JPS61239883A - 菌体濃度計測装置 - 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】

〔発明の利用分野〕 本発明は培養槽や醗酵槽などの槽内に入っている懸濁液
中の微生物濃度を測定する菌体濃度の計測装置に関する
。 〔発明の背景〕 バイオプラントに用いられる菌体濃度計には、（１）高
濃度まで計測できること、 （２）気泡、攪拌の影響を受けないこと、（８）殺菌操
作（１２００，１５分）可能なこと、など厳しい機能が
要求される。 従来のバイオフ２ント用の菌体濃度計としては、光Ｃレ
ーザーなど）の透過光や反射波が濃度に対水で減衰する
ことを利用したものが知られている。 しかし、光の減衰に着目する限り、光路上の気泡は誤差
の原因となるし、まｔ１菌体が光路上を満たすほどの高
濃度までは計測困難である。この究め、光学式の場合に
は前記の（１）及び（２）の機能が充分には満足されな
い。 一方、溶液の濃度計として、超音波の音速を用いる方法
が知られている。（特開昭５８−７７６５６号公報など
）しかし、音速で濃度を求める方法は、懸濁液のような
非水溶液では適用できないとされてい九〇特に、懸濁液
中に気泡が存在すると、気市によって超音波が散乱する
ので濃度を計測できなくなる。 このように、従来の菌体濃度では■〜■の機能が満足さ
れていなかったので、給気ガス中の酸素濃度、排気ガス
中の酸素濃度並びに炭酸ガス濃度などの物理化学量を計
測して、これらから、微生物の菌体濃度を演算するとい
う間接的な手法を採っている。しかし、菌体濃度や菌体
量の管理が出来ないために、菌体の増殖速度や生産物の
収率な、どの正確な値がわからず、効率的な生産が困難
という問題を有する。 〔発明の目的〕 本発明の目的は微生物菌体濃度を気泡を含む微生物懸濁
液でも高濃度まで測定できる菌体濃度計測装置を提供す
ることにある。 〔発明の概要〕 １　　　　　　　本発明の特徴とするところは懸濁液中
に超音波を多数回発生させ、超音波を発生させた毎に測
定した伝播速度測定値の平均値を伝播速度を求めて微生
物の菌体濃度を計測するようにしたことにある。 〔発明の実施例〕 第１図に本発明の実施例を示し、第２図に第１図のＡ−
Ａ’面の断面図を示す。 まず、培養装置の構成並びに動作を説明する。 １００は培養槽で、各糧微生物、動植物細胞並びに組織
等の菌体を培養する。培養槽１００は通常円筒形で、内
部では培養液１１０が入れてあり、ここで菌体が培養さ
れる。超音波送受信子３００げ、超音波送受信装置３１
０から電気信号を受けて超音波を発信し、超音波発信部
外壁１０１、培養液１１０を伝播し超音波反射部外壁３
２０で反射し、この経路を逆に伝播する。反射した超音
波は超音波送受信子３００に受信される。Ａ／Ｄ変換装
置３３０は超音波送受信装置３１０から得を受信信号を
ディジタル信号に変換する。マイクロプロセッサ３４０
はＡ／Ｄ変換装置３３０で得を信号から培養液１１０の
超音波伝播時間を演算する。 時間制御回路３５０は超音波送受信装置３１０、Ａ／Ｄ
変換装置３３０の信号処理のタイミングを制御する。温
度検出器４００で培養液１１０の温度を検出し、温度信
号変換装置４１０で電流から電圧へ、又は電圧から電流
へと変換する。菌体濃度演算装置５００はマイクロプロ
セッサ３４０で得た伝播速度信号と温度信号変換装置４
１０から得られる温度信号に基づき菌体濃度を演算する
。 好気性培養では、空気などの酸素含有ガスを供給する必
要がある。空気などの酸素含有ガスが、コンプレッサー
１２０によりガス供給管１３０を介して散気装置１４０
