JPH02502401A - 液体培地中の微生物による酸素消費の速度を測定するための装置 - 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】 液体培地中の微生物による酸素消費の 速度を測定するための装置 技術分野 本発明は、微生物学及びより詳しくは、液体培地中の微生物による酸素消費の速 度を測定するための装置に関する。

従来技術 発酵器及びそれからの流出液に供給されるガス混合物中の酸素の固定濃度の分析 器及びこれらの分析器の種々の読みを通して微生物の酸素消費を決定するための 単位装置を含んで成る、液体培地中の微生物による酸素消費の速度を測定するだ めの装置は、当業界において知られている（Ａｒｃｈ、Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ、　 。

１２１．３，１９７９．０１ｉｊｖｅ　Ｗ、、Ｋｏｋ　Ｊ、Ｊ、”Ａｎａｌｙｓ ｉｓ　ｏｆ　ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆｇｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒ　ｏｘｙｄａｎｓ 　ｉｎ　ｇｌｕｃｏｓｅ−ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　ｍｅｄｉａ’、２８３〜２９ ０ページを参照のこと）。

その既知の装置は、発酵器中へのガス混合物の供給速度の高い精度の測定を必要 とし、このために高価な装置、たとえばガス分析器が使用される。しかしながら 、微生物による酸素消費の速度のこの既知の装置による測定の感度及び信頼性は 、むしろ低いままである。なぜならば、発酵器の入口及び出口でのガス分析器の 読みの差異がひじょうに小さいからである。

貫流チャンバー、流速調整単位を備えるチャンバーを通して液体培養培地を吸い 上げる手段、前記貫流チャンバーの入口及び出口のそれぞれに取付けられている 酸素の分圧のための電気化学的センサー、それに連結されるセンサーの出力から のシグナルの差異の決定のための単位装置及び微生物による酸素消費の速度の計 算のための単位装置を含んで成る、液体培地中の微生物による酸素消化の速度を 測定するための装置もまた知られている。それぞれの電気化学的センサーは、ハ ウジング（この一端は半透膜により閉ざされている）及び電解質により充填され ているハウジングの内部に配置されたカソード及びアノードから成る。微生物を 含む培養培地は、貫流チャンバーを通して固定された速度で吸収され、そしてそ の培養培地中に溶解される酸素の分圧はそのチャンバーの入口及び出口でセンサ ーにより測定される。微生物による酸、　　素消費の速度は、貫流チャンバーを 通しての培養液体の通過時間により分けられたそのチャンバーの入口及び出口で それぞれ備えられた２種の電気化学的センサーの読みの差異として決定される（ ｔｌｓ、　Ａ、　３５１０４０６）。

この装置は、同一でない特徴を有する酸素の分圧の２種の別々の電気化学的セン サーの存在により引き起こされる、微生物による酸素消費の速度の測定における 高い一般的な誤差を特徴とする。電気化学的センサーの特徴は、電解質、アノー ド及び半透膜とカソードとの間の電解質層の厚さの質的及び量的パラメーターに 依存する。センサーの内部で生じる電気化学反応の結果として、量的及び質的変 化が、アノードの表面上及び電解質中の両者に生じる。これらの変化は、センサ ーの操作の間、異なった程度に示される。さらに、カソードと半透膜との間の電 解質層の同じパラメーターを有する２種の別々のセンサーを製造し、そして時間 通りにそれらの安定性を確保することは複雑な技術的問題であり：電気化学的セ ンサーの静電特性及び動的特性の両者はこの層のパラメーターに強く依存する。

発明の要約 液体培地中の微生物による酸素消費の速度を測定するための装置を提供すること が本発明の目的であり、ここで貫流チャンバーの入口及び出口での酸素の分圧の 電気化学的センサーは、それらの特徴が同一であり、そして電解質及びアノード の量的及び質的パラメーターに依存せず、従って微生物による酸素消化の速度の 測定の高い正密度及び信頼性を可能にするようなものである。

この目的は、吸入流速設定単位装置を備えるチャンバーを通して液体培養培地を 吸入するための装置、そのチャンバーの入口及び出口でそれぞれに取付けられて いる酸素の分圧のための電気化学的センサー、それに連結されているセンサーの 出力からのシグナルの差異を決定するための単位装置及びその差異の計算のため に単位装置の出力に連結された、微生物による酸素消費の速度を計算するための 単位装置を含んで成る、液体培地中の微生物による酸素消費の速度を測定するた めの装置により達成され、ここで本発明によれば、酸素の分圧を決定するための 電気化学的センサーは、その２種の対立する壁に備えられている開口部を有し、 そして膜により閉ざされているハウジング（該ハウジングは電解質により充填さ れている）を含んで成る単一のアセンブリーとして製造され：２個のカソードは それぞれの膜にそれぞれ隣接して前記ハウジングに配置され；アノードはハウジ ング内に配置され：カソード及びアノードからのリード線はセンサーの出力であ り：ハウジングの内部空間は半透膜を通して貫流チャンバーの内部空間と伝達し 、そし°Ｃハウジングは、１つの膜が貫流チャンバーの入口に直接接近して存在 し、そして他の膜がその出口に接近して存在するようにチャンバーに対して配置 されている。

