(57)【要約】好ましい試験系は、液状試験媒体中の化学試料および／または生物試料を含み、空気・水間のガス交換をシミュレートする、液体および気相の両方を収容する。断続的に動作し、任意の液体を除去する前に媒体が十分に混合されることが確保されるように、液体の添加および除去は時間的に分断される。化学試料および／または生物試料の間の流束を正確に測定する間の、高価な固定流量ポンプ、つまり正確な流量計が不要になり、液体および気相は、添加される液体と除去される液体との間の質量バランスによって可能である。
2014527161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状媒体中の化学試料および／または生物試料を含む系の挙動を分析する方法であって、前記方法は：
第１のサイクルであって、
第１の反応ステップであって、液状媒体中の閉鎖系において、第１の反応ステップ時間（ｔ１）の間、前記化学試料および／または生物試料を反応容器内で反応させることを含む、第１の反応ステップと、
第１のサンプリングステップであって、以下の連続ステップ：
（ｉ）重量および組成が既知であり、予め定められている第１の補償液体を、前記液状媒体と組み合わせ、そして実質的に均質化させるステップ、および、
（ｉｉ）均質化された前記液状媒体の一部分を分析のために取り除くステップ
を含む、第１のサンプリングステップと
を含む、第１のサイクル；ならびに
第２のサイクルであって、
第２の反応ステップであって、前記第１のサイクルから得られた前記液状媒体中の閉鎖系において、第２の反応ステップ時間（ｔ２）の間、前記化学試料および／または生物試料を前記反応容器内で反応させることを含む、第２の反応ステップと、
第２のサンプリングステップであって、以下の連続ステップ：
（ｉ）重量および組成が既知であり、予め定められている第２の補償液体を、前記第２のサイクルからの前記液状媒体と組み合わせ、そして実質的に均質化させるステップ、および、
（ｉｉ）均質化された前記液状媒体の一部分を分析のために取り除くステップ
を含む第２のサンプリングステップと
を含む、第２のサイクル
を含む、系の挙動を分析する方法。
【請求項２】
前記補償液体の少なくとも１つの前記組成が、前記補償液体および前記液状媒体が組み合わされた時点で、前記液状媒体の予想される組成と合致するように選択され、前記補償液体の前記組成がモデリングによって決定される、請求項１に記載の系の挙動を分析する方法。
【請求項３】
前記補償液体の前記組成の前記モデリングが、以前のサンプリングステップによる前記液状媒体の分析から導き出されたデータを使用することを含む、請求項２に記載の系の挙動を分析する方法。
【請求項４】
前記反応ステップの間、前記液状媒体が比較ガスに接触する、先行する請求項のいずれか一項に記載の系の挙動を分析する方法。
【請求項５】
（ｉ）前記反応ステップの間、前記比較ガスが閉鎖系内で提供され、（ｉｉ）前記方法が、前記比較ガスの少なくとも１つの性質を、前記反応ステップの間に引き起こされる前記性質の可能な変化を判定するように適合された形で分析することを含む、請求項４に記載の系の挙動を分析する方法。
【請求項６】
前記系の挙動が、前記反応容器に添加され、かつ前記反応容器から取り除かれる各液体を秤量することによって分析される、先行する請求項のいずれか一項に記載の系の挙動を分析する方法。
【請求項７】
液状媒体中の化学試料および／または生物試料を含む系の挙動を分析するための装置であって、前記装置は、閉ループ反応サイクルにおける動作とサンプリングサイクルにおける動作との間で切り替えられるように適合され、前記装置は、
制御された環境で維持されるように適合され、そして前記液状媒体中の前記化学試料および／または生物試料を収容するように適合された反応容器と、
反応サイクルに先立って比較ガスを前記系に受け入れ、前記ガスが前記液状媒体に接触するように、前記ガスを前記反応サイクルの間前記系の閉ループ内で循環させ、循環させた前記ガスの一部分を前記サンプリングサイクルの間分析のために供給するように適合されたガス循環系と、
前記サンプリングサイクルの間、前記液状媒体と組み合わされる補償液体を収容するように適合された少なくとも１つの補償液体容器であって、前記補償液体容器は、前記比較ガスが供給されるように適合された、少なくとも１つの補償液体容器と、
前記サンプリングサイクルの一部として、前記補償液体および前記液状媒体を組み合わせ、そして実質的に均質化するように適合された、液体を合わせる系（ｌｉｑｕｉｄ  ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）と、
前記サンプリングサイクルの一部として、前記液状媒体から試料部分を取り除くように適合された、液体サンプリング系と、
前記サンプリングサイクルの一部として、前記液状媒体の前記試料部分を受け入れるように適合された、少なくとも１つの液体試料受入れ容器と、
前記系をその反応サイクルとそのサンプリングサイクルとの間で切り替えるように適合されたコントローラと
を備える、装置。
【請求項８】
同じ容器が、組み合わされた補償液体容器および液体試料受入れ容器として働くように適合される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記装置が、複数の補償液体容器および液体試料受入れ容器、または複数の組み合わされた補償液体容器および液体試料受入れ容器を備え、前記装置は、各液体試料受入れ容器が前記装置の異なる反応サイクルから液体試料を受け入れるよう適合されるように構成される、請求項７または請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