から培養槽１００内部の培養液１１０に供給されて、培
養液中に溶存する。供給酸素と培養液１１０との気液接
触、及び溶存酸素の菌体への酸素吸収を促進するために
、モータ１５０によって、シャフト１６０に固定された
攪拌翼１７０Ａと１７０Ｂとが回転される。攪拌翼１７
０Ａ、１７Ｂの回転速度は動植物細胞並びに組織等の培
養では低速（ｌｒｐｍから数ｒｐｍ前後）であるが、パ
ン酵母やＳ　ＣＰ　（ＳｉｎｇｌｅＣｅｌｌ　ｐｒｏｔ
ｅｉｎ　；　通称単細胞たんばく質又は石油たんばくと
称されている）などの菌体培養を、高濃度で実施する場
合には高速（最高数百ｒｐｍｌになる場合もある。モー
タ１５０は培養液表面に発生しｔ泡を消すｔめにシャフ
ト１６０に固定されｔ消泡具１８０も同時に駆動する。 なお、培養槽１００内部のガスは排気管１９０により排
気される。 菌体の増殖には基質を必要とする。基質タンク２００内
に貯留され九基質２１０は基質供給ポンプ２２０により
基質供給管２３０を通じて培養槽１００内に供給される
。培養液１１０中の菌体はこのような系のなかで増殖し
、菌体濃度が時間と共に増加する。 つぎに、培養槽１００内に入っている培養液１１０に懸
濁する菌体の濃度を非接触で計測する動作を説明する。 まず、超音波送受信子３００、超音波発信部外壁１０１
及び超音波反射部３２０について説明する。 超音波送受信子３００は、培養槽１００外壁の超音波発
信部外壁１０１に密着固定される。培養槽１００の外壁
は超音波を通過させる金属などの材料（例えばステンレ
ススチール）で構成されている。超音波反射部３２０は
超音波送受信子３００から発信された超音波を反射し、
再度超音波送受信子３００で受信するように配置される
。第１図の実施例では、超音波発信部外壁１０１と超音
波反射部３２０とは共に培養槽１００と一体構造で１厚
さ一定の外壁で、超音波送受信子３００による超音波の
送信及び受信を効果的に行うように超音］＠の伝播経路
上に垂直に配置される。 超音波送受信子３００から発信されｔ超音波は音を伝播
できる材料例えばステンレススチールからなる超音波発
信部外壁１０１を伝播し、さらに培養液１１０中を伝播
して超音波反射部３２０に衝突して反射する。超音波発
信部外壁１０１と超音波反射部３２０とは反射超音波が
再度培養液１１０中と超音波発信部外壁１０１とを伝播
して超音波送受信子３００で受信されるように平行に配
置される。超音波送受信子３００と超音波反射部３２０
との配置は、培養液１１０内を伝播する超音波が、培養
液１１０内のシャフト１６０、攪拌翼１７０Ａと１７０
　Ｂ、並びに散気装置１４０などの構造物で妨害されな
いように設置される。 本実施例では超音波送受信子３００、超音波発信部外壁
１０１及び超音波反射部３２０が、攪拌翼１７０Ａと１
７０Ｂとの間に設置しである。なお、超音波送受信子３
００、超音波発信部外壁１０１及び超音波反射部３２０
は、攪拌翼１７０Ｂと散盲装置１４０との間や、空間的
に余裕があれば、散気装置１４０の下部に設置すること
もできる。 超音波送受信子３００から発信された超音波は超音波発
信部外壁１０１と培養液１１０を伝播して超音波反射部
３２０で反射し、再度培養液１１０と超音波発信部外壁
１０１を伝播して超音波送受信子３００に受信される。 超音波発信部外壁１０１と超音波反射部３２０は伝播す
る超音波が培養液１１０内のシャフト１６０で妨害され
ないように、中心よりずらせて設置されている。 このようにして超音波受信子３００に受信された超音波
信号に基づき次のようにして伝播時間を計測する。 本実施例ではパルス伝播時間差法により計測する。第３
