を設け、流量表
示設定部２９ａで所望の流量の供給ガスを圧力的に通気
させる。筐体２外に導出した供給ガス管２８ａ先端には
三方弁からなる手動切換弁３０を設け、排出ガスを装置
を使用しない場合は供給ガス管２８ｂをして培養槽１内
の多孔ノズル８に接続する。一方、手動切換弁３０の流
路切換によりガスを流通させる供給ガス管２８ｃは、そ
の先端が制御筐体２０内に設けた供給ガス管２８ｄに接
続される。

【００２２】制御筐体２０内に配設された供給ガス管２
８ｄの先端は駆動制御機構１９の指令によって時間的に
切換えられる三方弁からなる切換弁４２が設けられ、切
換弁４２には、循環ポンプ１５に接続した分岐管４１と
供給ガス管２８ｅの基端が接続される。供給ガス管２８
ｅに逆止弁と出口ポートを介して接続され供給ガス管２
８ｆは除菌フィルター７を介して培養槽１内の多孔ノズ
ル８に接続して供給ガスを給送する。

【００２３】循環ポンプ１５は耐熱耐食性金属、例えば
ステンレス鋼板製であって、密閉円筒状筐体の中央部に
ベローズやダイフラムなどからなる弾性隔壁１６を張設
して供給ガス室１７と排出ガス室１８とを設けたもので
ある。弾性隔壁１６は分岐管４１からの供給ガスの流
入、流出で膨張復帰し、弾性隔壁が収縮復帰するとき、
排気ガス室１８は負圧となる。排出管１２と手動切換弁
１２ａで接続された逆止弁３５を有する吸引管３２によ
り排出ガスは排気ガス室１８に吸引導入される。培養槽
１内に多量の排出ガスが発生して、その圧力が弾性隔壁
１６の変形動作を抑止しようとするときはその圧力分の
排気ガス量だけ吸引管３２より分岐した逆止弁３３付放
出管３４より大気中に廃棄される。弾性隔壁１６が流入
する供給ガス圧により膨張変形していった後、吸引管の
逆止弁３５により排気ガス室１８内の排出ガスは送気管
３６より逆止弁３７を通過して供給ガス管２８ｅに導入
し、培養槽１内の多孔ノズル８に給送される。

【００２４】切換弁４２が分岐管４１に開放している時
間間隔に対応して供給ガス室１７の弾性隔壁１６は供給
ガスで膨張変形する。その後、切換弁４２が供給ガス管
２８ｅに切換られて、これに供給ガスが導通する。切換
弁１２と同時に開閉弁４４が開放され、供給ガス室内の
供給ガスは弾性隔壁１６自体の復帰力により逆止弁４
３、手動切換弁４７を介して、放出管４６より廃棄され
るか、或いは、送気管４５ｂより供給ガス管２８ｅに導
入される。そして、弾性隔壁１６が収縮復帰して室内が
常圧に戻ったとき開閉弁４４が閉鎖する。これと同時に
切換弁４２により供給ガスは分岐管４１より供給ガス室
１７にガスを充填していって、循環ポンプ１５を作動さ
せている。供給ガスを前記放出管４６より放出廃棄させ
るか、または供給ガス管２８ｅに戻すかについては被培
養物の種類により切換えられるが、循環排出ガスを培養
槽へ戻す量を少なくすること、即ち、ガス室１７への供
給ガス量を少なくすると培養槽内でのバブリングの急変
がなく、円滑に培養乃至飼養をなすことができる。駆動
制御機構１９は図２、図３に示す如く、供給ガス管２８
ｄに設けた流量計３８で検出した供給ガス流量値のアナ
ログ信号をＡ／Ｄ変換器３９でデジタル信号に変換す
る。このデジタル信号は演算制御器（ＣＰＵ）３１に入
力される。

【００２５】演算制御器３１に記憶された供給ガス流量
値に対して循環排出ガスの置替流量値を流量表示設定部
４０で操作してパ−センテ−ジで入力する。置替流量は
本実施例では２０％〜４０％の範囲で装置を円滑に作動
させる。被培養物の増殖生長を最適にするには３０％と
されている。演算制御器に入力された供給ガス流量値と
排出ガス置替流量値とは予め格納されたプログラムに従
って演算され、その指令信号は一対のＩ／０回路４９、
５０を介してソレノイド５１、５２を作動する。ソレノ
イド５１は切換弁４２を切換え、ソレノイド５２は開閉
弁４４を開閉する。供給ガス室１７へのガスの導入量は
弾性隔壁１６の膨張変形量は排気ガス置替流量設定キー
を操作して、分岐管４１にガスを流通させる切換弁４２
の切換時間隔による。分岐管４１へ流入を閉鎖する切換
弁４２の切換と同時に開閉弁４４を開放して供給ガス室
１７内のガスが流出したのち開閉弁４４は閉鎖される。
このように供給ガス室１７への流入及び該室１７からの
流出動作は駆動制御機構１９のプログラムされた時間的
指令信号によって作動するものである。

