JPS6214268B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は酸素濃度と炭酸ガス濃度とを制御し得
る培養器に関するものである。さらに詳しくは、
培養器の恒温室の中に、複数個の気密容器を設置
し、この各気密容器内の酸素濃度を脱酸素機能と
酸素発生機能とを有する電気化学的酸素分離装置
によつて制御するようにした培養器に関するもの
である。

すでに、微生物あるいは細胞を培養するための
炭酸ガス濃度の制御機構を設けた培養器は、広く
実用に供されている。また最近では炭酸ガスだけ
でなく、酸素濃度も制御し得る培養器も実用に供
されるようになつてきている。現在、実用に供さ
れている酸素濃度と炭酸ガス濃度の双方を制御し
得る培養器では酸素ボンベと窒素ボンベと炭酸ガ
スボンベを用い、酸素濃度計および炭酸ガス濃度
計の検知信号に応じてボンベと恒温室とを結ぶ電
磁弁の開閉をおこなうことによつて、酸素濃度と
炭酸ガス濃度とを制御するという方式が採用され
ている。

このボンベ方式は、ボンベが重いことと取り変
えの煩雑さが取扱い上重要な難点となつている。

これに対して、特公昭57−28907号には、気相
中の酸素濃度を制御する方式として電気化学的手
法が提案されている。すなわち、ガス拡散電極を
陰極とし、酸素発生電極を陽極とした電解槽の陰
極に酸素を含む混合気体を供給しつつ陰・陽極両
極間に直流電流を通電すると陰極側で脱酸素反応
が起り、陽極側で酸素発生反応が起る。したがつ
てふたつの電解槽を用意し、そのひとつに脱酸素
機能をもたせ、他のひとつに酸素発生機能をもた
せ、一定の恒温室の中の酸素濃度が所定値よりも
高すぎる場合には、脱酸素機能をもつた電解槽を
動作させ、逆に低すぎる場合には、酸素発生機能
を有する電解槽を動作させれば、恒温室の中の酸
素濃度は絶えず所定の濃度に維持される。この特
公昭57−28907号の酸素濃度制御方式では、ふた
つの電解槽が用いられているが、ひとつの電解槽
に脱酸素機能と酸素発生機能の双方をもたせるこ
とも可能である。

いずれにしても、上述の電気化学的酸素分離装
置を採用した酸素濃度制御機構を培養器に適用す
れば、少くとも酸素ボンベと窒素ボンベが不要と
なり、ボンベ方式よりも取扱い上はるかに簡便と
なり有利である。

しかしながら、電気化学方式を用いた場合に
は、脱酸素速度および酸素発生速度は、通電電流
に比例し、しかも通電し得る電流密度には制約が
あるので、一般に培養器の恒温室内の酸素濃度を
全体的にしかも速く制御しようとすると、電気化
学的酸素分離装置が大型となり、価格的にも高価
になりすぎるという問題がある。

本発明はかかる問題を解決しようとするもので
あり、培養器の恒温室の中に、複数個の気密容器
を設置し、この気密容器と電気化学的酸素分離装
置および炭酸ガスボンベとを弁および着脱自在の
ガスソケツトを介して連動せしめた系路を形成せ
しめると同時に、上述の気密容器と酸素濃度計お
よび炭酸ガス濃度計を収納せるガス濃度検出室と
を弁および着脱自在のガスソケツトを介して連通
せしめ、さらにこのガス濃度検出室と上述の電気
化学的酸素分離装置とを連通せしめた系路を形成
せしめ、上述のガス濃度検出室内に収納された酸
素濃度計および炭酸ガス濃度計の検知信号に応じ
て、上述の電気化学的酸素分離装置あるいは炭酸
ガスボンベを作動せしめて、上述の各気密容器内
の酸素濃度と炭酸ガス濃度を制御せしめるための
制御装置をそなえる培養器を提供するものであ
る。