図に超音波送受信装置３１０．Ａ／Ｄ変換装置３３０、
マイクロプロセッサ３４０、時間制御回路３５０並びに
菌体濃度演算装置５００の詳細な構成を示す。 まず、超音波送受信装置３１０の構成を説明する。 ３１０は同期信号発生回路で、同期信号の周波数が時間
制御回路３５０で設定される。時間制御回路３５０は超
音波送受信装置３１０、Ａ／Ｄ変換装置３３０及びマイ
クロプロセッサ３４０を構成する各回路に時間的規制を
与える時間信号を発生する。同期信号の発振周波数は数
百Ｈｚ前後であるが、高周波になり発信超音波で菌体を
損傷する恐れがある場合にはさらに低周波にするのが望
ましい。３１２はパルス発生回路で、同期信号発生回路
３１１から送信され九同期信号から所定時間遅れてパル
ス信号を発生する。パルス発生回路３１２で発生したパ
ルス信号は超音波送受信子３００に送信される。超音波
送受信子３００は超音波を培養液１１０に送信及び受信
し、受信信号を電気信号に変換する。超音波送受信子３
００の受信電気信号は増幅回路３１３で増幅されＡ／Ｄ
変換装置３３０に加えられる。 次に、超音波送受信装置３１０．Ａ／Ｄ変換装置３３０
及び時間制御回路３５０における、信号処理を第４図を
参照して説明する。 第４図（ａ）は、増幅回路３１３で得られｔ超音波の発
信信号３ｔｉ（添字ｉはｉ回目の信号を表す。）と反射
波受信信号５ｒｉ（添字ｉはｉ回目の信号を表す、、）
を示す。超音波の発信及び受信は１回の平均処理でＮ回
実施するが、第４図では２回実施しｔ例を示す。時間制
御回路３５０は超音波送受信子３００の超音波発信周期
を制御する。Ａ／Ｄ変換装置３３０は受信信号Ｓｒを受
けてこれを第４図（Ｃ）に示すようなディジタル信号に
変換する。 超音波発信周波数が１ないし２０ＭＨｚのとき、Ａ／Ｄ
変換の周波数は１０ＭＨｚないし１００Ｍ、Ｈｚが望ま
しい。実施例では１００ＭＨｚの場合を説明する。Ａ／
Ｄ変換装置３３０は時間制御回路３５０から第４図（ｂ
）に示す信号を受ける。時間制御回路３５０は超音波送
信の開始時間ｔｏとＡ／Ｄ変換の対象となる区間を指定
するＡ／Ｄ変換変換開始時間色Ａ／Ｄ変換終了時間１．
を指定する。具体的には第４図（ｂ）に示すような時間
ｔ。 と時間１．との間にゲートを開く信号である。超音波送
信の開始時間ｔｏは信号５ｔｔの立ち上がりと同期して
いる。すなわち、送信信号がトリガーレベルｇを越え九
時間が１．である。Ａ／Ｄ変換装置３３０は時間制御回
路３５０から信号（ｂ）を受けて信号（ａ）をＡ／Ｄ変
換する。第４図に示す信号（Ｃ）はＡ／Ｄ変換の周波数
が１００ＭＨｚ（サンプリングタイムがＩｏｎｓ）の例
を示す。このときのサンプル数は５００個となるが、複
雑になるので５００個を図示していない。サンプリング
タイ（１が１０°°１す７ブ数”５００個０時はす７プ
リングする時間の区間は１０ｎｓＸ（５００−１）＝４
．９９μｓとなる。第４図の信号（Ｃ）は時間ｔｓが１
００μｓ１時間ｔ１が１０４．９９μｓの例である。こ
こで、Ａ／Ｄ変換されたｉ回目の信号を３ｒｉ（ｔｊ）
とする。第５図に示すように５ｒｉｒｔｊ）は５ｒｌｌ
ｔｌ）　がｉ回目の反射波テ時間１００μｓのときの信
号を表し、Ｓｒ１　（ｔ２１が同じくｉ回目の反射波で
時間１００．０１μ５（１００μｓ＋１０　ｎ　５＝１
００．ｏｌ　ｔｔ　ｓ　）のときの信号を表す。同様に
％　Ｓ　ｒｌ　（ｔ　Ｈ）が同じくｉ回目の反射波１時
間１００．０２μｓ　（１００μｓ＋２０ｎｓｓ＝４０
０、０２　ｐ　ｓ　）のときの信号を表し、８ｒｓ（ｔ
ａＧｏ）が時間１０４．９９μｓ　１１００．ｃｇｓ＋