【００２６】本発明装置を構成する循環ポンプの排出ガ
ス室や循環させるための管部材及び培養槽は適宜な時期
にオートクレーブによる滅菌をすることができるように
配設される。

【００２７】

【実験例１】排出ガス循環装置の供給ガス流量（流量計
３８の測定流量値）の３分の１の流量を排出ガスで置替
えるよう設定し、供給ガスの圧力で膨張変形（ストロー
グ）する弾性隔壁の容量（供給ガスの流入量を１２l /
分に設定してその３分の１である４l ／分を排出ガスを
循環させるものである。開閉弁４４を閉とし、切換弁４
２を分岐管４２に切換えて供給ガスを流入させ、ダイヤ
フラムを変形するのに必要な時間は１ストローグ当たり
０．５秒であった。このダイヤフラムが１分間に排気ガ
ス４l を吸引するよう設定されているので４０回のスト
ローグ数が必要となる。従って、１分間に切換弁４２は
２０秒間分岐管に開放される。これにより、切換弁４２
を分岐管４１に閉となし供給ガス管２８ｅに開となす一
方、開閉弁４４を開として送気管４５ａより送気する時
間は合計で４０秒となり、ダイヤフラムの１面の収縮復
帰ストローグの時間間隔は１秒となる。

【００２８】上記のようなダイヤフラムの作動により送
り出される供給ガスを切換弁４７により放出管４６より
廃棄するときは供給ガス管を介して供給ガスと排出ガス
とが交互に給送され、培養槽１内には供給ガスの３分の
１の流量の排出ガスとが連続して円滑に流入し、その総
流量は３l ／分であってガスの供給流量に変化はない。

【００２９】

【実験例２】排出ガス循環装置によりアクアリウム（横
４５０ｍｍ，奥行２９５ｍｍ、高さ３６０ｍｍの大きさ
で３０l の水を入れる）に水草（レッド・リーフ・バコ
バ）１０本と熱帯魚（ネオンテトラ）２０匹を入れて飼
育した。その際、アクアリウムは２５°Ｃの温度に設定
して１日１２時間照明した。更に、供給ガス流量は３l
／分であり、供給ガスの３分の１の流量の排出ガスを置
き換えるが、循環ポンプは４秒間隔ごとに２秒間排出ガ
スを供給ガス管に導入した。一方、これとは別に排出ガ
ス循環装置を用いず、従来の培養システムを用いて、上
記アクアリウムに同種同量の熱帯魚と水草を入れる。更
に供給ガス流量は３l ／分に調節し、１日１２時間照明
をし、２５°Ｃの温度とした。そして両者は同時に飼育
を開始する。そして１〜２週間経過後は水草の状態に大
きな変化はなかったが、２０日目を過ぎたころから排出
ガス循環装置を使用していないアクアリウムの水草は葉
の色が変化して枯れた葉が茎から脱落し始めた。他方の
循環装置を使用したアクアリウムの水草は１ヶ月を経過
しても生気があり、新芽も出ていた。１ヶ月ごに各々の
アクアリウムから水草を抜き取って根の張りを調べたと
ころ、前記装置を使用したアクアリウムの水草は良く根
が伸びているのに対し、装置を使用していない方の水草
の根は生育が悪かった。また、飼育２週間後の循環装置
を使用したアクアリウム内の水中に溶解している二酸化
炭素の濃度は０．１５ｍｍｏl/リットルであるのに比
し、使用していないほうの濃度は０．０４ｍｍｏl ／リ
ットルであった。このことから排気ガス循環装置を使用
することにより約３．８倍の二酸化炭素が水中に溶存し
ていることが確認された。

