JPS6174573A - 菌体濃度計測装置 - Google Patents

菌体濃度計測装置

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JPS6174573A
JPS6174573A JP19473284A JP19473284A JPS6174573A JP S6174573 A JPS6174573 A JP S6174573A JP 19473284 A JP19473284 A JP 19473284A JP 19473284 A JP19473284 A JP 19473284A JP S6174573 A JPS6174573 A JP S6174573A
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ultrasonic
tank
culture
cell concentration
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Application number
JP19473284A
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English (en)
Inventor
Akihiro Tanaka
昭裕 田中
Mikio Yoda
幹雄 依田
Shunji Mori
俊二 森
Kenji Baba
研二 馬場
Shoji Watanabe
昭二 渡辺
Shunsuke Nokita
舜介 野北
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

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〕 本発明は超音波を用いて培養槽やmil摺に入っている
懸濁液の微生物菌体濃度の計測する超音波応用菌体濃度
計測装置に関するっ 〔発明の背景〕 ・バイオプラント用の菌体濃度計には、(1)高濃度ま
で計測できること、 (2)気泡、かく拌の影響を受けないこと、(3)殺菌
操作(120C,15m1n)可能なこと、 など厳しい機能が要求される。
従来のバイオプラント用の菌体濃度計としては、光(レ
ーザーなど)の透過光や反射波が濃度に対して減衰する
ことを利用したものが知られているつじかし、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
、また、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。このため、光学式の場合には上述の条件(
1)、(2)の機能が充分には満足されない。
一方、特開昭57−50652号公報に、超音波の受信
電圧(超音波の減衰)を指標菌数を測定する方法が記載
されている。しかし、超音波伝播径路に混入する気泡の
景が変化すると、菌数が一定であっても受信電圧が変化
して菌数を正確に測定できない。また、測定装置を直接
に培養液に浸漬するので、殺菌操作に対しての配慮が必
要で、またメンテナンスがX雑であった。この二うに、
前記(1)′glび(2)の条件が満足できない欠点が
あった。
一方、溶液の濃度計として、超音波の音速を用いる方法
が特開昭58−77656号公報によって知られている
。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る。何故ならば、特
に、懸濁液中に気泡が存在すると、気泡で超音波が散乱
するからでちるっその上、一般の培養槽や醗酵槽には微
生物と基質との接触、溶存酸素の拡散、ヒータによる熱
交換などと効果的に行い微生物増殖を促進するため不可
欠である駆動軸、かく拌′i1等からなるかく拌装置が
槽内に設置され、常時、かく拌のための回転運動を行な
っている。このため、かく押装置駆動軸を中心として、
かく拌による渦が発生し、この渦により培養液中の気泡
が、駆動軸近傍に集中する順向があるっこのような培養
磨に超音波応用の濃度計を適用する場合、老養液中を伝
播する超音波がかく押装置駆動軸近傍の気泡により、そ
の伝播匪路を妨げられ、散乱等を引き起こされると濃度
の計測は不可能になる。
〔発明の目的〕
本発明の目的は微生物増殖を促進するためのかく拌装置
が設置された槽の菌体濃度を正確に測定することができ
る菌体濃度計測装置を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明の特徴とするところは、懸濁液中に超音波を発生
させ、かつ伝播した超音波を受信する超音波送受信装置
は超音波の伝播径路が槽内液をかく拌するかく件部動軸
から外れるように設けられ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図は第1図のA−
A’断面図を示す。
はじめに、培養装置の構成並びに動作を以下に説明する
100は培養槽で、各種微生物、動植物細胞並びに組織
等の菌体を培養する。培!漕too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は超音波送受信装置310
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32
0で反射し、この径路を逆に伝播して、超音波送受信子
300で伝播超音波を受信する。波形平均処理装置33
0は超音波送受信装置310から得た波形信号を平均処
理する。次に、伝播時間演算装置340では前記波形平
均処理装置330で得た電気信号から培’In! 11
0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、波形平均処理装置330及び
伝播時間演n装置340の時間的信号処理を制御する。
一方、温度検出器400で得た信号に基づいて、温度演
算装置410で培養液110の温度を計測する。
菌体濃度演算装[500は、伝播時間演算装置340と
温度演算装置410とから得た各々の電気信号から菌体
濃度を演算する。
続いて、培養装置本体の動作を以下に説明するう好気性
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。そこで、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14
0から培養槽100内部の培養液110に供給さルて培
養液中に答存する。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
、モーター150によって駆動軸160に固定されたか