液体サンプリング系が、関連する供給ラインを有する１つまたは複数のポンプを備え、各ポンプおよびそれに関連する供給ラインが、前記反応容器と単一の液体試料受入れ容器との間で液体を移送するように構成される、請求項７から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記装置が、前記液状媒体の特性を測定するように適合された少なくとも１つのプローブ、特にｐＨプローブおよび／または酸素プローブをさらに備える、請求項７から１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記複合装置が、各反応容器が実質的に同一の外部条件に晒されるような構成で、各装置の前記反応容器を保定するように適合された反応容器ホルダを備える、請求項７から１１のいずれか一項に記載の複数の装置を備える装置。
【請求項１３】
前記ガス循環系が、前記循環させたガスの一部分を個々の装置それぞれから、前記個々の装置の前記サンプリングサイクルの間、単一のガス分析計へと選択的に供給するように適合された系である、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
生物に対する海洋酸性化の影響を分析するように構成された系、生物の酸素消費量および／または二酸化炭素生成量を定量化するように構成された系、ならびに海水中の炭素カルシウム結晶の化学的性質を研究するための系から成る群から選択される系を分析するための、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法および／または請求項７から１３のいずれか一項に記載の装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液状の、特に水性の、化学系および／または生物系を分析するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最も「従来的な」ケモスタットは、連続撹拌槽型反応器（ＣＳＴＲ）のように動作するバイオリアクター（ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ）である。所与の体積の液体が、完全撹拌反応器（ｗｅｌｌ−ｓｔｉｒｒｅｄ  ｒｅａｃｔｏｒ）ユニットに収容される。バイオマスは、この液状媒体（バクテリア、藻類、培養物中の細胞など）中で生成される。系は、（１）生成されたバイオマスの余剰分および副産物を除去することによって、また、（２）生物（栄養物、酸素、食物など）によって消費される化学物質を添加することによって、やがて安定する。添加物の連続的な流入と、それに対応した生成物の流出とがある（反応器の体積は一定であるため、入口および出口の流量は等しい）。これらの入口／出口流量、および流入水の組成は両方とも、撹拌反応器内部の水の化学組成が安定したままであるように調節される。これは、出口における水質を測定することによって、かつ添加物の量を適宜調節することによって自動的に行われる。通常、バイオマスも一定に維持される。これは、反応器内の細胞の密度を測定することによって、およびバイオマスが反応器内部の所望のレベルで安定化する（いわゆるバイオリアクターのレジーム状態（ｒｅｇｉｍｅ  ｓｔａｔｅ））まで、培地を多かれ少なかれ希釈するように入口／出口流量を変えることによって、調整される。
【０００３】
かかる系は、生きているバイオマスを生成するのに便利かつ有効であり、所与の化学物質に対する質量バランスをある程度計算することが可能になり、それがひいては、成長、呼吸、光合成などの生物学的プロセスを推定する代用となる。連続理想撹拌槽型反応器（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｉｄｅａｌｌｙ  ｓｔｉｒｒｅｄ−ｔａｎｋ  ｒｅａｃｔｏｒ）内の所与の化学物質、例えばＯ２を、Ｃとして参照した場合、それに対する質量バランスは次のようになる。
【０００４】
【数１】
2014527161.tif 000003
式中、ＦｉｎおよびＦｏｕｔはそれぞれ入口および出口の流量、［Ｃ］ｉｎおよび［Ｃ］ｏｕｔは、入口および出口における考慮される化学物質の濃度（なお、ガスの場合、濃度ではなく、反応において考慮される分圧である。実際には、この特定の場合には、［Ｏ２］ではなくＰＯ２と解釈すべきであるが、説明が大幅に変わるわけではない。）、Ｖｒｅａｃｔｏｒは反応器ユニットの体積、ｖｉはケモスタット内で起こるｉ番目の反応におけるＣの化学量論係数、ｒｉはそのｉ番目の反応の反応速度である。定体積の反応器の場合、Ｆｉｎ＝Ｆｏｕｔであり、ここではケモスタットを有するため、化学物質はやがて著しく変動するものとは推察されず、つまり、次のようになる。
【０００５】
【数２】
2014527161.tif 000004
（当然ながら、自動調整系が有効であると仮定する）。
【０００６】
この式は、次式のように簡約される。
【０００７】
【数３】
2014527161.tif 000005