４９０　ｎ　ｓ　＝１０４４９　ｔｔ　ｓ　）のときの
信号を表す。 マイクロプロセッサ３４０は時間のメモリーＭ？と信号
のメモリーＭｇとがあって、第５図に示すように順次信
号が格納さるる。マイクロプロセッサ３４０における信
号処理のフローチャートを第６因に示す。 マイクロプロセッサ３４０の処理は波形平均処理工程３
４１と伝播時間演算工程３４２とにわけられる。波形平
均処理工程３４１は加算処理３４１Ａと除算処理３４１
Ｂとからなり、伝播時間演算工程３４２は最大値検出処
理３４２Ａと伝播時間演算処理３４２Ｂとからなる。 ｆｓＳ図に示すように格納された信号は第６図の加算処
理３４１Ａにおいて次に説明するようにして超音波の送
受信回数毎に加算及び更新されて、最終的には平均処理
回数Ｎ回目Ｃ例ではＮ＝１００の例を示す。）でその加
算信号になる。ｉ回目の時間ｔ１におけるこの加算計算

【第６図の加算処理）は（１）式で計算される。 ｉ回目の超音波送受信における処理では時間１００μｓ
（ｉ回目のサンプリング）の信号５ｒｌ（ｔｌｌ、時間
１００．０１　ａ　ｓ　（２回目Ｏす７フリング）の信
号５ｒ１（ｔ２）、・・・・・・時間１０４．４９μｓ
　（５００回目のサンプリング）の信号５ｒｌｔ３（＼
ｔ　ｌ１ＧＯ）が各々メモリーに格納される。続いて、
９目の超音波送受信における処理では信号３ｒ２（ｔｌ
）、Ｓｒ３１　ｔ２）、・旧・・信号Ｓ　ｒ、　（ｔ、
、、）が各々の時間のメモリーに加算される。以下同様
にして、１００回目の超音波送受信における処理では信
号５ｒｓｏｏ　（ｔｌ　）、５ｒｘｏｏ　Ｉ　ｈ）、・
・・・・・信号Ｓ　ｒｌｏｏ　（ｔ　ｓｏｏ　Ｉが各々
の時間のメモリーに加算される。この様にして、（１）
式の計算が行われる。 次に、第６図の除算処理３４１Ｂでは（２）式に従って
計算が行われる。 ５ａＬｔ、）＝Ｓｔ（ｔＪ）／１００　　　・・・・・
・・・・（２）このようＫして、信号５ｉ（ｔｌｌ　　
の確率的に最も確かな信号、すなわち期待値５ａ（ｔＪ
）　が求まる。 この波形平均処理の原理について以下に説明する。 培養液１１０中を伝播する超音波は攪拌や気泡の影響が
ノイズ信号として入る。ｉ回目の測定におけるノイズの
信号をＥｉ（ｔ）とし、ノイズがないときの信号を同様
に３ｉ　ｌｔｌ　１　　とすると、実際に測定される信
号Ｓｍｔ（ｔｌｌは次式で表される。 Ｓｍ１（ｔ３）＝Ｓｉ（ｔ３１＋Ｅｉ（ｔ）　　　・旧
−−（８）ここで、測定回数ｉについての期待値（平均
値）をとると、次式となる。 Ｅ［”Ｓｍ１ｌｔ、）］＝ＥＣ８ｉ（ｔ、）：］＋Ｅ（
Ｅｉ（ｔ）”］　　　・−（４）ここで、Ｅ［”Ｘｉ”
ｌはＸｉの期待値で、次式で計算される。 （８）式の期待値をとると、Ｅ　ＣＥ　ｔ　（ｔ　）　
’１＝＝Ｑであるので、次式が成り立つ。 Ｅ（Ｓｍｉ（ｔ、））＝Ｅ［８ｉ（ｔｊ））　　　　＝
（６）すなわち、期待値Ｃ平均値）をとると、測定され
ｔ信号はノイズを含まない新の信号に等しくなる。 続いて最大値検出処理３４２Ａでは次の比較式によって
最大値Ｓ、、１を求める。 ８、、、＝Ｍ、、Ｃ８□ｔ＝ｓａ（ｔｊｌ：　８ｊ　ｔ
））≧８−（ｔｋ）１（＝＝１．ｌｏｏ：）　　　　・
・・・・・（７）この（７）式で最初ｊ＝１とする。ま
ずに＝１のと１　　　　　　きには、Ｓ、（ｔｌ＞＝Ｓ
、＋ｔｋ＞　なのでＳｍａｙ＝８、（ｔｌｌとなる。次
にに＝２のときには、Ｓ、ＣｊｓｌとＳ　、　ｌ　ｔ２
）との大小関係が比較されて、５ａ（ｔｌ）≧８−＋ｈ
ｌならばＳ□ｘ　＝８１（ｔｌｌ　８ａｌｔ１）＜８−
