JP2011080969A - 隔膜式電極 - Google Patents
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- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
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Abstract
【解決手段】ガス透過膜と、その下面の膜固定部材との間に介在して上記ガス透過膜の下面を支持する環状で弾性を有する膜支持部材を備え、上記膜支持部材は、少なくとも上記電極体の下端面の周縁部に相対する部分を残して中央が開口しているものであって、上記膜及び上記膜支持部材の周縁近傍部を上記膜固定部材等で固定することにより、上記膜支持部材の開口の周縁部又は周縁近傍部で上記膜を上記電極体の下端面にも押圧しつつ、膜支持部材の上全面で上記膜を支持する隔膜式電極である。
【選択図】図1
Description
この隔膜式電極の基本構成は、検出極と対極との電極対と、この電極対とガス吸収液とをその内空部に収容する下端開口の外筒と、この外筒の下端開口を、これに臨んで僅かに突出する検出極に接しつつ封止するガス透過膜とからなる。
そして、気中又は液中のガス濃度測定は、前者では、ガス透過膜を透過したガスがガス吸収液に吸収された時に両電極間に生じる電流を計測することにより、後者では、同様にしてガスがガス吸収液に吸収された時に変化する液のpHを計測することにより行われる。
また、これらの隔膜式電極は、前者では、例えば、酸素ガス、水素ガス、硫化水素ガス等の測定に、後者では、例えば、炭酸ガス、アンモニアガス等の測定に用いられている。
図4にはガルバニ等方式の隔膜式電極を、図5にはガラス電極方式のものを例示しているが、両図において電極対の構造は異なるなるものの、その基本構成は、上記のごとく、両者とも実質的に同一であるので、同一の符号を付して説明する。
両図において、隔膜式電極101は、下端(先端)面に検出極102(前者ではカソード、後者ではガラス膜電極(ガラス膜の内側で内部液を介して内部電極に電気的に接続されている。)を有する管状の電極体103と、対極104(前者ではアノード、後者では参照電極)と、内空部105に電極体103及び対極104を収容する下端(先端)開口の外筒(ジャケット)106と、外筒106の下端開口を、この開口に臨んで僅かに突出する検出極102に接しつつ封止するガス透過膜107と、外筒106の内空部105に貯留されたガス吸収液108と、外筒106及び電極体103の上端部を支持する基支持体109とを備えている。
そして、ガス透過膜107と検出極102との間にはガス吸収液108の薄液層が形成されている。
なお、対極104については、図4では外筒106の内壁に円筒状にアノードが内張りされ、図5では参照電極の上端部が基支持部材109で支持されており、また、113は検出極側端子、114は対極側端子である。
これには、例えば、ミニジャーファーメンター等のごとく、隔膜式電極を取り付けたままその装置全体をオートクレーブ滅菌する場合や、例えば、据え置き培養タンク等のごとく、隔膜式電極を取り付けたタンクの内部を水蒸気滅菌する(隔膜式電極は培養液に接する部分のみが滅菌処理される)、いわゆる据え置き水蒸気滅菌の場合等がある。
また、据え置き水蒸気滅菌(例えば、121℃(0.1MPa)、30分等)の場合、ガス透過膜の表面は過熱水蒸気の圧力を直接受けて、上記オートクレーブ滅菌の場合よりも大きな膜の表裏の圧力差が生じる。
このように、隔膜式電極の滅菌処理時にはガス透過膜の表裏に圧力差が生じることから、膜が破損するという問題点がある。