最後の式では、左側部分は、系内におけるＣの入力および出力のバランスであり、右側部分は、ケモスタット内部で起こるすべての反応のバランスであり、つまり、ケモスタット内で成長する生物とそれを取り囲む水との間におけるＣの正味の流束の定量化である。例えば、呼吸のみを行う（光合成はしない）有機体の場合、酸素の入出力のバランスは、ケモスタット内部における生物の呼吸速度に対する良好な推定である。したがって、流入水および流出水に対してもたらされる、Ｆｉｎ、［Ｃ］ｉｎ、および［Ｃ］ｏｕｔという３つの測定値を使用することによって、呼吸を推定することが可能である。化学物質の濃度は、様々な手法（電気化学、測色など）で決定することができる。酸素の場合、これは、流入水および流出水上に置かれ、かつオキシメータに接続されたクラーク酸素電極、つまりオプトードを使用して行うことができる。流量の測定はそれよりもわずかに繊細である。様々な系があり、それらは比較的高価であるか、または比較的精度が低い。別の選択肢は、非常に正確な定流量ポンプ（非常に高価であり、またフローを調整するのには、したがって反応器内部のバイオマスを調整するのには、さほど便利ではない）を使用するということになる。そこで、実際には、研究しようとするすべてのケモスタットおよびすべての化学物質に共通する１つの誤差源、つまり入口／出口流量の推定において生じる誤差を観察する。
【０００８】
ここで、本発明者らが上記で展開した式は、連続理想撹拌槽型反応器、つまり、流入水と反応器内部の液体との完全かつ瞬間的な混合を有する反応器に対してのみ有効である。実際の系は、測定可能な時間量で混合が起こるので、理想的ではない。出口は入口と同期するので、生物と接触する機会を得る前であっても、入口を通った添加物のうちどの程度が出口を通して除去されるかを厳密に見分けることは難しくなる。また、［Ｃ］ｏｕｔは［Ｃ］ｉｎｓｉｄｅ（反応器内部）の良好な近似ではなくなる。理想的に完全混合されない実際の系について説明する式を時間に伴って統合することは困難であり、流体力学に関する多くの追加のパラメータ、および反応器内部で行われる混合の手法について考慮しなければならない。そこで、実際には、理想的な反応器に対する式のみが使用可能であるが、その場合、誤差が発生し、それが、反応器内での生物学的プロセスの定量化における偏りに結び付く。偏りの重要性は、反応器内部における化学物質の滞留時間対混合時間に依存する。前者が後者の５〜１０倍である場合、工学（即ち、バイオマスの大規模生産）に関して近似は有効であると見なされる。プロセスの偏らない推定が目標である研究の場合、これは依然として問題であり得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
したがって、本発明の１つの目的は、所望のレベルの分析精度で、液状の、特に水性の、化学系および／または生物系の分析を達成する、実用的であるとともに経済的に実行可能な手法を提供することである。
【００１０】
本発明は、その態様の１つによれば、請求項１によって定義されるような、液状媒体中の、例えば液状試験媒体中の、化学試料および／または生物試料の挙動を分析する方法を提供する。本発明は、その態様の別のものによれば、請求項７によって定義されるような、液媒中の化学試料および／または生物試料を含む系、例えば試験系の挙動を分析するための装置、例えば試験装置を提供する。本発明の代替実施形態および／または好ましい実施形態については、従属請求項で定義される。
【００１１】
（１）流量はケモスタットにおける主要な誤差源であり、また、（２）即時の完全混合の欠如により、実際のケモスタットで偏りが起こるという認識に基づいて、本発明者らは、異なるように動作する化学的に安定した反応器を設計した。一定の流入出の代わりに、これらは断続的である。反応器の体積は可変なので、任意の液体を第一段階で反応器から流出させることなく、補給物（以下、補償液体（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ  ｌｉｑｕｉｄ）と呼ぶ）を添加することが可能である。次に、反応器内部の内容物を均質化するのに十分な時間の間、全体（反応器内の流体および添加物）が混合される。その後にのみ、類似の体積の混合物が反応器から除去されるので、当初の体積が回復し、副産物が除去される。そのように、本発明者らの系は、理想的であるが断続的な撹拌槽型反応器のように挙動する。
【００１２】
添加物の量および除去される液体の量は両方とも秤量される。実験室規模は広範であり、添加される、またその結果反応器から除去される、液体の重量の非常に正確な決定が可能である。別の利益は、重量、即ちモル濃度、つまりモリニティ（ｍｏｌｉｎｉｔｙ）の観点で表現される濃度が、温度不変的である点である。体積（必然的に、時間単位当たりの体積での流量測定値から導き出される）、即ちモル濃度の観点で表現される同じ化学物質の濃度は、温度に伴って変動する。誤差源は少ないが、非常に正確な決定が求められるときには重大である場合がある。
【００１３】
可変の体積は、その体積が変動し得る反応器区画内の液体の上にあるガス区画を使用することによって達成されてもよい。ガス区画の役割はこの目的に限定されない。それはまた、ケモスタット内の水性系の上にある雰囲気をシミュレートしてもよい区画でもあり、したがって、空気・水間のガス交換もユニット内でシミュレートされてもよい。さらに、ガス区画は、反応器内部の酸素分圧、および／または１つもしくは複数の他のガスの分圧を調整するのに使用されてもよい。ユニットは断続的に動作するので、相当な期間の間、閉ユニットである。その段階の間、水化学、ならびに液体区画とガス区画との間の交換は、反応器内部で修正される。ケモスタットと見なされるためには、変動が合理的に小さくなければならず（つまり、化学物質の濃度の５％以下）、一旦液体の添加が起こると容易に均衡化されなければならない。これは、反応器体積当たりのバイオマス、および２回の添加の間の時間の両方を、慎重に選ぶことによって達成することができる。場合によっては、緩衝効果が媒体を安定化させる助けとなる。例えば、ｐＨは海水中においてよく緩衝され、呼吸（ここで考察するケモスタットの例では）によるＣＯ２の蓄積に起因して、酸素が消費されるよりも急速でないように変化する。海水１リットル中に５〜７ｍｇの酸素が溶解しているが、これは、閉ユニット内で生物が呼吸していると、非常に急速に消耗する可能性がある。本発明による系では、空気を収容しているガス区画によって、系全体にはるかに多くの酸素を貯蔵できることがあり、１気圧および２０℃では、空気１リットル中に約２４０ｍｇの酸素がある。したがって、海水１Ｌとその上にある空気１Ｌとで作られた系は、合計約２４６ｍｇの酸素を含有する。海水で完全に満たされた同じ反応器は１２ｍｇしか酸素を含有せず、即ち２０分の１未満である。空気・水間のガス交換が十分に速い（例えば、液体およびガスの両方が良好に撹拌される）場合、同じバイオマスの生物に対して、海水１Ｌおよび空気１Ｌを有する反応器内の酸素濃度ははるかに安定する。