本発明のかかる培養器の構造には、４つの特徴
がある。ひとつは恒温室の中に複数個の気密容器
を設置し、これらの気密容器の中で微生物あるい
は細胞の培養をおこなうようにしたことである。
従来の培養器の培養室全体は、通例150前後の
容積をもつているか、実際には気密性がほとんど
ない小部室に分割されていてこの小部室毎に異な
つた試料が収納されることが多い。換言すると、
これら各小部室毎に、酸素濃度および炭酸ガス濃
度の制御をおこなつても、実用上全く差し仕えな
いのにも限らず、従来は各小部室の気密性がほと
んどないために、恒温室からなる培養器全体の酸
素濃度および炭酸ガス濃度を制御していた。

しかるに、上述のようにこれらの小部室を気密
容器にすることにより、電気化学的酸素分離装置
の脱酸素能力および酸素発生能力をこれらの各気
密容器の容積に適応できるだけの能力にすればよ
く、恒温室全体の酸素濃度を制御する際に必要な
大きな脱酸素能力や酸素発生能力をもつ必要がな
くなるので、それだけ電気化学的酸素分離装置は
小型になるし安価にもなる。

本発明の第二の特長は、各培養目的に応じて、
各気密容器毎に酸素濃度あるいは炭酸ガス濃度を
所望の値にすることが可能なことである。すなわ
ち本発明にかかる培養器はひとつの培養器で多目
的の培養が可能となる。

本発明の第三の特長は、上述の各気密器と電気
化学的酸素分離装置との間に酸素濃度計と炭酸ガ
ス濃度計とを収納したひとつのガス濃度検出室を
介在させたことである。すなわち、かかる構成に
すれば各気密容器毎は、酸素濃度計および炭酸ガ
ス濃度計を設置する必要がなくひとつの酸素濃度
計およびひとつの炭酸ガス濃度計の使用ですむ。

本発明の第四の特長は、複数個の気密容器と電
気化学的酸素分離装置あるいはガス濃度検出室と
の間に着脱自在のガスソケツトと弁とを介在せし
めたことである。

すなわち、かかる構成を採用することにより、
ガスソケツトが接続され、弁が開いている状態の
ときには、気密容器と電気化学的酸素分離装置あ
るいはガス濃度検出室と連通されているわけだ
が、弁を閉じ特定の気密容器に付設されたガスソ
ケツトをとりはずせば、その他の気密容器内の雰
囲気組成が変化することなく、この特定の気密容
器だけを培養器の外にとり出すことができる。従
来のように各小部室の気密性がない場合には、特
定の小部室を取り出すために培養器の扉を開ける
と培養器全体の雰囲気組成が変化してしまうとい
う難点があつたが、かかる構成にすれば、このよ
うな難題が解決される。

本発明で使用する気密容器は、蓋つきのもので
なければならず、また、内部が観察できるように
するためには、ガラスあるいはアクリル樹脂製の
ものが適している。電気化学的酸素分離装置の電
解質としては、炭酸ガスの影響を受けない硫酸あ
るいは陽イオン交換膜が適している。陽イオン交
換膜としては、パーフロロカーボンをベースに
し、これにスルフオン酸基あるいはカルボン酸基
を導入した水素イオン伝導性のものが適している
が、これらに限定されるものではない。硫酸を電
解質にした場合には、陰極としては、カーボン粉
末に白金族金属触媒を担持したものとフツ素樹脂
との混合物をチタンあるいはタンタルに金あるい
は白金をメツキしたエキスパンデツドメタルに圧
着するとともに、多孔性ポリ４フツ化エチレン膜
で裏打ちしたものがよく、陽極としては、チタン
のエキスパンデツドメタルか板に白金あるいは白
金とイリジウムの複合酸化物を被覆したものが使
用される。電解質として陽イオン交換膜を用いた
場合には陰極および陽極を膜に一体に接合したも
のが用いられる。陰極としては白金ブラツク粉末
もしくは白金と金との合金粉末からなる触媒粉末
とフツ素樹脂との混合物か、この混合物に陽イオ
ン交換樹脂の粉末を混入したものをイオン交換膜
にホツトプレスするのがよい。陽極としては、酸
化イリジウムもしくは白金ブラツク粉末を触媒粉
末として、陰極の場合と同様にホツトプレスする
か、白金あるいはロジウムを無電解メツキしたも
のが用いられる。

