使用氧化还原电位的用来推测测量对象系统的动态的系统的制作方法

1.记载于本说明书的一发明涉及一种使用氧化还原电位的用来推测测量对象系统的动态的系统。


背景技术：

2.在日本特开2007-33344号公报(专利文献1)中记载了一种氧化还原电位测量装置。在记载于此文献的氧化还原电位测量装置中，例如使用铂电极作为测量电极，使用银
╱
氯化银电极作为参比电极。并且，在此文献中，记载了参比电极可使用各种种类的参比电极的任一种(段落[0030])。
[0003]
例如，使用氧化还原电位测量装置推测微生物的培养条件时，可获得培养液是好氧性或厌氧性等的指标的程度。
[0004]
现有技术文献
[0005]
专利文献
[0006]
专利文献1：日本特开2007-33344号公报


技术实现要素：

[0007]
发明所欲解决的课题
[0008]
记载于本说明书的一发明的目的在于提供一种用来推测测量对象系统的动态的系统，不仅提供培养液是好氧性或厌氧性的信息，还可提供用于进行培养操作的判断及培养液的各种条件的最优化的数据。
[0009]
解决课题的技术方案
[0010]
记载于本说明书的一发明基本上是根据以下知识：使用多个种类的工作电极(测量电极)，测量与参比电极之间的氧化还原电位，由此可进行推测测量对象系统的动态。
[0011]
记载于本说明书的第一个发明是涉及一种用来推测测量对象系统的动态的系统。用来推测测量对象系统的动态的系统1具有：参比电极3、第一工作电极5、与第一工作电极至少材质或表面加工相异的第二工作电极7、与第一工作电极及第二工作电极至少材质或表面加工相异的第三工作电极9及信息存储部11。
[0012]
信息存储部11是用于接收第一电位信息、第二电位信息及第三电位信息并存储包含第一电位信息、第二电位信息及第三电位信息的信息的要素，所述第一电位信息是关于在参比电极与第一工作电极中的氧化还原电位，所述第二电位信息是关于在参比电极与第二工作电极中的氧化还原电位，所述第三电位信息是关于在参比电极与第三工作电极中的氧化还原电位。
[0013]
所述系统是可使用于推测测量对象系统的动态的系统。亦即，针对已调整各种条件的对象(例如：培养基)，通过获得包含第一电位信息、第二电位信息及第三电位信息的信息，而可收集用于进行关于测量对象系统的动态的分析的信息。此数据例如是可用于机器学习等的多变量数据。
[0014]
动态推测部13是用于使用存储于信息存储部的第一电位信息、第二电位信息及第三电位信息推测成为对象的系统的动态的要素。
[0015]
此系统的优选使用例是一种用于推测在含有生物的系统中的动态，并提示最优化的方法或自动地进行最优化的系统。
[0016]
发明效果
[0017]
记载于本说明书的一发明不仅提供培养液是好氧性或厌氧性的信息，还可提供用于进行培养操作的判断及培养液的各种条件的最优化的数据。
附图说明
[0018]
图1为表示用来推测测量对象系统的动态的系统的构成例的方框图。
[0019]
图2为表示计算机的基本构成的方框图。
[0020]
图3为实施例的培养及测量系统的概要图。
[0021]
图4为取代表示在实施例中进行的培养中的代表性的培养结果及时间序列数据的附图的图表。
[0022]
图5为取代表示在实施例中进行的针对乳酸生产效率的可决系数的比较的附图的图表。
具体实施方式
[0023]
以下使用附图说明本发明的具体实施方式。本发明并不限定于以下说明的实施方式，并包含本领域技术人员从以下的实施方式在已知的范围内进行适当修改者。
[0024]
图1为表示用来推测测量对象系统的动态的系统的构成例的方框图。测量对象系统的动态包含成为测量对象的系统的最优化条件或各种变动。测量对象系统的动态的示例为生活在成为测量对象的系统中的生物的生存状况、活动状况、散乱状况、增殖状况、发酵状况、预定的代谢物的量、分解物的量、为了预定目的的优选状况、为了预定目的的不优选状况等。
[0025]
如图1所示，用来推测测量对象系统的动态的系统1具有：参比电极3、第一工作电极5、第二工作电极7、第三工作电极9及信息存储部11。在此状态，可将用于求出最优化条件的数据存储于信息存储部11。所述系统1也可进一步具有最优化条件推测部13。最优化条件推测部13可读取记录于信息存储部11的数据，并通过进行各种解析而推测最优化条件。第二工作电极7意指与一工作电极至少材质或表面加工相异的电极。第三工作电极9意指与第一工作电极及第二工作电极至少材质或表面加工相异的电极。