【００１４】
本発明による好ましい系は、空気・水間のガス交換をシミュレートする液体および気相の両方を収容するとともに、水中におけるより安定した酸素（または他の気体成分）濃度を可能にする。ケモスタット内の酸素の安定化はまた、気相の断続的な置換によって媒介することができ、これは、液相の部分的な置換と同時に起こる。後者は断続的に動作し、任意の液体を除去する前に媒体が十分に混合されることが確保されるように、液体の添加および除去は時間的に分断される。したがって、化学流束を定量化するのに使用される式において偏りはない。最後に、流量を測定する必要がないので、ユニットは、高価な固定流量ポンプを、つまり正確な流量計を要しない。添加または除去される液体は離散的な試料であり、これらの試料を正確に秤量することができるので、従来のケモスタットよりも入力および出力の測定における誤差がはるかに少なくなる。この設計は、生物の存在下で、かつしたがって、比較的複雑な化学系（海水中の無機炭素種）と組み合わされた、これらの流束に影響を与える多くの異なるプロセス（呼吸、光合成、石灰化、硝化、脱硝など）を伴う、緩衝媒体中の、例えば海水中のＣＯ２の正味の流束など、非常に正確に測定することが通常は難しいものを含む、流束を定量化するように最適化された系に結び付く。
【００１５】
本発明の非限定例について、図面を参照して後述する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明による装置の概略図である。
【図２】図２は、好ましい動作サイクルを示す概略図である。
【図３】図３は、可能な２４時間サイクルの配置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
記載する実施形態の装置は、それ自体の密閉された雰囲気を有するユニット内に水性の化学系または生物系を密閉する、特別な種類のバイオリアクターであると考えてもよい。水区画および雰囲気の物理化学的特性は安定化され標準化されている。水区画と研究中の化学系または生物系との間のあらゆる交換、ならびにユニット内の内部雰囲気とのすべてのガス交換をモニターすることができる。実施例では、系は、主に、炭素化学種における変化を標的とするが、例えば、窒素、リン、シリカ、カルシウムなどの交換を定量化するのに使用することもできる。
【００１８】
図１は、磁気撹拌機１４を備えた透明なコンテナ内に、水１１１および空気１１２中にある研究中の生物系または化学系５０をそれぞれ密閉している、複数の個々の反応容器１１（そのうち１つのみが図示される）を備える、複合試験装置（ｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅｄ  ｔｅｓｔ  ａｐｐａｒａｔｕｓ）の一実施形態の全体的なプロセスおよび計器の図を示す。恒温槽１２の形態の反応容器ホルダ１２は、各反応容器が実質的に同一の制御された外部条件に晒されるように、各反応容器１１を制御可能な人工光１３の下で保定している。各試験装置は、反応容器１１内部の空気を移動させ、水・空気表面２３におけるガス交換を増進するダイヤフラムポンプ２２と、電磁ピンチ弁（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、およびＶ４）とを備えるガス循環系２１（この実施例では、ガスは組成が分かっている空気である）を備える。滅菌条件が求められる場合、ダイヤフラムポンプ２２に替えて、オートクレーブ処理可能なパイプを備えた蠕動ポンプを用いることもできる。
【００１９】
様々な任意選択の計器（ここでは、ｐＨプローブ２４および酸素プローブ２５）は、液状試験媒体を構成する水を連続的にモニターする。同様に、気相を分析するため、ガス分析計が接続される。本発明の例では、赤外ガス分析計（ＩＲＧＡ）４１は、比較空気（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｇａｓ）と反応容器の内部雰囲気のガスとから選択されてもよい、入力ガス６１中のＣＯ２分圧を測定する。機械的フィルタ４２は、水滴、バクテリアなどによる汚染からガス分析計を保護する。
【００２０】
各試験装置はまた、反応容器１１内の液状試験媒体１１１に補償溶液を添加し、次にそこから試料を収集するのを自動的に行う（試料のコンテナのすすぎがその間に介在する）ように構成および制御される、一連の添加／サンプリング用の蠕動ポンプ（ここでは、Ｐ１〜Ｐ４）を備える。
【００２１】
複合ユニットは、適切な弁Ｖ４を介してガス分析計に、例えばＩＲＧＡ４１にそれぞれ選択的に接続可能である、並行して稼働する複数（一般的には２より多く、かつ／または１２未満）の試験装置を備える。
【００２２】
図２は、好ましい動作サイクルの概略図を示す。
【００２３】