従来のガス透過膜の装着、固定方法としては、図4及び5で例示するごとく、その内径が電極体103の下端面の外径よりもかなり大のワッシャの上面に膜107を載せ、その周縁近傍部の上下面を外筒106の下部と膜固定部材112とで挟持する方法や、環状凹部を有する第1の固定部材とこの凹部に適合する環状凸部を有する第2の固定部材とこれら環状凹部と環状凸部とに圧縮されて保持された隔膜を有する隔膜カートリッジを用いる方法(例えば、特許文献1、図1等参照)等が挙げられる。
特に、微生物や動植物の細胞あるいは組織等の培養液中の酸素等の溶存ガス濃度の測定は、培養管理上、極めて重要であり、本発明の隔膜式電極は、これらの溶存ガス濃度測定に好適に使用される。
このために、上記膜支持部材は、下記のごとく、少なくとも電極体の下端面の周縁部に相対する部分を残して中央が開口していて、電極体の下端面の検出極の全部又は大部分に相対する部分が開口している。
なお、電極体の下端面は、略平面であったり、略球形面(球形の部分的な面)であったりするが、本発明において後者のときの電極体の下端面とは、ガス透過膜を張着したときに、膜と接する部分をいう。
また、図4で例示したごとく、外筒106の内壁に円筒状にアノードが内張りされたような場合には、アノード下端の周端面も外筒106の下端開口の周端面として含まれる。
より具体的には、上記膜支持部材は、例えば、電極体の下端面の直径が4mm、6mm、あるいは10mmの場合には、中央にそれぞれ直径が大きくても3mm、4mm、6mm程度の開口を有している。
また、上記膜支持部材の外径については、ガス透過膜を支持、固定できる範囲で膜と略同じ直径にすればよい。
なお、上記のごとく、検出極の一部(周縁部)が膜支持部材によりガス透過膜を介して塞がれる状態になることもあり、ガルバニ等方式で電流計測する場合、測定電流値が下がるが、校正することによりガス濃度測定には実質的に支障はなく、また、ガラス電極方式の場合はそのままで実質的に支障はない。
そして、ガス透過膜は、その周縁近傍部が外筒の下端の周端面と膜固定部材の内鍔部の上面とで挟持して固定されると共に、その下面の膜支持部材の開口の周縁部又は周縁近傍部の適合変形面で電極体の下端面にも押圧されつつ、膜支持部材12の上全面で支持されることになる。
より具体的には、例えば、ガス透過膜として厚さ25μmのFEP(4フッ化エチレン−6フッ化プロピレン共重合樹脂)を用いた場合、その露出部の直径が15mmでは、0.05MPaで破損するときでも、その直径を3mmとすることで少なくとも0.3MPaでは破損しない。
このような観点から、膜支持部材としては、耐圧性がガス透過膜のそれ、又は滅菌処理時に生じる膜の表裏の圧力差(通常最大でも0.2MPa)よりも大のものを用いればよい。
なお、本発明の隔膜式電極は、滅菌処理直後においても、ガス透過膜が検出極面に密着状態で均一に張着されているのは勿論である。
隔膜式電極が滅菌処理される場合には、勿論耐熱性の膜支持部材が用いられるが、例えば、ステンレス鋼、りん青銅、チタン等の金属が好適である。
また、膜支持部材は、上記のごとく、固定することによりガス透過膜を介して電極体の下端面に押圧されてその面に適合した形状に変形するが、薄板状で厚さが、例えば、0.01〜0.5mmのものが変形自在で好ましく、中でも、例えば、厚さが0.01〜0.2mmのステンレス鋼、りん青銅、チタン等の金属が好適である。
なお、本発明の上記特徴点以外の隔膜式電極の構成等については、従来のそれと同様であるので、後記図面を参照して説明した場合等を除き、詳細な説明は省略する。
ガス透過膜と膜支持部材との固定(接着)部は、それらの周縁部、周縁近傍部、膜支持部材の一部又は全部(全面)等、適宜とすればよい。
そして、このカートリッジは、ガス透過膜の交換を容易に、しかも短時間に行うことを可能にするものである。
実施例1