[0026]
工作电极5、7、9是用于使测量对象产生作用，并测量与参比电极3之间的氧化还原电位的电极。工作电极至少三个。系统1也可包含三个以上(例如四个、五个、六个及七个)的工作电极。多个工作电极优选为彼此绝缘。然后，优选为通过设置于每个工作电极与参比电极3之间的电压表，独立地测量电位差。
[0027]
工作电极只要可与对象物(通常含有液体)接触，并具有导电性者即可。每个工作电极至少材质或表面加工相异。工作电极的材质的示例是铂、金、碳、碳同素异形体(玻璃碳、金刚石、石墨烯、碳纳米管、富勒烯)及合金。材质相异也包含组成比相异者。表面加工相异包含电极的表面粗糙度相异、电极表面的原子配置相异、形状相异者。每个工作电极的形
状只要根据用途适当调整即可。
[0028]
用来推测测量对象系统的动态的系统1优选为计算机辅助系统。此系统基本上通过计算机(及软件)而实现。此系统优选为通过计算机自动地进行处理的系统。并且，此系统在有来自使用者的输入的情况下，也可将所述输入也作为信息的一种而进行处理。在本说明书中的各要素或以部所表示的要素，发挥作为在计算机中进行各种处理的单元的功能。
[0029]
图2为表示计算机的基本构成的方框图。如此图所示，计算机具有输入部21、输出部23、控制部25、运算部27及存储部29，各要素通过汇流排31等而连接，并可进行信息的授受。例如，在存储部可存储有控制程序，也可存储有各种信息。在已从输入部输入预定信息的情况下，控制部读取存储于存储部的控制程序。然后，控制部适当读取存储于存储部的信息，并传输至运算部。并且，控制部适当将输入的信息传输至运算部。运算部使用接收到的各种信息进行运算处理，并存储至存储部。控制部读取存储于存储部的运算结果，并丛输出部输出。以此方式进行，执行各种处理。执行所述各种处理者为各单元。
30.信息存储部11是用于接收第一电位信息、第二电位信息及第三电位信息并存储包含第一电位信息、第二电位信息及第三电位信息的信息的要素，所述第一电位信息是关于在参比电极与第一工作电极中的氧化还原电位，所述第二电位信息是关于在参比电极与第二工作电极中的氧化还原电位，所述第三电位信息是关于在参比电极与第三工作电极中的氧化还原电位。
[0031]
计算机的存储部29发挥作为信息存储部11的功能。与各工作电极对应的电压表将关于测量到的电压(以及氧化还原电位)的信息输入至计算机的输入部21。然后，计算机将被输入的电位信息存储至信息存储部11。
[0032]
所述系统是可使用于推测系统的动态的系统。亦即，针对已调整各种条件的对象(例如：含有生物的培养液)，通过获得包含第一电位信息、第二电位信息及第三电位信息的信息，而可收集用于进行关于系统的动态的分析的信息。此数据例如是可用于机器学习等的多变量数据。
[0033]
动态推测部13是用于使用存储于信息存储部的第一电位信息、第二电位信息及第三电位信息推测成为对象的系统的动态的要素。
[0034]
所述系统也可进一步接收关于测量对象系统的信息即测量对象系统信息，并使用接收到的测量对象系统信息及所述第一～第三电位信息，推测成为对象的系统的动态。测量对象系统信息例如可通过使用各种传感器而取得。测量对象系统信息的示例是温度、湿度、气压、培养液的浊度、酸度、对象物质的浓度及对象物质的有无。并且，所述系统也可存储与关于使系统变化的信息(例如：滴下物质的量或浓度)相关的信息即系统变化信息。通过使用已存储的系统变化信息、测量对象系统信息及第一～第三电位信息，而可求出使系统变化时的测量对象系统信息与第一～第三电位信息的相关关系。通过重复进行所述相关关系的解析，而可推测测量对象系统的动态。
[0035]
例如，考虑所述系统推测成为对象的培养液的浊度(例如od660)的动态的情况。此情况下，所述系统针对成为对象的培养液从照射光的分光仪将关于光吸收的信息与温度或ph值等的信息一起接收。此时，如上所述，系统将包含第一电位信息、第二电位信息及第三电位信息的信息与所述信息一起存储。然后，使用已存储的多个数据作为多变量数据，进行解析并推测od660的动态。并且在所推测的动态为不优选的情况下，可同样地推测使ph值或