　（ｈ）ならば８−ａｘ　＝　８　ｚ　（ｔ）とする。 以下ｋを３から１００まで順次繰り返して、信号の最大
値Ｓ１．８を求める。Ｓｌ、８がＳ、ｌｔ、）とすると
、時間ｔ、がＳ、、８０時間である。第４図（ａ）にお
いてピークの時間ｔ、をあらかじめ求めておいて、第６
図の伝播時間演算処理３４２Ｂでは伝播時間Ｔは次式で
求まる。 ’ｌ’＝ｔ、−ｔ、　　　　　　　　　　　・・・・・
・・・・（８）次に、培養液１００の温度計測について
説明する。 温度検出用センサー４００としてはサーミスターなどの
測温抵抗体が用いられる。温度検出用センサー４００の
設定位置は培養液１１０に常時浸漬する場所アあれば良
く、攪拌翼１７０Ａと散気装置１４０との間や、攪拌翼
１７０人と１７０Ｂとの間などに設置してもよい。なお
、温度検出用センサー４００を培養槽１００の上部から
挿入する場合には、攪拌翼１７０Ｂの、温度検出用セン
サー４００を培養槽１００の上の培養液１１０に浸漬し
ても差し支えない。また、温度検出用センサー４００は
、通常、図示しない保護ケースにいれて培養液中に挿入
する。温度検出用センサー４００で検出された温度信号
を温度信号変換装置４１０に加え菌体濃度演算装置５０
０で利用できる信号（電流又は電圧）に変換する。 菌体濃度演算装置５００はマイクロプロセッサ３燵」で
求めた伝播時間とセンサー４００で測定Ｕ！一度信号に
基づき以下のようにして菌体濃度を求める。 定数演算回路５０２では温度信号変換装置４１０から受
けｔ温度信号に基づいて定数大を演算する。 一方、定数演算回路５０２では温度信号変換装置４１０
から受けた信号に基づいて定数Ｂを演算する。定数Ａと
Ｂとは、伝播時間から菌体濃度を換算するためのパラメ
ータであり、後で詳述する。 菌体濃度演算回路５０１はマイクロプロセッサ３４０で
得を伝播時間の信号Ｔと、定数演算回路５０２で得た定
数Ａと定数演算回路５０２で得た定数Ｂとにより菌体濃
度を演算する。この演算式はあらかじめ設定しておくが
、友とえば、マイクロコンピュータ−を設置して関数関
係を変更することも出来る。 微生物懸濁液である培養液１１０中における超音波の伝
播を第７図に模式的に示す。ここで、培養液１１０Ｃ微
生物懸濁液）は水１１１と微生物１１２との混合液であ
る。厳密には水１１１は基質ヂ溶解した液であるが、基
質の濃度が低い場合にｈ水とみ表してよい。超音波送受
信装置３００から発して、超音波発信部外壁１０１と水
１１１と微生物１１２とを伝播して超音波反射部３２０
で反射し、再度水１１１と微生物１１２と超音波発信部
外壁１０１とを伝播して超音波送受信装置３００で受信
されるまでの、伝播時間Ｔ、は次式％式％ ： ｄ　：培養槽外壁の厚さ ｔ　：超音波発信部外壁と超音波反射部との距Ｃ９：微
生物の体積濃度 ■、：培養槽外壁の音速 ■、：水の音速 ｖｂ：微生物の音速 微生物の体積濃度と菌体濃度（固形物重量濃度）との関
係は次式であるから、 Ｃ１＝ρ、・Ｃ１・・・・・・Ｃｌ０）ここで、ρｂ：
微生物の密度 （９）式は次式で整理できる。 Ｔ、＝２・、／、−Ａ−（、＋Ｂ　　　　　　・・・・
・・（１１］または、 （、＝Ｔｔ／（２・ｔ−Ａ）＋Ｂ／（２・ｔ−Ａ）・・
・（１２）ただし、 （１２）式は、伝播時間Ｔ、と距離ｔ１定数Ａ、　Ｂが
既知であれば菌体濃度を計算できることを表す。 培養槽外壁の厚さｄ１超音波発信部外壁と超音波反射部
との距離ｔ１培養槽外壁の音速■１、及び水の音速Ｖ、
は、温度一定の条件では一定であり、まｔ事前に求める
ことができる。しｔがって、定数Ｂは一定である。一方
、微生物の密度ρｂ及び微生物の音速Ｖｂは、微生物の