【００３０】

【効 果】本発明は、上述のとおりの培養方法とその
装置に構成されているもので、次に記載する効果を奏す
る。

【００３１】本発明によれば、培養槽より大気中に廃棄
される排出ガスの一部を供給ガス管の供給ガスに付加す
るか、置替えて循環させることにより、排出ガス中の培
養に有用な物質や二酸化炭素、酸素、その他を再利用す
るもので、供給ガスに頭初から高コストの純粋な二酸化
炭素や酸素を付加することなく、培養槽中に発生する上
記有用物質の不足を緩和し、また、水草の生育や鑑賞魚
の生長も促進する効果を有する。

【００３２】更に、排出ガスを再利用する循環装置は供
給ガスの流入圧力で作動するものであって、特に作動さ
せるために別に設けたエネルギーなどの高コストの動力
源を必要とせず、被培養物の増殖生長に要するコストが
低廉である。

【００３３】本発明に係る排出ガス循環装置は既存の培
養システムに取り付けるだけで、供給ガス流量に対して
所望の割合の排出ガスを置き替えて循環させ、培養槽へ
の給気流量を一定に保持するので簡易に目的の被培養物
の増殖や生産の促進をなすことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】培養槽と培養制御システムを配設した制御筐体
との間には排出ガスを再現する制御部材を設けた制御筐
体を介在させた全体斜視図である。

【図２】培養槽を制御する培養システムの除菌フィルタ
ーの上流供給管部に排出ガス循環置を設けたブロックダ
イヤグラムである。

【図３】排出ガス循環装置の駆動制御機機構のブロック
ダイヤグラムである。

【符号の説明】

１ 培養槽 ２．２０ 制御筐体 ５．３８ 流量計 ６ 調節弁 ７ 除菌フィルター ８ 多孔ノズル ９ 攪拌機 １０ ジャケット １５ 循環ポンプ １６ 弾性隔壁 １７ 供給ガス室 １８ 排出ガス室 １９ 駆動制御機構 ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ，２８ｆ供給
ガス管 ３０ 手動切換弁 ３１ 演算制御器 ３２ 吸引管 ４１ 分岐管 ４２ 切換弁 ４４ 開閉弁 ４３，４５ａ ５１，５２ ソレノイド

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 培地液体を貯留した培養槽には駆動制御
   機構により調整されて回転速度が調節される攪拌器と槽
   温を調節する調節温水を入れたジャケットとガス流量調
   節手段と除菌フィルタを有する供給ガス管の先端側は槽
   内の多孔ノズルに接続された培養システムにおいて、 前記除菌フィルタの上流側供給ガス管部には、供給ガス
   の所望の割合の流量を所望の時間間隔だけ間欠的に分岐
   管に切り換えて流通させ、該流通する供給ガスの流体圧
   による循環ポンプを動作させ、循環ポンプの動作で排出
   ガスの所望の流量を間欠的に吸引したのち、前記供給ガ
   ス管部に間欠的に導入し、供給ガスに排気ガスを置替え
   るように加えたのち、培養槽に流入させるようにしたこ
   とを特徴とする培養システムに付設する排出ガスの循環
   方法。
2. 【請求項２】 培地液体を貯留した培養槽には、駆動制
   御機構により調整されて、回転速度が調節される攪拌機
   と槽温を調節する調節温水を入れたジャケットとガス流
   量調節手段と除菌フィルタを有する供給ガス管の先端側
   は槽内の多孔ノズルに接続され培養システムにおいて、 供給ガス管の除菌フィルタの上流管部には切換弁を介し
   て下流側供給ガス管と分岐管が接続され、分岐管先端は
   弾性隔壁で仕切られた循環ポンプの供給ガス室に接続
   し、弾性隔壁の他側の排出ガス室は培養槽の排出ガス管
   と連通する逆止弁付吸引管に接続され、排出ガス室から
   吐出する排出ガスは逆止弁と開閉弁を有する送気管は前
   記下流側供給ガス管部に接続される一方、演算制御器を
   備えた駆動制御機構は、供給ガス室のガス流量に対する
   所望の割合の流量を所望の時間間隔をおいて、間欠的に
   所望の時間だけ切換弁により供給ガス室にガスを流入し
   て弾性隔壁を膨張変形させ、切換弁を閉とすると同時に
   開閉弁を開して弾性隔壁を収縮復帰させて供給ガスを所
   望の時間だけ吐出送気させ、弾性隔壁が収縮したとき、
   排出ガス室に吸引した排出ガスは膨張したとき、逆止弁
   付送気管で該ガスを下流側供給ガス管に導入するように
   したことを特徴とする培養システムに付設した排出ガス
   循環装置。