・その動作サイクルの大部分にわたって実行される反応ステップの間、系は、既に導入された比較ガス（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｇａｓ）がダイヤフラムポンプ（ＤＰ）２２による閉ループ内で循環して、反応容器１１内の液状試験媒体１１１との接触を増加させるように、弁Ｖ２およびＶ３が構成される、閉ユニットとして稼働し（図２ａ）、比較ガス源６１からの比較ガスは、このステップの間、ＩＲＧＡ４１（図示なし）に供給されて、ガス分析計によってベースラインが記録される。
【００２４】
・添加モード（図２ｂ）では、弁Ｖ３は、比較ガス源６１からの比較ガスがＩＲＧＡ４１に供給されるのを防ぎ、ダイヤフラムポンプ２２は停止されるので、ユニット内部でガスの強制循環はそれ以上行われないが、ユニット内部からのガスはＩＲＧＡ６１へと自由に流れて、ユニット内の４つの蠕動ポンプ（Ｐｘ）のうち１つを使用してコンテナ７２から反応容器への補償溶液７１を添加することによって置き換えることができる。比較ガス６１は、動作中のいかなる真空も回避するために、このステップの間コンテナ７２へと自由に流れることができる。補償溶液７１は使用前に秤量される。
【００２５】
・すすぎモード（図２ｃ）では、蠕動ポンプ（Ｐｘ）は、ポンプＰｘの両方向での交互動作のおかげで、組み合わされた補償液体容器および液体試料受入れ容器７２を、反応容器１１からの均質化された反応液体水１１１で洗浄する。この段階の間、比較ガス６１は、すすぎモードの終了時に、反応容器１１内の気相が比較ガスと同じまたは実質的に同じ化学組成となるのに十分な高い流量で、反応容器１１へと送り込まれる。比較ガス６１はまた、コンテナ７２内の液体の上におけるあらゆる圧力差を回避するために、コンテナ７２へと自由に流れることができる。任意選択で、ダイヤフラムポンプ２２はやはり、反応容器１１内部の気相をより良好に混合するために稼働することができる。
【００２６】
・サンプリングモード（図２ｄ）では、比較ガスが反応容器１１内部を依然として洗い流している間に、反応液体水１１１の均質化された試料が収集される。一旦これが完了すると、ユニットは、サンプリングステップを構成するこのサイクルから、後に続く反応ステップのためのその閉ユニット構成へと戻される。反応容器１１内の液位は、図２ａとほぼ同じ値に戻される。次に、収集したばかりの液体試料７３を、正確な質量バランスのためにさらに秤量し、次に、サイクルの終了時における反応容器１１内の化学的または生物的項目（例えば、栄養、アルカリ度、溶存有機性炭素、窒素またはリン、バクテリア、藻類など）のレベルを決定するために、任意の適切な方法で分析することができる。
【００２７】
・ユニットの動作は、コントローラ８０によって、好ましくは適切に構成されたコンピュータによって制御される。
【００２８】
液状試験媒体中の試験されている生物試料がサンゴのＳｅｒｉａｔｏｐｏｒａ  ｈｙｓｔｒｉｘの小片であったプロトタイプの配置では、ステップの好ましい持続時間は、閉ユニット反応ステップ（図２ａ）が３時間５０分、添加ステップ（図２ｂ）が４分、すすぎステップ（図２ｃ）が２分、試料抽出ステップ（図２ｄ）が４分である。
【００２９】
以下は、図示された実施形態の動作のより詳細な説明である。
【００３０】
試験装置は、弁Ｖ２およびＶ３が比較ガスをガス分析計（例えばＩＲＧＡ  ＣＯ２分析計４１）へと転換させる、ほとんどの時間その反応ステップを動作させる閉ユニットである。蠕動ポンプ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）はすべてオフである。磁気撹拌機１４はユニット内部の水を均質化し、ダイヤフラムポンプ２２は、ユニット内部の空気を混合し、水・空気間のガス交換を増進する。水質は、反応容器１１内部に搭載された計器２４、２５を使用してモニターされる。
【００３１】
液状試験媒体と接触している化学系および／または生物系５０を、所定の反応ステップ時間にわたって（これは、流束を定量化するのに十分な、ただし著しい物理化学的変化（即ち、大部分の生物系に関してコサイン値（ｃｏｎｓｉｇｎ  ｖａｌｕｅ）の上下約５〜１０％が容認可能な値であるが、これは実行される特定の実験に応じて変わる）を回避するほど過剰ではないガス交換（ｇａｓ  ｃｈａｎｇｅ）（例えば、Ｏ２およびＣＯ２分圧）を可能にするように計算される）反応させた後で、添加／サンプリングのサイクルを含むサンプリングステップが、４つのＰ１〜Ｐ４蠕動ポンプのうち１つを使用して開始される。サンプリングステップは以下のように行われる。
【００３２】
ユニットはその添加モードに切り替えられる。ダイヤフラムポンプ２２はオフに切り替えられて、この段階における水・空気間のガス交換が制限される。弁Ｖ３は、ユニットの気相をＩＲＧＡ  ＣＯ２分析計４１に対して開き、比較空気源６１を遮断するように切り替えられる。選択された蠕動ポンプは添加モードで起動され、それに対応する補償液体容器内の補償溶液７１は反応容器１１内部に注入される。その溶液７１は、２つのサンプリングステップの間にユニットで起こった化学変化を精密に補償するように配合される。反応容器１１内の水の体積が増加するので、ユニットの気相から空気がＩＲＧＡ  ＣＯ２分析計４１に向かって押しやられ（ピストン効果）、それによって、パイプおよび赤外線測定セルが完全に洗い流された後（７０〜８０ｍｌの補償溶液が１つのプロトタイプの実施形態に注入された後）の、ユニット内の気相のＣＯ２分圧が測定される。蠕動ポンプは、ポンプが添加モードで稼働している時間の半分〜３分の２を表す持続時間（添加モードが４分間続く場合、本発明のプロトタイプでは２〜３分間）にわたって、補償溶液をすべて注入することができる流量を有するように構成される。このように、本発明者らは、正確な流量蠕動ポンプを必要とせず、補償液体容器内から比較空気が反応容器１１内へと注入されるマージンで、補償液体はすべて注入される。したがって、補償溶液がどの程度注入されるかを決定するのに使用されるのは、ポンプの流量ではなく、使用前のその溶液の秤量である（したがって、測定値は、流量および時間による推定よりも少なくとも一桁正確である）。