カソード間のハウジングにおいては、半透膜の面に対して垂直な軸にそって弾性 変形の状態で存在し、そしてカソードと機械的に連結し、そして半透膜にカソー ドをプレスする効果をそれらのカソードに作用せしめる弾性部材を供給すること が好都合である。

本発明に従って液体培地中の微生物により酸素消費の速度を測定するための装置 は、高い精度の測定により特徴づけられる。

培養培地中に溶解される酸素の分圧の差異が共通電解質中に配置され且つ共通ア ノードを有する電極対により測定される単一の単位装置としての電気化学的セン サーの実施態様は、アノードの表面及び電解質の定性及び定量特性の非同−性の 排除を可能にする。弾性部材を通しての機械的連結によるカソードの連結は、２ 種の異なった電気化学的センサーの適用に基づいて生じる電極対の特性間の差異 を排除することができる同一のパラメーターによるカソード及び半透膜間の電解 質の薄層の形成を確保する。

図面の簡単な説明 本発明は、添付図面に関するその特定の態様の記載によりさらに例示され、ここ で本発明によれば：第１図は液体培地中の微生物による酸素消費の速度を測定す るための装置及び一部その立体図を示し；第２図は拡大された立体図での、弾性 部材を有する酸素の分圧のセンサーのアセンブリーを示し；第３図は異なった弾 性部材により連結される酸素の分圧のセンサーのカソードを示す。

本発明の好ましい態様 第１図に示されるような、液体培地中の微生物による酸素消費の速度を測定する ための装置は、入口Ａ及び出口Ｂを有し、そしてその貫流チャンバー１を通して 液体培養培地を送る装置３（たとえば螺動ポンプ）とダクト２を介して出口Ｂに より連結する貫流チャンバー１を含んで成る。入口Ａは発酵器（第」図には示さ れていない）との連結のために向けられている。装置３は、ポンプ速度の設定器 ４を備えられている。たとえば弗素樹脂から製造されるハウジング５はチャンバ ー１中に取付けられ、そして貫流チャンバー１の内部空間とハウジング５の内部 空間とを分離する半透膜６及び７により密封される開口部を２つの対立する壁に 有する。半透膜６及び７は、薄いテフロン、ポリプロピレン又はポリエチレンフ ィルムにより製造される。ハウジング５は、半透膜６及び７を確保するために同 時に作用する封止リング８及び９によりチャンバー１に取付けられ；ハウジング ５は、半透膜６がチャンバー１の入口Ａに隣接して存在するように配置され、そ して半透膜７は、チャンバー１の出口Ｂに隣接するように配置される。

ハウジング５は、電解質１０により満たされ、そしてハウジング５の内部に、半 透膜６及び７に隣接して、それぞれカソード１１及び１２が取付けられ、そして それらのカソードは貴金属、たとえば白金、金及び銀のプレートを含んで成る。

カソード１１及び１２は、それらの間及びそれぞれの半透膜６及び７の間に、電 解質の薄層が形成されるように取付けられる。さらに、ハウジング５においてカ ソード１１及び１２と対称的に且つそれらの間にアノード１３が取付けられ、そ してそのアノードは、たとえば鉛又はカドニウムワイヤー又はバンド、のいくつ かのコイルにより形成される。アノード１３は、ＡｇＣＩ！の層により被覆され る銀ワイヤーのいくつかのコイルにより形成され得る。電極対−カソード１１及 びアノード１３は、チャンバー１の入口Ａで酸素の分圧のセンサーとして作用し 、そして電極対−力ソード１２及びアノード１３はチャンバー１の出口Ｂでのセ ンサーとして作用する。アノード１３及びカソード１１及び１２は、センサーか らのシグナル間の差異を測定するために単位装置１７に連結される電気化学的セ ンサーの出力であるリード線１４．１５及び１６をそれぞれ備えられる。単位装 置１７は、異なった目的に従って連結される２種の抵抗体１８及び１９を含んで 成り、そしてその出力は微生物による酸素消費の速度の計算のための単位装置２ ００Å力に連結される。