種類によって異なるので、各々異なる数値となる。 Ｃ１１】式は、ＡとＢとが一定なら、線形関係の弐Ｆな
る。すなわち、菌体濃度Ｃ１を独立変数とし、伝播時間
Ｔｔを従属変数とする直線となる。したがって、逆に伝
播時間Ｔ、を計測すれば、（１２）式から菌体濃度Ｃｖ
を演算できる。 一方、定数Ａ及びＢにある音速（培養槽外壁の音速Ｖ１
、水の音速ｖ１、微生物の音速Ｖｂｌは各々次式で表せ
る。 ■、＝＝％）　　　　　　・・・・・・・・・Ｃ１５）
７・″　Ｋ　−／　ｐ　−・・・・・・・・・（１６）
Ｖ　ｂ　＝　　Ｋ　ｂ　／　Ｉ　ｂ　　　　　　　＝　
１１７１ここで、 Ｋ、：培養槽外壁の体積圧縮率 に、：水の体積圧縮率 Ｋｂ：微生物の体積圧縮率 ρ、：培養槽外壁の密度 ρｗ：水の密度 これらの物理量はすべて温度によって変化する。 すなわち、音速（培養槽外壁の音速ｖ、、水の音速ｖｗ
、微生物の音速Ｖ、）は、温度によって変化する。この
究め、１１３１式と（１４）式は定数Ａ及びＢが変化す
る。一方、温度一定の条件では、微生物の音速Ｖｂのみ
がその菌体濃度に応じて変化する。温度が変化する場合
には、 Ａ”ｆ＋（θ）　　　　　　　　・・・・・・・・・（
１８）Ｂ＝ｆｚ（θ）　　　　　　　　・・・・・・・
・・（１９）ここで、 ｆｌ（の：温度θによって定数大を決める関数ｆｚ（の
：温度θによって定数Ｂを決める関数したがって、関数
型ｆｌ（の及びｆｚ（のを事前に求めておけば、（１１
）式または（１２１式から菌体濃度を演算できる。すな
わち、 Ｃ＝＝ｆ　ＴＴ、、θ）　　　　　・・・・・・・・・
（２０）ここで、 ｆｌ’ｌ’、、θ）：伝播時間Ｔ、並びに温度θによっ
て菌体濃度ＣＷを決める関数 一般には、この関数関係は線形とは限らないので、対象
とする微生物に応じて、関数型を事前に求める。 このようにして、菌体濃度演算装置５００は菌体濃度Ｃ
１を伝播時間Ｔ、と温度θとから演算する。 なお、温度一定の培養条件では温度を計測する必要はな
く、１１２１式は伝播時間のみで菌体濃度Ｃ１が求まる
次式となる。 Ｃｖ　＝　ｆ　　ｌ　Ｔ　ｔ　）　　　　　　　　　　
　　　１．００６．”、＋１３’１さて、次に超音波の
伝播時間（速度）を求める際の平均処理について説明す
る。 培養液１１０を伝播する超音波は、培養液１１０の散気
状態（ガス供給量）や攪拌状態（攪拌回転数）により影
響を受ける。特に、これらが受信超音波の強度に強く影
響する。第８図に受信超音波の例をいくつか示す。第８
図＋　（ａ）〜（ｅ））に示すよう【、受信しｔ超音波
は１回１回各々異なり、ある時は強い超音波（たとえば
（ａ）と（Ｃ））が受信され、一方、ある時は気泡に妨
害されて受信超音波は殆ど検出されない（たとえば（ｂ
）、　（ｄ）、　（ｅ）　）。このように発明者らは受
信超音波の波形そのものが、散気状態や攪拌状態により
影響を受けるので、受信した超音波のピークを直接検出
できないことを見い出した。このため、従来の音速式の
濃度計測法では菌体濃度を計測できない。また、ピーク
を検出して次の超音波パルスを発信するシングアラウン
ド法ではさらに誤差が大きくなる。 このように超音波は伝播経路上にランダムに存在する気
泡で散乱するため受信超音波から直接伝播時間を求める
ことは出来ない。しかし、発明者らは、弱い信号であっ
ても、超音波が伝播して一部でも受信さえすれば、受信
超音波を複数回受信１　　　　　して平均処理すれば、
伝播時間を求められることを見出し九〇例えば、得られ
九超音波受信信号を１２８回受信及び記憶して平均処理
した結果、第９図に示すような波形が常時安定して得ら
れた。 次に、本発明を実施し交際の伝播時間と菌体濃度との関