温度变化的情况的动态。以此方式进行，此系统可推测测量对象系统的动态，并支持最适合的培养。
[0036]
例如，考虑所述系统推测成为对象的生产物的浓度(例如，经由发酵的乳酸生产)的动态的情况。此情况下，所述系统将已将成为对象的培养液的乳酸浓度定量的数据与温度或ph值等的信息一起接收。此时，如上所述，系统将包含第一电位信息、第二电位信息及第三电位信息的信息与这些信息一起存储。然后，使用已存储的多个数据作为多变量数据，进行机器学习并推导出乳酸浓度的时间序列变化与其他数据的时间序列变化的关系。通过使用此学习器，而可以从能于培养中取得的数据推测乳酸浓度的动态。并且在所推测的动态为不优选的情况下，可同样地推测使ph值或温度变化的情况的动态。以此方式进行，此系统可推测测量对象系统的动态，并支持最适合的培养。
[0037]
此系统的优选利用例是用于推测在含有生物的系统中的最优条件。
[0038]
以下，说明本发明的系统的利用例。
[0039]
水系统的监测
[0040]
可多维地监测伴随生命活动的水系统的多维氧化还原电位变化。将在各种现象中的来自多个电极的电位信息存储，并作为多变量数据。通过机器学习所述多变量数据，而可进行模式化等的各种分析。
[0041]
生物现象的记述
[0042]
除了称为活性分子种类的氧、氮、硫等之外，各种微量元素采取各种氧化还原状态，通过以多个种类的导体电极电位量测所述多维的氧化还原状态，而可更详细记述生物现象。
[0043]
微生物制造
[0044]
在通过微生物生产物质的过程中，会消耗成为原料的成份与为了进行微生物的生命活动所需的培养液中的各种成分，在分解/生成的过程中，培养液中的氧化还原状态会多变量地变化。存储来自多个电极的电位信息，并作为多变量数据。通过机器学习所述多变量数据，而可进行模式化等的各种分析。例如，使用微生物已灭绝的情况的电位信息，并通过机器学习进行模式化。然后，在新系统的电位信息与所述模式化的电位信息有相关等而显现关连性时，通过使系统的状况变化而可防止微生物灭绝的情形。
[0045]
啤酒
[0046]
根据成为原料的大麦、啤酒花、酿造用水、啤酒酵母等的状态，发酵工序的氧化还原状态会不同。根据改变发酵时的温度而氧化还原状态也会改变，作为其结果的啤酒的完成度也会改变。通过监测电位信息，而可掌握发酵状况。例如，将正常发酵时的电位信息作为数据存储，并进行机器学习。然后，在新系统的电位信息与已进行机器学习的电位信息的模式相异的情况下，推测发酵条件不正常，有啤酒的质量会变化的情形。如此，通过使用多个电位信息作为数据，而可恒定地保持啤酒等饮料的质量。饮料的示例是包含葡萄酒、日本酒、威士忌等的酒类、伴随发酵的饮料(饮用的酸奶等)。
[0047]
发酵调味料
[0048]
酱油、味噌、曲、味醂、醋等发酵调味料
[0049]
可管理成为原料的大豆、小麦、稻米、曲、酵母和温度、氧化还原状态及制品的完成度。
[0050]
有机废水处理
[0051]
由于废水处理关乎复合微生物系统，通过使用电位信息，而可掌握有机废水的处理状况。
[0052]
抗体医药
[0053]
例如，在使用cho细胞(动物细胞)的抗体(蛋白质)生产中，通过使用电位信息，而可产生恒定质量的抗体。
[0054]
再生医疗
[0055]
干细胞的增殖效率及分化诱导效率，通过使用分化状态的电位信息，而可保证恒定的质量。
[0056]
藻类
[0057]
在藻类的培养中，通过使用电位信息，而可保证恒定的质量。
[0058]
水耕栽培
[0059]
在水耕栽培中直接接触根际的营养液的氧化还原状态与蔬菜生长的关系
[0060]
水田
[0061]
在水稻的栽培中，通过使用电位信息，而可保证恒定的质量。
[0062]
循环水系统配管腐蚀
[0063]
于循环水系统配管方面，通过使用电位信息，也可掌握状况。
[0064]
养殖
[0065]
养殖场水质恶化的情形、鱼类的生长情形、产生疾病的情形等，通过使用电位信息，也可进行管理或最优化。
[0066]
港湾、水路、湖沼的污染
╱
净化
[0067]
于港湾、水路、湖沼的污染
╱
净化方面，通过使用电位信息，而可掌握状况。
[0068]
水族馆
[0069]
于水族馆方面，通过使用电位信息，也可掌握状况。
[0070]
可穿戴终端
[0071]
通过使用于可穿戴终端，而获得关于身体表面的氧化还原状态(汗水等)的数据，由此可掌握穿戴者的健康状态或心理状况。
