JPH0665292B2

JPH0665292B2 - 細胞培養反応器装置のスパージャ装置

Info

Publication number: JPH0665292B2
Application number: JP61042843A
Authority: JP
Inventors: ダビツド・フリードマン; ゼン・ゼンビン; シヤウル・ルウベニイ
Original assignee: ニユ−・ブランズウイツク・サイアンテイフイツク・カムパニ−・インコ−ポレ−テツド
Priority date: 1985-03-01
Filing date: 1986-03-01
Publication date: 1994-08-24
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: GB8604829D0; US4727040A; FR2578265A1; DE3606648C2; GB2173709B; JPS61254182A; DE3606648A1; FR2578265B1; CH669606A5; GB2173709A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、醗酵及び組織培養容器において使用するスパ
ージヤ装置(sparger)に関する。

（従来の技術及び発明が解決しようとする問題点）細胞培養技術の使用は、広く知られており、動物の細胞
構造の研究及びホルモン、酵素、抗体、ワクチンなどの
ような重要な医学物質の製造にとつて重要である。組織
及び微粒子担体(microcarrier)細胞培養技術を使用する
と、細胞は、本質的に著しく脆弱であるので、成長に際
して容易に損傷を受ける。足場依存性(anchorage-depen
dent)細胞の培養は、特に困難であることがわかり、こ
のために微粒子担体を使用する技術が開発されている。
微粒子担体培養の場合には、細胞は、一般に小球状の微
粒子担体の表面に単層として、また、しばしば複層とし
て成長し、次に、穏やかに攪拌することによりに、培養
媒体に懸濁する。微粒子担体細胞培養の基本に関する詳
細は、１９８１年１２月に、スエーデン国のフアーマシ
ア・フアイン・ケミカルズ(Pharmacia Fine Chemicals)
社から発行された『ミクロキヤリアーズ・セル・カルチ
ユア：プリンシプルズ・アンド・メソツズ』("Microcar
riers Cell Culture:Principles and Methods")に記載
されている。

微粒子担体醗酵システムに空気を提供して、細胞に酸素
を与えることが重要である。更に、システムには、その
他の気体を与えることも重要である。しかしながら、曝
気は、一般に、底近くに出口を有する給送チユーブを流
体の中に配置し、気体を媒体を介して泡立てるような従
来の手段によつて行なわれるが、ここに重大な問題があ
る。即ち、この泡立ち(bubbling)により、ほとんどの醗
酵処理にとつて面倒な、かつ、微粒子担体組織培養処理
において致命的な泡が生ずるのである。

そこで、空気その他の気体を、シリコーンゴムのチユー
ブを介して拡散させる方法が開発された。しかしなが
ら、このチユーブは、大きな表面積を有していなければ
ならず、従つて、媒体への酸素の供給は不十分となる。

更に、円筒形スクリーンの底に、通常のチユーブを使用
してスパージされた空気を供給することが提案されてい
る。泡は、微粒子担体を泡から離して保持するスクリー
ン内の液体を通過することにより、発泡(foaming)によ
る悪影響を少なくしている。しかしながら、この方法
は、満足のいくものではないことがわかつた。

従つて、微粒子担体醗酵装置において使用するための改
良されたスパージヤ装置を提供することが所望されてい
る。

（問題点を解決するための手段）本発明は、従来技術の有する上記問題点を解決するため
になされたものである。

本発明によれば、液体を含む細胞培養反応器装置のスパ
ージャ装置が提供されている。この装置は、液体中に配
置されかつ少なくとも一部がスクリーンにより画定され
る少なくとも第１の壁により形成された垂直に延びる室
と、前記液体を曝気するために室の底部に気体を向ける
配向手段とを備え、前記スクリーンは曝気された液体を
通し、更に細胞培養反応器装置内の液体レベルよりも上
方の部分と連通するように室の頂部に近接して配設され
た出口開口手段を備えることを特徴とする構成を備えて
いる。

本発明の好ましい実施例においては、前記第１の壁は前
記スクリーンにより形成され、前記室は狭くかつ垂直に
延びており、しかも前記室は第１の中実の内壁と前記ス
クリーンにより形成された壁との間に形成されている。

第１の実施例では、本発明のスパージヤ装置は、中実の
壁体とスクリーンによつて形成される壁とにより画定さ
れる、狭くてほぼ上下方向に延びる外側室を備えてい
る。この外側室の底部には、少なくとも１本のチユーブ
を介して空気またはその他の気体が加圧下で供給され、
次に、そこから、気体を室内の上方へ向けて放出するよ
うに、外側室の下部領域に沿つて孔が配設されている分
配部材に送られる。外側室の頂部には、媒体の表面の上
方の位置に通じる出口開口が設けられている。気体が外
側室内の流体のカラムを介して泡立ち、この気体の１部
は、発泡を起さないように細かい泡となつてスクリーン
を通過する。