第１図に示される類似するアセンブリーである、第２図に示される酸素の分圧の センサーのアセンブリーは、カソード１１及び１２の間にハウジング５中に配置 される弾性部材をさらに組込み：この場合、それはカソード１１及び１２により 機械的に連結され、そしてそれらをそれぞれ半透膜６及び７に押しつける円柱状 の張力作用バネ２１を含んで成る。そのバネ２１は、その端面でカソード１１に 堅く連結されるロッド２３のキャビティ２２中に配置される。同時に、もう１つ のロッド２４はカソード１２にその端面で堅く連結され、そしてその他端面は、 それが膜６及び７０面に垂直な軸２５にそって弾性変形の結果として存在するバ ネ２１をそれらにそってスライド圧縮するようにキャビティ２２の内部壁と相互 作用する。

ロッド２３，２４及び柔軟な材料、たとえばゴムにより製造されるプレート２６ であり、そしてロッド２３のキャビティ２２中に配置される弾性部材によるカソ ード１１及び１２の機械的連結の態様が第３図に示され；それはロッドの壁にそ の端で固定される。この場合、ロッド２４の端面は、軸２５にそって弾性変形の 状態にそれをするためにプレート２６と相互作用する突起２７を備える。

液体培地中の微生物による酸素消費の速度を測定するための装置は、次の態様で 作用する。

微生物を有する培養培地を、貫流チャンバー１を通過して固定速度Ｑでポンプ装 置３により発酵器から吸入する。その固定されたポンプ速度は、ポンプ速度設定 器４により調節される。培養培地が貫流チャンバー１を通過するにつれて、その 培養培地中に溶解される酸素が微生物により吸収され、それによってチャンバー 中の分圧は減じられる。この工程の結果として、培養培地中に溶解される酸素の 分圧の差異が、チャンバー１の入口Ａ及び出口Ｂで得られる。固定されたポンプ 速度Ｑでの酸素の分圧のこの差異の値は、微生物による酸素の消費速度に比例す る。

チャンバー１の入口へでの酸素の分圧は、カソード１１及びアノード１３から成 る電極対により測定される。培養培地中に溶解される酸素は半透膜６を通して拡 散し、カソード１１と膜６との間の電解質の薄層ｄ中に浸入し、そして負の電位 を有するカソード１１の表面上で、酸素の十分な電気的還元の工程が生じる。そ の負の電位が、抵抗体１８を通してリード線１４及び１５によりカソード１１及 びアノード１３を接続することによりカソード１１に適用される。そのようにす る場合、カソード１１の電位がアノード１３の電位と等しくなる。アノード１３ の材料は、アノード１３及びカソード１１上の電圧が酸素還元の電位に相当する ように選択される。このためには、比較的高い負の電位を有する金属、たとえば 鉛、カドニウムが使用され得る。

ＡｇＣ１の層により被覆された銀ワイヤーが、たとえばアノード１３として使用 される場合、負の電位が、カソード１１とアノ−ド１３との間に供給される外部 の電圧源（示されていない）からカソード１１に適用される。

従って、カソード１１、アノード１３及び電解質から成る電極セルの回路におけ る電気化学的反応の結果として、半透膜６を通しての酸素の拡散速度及び貫流チ ャンバー１の入口Ａで培養培地中に溶解される酸素の分圧に直接比例する酸素の 拡散速度により決定される根本的な拡散電流に起因する。抵抗体１８を通しての 拡散電流の通過は、その上での電圧低下を引き起こす。この電圧低下の値はまた 、チャンバーの内部での酸素の分圧に直接比例する。

類似する態様において、酸素の分圧を測定する工程が貫流チャンバー１の出口Ｂ で生じる；それは、カソード１２及びアノード１３から成る電極対によりもたら される。この場合、抵抗体１９上の電圧低下は、貫流チャンバー１の出口Ｂでの 酸素の分圧に直接比例する。従って、抵抗体１８及び１９上での電圧低下の差異 が、貫流チャンバー１の入口Ａ及び出口Ｂで培養培地中に溶解される酸素の分圧 の差異に比例する。この差異は単位装置１７で測定され、そしてその出力シグナ ルが単位装置２０に通され、ここで微生物による酸素消費の速度が次の関係に従 って計算される： ｒ０２”に０ΔＵ／Ｖ 〔式中、ｒｌ）２は微生物による酸素消費の速度であり；ΔＵはセンサーからの シグナルの差異であり：Ｑはチャンバー１を通しての培養培地の吸入速度であり ；Ｖは貫流チャンバー１の体積であり： には比例係数である〕。