着脱自在のガスソケツトは、プラグとソケツト
とから構成され、プラグとソケツトとを接続した
ときにはガスが通り、プラグとソケツトとを切り
離したときには、気密性が保持される一種の弁で
ある。このガスソケツトは恒温室の中で着脱が可
能のようにしてもよいし、恒温室の壁に装着して
もいいし、恒温室の内部と外部とに２組用意して
もよい。ガスソケツトと電気化学的酸素分離装置
あるいは酸素濃度計および炭酸ガス濃度計を収納
したガス濃度検出室との間に介在せる弁は、手動
式のものでもよいし、電磁弁にして、制御回路と
連動させるようにしてもよい。

酸素濃度計としては、ガルバニ電池式（燃料電
池式）のもの、ポーラログラフ式のものあるいは
ジルコニア式のものが用いられる。炭酸ガス濃度
計としては、赤外線式のものが適している。

培養器における炭酸ガスの役割は培地のPHを調
整することにある。したがつて、グツドの緩衝液
のようなものを培地に添加する場合には、炭酸ガ
スも炭酸ガス濃度計も炭酸ガス濃度の制御機構も
不要となる。

以下、本発明の一実施例について詳述する。

実施例 第１図は、本発明の一実施例にかかる培養器の
システム系統図を示す。第２図は、電気化学的酸
素分離装置のシステム系統図を示す。

第１図において、150の内容積を有する恒温
室１の中に、30の内容積を有する気密容器２
ａ，２ｂ，２ｃ、および２ｄが設置されている。
これらの各気密容器２ａ，２ｂ，２ｃおよび２ｄ
には、往路用ガスソケツト３ａ，３ｂ，３ｃおよ
び３ｄと復路用ガスソケツト４ａ，４ｂ，４ｃお
よび４ｄとが接続されている。往路用ガスソケツ
ト３ａ，３ｂ，３ｃおよび３ｄと電気化学的酸素
分離装置５との間には、並列に往路用弁６ａ，６
ｂ，６ｃおよび６ｄが接続され、復路用ガスソケ
ツト４ａ，４ｂ，４ｃおよび４ｄとガス濃度検出
室７との間には、並列に復路用弁８ａ，８ｂ，８
ｃおよび８ｄが接続されている。電気化学的酸素
分離装置５と往路用弁６ａ，６ｂ，６ｃおよび６
ｄとを接続する系路の中途には、炭酸ガス用電磁
弁９を介して炭酸ガスボンベ１０が接続されてい
る。ガス濃度検出室７は電気化学的酸素分離装置
５と接続されている。ガス濃度検出室７の中には
酸素濃度計１１および炭酸ガス濃度計１２が収納
されている。制御装置１３は比較器とシーケンス
回路と電源とで構成され、電気的には電気化学的
酸素分離装置５、炭酸ガス用電磁弁９酸素濃度計
１１および炭酸ガス濃度計１２に接続されてい
る。

今、気密容器２ａ内に試料を入れ、この試料を
培養するためには、往路用弁６ａおよび復路用弁
８ａのみを開け、その他の弁をすべて閉じてお
く。そこで気密容器２ａ内の酸素濃度を空気のそ
れより低い値に保持し、炭酸ガス濃度を５％にし
ようとする際には、電気化学的酸素分離装置５を
後述のように脱酸素装置として作動させ、酸素濃
度の低い気体が往路用弁６ａ、往路用ガスソケツ
ト４ａを経て、気密容器２ａに入り、気密容器２
ａから空気が追い出され、復路用ガスソケツト４
ａおよび復路用弁８ａを経てガス濃度検出室７に
入り、再び電気化学的酸素分離装置５に還流され
る。この循環の間に気密容器２ａ内の酸素濃度が
所定の値に保持される。