く拌翼170 Aと170Bとが回転される。
回転スピードは通常動植物細胞並びに組織等の培養では
低速(l rpmから数rpm前後)である。ただし、
パン酵母や3 CP (3ingle Ce1l Pr
otein 。
通称石油たんばくと呼称されている)などのA体培j9
を高Qeで実施する際には高速(最高数百rpm)にな
ることもあるうまた、モーター150はJ′3養液表面
に発生した泡を消すために、1バ動軸160に固定され
た消泡R180も同時に、駆動する。なお、培養槽10
0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が必要である。基質タンク200内
部に貯留された基質210が、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。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内部の培養液110に懸濁する菌
体の濃度を非接触で計測する動作を詳細に説明する。
まず、超音波送受信子30o1超音波発信部外壁101
及び超音波反射部320の配置法を説明する。
超音波送受信子300は培養槽100の外壁に密着固定
される。培養槽100の外壁は超音波を通過させる金属
などの材料で構成されている。超音波反射部320Ii
、fl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
波の送信及び受はを効果的に行うように、超音波の伝播
径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に衝突して反射し、再度培玄液110と超音波
発信部外壁101を伝播して超音波送受信子300で受
信される。租音波送受信子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内の駆動軸1601かく神具170Aと170
B。
並びに散気%匠140などの構造物で妨害されないよう
に、設mさルる。特に、微生物と基質との接触、気液接
触等を効果的に行うため不可欠である培養槽中央部に設
0されるかく拌装はの駆動軸160を避けて超音波伝播
径路を設定する。第1図の実施例は、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
が、かく神具170Aと170Bとの間に設置した実施
例でちる。また、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は、かく神具170
Bと散気装置140との間や空間的に余裕があれば、散
気装置140の下部に設置して良いことは言うまでもな
い。
以上のようにして通音波の送受信を行う際、超音波発信
部外壁101と超音波反射部外壁102は第2図に示す
ように伝播する超音波が培養槽には必要不可欠なかく押
装置の駆動軸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。
伝播時間演算装置330は受信信号及び送信信号(また
は同期信号)から伝播時間を次のようにして計測する。
所定距離間の超音波の伝播時間計測法には、パルス伝播
時間差法、7ノグアラウンド法、位相差法並びに共振法
などが従来司られており、本発明にもこれらの技術が適
用できる。本発明では得られた受信波形を平均処理して
気泡とかく拌の影響を小さくしている。
本実施列ではパルス伝播時間差法を例にとり、以下に説
明する。第3図に、超音波送受信装置310、波形平均
処理装置330、伝播時間演算装置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。
311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。この時間制御回路350
は、超音波送受信装置310、波形平均処理装置330
及び伝播時間演算装置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。この同期信号の発振
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。
312はパルス発生回路で、同期信号発生回路311か
ら送信された信号から所定時間遅れて電気パルスと発生
する。パルス発生回路312で発生した電気パルスは超
音波送受信子300に送信される。超音波送受は子30
0では超音波を培養液110に送信及び受信し、受信信
号が再度電気信号に変換される。得られた電気信号は、
増幅回路313で増幅後、検波回路314で検波される
次に、波形平均処理装置330の構成を説明する。A/
D変換回路331は、検波回路314から得られた受信
信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。デジ
タル信号を受けて、加算記憶回路332は複数回加算及
び記憶する。除算回路333は加算記憶回路332に記
憶され念情報を除算する。A/D変換回路331及び加
算記憶回路332は、時間制御回路350の指令に基づ
いて入力信号処理の開始時間及び終了時間並びにその回
数が設定される。この平均処理回数は、最低10回以上
が望ましく、回数が多いほど信頼性は向上する。通常、
100回以上が好適である。
次に、伝播時間演算装置340の構成を説明する。
除算回路333から得られた信号は、ゲート回路341
に入力され、発信した超音波で立ちあが9.1回目に受
信した反射信号で下がるゲートを構成する。カウンター
回路343では、クロック発生回路342で発信した高
周波数のクロックのうち、ゲート回路341で設定され
るゲート間に含まれるクロック数をカウントする。時間
計測回路344ではカウンター回路343のカウント数
から伝播時間を換算する。
次に、温度の計測方法を説明する。
温度検出用センサー400は、丈−ミスタ−などの測温
抵抗体などが適用できる。温度検出用センナ−400の
設置位置は培養液110に常時浸漬する場所であれば艮
く、第1図に示す実施例の池に、かく押具170Aと散
気装置140との間や、かく押具170Aと170Bと
の間などでよいことは言うまでもi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、かく押具170Bの、温度検出用センナ−40
0を培養槽100の上の培養液110に浸漬しても差し
ズえない。ま7と、温度検出用センサー400U、適止
、図示しない保護ケースにいれて培養液中に挿入する。
温度検出用七ンf−400で生じた電気1g号を温度演