係を第１０図に示す。第９図は実験し友結果である。こ
の実験では１．６６の酵母（サツカロマイセス　セルビ
シアス：　３　ａｃｃｈｒｏｍｙｃｅｓｓｅｒｅｖｉｓ
ｉａｓｅ　）懸濁液を対象に、温度一定条件下で散気流
量をＯ〜４ｔ／ｗｍ、攪拌速度をＯ〜２５３ｒＩｍの間
で変動させた。受信波形の平均処理の回数は１２８回と
した。第１０図で、■で示した高さはデータの変動幅を
表す。第１０図かられかるように、散気と攪拌している
場合でも伝播時間と菌体濃度とは直線関係にあることが
わかる。 また、温度を２０Ｃ〜４０Ｃに変化させｔ時の、伝播時
間と菌体濃度との関係を第１１図に示す。 第１１図から、温度が決れば伝播時間と菌体濃度との直
線関係を選べることがわかる。例えば温度３０Ｃ１伝播
時間１４０μｓのときの菌体濃度は、約６８　ｇ／ｌで
ある。 これらの図から、平均処理して得九波形から求めた伝播
時間と温度とを用いて菌体濃度を計測できることがわか
る。 以上、温度が変化する場合を例にとって説明したが、温
度一定条件では温度計測は不要で、菌体濃度は伝播時間
Ｔｔのみで計測できる。しかし、温度を厳密に精度良く
制御することが困難な場合には、温度一定制御を実施し
ている場合であっても、実施例で説明しｔように、温度
を考慮する方が望ましい。 第１２図に培養検地の例の断面図を示す。 培養液中における超音波は、菌体濃度に比例し距離に反
比例して減衰する。このため、菌体濃度が高かつｔす、
超音波を送受信する距離が長かったシすると、超音波の
減衰量が大きくなシ、超音波送受信装置３１０の増幅回
路３１３の増幅率を増加させても超音波を受信できなく
なる。 第１２図に示す実施例は培養槽の一部を加工して、超音
波を送受信する距離を短くした点に特徴がある。 第１２図の実施例は超音波の伝播距離ｔが短いので、高
濃度のときに適用して好適である。超音波送受信装置３
１０から得た電気パルスを超音波送受信子３００で超音
波に変換する。この超音波は、超音波発信部外壁１０１
と培養液１１０を伝播して超音波反射部３２０で反射し
、次に逆方向に、培養液１１０と超音波発信部外壁１０
１を伝播ｌ−て、再度超音波送受信子３００で受信され
る。 受信した超音波は超音波送受信子３００で電気信号に変
換されて、超音波送受信装置３１０に送信される。これ
以後の動作は第１図及び第３図の実鴬例と同様である。 第１２図に示す実施例では、超音波発信部外壁１０１と
超音波反射部３２０との距離を、第１図の実施例で示し
たように培養槽１００Ａの直径より短くする。菌体濃度
が高くなると超音波の減衰が大きくなる。すなわち、培
養液１１０における超音波の減衰量が少ない。このため
、超音波伝播距離の長い大型の培養槽でも超音波を受信
でき、また、小型の培養槽でも培養液１１０を高濃度ま
で計測できる効果がある。 ＠１３図、第１４図に超音波送受信子３００の具体的な
取付構造を示す。 第１３図、第１４図は超音波送受信子３００と超音波発
信部外壁１０１と超音波反射部３２０とを、超音波反射
部固定具３２１を介して一体構造とし、さらに、フラン
ジ３２２で培養槽１００のフランジ１０２に０リング３
２３を介して固定した点に特徴がある。なお、図示しな
いが、７ランジ３２２と７ランジ１０２とはボルト、ナ
ツトで固定する。 第１３図及び第１４図の特徴は区音波反射部固定具３２
１の長さの異なるものを用意して超音波反射部固定具３
２１の長さを変更可能にし、大型の培養槽１００におけ
る培養液１１０中の菌体濃度を高濃度まで計測できるよ
うにしたことにある。 すなわち、第１２図で説明したように、超音波発信部外