炭酸ガスも、酸素装置１３からの信号に応じて
炭酸ガス用電磁弁９が開けられ、炭酸ガスボンベ
１０から酸素濃度を制御する際と同様の系路を経
て炭酸ガスが供給され、気密容器２ａ内の炭酸ガ
スが所定値に制御される。

一方、気密容器２ａ内の酸素濃度を空気のそれ
より高い値にしようとする際には、電気化学的酸
素分離装置５を酸素発生装置として機能させ、酸
素が気密容器２ａに供給される。

このような操作の繰り返しによつて、順次、気
密容器２ｂ，２ｃおよび２ｄの酸素濃度および炭
酸ガス濃度が制御される。

すべての気密容器の酸素濃度および炭酸ガス濃
度が同一の場合には、上述のような操作で、各気
密容器の濃度制御をおこなつたのち、すべての往
路用弁および復路用弁を開いておいて、各気密容
器の酸素濃度および炭酸ガス濃度を均等に制御す
ればよい。また、特にガス濃度を所望の値にする
までの時間が問題にならないときには、はじめか
らすべての弁を開けて、すべての気密容器のガス
濃度制御を平行しておこなえばよい。

次に電気化学的酸素分離装置の作用機構につい
て説明する。第２図において、１４は電気化学的
酸素分離装置本体であり、パーフロロカーボンに
スルフオン酸基を導入した陽イオン交換膜１５、
白金ブラツク粉末とフツ素樹脂との混合物からな
る陰極１６、酸化イリジウム粉末とフツ素樹脂と
の混合物からなる陽極１７、白金メツキしたエキ
スパンデツドチタンからなる陰極集電体１８、白
金メツキしたエキスパンデツドチタンからなる陽
極集電体１９、チタン板からなる陰極端子板２
０、チタン板からなる陽極端子板２１およびセル
フレーム２２から構成される。

また陰極集電体１８部の残余空間が陰極ガス室
２３となり、陽極集電体１９部の残余空間が陽極
水室２４となり、水は水タンク２５から供給され
る。この水の供給によつて陽イオン交換膜１５が
水素イオン伝導体として機能する。

この電気化学的酸素分離装置本体１４を脱酸素
装置として機能させる際には、往路用脱酸素弁２
６、復路用脱酸素弁２７および酸素放出弁２８を
開き、往路用酸素供給弁２９、空気導入弁３０お
よび脱酸素残余空気放出弁３１を閉じ、循環ポン
プ３２を駆動させつつ、陰極端子板２０と陽極端
子板２１との間に、直流の定電圧を印加すると、
復路ガス導入口３３から入つてくる第１図の気密
容器内の空気が循環ポンプ３２によつて陰極ガス
室２３に供給され、陰極１６で脱酸素反応が起
り、脱酸素されたガスが往路用脱酸素弁２６を経
て、往路ガス供給口３４から気密容器に供給され
る。また、この脱酸素反応の際陽極１７から発生
する酸素は、酸素放出弁２８から系外に放出され
る。

減圧補償弁３５は、いわゆるリリーフ弁あるい
はプロピレングリコールの如き蒸気圧の低い液体
を用いる液体弁から構成され、脱酸素によつて系
が減圧になつたとき、この減圧を補償するために
大気を系内に導入するためのものである。なお、
この減圧補償のために導入される大気中の酸素も
合わせて電気化学的酸素分離装置本体１４により
除去される。

他方、電気化学的酸素分離装置本体１４を酸素
発生装置として機能させる際には、往路用酸素供
給弁２９、空気導入弁３０および脱酸素残余空気
放出弁３１を開け、往路用脱酸素弁２６、復路用
脱酸素弁２７および酸素放出弁２８を閉じ、空気
導入ポンプ３６を駆動させつつ、陰極端子板２０
と陽極端子板２１との内に直流の定電流を通電す
ると、空気が系外から空気導入ポンプ３６によつ
て、陰極ガス室２３に供給され、陰極１６で脱酸
素反応が起り、脱酸素されたガスが脱酸素残余空
気放出弁３１から系外に放出されると同時に、陽
極１７から発生する酸素は、往路用酸素供給弁２
９を経て、往路ガス供給口３４から気密容器に供
給される。