算装置410に送信し、ここで、温度が演算される。温
度計測法は、工業用計測法が確立しており、これを適用
できるので、詳細な説明は省略する。
次に、菌体濃度演算装置500の動作を1″J、下に説
明する。
演算回路502では温度演算装置410から受けた信号
に基づいて定数Aを演算する。一方、演算回路502で
は温度演算装置410から受けた信号に基づいて定数B
を演算する。凹体製度$算回路501は伝播時間演算装
置330で得た伝播時間の信号と、演算回路502で得
7゛ζ定数Aの信号および演算回路502で得た定aB
の信号とにより3体製度を演算する。この演算式はらら
かしめ設定しておくが、たとえば、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できる。
以上のようにして、菌体濃度を演算する。
次に、超音波送受信装置310、波形平均処理装置33
0及び時間制御回路350における、信号処理を第4図
を用いて説明する。
第4図(a)は増幅回路313で碍られた超音波反射波
の信号を表j、1lif音波の発信及び受信はN回実施
された場合を示す。この信号は同図(b)に示すように
A/I)変換回路331でデジタル信号に変換される。
このデジタル信号は同図(C)に示すように加算記憶回
路332に加算記憶される。デジタル信号(C)はN回
加算された結果fr、表す。次に、信号(C)の時系列
を除算回路333(で分いて8回除算して第4図(d)
に示すよう7ヱデンタル広号が得らルるうゲート回路3
41で設定さGるゲート信号を第4図(e)に示す。こ
のゲート間1・こあるクロック数を計測して超音波の伝
播時間テ求める。
次に、菌体濃度を計測できる原理を以下に説明する。
微生物懸濁液である培養1110中における超音波の伝
播を第5図に模式的に示t0ここで、培養液110(微
生物騒γ蜀液)は水111と微生物112との混合/α
である。厳密には、水111は基質が16解した液であ
るが、基質の濃;−τが吐い場合には水とみなしてよい
。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離 C7:微生物の体積濃度 v、:培養槽外壁の音速 vv:水の音速 VII: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、 Cw=ρb’cv          ・・・・・・・
・・・・・(2)ここで、ρb :微生物の密度 (1)式は次式で整理できる。
T(=2・t −A−C,+B      ・・・(3
)または、 t、=’rt/(2・t−A)+B/(2・t−A)・
・・(4)ただし、 培養槽外壁の厚さd、超音波発信部外壁と超音波反射部
との距離t、培養槽外壁の音速v1、及び水の音速vf
は、温度一定の条件では一定であり、また事前に求める
ことができる。したがって、定数Bは一定である。一方
、微生物の密度ρ1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。
(3)式は定数Aと定数Bとが一定なら線形関係の式に
なる。すなわち、菌体濃度Cvを独立変数とし、伝播時
間T1を従属変数とする直線となる。
したがって、逆に伝播時間Ttを計測すれば、(4)式
から菌体濃度Cvを演算できろう 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y w、微生物の音速Vb )は各々次式で
表せる。
v、=、/T乙フラー     ・・・・・・・・・(
7)V、=/77Zu    ・・・・・・・・・(8
)■= =  K b’ / p >      ・曲
間(9)ここで、 K、:培養槽外壁の体積圧縮率 K・: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 ρ・: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1つち、音速(培養槽外壁の音速v1、水の音速V
W、微生物の音速Vb )は、温度によって変化する。
このため、(5)式と(6)式は定数A及びBが変化す
る。
つまり、 A=ft(θ)          ・・・・・・・・
・・・・(10)B=f2(θ)          
・・・・・・・・・・・・(11)ここで、 fl(θ):温度θによって定数At−決める関数fz
<θ):温度θによって定数Bを決める関数したがって
、関数型fx(θ)及びfz(θ)全事前に求めておけ
ば、(3)式または(4)から菌体濃度を演算できる。
すなわち、 C−=f(Tt、θ)     曲・・(12)ここで
、 f(’rt、の:伝播時間T1並びに温度θによって笛
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C1は、伝播時間TIと温度
θとから演算する。
次に、平均処堺の必要性について説明する。
培養液110を伝播する超音波は培養液110の赦気状
態(ガス供給量)やかく拌状態(かく拌回転数)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6図に受信超音波の例をいくつか示す。第
6図に示すように、受信した超音波は1回1回各々異な
り、らる時は強い超音波(たとえば(a))が受信され
、一方、ある時は受信超音波は殆ど検出されない(たと
えばΦ))3すなわち、受信超音波の波形そのものが、
散気状独やかく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になる。また
、ピークを検出して次の超音波パルスを発信する7ング
アラウンド法ではさらに誤差が大きくなることは明らか
で捗る。
このように超音波は伝播径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。本発明者らは、弱い直号であっても、
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
ることを見出した。例えば、得られた超音波信号を12
8回受信及び記憶して平均処理した結果、第7図に示す
ようfx彼形が安定してI;参られたう第8図に不元明
の他実施例金示す。第8図は培養槽のmi面図で・らる
J@養Mtto中における超音波は自体濃度に比例し距
離に反比列して減良する。このため、呵体濃度が旨かっ
たり、超音波を送受信する距離が長かつ之9すると、超
音波の減衰量が大きくなり、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。そこで、第8図に示す実施例では培養槽の