単一のアセンブリーとしての電気化学的センサー（ここで電極は共通する電解質 中に配置され、そしてアノードはまた、２種のカソードのために共通する）の実 施態様は、２種の異なった電気化学的センサーを用いる場合に通常起こる、電解 質及びアノード表面の定性及び定量パラメーターの変動により引き起こされる電 極対の特性間の差異の排除を可能にする。

これらのパラメーターの変動は、センサーの内部で及び高温でのセンサーの殺菌 の間に進行する電気化学的反応の結果として、及び分析された培地中への半透膜 を通しての電解質のいくつかの成分の拡散の結果として並びに電解質への分析さ れた培地からのある物質の拡散により生じる。２種の異なったセンサーを用いる 場合、上記の要因は、センサーの特徴（特に静的特徴）を種々の程度に変え、従 って貫流チャンバー１の入口Ａ及び出口Ｂでの酸素の分圧の差異の測定における 実質的な誤差を引き起こす。

本発明の電気化学的センサーを用いる場合、これらの要因は、電極対の特徴を、 全作用時間の間、同じ程度に変え、従って貫流チャンバー１の入口Ａ及び出口Ｂ での酸素の分圧の差異の測定の誤差を排除することができ；一般的に、微生物に よる酸素消費の速度を高い精度で測定することができるようになる。

第２図に示されるような酸素の分圧のセンサーのアセンブリーを有する、微生物 による酸素の消費速度を測定するための装置の態様は、第１図に示される態様の 装置に類似して作動する。

通常の移動システムを形成するために弾性変形の状態で存在するバネ２１を含ん で成る柔軟な機械的結合により連結されることにある。弾性変形の状態にあるバ ネ２１は、カソード１１及び１２がそれぞれ半透膜６及び７に向かって軸２５に そってお互いから離れ、そしてそれぞれこれらの半透膜６及び７に押し寄せるよ うにロッド２３及び２４を通してカソード１１及び１２に作用する。カソード１ １及び１２、ロッド２３及び２４及びバネ２１は共通の移動システムを形成する ので、カソード１１及び１２は同じ力で膜６及び７に押し付けられ、従ってそれ ぞれカソード１１及び１２及び膜６及び７の間の電解質の同じ厚さの層ｄの形成 を提する。

弾性部材として、弾性材料のプレート２６が使用される装置は上記と類似する態 様で作動する。但し、この場合、弾性部材が圧縮作用する。

産業上の利用性 本発明は、抗生物質及びワクチンの製造のための医薬産業、食料品の発酵のため の食品産業、廃水の生物学的浄化、疾病の診断のための医学界、生物技術工程の 研究に有用である。

Ｆｉｔ；’、　７ ＦＩＧ、　２ ＦＩＣ，Ｊ 国際調査報告

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．貫流チャンバー（１）、ポンプ速度設定器（４）を備えるチャンバー（１） を通して液体培養培地を吸入するため装置、チャンバー（１）の入口（Ａ）及び 出口（Ｂ）でそれぞれに取付けられている酸素の分圧のための電気化学的センサ ー、そのセンサーの出力に連結されているセンサーからのシグナルの差異を決定 するための単位装置（１７）及びその差異の計算のために単位装置（１７）の出 力に連結される、微生物による酸素消費の速度を計算するための単位装置（２０ ）を含んで成る、液体培地中の微生物による酸素消費の速度を測定するための装 置であって、酸素の分圧を決定するための前記電気化学的センサーは、その２種 の対立する壁に備えられている開口部を有し、そして半透膜（６，７）により閉 ざされているハウジング（５）（該ハウジングは電解質により充填されている） を含んで成る単一のアセンブリーとして製造され、２個のカソード（１１，１２ ）はそれぞれの膜（６，７）にそれぞれ隣接して前記ハウジング（５）に配置さ れ、アノード（１３）はハウジング（５）内に配置され、カソード（１１，１２ ）及びアノード（１３）からのリード線（１５，１６，１４）はセンサーの出力 であり、ハウジング（５）の内部空間は半透膜（６，７）を通して貫流チャンバ ー（１）の内部空間と伝達し、そしてハウジング（５）は、１つの膜（６）が貫 流チャンバー（１）の入口（Ａ）に直接接近して存在し、そして他の膜（７）が その出口（Ｂ）に接近して存在するようにチャンバー（１）に対して配置されて いることを特徴とする装置。
2. ２．カソード（１１，１２）間のハウジング（５）において、半透膜（６，７） の面に対して重置な軸（２５）にそって弾性変形の状態で存在し、そしてカソー ド（１１，４２）と機械的に連結し、そして半透膜（６，７）にカソード（１１ ，１２）をプレスする効果をそれらのカソードに作用せしめる弾性部材が供給さ れることを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。