一方、気密容器およびガス濃度検出室を経て還
流されるガスは、過圧補償弁３７を経て系外に放
出される。この過圧補償弁３７は炭酸ガスが気密
容器に導入されたときにも動作する。

前述の減圧補償弁３５と過圧補償弁３７は、何
らかの理由、例えば、温度変化によつて、気密容
器内のガスの体積の膨張あるいは収縮が起つた際
にも、動作し、系内は絶えず大気圧に保たれるよ
うになつている。

上述の各種の弁は減圧補償弁および過圧補償弁
を除いていずれも電磁弁になつていて、第１図に
示した制御装置１３に組み込まれたシーケンス回
路によつて、自動的に、しかも適切なシーケンス
に従つて開閉がおこなわれる。

次に、電気化学的酸素分離装置の酸素濃度制御
能力について説明する。

上述の電気化学的酸素分離装置を電極の作用面
積が1dm²のセル２セルで構成すると、30の内
容積の気密容器の酸素濃度を空気の21％から10％
にするまで60分かかり、30％にすれば40分かか
る。これに対し、恒温室の内容積を120とし、
気密容器を用いない場合には同じ時間で10％の酸
素濃度および30％の酸素濃度にするためには、上
述のセルが８セル必要となる。

このことから、各気密容器毎に酸素濃度を制御
する本発明の方式の方が効果的であることがわか
る。

以上詳述せる如く、本発明は効果的な酸素濃度
と炭酸ガス濃度を制御し得る培養器を提供するも
のであり、その工業的価値極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる培養器のシ
ステム系統図を示す。第２図は本発明の一実施例
にかかる電気化学的酸素分離装置のシステム系統
図を示す。 １……恒温室、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ……気
密容器、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ……往路用ガス
ソケツト、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ……復路用ガ
スソケツト、５……電気化学的酸素分離装置、６
ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ……往路用弁、７……ガス
濃度検出室、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ……復路用
弁、９……酸素濃度計、１２……炭酸ガス濃度
計、１３……制御装置、１４……電気化学的酸素
分離装置本体、１５……陽イオン交換膜、１６…
…陰極、１７……陽極、１８……陰極集電体、１
９……陽極集電体、２０……陰極端子板、２１…
…陽極端子板、２２……セルフレーム、２３……
陰極ガス室、２４……陽極水室、２５……水タン
ク、２６……往路用脱酸素弁、２７……復路用脱
酸素弁、２８……酸素放出弁、２９……往路用酸
素供給弁、３０……空気導入弁、３１……脱酸素
残余空気放出弁、３２……循環ポンプ、３３……
復路ガス導入口、３４……往路ガス供給口、３５
……減圧補償弁、３６……空気導入ポンプ、３７
……過圧補償弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 恒温室の中に複数個の気密容器を設置し、該
   気密容器と、ガス拡散電極からなる陰極と酸素発
   生電極からなる陽極と硫酸もしくは陽イオン交換
   膜からなる電解質とで構成され、脱酸素機能およ
   び酸素発生機能を有する電気化学的酸素分離装置
   および炭酸ガスボンベとを、着脱自在のガスソケ
   ツトおよび弁を介して連通せしめた系路を形成せ
   しめると同時に、前記気密容器と酸素濃度計およ
   び炭酸ガス濃度計を収納せるガス濃度検出室とを
   着脱自在のガスソケツトおよび弁を介して連通せ
   しめ、さらに該ガス濃度検出室と前記電気化学的
   酸素分離装置とを連通せしめた系路を形成せし
   め、前記ガス濃度検出室内に収納せる酸素濃度計
   および炭酸ガス濃度計の検知信号に応じて、前記
   電気化学的酸素分離装置もしくは炭酸ガスボンベ
   を作動せしめ、前記気密容器内の酸素濃度および
   炭酸ガス濃度を制御するための制御装置をそなえ
   ることを特徴とする酸素濃度と炭酸ガス濃度とを
   制御し得る培養器。