図1(a)及び(b)において、隔膜式電極1(ガルバニ等方式)は、下端面(例示:略球形状)に検出極2(例示:カソード(露出部)の白金電極で直径2mm)を有する管状の電極体3(例示:管径4mm)と、対極4(例示:アノードの鉛電極)と、内空部5に電極体3及び対極4を収容する下端開口の外筒6(例示:胴部外径12mm、対極4がこの内壁に円筒状に内張されている。)と、外筒6の下端開口をこの開口に臨んで僅かに突出する検出極2に接しつつ封止するガス透過膜7と、外筒6の内空部5に貯留されたガス吸収液8と、外筒6の上端部及び電極体3の上端部を支持する基支持体9とを備えている。
なお、13は検出極側端子、14は対極側端子であり、その間は絶縁されている。
このようにして、ガス透過膜7は、その周縁近傍部が外筒6の下端の周端面と膜固定部材12の内鍔部の上面とで挟持して固定されると共に、その下面の膜支持部材15の開口の周縁部又は周縁近傍部の適合変形面で電極体3の下端面にも押圧されつつ、膜支持部材15の上全面で支持されることになる。
また、同時に、弾性を有する膜支持部材15でガス透過膜7を電極体の下端面に押圧することにより、膜7は常に中心から外周方向に適度に緊張する力を受け、滅菌処理直後やガス測定期間中において、検出極2面に密着状態で均一に張着、維持されている。
本実施例の隔膜式電極1は、応答速度及び測定値の安定性に優れたものであり、酸素、水素、硫化水素等のガス濃度測定に用いられる。
また、滅菌処理を要しない隔膜式電極1の例として、膜支持部材15を、例えば、PET(厚さ0.1mm)とする以外は上記と同様にしたものを挙げることができ、このときのガス透過膜7は、ガス濃度測定期間中において、検出極2面に密着状態で均一に張着、維持されている。
図2に示す隔膜式電極(ガラス電極方式)は、図1に示す隔膜式電極(ガルバニ等方式)と電極対の構造は異なるなるものの、その基本構成が、上記のごとく、実質的に同一であるので、図1と同一の符号を付す。
図2(a)及び(b)において、隔膜式電極1は、下端面(例示:略球形状)の全面が検出極2(例示:ガラス膜電極で直径6mm)である管状の電極体3と、対極4(例示:参照電極で、電極体3の支持管の外周に塩化銀線を巻回)と、内空部5に電極体3及び対極4を収容する下端開口の外筒6(例示:胴部外径16mm)と、外筒6の下端開口を、この開口に臨んでやや突出する検出極2に接しつつ封止するガス透過膜7と、外筒6の内空部5に貯留されたガス吸収液8と、外筒6、電極体3及び対極4の上端部を支持する基支持体9とを備えている。
なお、図2には、電極対を外筒6の中空部5内に収容した例を示したが、この電極対に代わって、下端開口の内筒内に同様の電極対をその検出極2が開口に臨むようにして収容すると共に、内筒内には対極の内部液(参照電極内部液)を貯留し、また、内筒壁等に液絡部を有する、いわゆる複合電極とすることもできる。この場合には、対極の内部液と外筒の内空部に貯留されるガス吸収液とを同一の液にすればよい。
このようにして、ガス透過膜7は、その周縁近傍部が外筒6の下端開口の周端面と膜固定部材12の内鍔部12aの上面とで挟持して固定されると共に、その下面の膜支持部材15の開口の周縁部の適合変形面で電極体3の下端面にも押圧されつつ、膜支持部材15の上全面で支持されることになる。
また、同時に、実施利1に記載したと同様に、弾性を有する膜支持部材15でガス透過膜7を電極体の下端面に押圧することにより、膜7は常に中心から外周方向に適度に緊張する力を受けて、滅菌処理直後やガス測定期間中において、検出極2面に密着状態で均一に張着、維持されている。
なお、本実施例の隔膜式電極1においては、電極体3の下端全面が検出極2で、その一部が膜支持部材15の開口の周縁部上面で遮蔽されてはいるものの、ガス濃度測定には実質的に支障はない。
本実施例の隔膜式電極1は、応答速度及び測定値の安定性に優れたものであり、炭酸ガスやアンモニア等のガス濃度測定に用いられる。