【００３３】
次に、ユニットは、持続時間２分のすすぎモードに切り替えられる。蠕動ポンプは、一方向に２０秒間、逆方向に２０秒間、３回稼働する。したがって、補償液体容器の底部は、反応容器１１からの液状試験媒体水で３回すすがれる。その間、液状試験媒体水および補償溶液は、磁気撹拌機１４のおかげで、反応容器ユニット内で次第に均質化される。
【００３４】
ユニット内の内部雰囲気の再均衡もこの段階で開始され、ダイヤフラムポンプは再びオンに切り替えられ、弁Ｖ２は、ユニット内に比較空気を供給するように切り替えられる。
【００３５】
次に、ユニットは、さらに４分間続く試料抽出モードで構成される。蠕動ポンプが起動され、組み合わされた補償液体容器および試料受入れ容器７２は、その体積が添加された補償溶液の体積にほぼ一致する試料７３で完全に満たされる。これは、溶液の適正な体積を給送するのに丁度十分な深さでユニット内に沈んでいるが、ただし一旦水が求められるレベルまで下がると空気で洗い流される、反応容器内部の収集パイプによって保証される。やはりまた、蠕動ポンプは、試料を収集するのに要する時間よりもわずかに長く稼働し、それによって、残りの時間、反応容器を出る洗い流す空気のわずかな一部が泡立つ（内部雰囲気は依然として、このモードにおける蠕動ポンプの流量よりも高い流量で、比較空気によって洗い流される）。
【００３６】
したがって、試料７３は、（ｉ）前の反応ステップの間に組成がわずかに修正され、かつ研究中の化学系および／または生物系と接触していた、液状試験媒体水と、（ｉｉ）添加したばかりの補償溶液とが、完全に均質化されたものである（単なる理論的に近似させたホモジネートではない）。やはりまた、その量は流量測定によって推定されるのではなく、後で試料を秤量することによって非常に正確に測定される。それは、さらなる化学分析（アルカリ度、カルシウム、アンモニウム、ニトライト、ナイトレート、オルトホスフェート、シリケートなど）に利用可能である。
【００３７】
補償溶液が適正に配合された場合、この試料の化学組成は、理想的に均衡化されたケモスタット内における目標値と同一であるか、または少なくとも非常に近いはずである。補償溶液の組成は動的数学モデルを使用して予想されたので、試料の化学組成において観察されるドリフトがあれば、それはモデルによるその化学物質の過大評価または過小評価を示し、本発明者らはここで、装置および／または方法自体の構成部分として、モデルのリアルタイム検証を有する。
【００３８】
蠕動ポンプを停止させ、弁Ｖ２およびＶ３を反転させることによって、ユニットがその反応ステップ構成における閉ユニットとして再び構成されると、サンプリングステップ（およびサイクル）が終了する。次に、新しいサイクルを始めることができ、それには、４つの蠕動ポンプおよび補償溶液容器のうち別のものが使用され、別の補償溶液を注入する準備ができる。
【００３９】
したがって、この実施形態で例証されるような系全体は、４サイクルの自律性を有する。本発明者らのプロトタイプでは、反応容器内部の液体およびガスの試験媒体の化学組成における変化が大きすぎることなく、各サイクルが４時間続くことができるように、化学系および／または生物系を配置している。そのように、ユニットは、作業時間外で１６時間の自律性を有し、それは、離散的な時間間隔で補正が行われるのにも関わらず、依然として理想的で化学的に静的な環境に十分に近似している。作業時間の間、すべての試料を収集し、他の補償溶液を配合した後に、ポンプＰ１およびＰ２を用いて２つの追加のサイクルが稼働する（図３を参照）。これによって２４時間の期間が完結する。収集された試料をすべて技術者が分析するのに十分な作業時間も残る。作業日の終了前に、２４時間の調査を完了するのに要する次の４サイクル用に、２つの試料が収集され、すべての補償溶液が配合される。これは、本発明者らが２４時間毎に６つの試料を有し、１２時間の光周期で、光がオンまたはオフに切り替えられる丁度その時に収集された２つの試料と、昼間の間の２つの追加試料と、暗期の間の２つの追加試料とを有することを意味する。この構成は、恐らくは、日中および／または夜間の非線形的な変化（２４時間サイクルで予期され得る大きな変動を有する生物系に対するデバイスの重要な特徴）を含めて、系が概日サイクルの下でどのように挙動するかを評価するのに使用されてもよい。
【００４０】
図３は、いくつかのプロセス、例えば光合成、呼吸、石灰化などが、明期および暗期を含めて一日の中でどのように変動するかを定量化する、概日サイクルで十分な時間分解能を提供してもよい、４時間のサンプリング間隔（プロトタイプで使用された構成）を示す。４つの別個のポンプ（それぞれ１つの個々のサイクルを完成する）を使用して、２つのポンプＰ１およびＰ２で作業時間の間の短期サイクル、ならびに４つのポンプＰ１〜Ｐ４すべてで翌日までの長期サイクルをプログラムすることができる。図３の矢印は、各完全サイクルの終了時に、試料がいつ収集されるか、また、どのポンプを使用するかを示している。補償液体溶液も、一日の中でそれらが添加される時間に応じて異なるように計算することができる。
【００４１】