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。
以下に、第8図に示す実施例の構成を説明する、まず、
超音波送受信装置310から得た1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101fI:伝播し
て、再度超音波送受信子300で受信する。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図の実施例と同様である。
第8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100の直径より短くするので、培養液1
10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100でも超音波を受信
でき、また、小型の培養槽100でも培養液110を高
濃度まで計測できる効果がある。
第9図に本発明の他の実施例を示す。第10図は第9図
に示す実施例のA−A’面の断面図を表す図である。第
9図の実施例では、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7ランジ102にOリング32
3を介して固定した点に特徴がある。なお、図示しない
が、フランジ322と7ランジ102とはボルト、ナツ
トで固定する。
第9図及び第10図に示す実施例のもう一つの特徴は、
超音波反射部固定具321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8図の実施例で説明したように、超音波発信部外11
01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。
超音波反射部固定具321の長さを変更する方法を以下
に説明するウフラ/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
が一体構造に構成されて、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
個準備する。
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(コンタミし易い)ので、一体講造にしたほうが望ま
しいっなお、この実施例における超音波の送受信は第1
図並びに第3図の実施例と同様に行われる。
第11図に本発明の池の実施例を示r0第11図(a)
は培養、槽上面図で同図中)は側面図である。
第11図は菌踵による培養液の粘性変化の影響を受ける
ことなく、菌体濃度を計測できるようにした実施例であ
る。
培棲葭種によっては、置体濃度の増加にともない液の粘
性が増加し、かく押具によってかく拌されているにもか
かわらず培養槽内液中に濃度の不均一が生じる。このた
め、槽内特定の場所で計測した場合、計測値に誤差が生
ずることがある。これを解決するには複数の超音波送受
信子を設置することも考えられるが、経済性の面で不利
である。
本実施例は超音波送信子301と超音波受信子302と
を槽の上下位置に設け、槽下部に設置された超音波送信
子301から発生された超音波がtL中を上方に伝わり
、槽内壁を反射壁として利用し、さらに上方に設置され
た運音波受信子302で受信さ几るように槽内かく神具
企避けて超音波伝送路を定めた所に特徴がある。
このようにすると、d音波伝播径路が槽全体にわたり、
超音波送受16子の1r数を増加することなく槽内全体
の菌体濃度の平均値を計測できる。
また、槽内壁での反射は、超音波のyJC衰が計測に支
障?きたきない(減衰して超音波がとどかなくならない
)範囲内でくり返し、槽内全体に伝播径路を設定しても
良いことは言うまでもない。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、微生物と基質との
接触、溶存酸素の拡散、ヒータによる熱交換等を効果的
に行い微生物増殖を促進するために一般の培養槽や醗酵
槽には欠くことのできない、槽内にかく押装置が設置さ
ルた槽でも、かく押装置駆動軸近傍の気泡に妨げられる
ことなく槽内の@濁液中を超音波が伝播可能となり超音
波の伝播速度による菌体濃度を正確に計測゛rることか
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示す構成図、第2図は第1図
のA−A’断面図、第3図は信号処理装置の一例構成図
、第4−は測定動作説明用の波形図、第5図は計測原理
を説明するための図、第6図、第7図は実施例の動作を
詳細に説明するための波形図、第8図、第9図、第10
図、第11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、160・・
・駆動軸、300・・・超音波送受信子、301・・・
超音波送信子、302・・・超音波受信子、310・・
・超音波送受信装置、101・・・超音波発信部外壁、
320・・・超音波反射部外壁、330・・・波形平均
処理装置、340・・・伝播時間演算装置、350・・
時間制御回路、400・・・温度検出器、410・・・
温度演算装置、第5図 第す図 (e) 第7図 第8図 第9図 第1O図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、培養槽また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、前記超音波の送受信を行う超音波送
    受信装置は超音波の伝播径路が前記槽内液をかく拌する
    かく拌駆動軸から外れるように設けられていることを特
    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、超音波送受信手段
    は超音波伝播径路を槽内液の上下方向になるようにした
    ことを特徴とする菌体濃 度計測装置。
JP19473284A 1984-09-19 1984-09-19 菌体濃度計測装置 Pending JPS6174573A (ja)

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Cited By (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104342365A (zh) * 2013-08-05 2015-02-11 江苏汇能锅炉有限公司(丹阳锅炉辅机厂有限公司) 一种新型搅拌式发酵罐

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