また、滅菌処理を要しない隔膜式電極1の例として、膜支持部材15を、例えば、PET(厚さ0.1mm)とする以外は上記と同様にしたものを挙げることができ、このときのガス透過膜7は、ガス濃度測定期間中において、検出極2面に密着状態で均一に張着、維持されている。
図3(a)及び(b)において、本発明の隔膜式電極用のカートリッジ51は、中央が開口する環状で弾性を有する膜支持部材15(例示:外径10mm、内径(開口径)2mmで、厚さ0.05mmのステンレス鋼(SUS 316)、厚さ0.1mmのPET等)の上面に、円形のガス透過膜7(例示:直径10mm)がその周縁部又は周縁近傍部の下面で接着剤等(例示:エポキシ系接着剤、両面接着シート等)により接着され、張設して固定されたものである。
なお、15aは開口、52はガス透過膜7と膜支持部材15との周縁近傍部の接着部である。
また、カートリッジ51は、一旦装着されると膜固定部材により物理的に固定されるので、接着剤等の接着機能が失われても安定して装着、固定される。
そして、本実施例のカートリッジ51は、ガス透過膜7の交換を容易に、しかも短時間に行うことを可能にするものである。
2、102 検出極
3、103 電極体
4、104 対極
5、105 内空部
6、106 外筒
7、107 ガス透過膜
8、108 ガス吸収液
9、109 基支持体
10、110 Oリング
12、112 膜固定部材
12a、112a 内鍔部
13、113 検出極側端子
14、114 対極側端子
15 膜支持部材
15a 開口
51 カートリッジ(膜・膜支持部材カートリッジ)
Claims (7)
- ガス透過膜を透過したガスを電気化学的に検出して検体中のガス濃度を測定する隔膜式電極であって、
下端面に検出極を有する管状の電極体と、対極と、その内空部に上記電極体及び対極を収容する下端開口の外筒と、上記外筒の下端開口を当該下端開口に臨む上記電極体の検出極に接しつつ封止する上記ガス透過膜とを具備し、上記外筒の内空部にガス吸収液を貯留して上記ガス透過膜と上記検出極との間に上記ガス吸収液の薄液層を形成する隔膜式電極において、
上記ガス透過膜と、当該ガス透過膜の周縁近傍部の上下面を上記外筒の下端開口の周端面とその内鍔部の上面とで挟持して固定する膜固定部材との間に介在して上記ガス透過膜の下面を支持する環状で弾性を有する膜支持部材を備え、
上記膜支持部材は、少なくとも上記電極体の下端面の周縁部に相対する部分を残して中央が開口しているものであって、
上記ガス透過膜及び上記膜支持部材を固定することにより上記膜支持部材で上記ガス透過膜を上記電極体の下端面にも押圧しつつ支持することを特徴とする隔膜式電極。 - 上記環状で弾性を有する膜支持部材が薄板であって、上記膜固定部材で固定することにより上記電極体の下端面の相対する面に適合する形状に変形するものであることを特徴とする請求項1記載の隔膜式電極。
- 上記環状で弾性を有する膜支持部材が耐熱性材料であることを特徴とする請求項1又は2記載の隔膜式電極。
- 上記環状で弾性を有する膜支持部材が金属材料であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の隔膜式電極。
- 上記環状で弾性を有する膜支持部材がステンレス鋼、りん青銅又はチタンであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の隔膜式電極。
- 上記環状で弾性を有する膜支持部材は、その厚さが0.01〜0.5mmであることを特徴とする請求項4又は5記載の隔膜式電極。
- 上記ガス透過膜が、請求項1〜6のいずれか1項に記載の上記環状で弾性を有する膜支持部材の上面に張設、固定されてなることを特徴とする隔膜式電極用の膜・膜支持部材カートリッジ。
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