[0072]
口内传感器
[0073]
可解析口内的氧化还原电位与蛀牙、牙周病、口臭、口腔溃疡、健康状态的关系等。
[0074]
尿液传感器
[0075]
通过使用此系统解析尿液，而可早期发现癌症等，掌握对象的健康状态。在此情况下，例如也将测量某种癌症患者的尿液时的多个电位信息存储，进行机器学习而进行模式化，并存储结果。然后，只要解析测量到的对象的尿液的电位信息，则可分析对象罹患某种癌症的可能性。
[0076]
堆肥制造
[0077]
于堆肥方面，通过使用电位信息，也可掌握状况。
[0078]
示出将本发明的系统使用于经由微生物的乳酸生产的实施例
[0079]
图3为实施例的培养及测量系统的概要图。如图3所示，此培养控制装置41具有：发酵罐42、搅拌叶片43、空气吹入装置44、排气测量装置45、取样器46、加热带47、氢氧化钠添
加控制泵48、温度计49、ph计50、溶氧测定仪51、铂电极52、金电极53、玻璃碳电极54、参比电极55、电压记录仪56及计算机57。
[0080]
使用的菌株是以葡萄糖作为基质来生产乳酸。将由葡萄糖及酵母抽提物所组成的培养基放入发酵罐，加入之前培养的菌，并一边从分散管进行空气的通气一边进行培养。
[0081]
使用的氧化还原电位传感器是以将铂、金、玻璃碳作为工作电极，一个氯化银电极作为共通的参比电极的方式，与市售的电压记录仪连接。
[0082]
其他的测量项目是温度、ph值、溶解氧浓度、排气氧浓度、排气二氧化碳浓度。温度计、ph计、溶氧测定仪设置于发酵罐。ph值通过培养控制装置监测，当ph值低于设定的ph值则控制泵滴下氢氧化钠溶液以保持ph值恒定。并且，排气氧浓度及排气二氧化碳浓度也通过培养控制装置量测。这些数据最终记录于计算机。
[0083]
使用此系统将初期葡萄糖浓度设为120g/l，以温度为摄氏34.5度～37.0度，ph值为7.34～8.13的范围的条件进行共40次的实验。提取植菌后20、220、420、620、820、1020、1220、1420分后的培养液，并将od660、葡萄糖浓度、乳酸浓度定量。从所述数据进行样条插值，求得通过培养期间的od660、葡萄糖浓度、乳酸浓度。
[0084]
图4为取代表示在实施例中进行的培养中的代表性的培养结果及时间序列数据的附图的图表。
[0085]
基于这些数据，依照植菌60、120、180、240、300、360、420、480、540分后的时间，将温度、ph值、溶解氧浓度、排气氧浓度、排气二氧化碳浓度、od660及氧化还原电位的数据作为输入，并使用随机森林构筑将乳酸生产效率(葡萄糖浓度低至20g/l时的乳酸浓度)作为输出的学习模型。仅使用铂电极作为氧化还原电位的数据时，生产效率的可决系数依所述的植菌经过时间顺序为0.987、0.979、0.991、0.986、0.984、0.989、0.985、0.988、0.977(平均0.985)。此外，不加入氧化还原电位的数据时的可决系数分别为0.982、0.912、0.986、0.985、0.978、0.99、0.963、0.979、0.964(平均0.971)。
[0086]
接着，加入金电极与玻璃碳电极作为氧化还原电位的数据并构筑学习模型的结果是生产效率的可决系数依序为0.987、0.986、0.994、0.990、0.991、0.991、0.992、0.992、0.989(平均0.990)而显着地提升(p值＝0.0009：成对t检验)。
[0087]
图5为取代表示在实施例中进行的针对乳酸生产效率的可决系数的比较的附图的图表。由此显示了下述结果：相较于以往的一种电极的氧化还原电位数据，通过本发明所提供的多种电极的氧化还原电位数据作为推测培养系统的动态的指标更为有用。
[0088]
产业上的可利用性
[0089]
本发明是关于一种用来推测测量对象系统的动态的系统，因此可利用于实验设备产业、医药产业、生物科技等各种技术领域。
[0090]
附图标记说明
[0091]1ꢀꢀꢀꢀ
用来推测动态的系统
[0092]3ꢀꢀꢀꢀ
参比电极
[0093]5ꢀꢀꢀꢀ
第一工作电极
[0094]7ꢀꢀꢀꢀ
第二工作电极
[0095]9ꢀꢀꢀꢀ
第三工作电极
[0096]
11
ꢀꢀꢀ
信息存储部
[0097]
13
ꢀꢀꢀ
最优化条件推测部