いくつかのサイクルにわたって測定された正味の流束における誤差は、設計によって最小限に保たれる、各サイクルに対する誤差を加算したものにすぎないことに留意されたい。時間分解能がより低く、ただしより長期間にわたって精度がより高い場合、いくつかの連続試料をプールし、併せて分析することができる。他方では、様々な補償溶液のモデルによる計算のわずかな誤差が連続サイクルにわたって蓄積して、モデルと実際の研究中の化学系および／または生物系との間のわずかな不一致であっても、より良好に検出されることに結び付く。この設計はまた、他の手段によって、またはいくつかの測定値を含む式を均衡させることによって通常は測定される、正味の流束および正味のバランスを最も正確に測定するように最適化され、その場合、誤差は、最終的な推定においてはるかに大きい程度まで蓄積する傾向がある。例えば、海洋酸性化予測の文脈における、液状試験媒体の反応水と気相の空気との間のＣＯ２の重要な正味の流束は、本明細書では計算されないが、本発明者らの人工系では、ＩＲＧＡ  ＣＯ２分析計によって、そのサンプリングステップで動作しながら１サイクルに一回、定量的かつ最も正確に直接測定される。反応容器内の空気ＰＣＯ２で観察される変化は、ユニットを閉ユニットとして動作させる場合、１サイクル全体（から、添加−洗浄−サンプリングに要する時間を差し引いた時間、つまり、本発明者らのプロトタイプでは丁度１０分間）にわたって起こる、空気・水間の交換の蓄積である。さらに、同じＩＲＧＡが、気相の空気と比較ガスとを交互に選択的に測定するのに使用され、２つのガス間でのＰＣＯ２の変化の定量化における誤差がさらに最小限に抑えられる。
【００４２】
系は、水性の化学系および／または生物系に関する研究に特に適合される。可能な用途としては、次のものが挙げられるが、それらに限定されない。
【００４３】
・海水中の炭酸カルシウム結晶の化学的性質を研究するための実験セットアップ。海水中の炭酸カルシウムの溶解および沈殿の化学的性質は、非常に複雑であり、理想的な系からは非常に遠い。炭酸カルシウム結晶のいくつかの異なる形態（霰石、方解石、マグネシウム方解石；化学的もしくは生物学的に沈殿）があり、ストロンチウムまたはオルトホスフェートを含むがそれらに限定されない、海水中のかかる結晶の沈殿または溶解を妨げる可能性がある多くのイオンがある。炭酸カルシウムは、表面の海水では大部分は過飽和状態（３〜５倍）であるが、水の酸性化は、海水の超飽和状態の劇的な変化、またはさらには２１００年頃の南極水域における不飽和に結び付く可能性がある。系によって、海水中の炭酸カルシウムの化学的性質に対する快適かつ正確な研究が可能になる。
【００４４】
・系は、一種の洗練された超精密な呼吸計として使用されてもよい。呼吸計は、生物の呼吸の（かつしたがって、代謝）が定量化されるチャンバである。単純な呼吸計は完全に閉じており、短期間にわたる呼吸の測定のみが可能になる（２４時間にわたる完全な調査は不可能である）。より複雑な呼吸計は開放系で動作するが、従来のケモスタットと同じ測定誤差源による不利益を被るので正確さがはるかに低い（例えば、酸素消費量の推定は、流量の推定における精度に、また溶液は呼吸計内で瞬時に完全に混合されるという誤った仮定に依存する）。それに比べて、本発明は、呼吸による酸素消費量（または二酸化炭素生成量）の正確な測定、および２４時間またはより長い期間に沿って繰り返される測定の両方に対して使用されてもよい。
【００４５】
・系は、主にそのために設計された用途である、生物に対する海洋酸性化の影響についての研究用の実験デバイスとして使用されてもよい。ユニットの体積およびサイズ、捕捉された雰囲気気相の体積、２つの連続サイクルの間の時間、ならびに添加物および試料それぞれの体積のようなすべてのパラメータは、研究中の生物系による適切な選択を前提とする。
【００４６】
・系は、十分に指定された物理化学的条件で、バクテリア、原生生物、菌類、植物プランクトン、動物プランクトンなどを培養し、それらの条件におけるそれらの成長および表現型的な変化をモニターするように稼働させることができる。（１）以前の用途のように、環境生理学研究における調査のための実験ユニットとして、デバイスを使用することができ、また、（２）生物系、液体、およびガス媒体の間の流束の完全かつ正確な特性化のおかげで、工業用ケモスタットをより良好に設計するために、生物系が働く方法を正確に測定するのにデバイスを使用することができるという、２つの主な目標の用途を想起することができる。
【００４７】
・系は、懸濁液媒中で細胞を培養するのにも使用されてもよく、その際は常に、これらの細胞と液媒および／または気相との間の交換の正確な定量化が求められる。これは、生理学、医学、獣医学、または生態学の分野での実験的状況において有用である。
【００４８】
・生物系はまた、堆積物を備えることができ、この場合、堆積物、生物、および液状媒体との間での交換を研究することができる。例えば、海底、または川もしくは湖の底部、または水由来の堆積物の間の流束を特性化することができる。これは、環境毒性学的研究も含むことができ、この場合、重金属、ＰＣＢ、炭化水素など、堆積物および／または生物内部の有害物質の隔離または遊離を、かかるデバイスを使用して精密に評価することができる。
【００４９】
・安定または放射性同位体も、系において特定の流束をより良好に追跡するために、補償溶液および／または比較ガスに使用することもできる。例えば、比較ガスは、１４Ｎ２（空気中の９９％以上で）が１５Ｎ２に置き換えられている空気で構成されてもよい。生物学的有機体内部の１５Ｎ２の流束は窒素固定を定量化する。他方では、空気中の１４Ｎ２の流束は脱窒プロセスを定量化する。流束は両方とも、本発明のデバイスにおいて測定可能であって、窒素固定または脱窒の直接測定という、別の系では現在ほぼ不可能である課題が可能になる。
【００５０】
系の産業上の利用可能性のさらなる例については、当業者（ｓｋｉｌｌｅｄ  ａｄｄｒｅｓｓｅｅ）には直ぐに明白となるであろう。
