CO2インキュベーターで結露が発生しますが、相対湿度が高すぎませんか?
CO2 インキュベーターを使用して細胞を培養する場合、添加する液体の量と培養サイクルの違いにより、インキュベーター内の相対湿度に対する要件が異なります。
96ウェル細胞培養プレートを用いた長い培養サイクルの実験では、1ウェルに添加する液体の量が少ないため、37℃で長時間蒸発させると培養液が乾燥してしまう恐れがあります。
インキュベーター内の相対湿度が高く、例えば 90% 以上に達すると、液体の蒸発を効果的に減らすことができますが、新たな問題が発生しました。多くの細胞培養実験者は、インキュベーター内で高湿度の条件では結露が発生しやすく、結露の発生を制御できない場合、結露がどんどん蓄積され、細胞培養に細菌感染の一定のリスクをもたらすことを発見しました。
では、インキュベーター内で結露が発生するのは、相対湿度が高すぎるからでしょうか?
まず、相対湿度の概念を理解する必要があります。相対湿度（相対湿度、RH）は、空気中の実際の水蒸気量と、同じ温度における飽和時の水蒸気量の割合です。次の式で表されます。
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相対湿度のパーセンテージは、空気中の水蒸気含有量と最大含有量の比率を表します。
具体的には：
* 0% RH:空気中には水蒸気は存在しません。
* 100% RH:空気は水蒸気で飽和しており、それ以上の水蒸気を保持できず、結露が発生します。
* 50% RH:空気中の現在の水蒸気量が、その温度における飽和水蒸気量の半分であることを示します。温度が37℃の場合、飽和水蒸気圧は約6.27 kPaです。したがって、相対湿度50%における水蒸気圧は約3.135 kPaです。
飽和水蒸気圧液体の水とその蒸気が特定の温度で動的平衡にあるときに、気相中の蒸気によって生成される圧力です。
具体的には、水蒸気と液体の水が閉鎖系（例：密閉された Radobio CO2 インキュベーター）内で共存する場合、水分子は時間の経過とともに液体状態から気体状態（蒸発）に変化し続け、同時に気体水分子も液体状態（凝縮）に変化し続けます。
ある点では、蒸発速度と凝縮速度が等しくなり、その点における蒸気圧が飽和水蒸気圧となります。これは次のような特徴があります。
1. 動的平衡：水と水蒸気が閉鎖系で共存し、蒸発と凝縮が平衡に達すると、系内の水蒸気の圧力は変化しなくなり、このときの圧力は飽和水蒸気圧になります。
2. 温度依存性：飽和水蒸気圧は温度によって変化します。温度が上昇すると水分子の運動エネルギーが増加し、より多くの水分子が気相へ逃げることができるため、飽和水蒸気圧は上昇します。逆に、温度が低下すると飽和水蒸気圧は低下します。
3. 特徴：飽和水圧は純粋に物質の特性パラメータであり、液体の量には依存せず、温度のみに依存します。
飽和水蒸気圧を計算する際によく使われる式は、アントワーヌの式です。
水の場合、アントワーヌ定数は温度範囲によって異なる値を持ちます。一般的な定数は以下の通りです。
* A=8.07131
* B=1730.63
* C=233.426
この定数セットは、1°C ～ 100°C の温度範囲に適用されます。
これらの定数を使用すると、37°C での飽和水圧は 6.27 kPa であると計算できます。
では、飽和水蒸気圧の状態では、37℃の空気中にどれだけの水分が含まれているでしょうか?
飽和水蒸気量（絶対湿度）を計算するには、クラウジウス・クラペイロンの式を使用します。
飽和水蒸気圧：37℃では飽和水蒸気圧は6.27 kPaです。
温度をケルビンに換算すると：T=37+273.15=310.15 K
式への代入:
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計算により得られた結果は約44.6 g/m³です。
37℃では、飽和時の水蒸気量（絶対湿度）は約44.6g/m³です。これは、1立方メートルの空気中に44.6グラムの水蒸気が保持できることを意味します。
180L の CO2 インキュベーターには、約 8 グラムの水蒸気しか保持されません。加湿パンと培養容器に液体が満たされると、相対湿度は簡単に高い値に達し、飽和湿度値に近づくこともあります。
相対湿度が100％に達すると、水蒸気が凝縮し始めます。この時点で、空気中の水蒸気量は、現在の温度で保持できる最大値、つまり飽和状態に達します。さらに水蒸気量が増加したり、温度が低下したりすると、水蒸気は凝縮して液体の水になります。
相対湿度が95%を超えると結露が発生することもあります。しかし、これは気温、空気中の水蒸気量、地表温度といった他の要因にも左右されます。これらの影響要因は以下の通りです。
1. 気温の低下：空気中の水蒸気量が飽和に近い場合、わずかな温度低下や水蒸気量の増加でも結露が発生する可能性があります。例えば、インキュベータ内の温度変動は結露の発生につながる可能性があるため、インキュベータ内の温度を安定させることで結露の発生を抑制することができます。
2. 露点温度以下の局所表面温度：局所的な表面温度が露点温度より低い場合、水蒸気はこれらの表面で水滴に凝縮するため、インキュベーターの温度均一性により、結露の抑制性能が向上します。
3. 水蒸気の増加：例えば、加湿パンや培養容器に多量の液体が入っており、インキュベーターの密閉性が高い場合、インキュベーター内の空気中の水蒸気量が現在の温度での最大容量を超えると、温度が変わらなくても結露が発生します。
したがって、温度制御が良好なCO2インキュベーターは明らかに結露の発生を抑制する効果がありますが、相対湿度が95％を超えるか飽和状態に達すると、結露の可能性が大幅に高まります。したがって、細胞を培養するときは、優れた CO2 インキュベーターを選択するだけでなく、高湿度の追求によってもたらされる結露のリスクを回避するように努める必要があります。
投稿日時: 2024年7月23日