壁１０１と超音波反射部３２０との距離が、短いほど高
濃度まで計測できる。 ｊ　　　　　　　超音波反射部固定具３２１の長さを変
更することを以下に説明する。７ランジ３２２、超音波
発信部外壁１０１、超音波反射部固定具３２１並びに超
音波反射部３２０が一体構造で構成されて、長さのみ異
なる超音波反射部固定具３２１を有する、超音波の送信
反射受信装置を複数準備する。 超音波反射部固定具３２１と超音波反射部３２０とを別
部品とし、これらをボルト止めすることもできるが、ボ
ルトと超音波反射部固定具３２１と超音波反射部３２０
とに僅かな隙間を生じ、殺菌操作が効果的に実施されな
いので、一体構造にしたほうが良い。 以上本発明の詳細な説明し穴が、本発明によれば培養液
へのガス供給による気泡の存在並びに培養液の攪拌の影
響が共に小さく、培養液へのガス供給があり、かつ培養
液を攪拌する場合でも菌体濃度を正確に計測できる。ま
ｔ１培養槽内培養液の菌体濃度を、培養槽外部から超音
波センサーにより非接触で計測できるので、センサーに
対する殺菌操作が不要になるばかりでなくコンタミの心
配がない。その上、培養槽外部に超音波センサーを設置
するので、センサーの維持管理も容易に行える。 〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、培養液へのガス供
給による気泡の存在並びに培養液の攪拌の影響が共に小
さく、培養液へのガス供給があり、かつ培養液を攪拌す
る場合でも菌体濃度を正確に計測できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の示す構成図、第２図は第１
図のＡ−Ａ’断面図、第３図は第１図に示す実施４例の
信号処理部の詳細構成図、第４図は動作説明・用のタイ
ムチャート、第５図は本発明の詳細な説明するための図
、ｌＸ６図はマイクロプロセッサの処理内容図、第７図
は超音波伝播の模式面、第８図、第９図は波形図、第１
０図、第１１−は本発明を説明するための特性図、第１
２〜１４図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す構成図
である。 １００・・・培養槽、１１０・・・培養液、３００・・
・超音波送受信子、３１０・・・超音波送受信装置、１
０１・・・超音波発信部外壁、３２０・・・超音波反射
部外壁、３３０・・・Ａ／Ｄ変換装置、３４０・・・マ
イクロプロセッサ、３５０・・・時間制御回路、４００
・・・温度検出器、４１Ｏ・・・温度信号変換装置、５
００・・・菌体為　８　配 （ｅ） 不　９　■ 第　　１０　図 ０　　　菌体濤洩（８〃璽００ 頁の続き

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、培養槽あるいは醗酵槽などの槽内に入つている懸濁
   液中に超音波を発生させ、超音波の前記懸濁液中の伝播
   速度を求め、この伝播速度から懸濁液中の菌体濃度を計
   測するものにおいて、前記超音波の伝播速度を測定する
   伝播速度測定手段は前記懸濁液中に超音波を多数回発生
   させ、超音波を発生させた毎に測定した伝播速度測定値
   の平均値を伝播速度として求めるようにしたことを特徴
   とする菌体濃度計測装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記伝播速度測定
   手段は前記懸濁液の温度によつて超音波の伝播速度測定
   値を補正するようにしたことを特徴とする菌体濃度計測
   装置。