【００５１】
例えば、雰囲気中のＣＯ２が増加した結果の１つは、海洋における無機炭素の均衡がシフトして、いわゆる海洋酸性化（アルカリ性の海水ｐＨの部分的中和）がもたらされることである。産業が発達した時代の初めから、平均海水ｐＨは約０．１単位既に低下しており、次の世紀付近までに０．２〜０．３単位のさらなる減少が予測される。このｐＨのシフトが水性の生物に対する影響を及ぼすかどうかは、現在では確実である。それは、石灰化速度、光合成速度、ならびに細胞外ｐＨに敏感である他の生化学反応に影響を及ぼす。炭酸カルシウム（霰石および方解石の両方）の飽和ホライゾン（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ  ｈｏｒｉｚｏｎ）は、対応する形態の炭酸カルシウムが海中で均衡状態にある深さである。上方では、水は過飽和され、沈殿に有利である（主に生物によるアクリーションによる）。下方では、炭酸カルシウムは、海洋の深部における化学的浸食によって溶解する。これらの飽和ホライゾンは、海水のｐＨが低下するにつれてより深い深部で生じる。海草、動物、および微生物の生理学に対する多数の潜在的影響、生体系全体に対するこれらの間接的影響、ならびに炭酸カルシウムの沈殿および溶解に関する世界的な化学状態の変化により、このｐＨ低下によって広域的に水生環境がどのように影響を受けるかはまだ明らかでない。これは現在、科学界による徹底した研究の分野である。
【００５２】
この文脈では、どの系がシンク（生成するよりも多量の無機炭素を消費する）として、またはソース（その逆）として作用するかを知ることが重要である。実際には、雰囲気中のＣＯ２増加を制限するために可能な作用は、地球上の無機炭素のソースに対してシンクを有利にするあらゆる資源の管理が挙げられる。これには、地球上の炭素サイクルを定量化し細かく理解することが求められる。生物系および／または化学系が、無機炭素のシンクまたはソースのどちらとして作用するのかを定量化するのは簡単ではないが、それはこれが、対向する方向でのいくつかの炭素流束の結果であるためである（特に、生物系は非常に動的である）。著しい誤差を含んで個々に定量化される多くの流束の正味の結果（光合成、呼吸、石灰化、硝化、脱硝、化学沈殿または溶解など）として、正味のバランスは大部分が不確実に定量化される場合が多い。これらの誤差は式に蓄積される。
【００５３】
所与の系における正味の炭素流束の最も正確な定量化は、直接測定によるものである。水性系の場合、本発明の系は、研究中の水性の化学系または生物系を、空気・水界面における正味の結果として得られる炭素交換を直接かつ正確に測定することができるような条件に置くのに使用されてもよい。
【００５４】
系の別の目的は、水の無機組成、そのｐＨ、およびその栄養負荷（生物系の場合）を制御して、ケモスタット（化学的環境は静的である）としての動作を可能にすることである。
【００５５】
第３の目的は、水の無機炭素の化学的性質、および自然分類系におけるそのｐＨを変える最も重要なメカニズム、即ち、炭素カルシウムの沈殿または溶解、光合成および呼吸、硝化および脱硝、空気・水界面における交換などを並行して決定することを可能にすることである。本発明の系は、可能な最大の精度で、非破壊的に、かつ放射性同位体を使用（例えば１４Ｃの組込みの測定）することなく、これらのメカニズムの同時測定を目標とするのに使用されてもよい。時間分解能も重要であり、系は、数日間十分に安定したままでなければならず、一日当たりいくつかの測定によって、プロセスにおける概日変化の理解が可能になるべきである。
【００５６】
第４の目的は、ユニットで起こるプロセスについての良好な機械論的理解を得ることである。本発明にしたがって可能になる方策は、実験系とその数学的（動的）モデルとの間で通常の動作モードを逆にするために使用されてもよい。通常、実験系は最初に研究される。ケモスタットであるので、媒体の化学組成の安定化が求められる。これは、数学的モデルとは独立して、流出水における測定によって、また、ユニット内部の化学物質の濃度を安定化させるように流入水を調節することによって行われる。モデルは、実験データ上で最終的に調節されるが、実験ユニット（ケモスタット）が動作する手法と直接相互作用することは決してない。したがって、モデルは、実験ユニットにおいて独立して起こる変化の一種の受動的な数学的表現である。通常の実験ユニットとは対照的に、本発明の系は数学的モデルによって直接駆動されてもよい（また、いくつかの構成では、そうでなければならない）。後者は、数時間後に系で起こる変化を予想し、求められる補正をもたらすために補給物を配合するのに使用される。モデルと研究中の実際の系との互換性は、モデルによる不正確な予見による、時間に伴って観察された変動によって定量化される。かかる場合では、モデルは最初に補正しなければならず、系における実験は系全体が安定化するまで再び行われる。その時に、数学的モデルの直接の実験検証が得られるが、それはこれが、系における変化が計算において正確に予見され予想されていることを実証しているためである。
【図１】
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【図２ａ−２ｄ】
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【図３】
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【国際調査報告】
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