気体の分配は、攪拌器により富気体栄養素(gas-rich nu
trient)を分配させることにより、促進させることがで
きる。中実の壁体により画定される内側室は、開口され
た底端部と閉止された頂端部とを有しかつ開放端部から
離隔した領域において中実の壁体の開口に接続された少
なくとも１つの管部材(tubulation)を備えている。管部
材の外側端部は、中実の円筒壁体が軸線を中心に回転す
るように位置決めされた出口開口を画定し、円筒体の開
口において吸引力を生ずるようにしている。

別の実施例においては、本発明のスパージヤ装置は、上
下方向に延びる外側室を画定する内側壁体と中実の外側
壁体とを備えている。外側室は、開放底端部と閉鎖頂端
部とを有しかつ上記したように中実の壁体の開口に接続
された少なくとも１つの管部材を備えている。内側壁体
は、スクリーンにより覆われている複数の窓を有し、か
つ、内側室を画定している。気体が加圧下で内側室の底
部に供給され、そこから、気体を室内に放出する孔を有
する分配部材に供給される。この気体は、内側室の流体
を介して泡立ち、この気体の一部は、発泡を起こさない
ようにこのような細かい泡で、窓を覆うスクリーンを通
過する。

従つて、本発明の目的は、醗酵システム、特に、微粒子
担体システム用の改良されたスパージヤ装置を提供する
ことにある。

本発明の別の目的は、栄養素を通じて気体の分配を大い
に促進することができる、醗酵システム、特に、微粒子
担体システム用の改良されたスパージヤ装置を提供する
ことにある。

本発明の別の目的は、発泡を最小限度に抑えることがで
きる。醗酵システム、特に、微粒子担体システム用の改
良されたスパージヤ装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、良好な細胞培養成長を促進するこ
とができる、微粒子担体システム用の改良されたスパー
ジヤ装置を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、種々のサイズの容器とともに
使用することができる能力を増大することができる、微
粒子担体醗酵システム用の改良されたスパージヤ装置を
提供することにある。

本発明の更に別の目的と利点は、以下の記載から明白と
なるものである。

従つて、本発明は、以下の記載の中に例示されている構
成の特徴、素子の組合わせ及び部材の配置からなるもの
であり、本発明の範囲は特許請求の範囲に記載により定
められるものである。

（実施例）先づ、第１図について説明すると、第１図には、攪拌器
１６を内蔵する醗酵容器１０が示されている。容器１０
は、醗酵槽を操作するのに必要な装置を備えることがで
きるコントローラ（図示せず）の表面１３に、ブラケツ
ト１１によつて支持されている。容器１０は、この容器
の上部リム１４に対して、ガスケツト１５を介して封着
されている容器のキヤツプ１２により閉止されている。
攪拌器１６は、容器のキヤツプ１２に支持され、かつ、
第３図に明瞭に示すように、円筒体アセンブリ３２を備
えている。アセンブリ３２は、第１の開放端部３４と第
２の閉鎖端部３６とを有している。アセンブリ３２は、
該アセンブリから、ほぼ第２の閉鎖端部３６に近接して
側方に突出する３つの管部材３８を備えている。３つの
管部材は、前記した閉鎖端部３６に隣接して配置されて
いる。管部材３８は中空で、出口開口４０を画定する第
１の端部と第２の端部４２とを有している。各管部材３
８の第２の端部４２は、アセンブリ３２の内側円筒壁体
２９の開口４４において本体アセンブリ３２に取付けら
れており、流体が、開放端部３４、アセンブリの開口４
４及び出口開口４０を介して流れるようになつている。

第４図に示すように、各管部材３８の出口開口４０は、
攪拌器１６の回転方向（矢印３９）とは反対の方向を向
くように構成されている。操作に際しては、攪拌器１６
の本体アセンブリ３２は、各管部材３８の閉鎖面４６が
管部材の動きを案内するように、長手方向の軸線を中心
に回転される。従つて、アセンブリ３２と管部材３８の
中には吸引作用が生じる。これにより容器１０内の流体
は、内側壁体２９の開放端部３４を介して壁体２９の内
部(central core)３１に流れ込み、更に管部材３８を介
して管部材３８の開口４０から出ることができるように
なつている。

第３、６及び７図について説明すると、攪拌器１６は、
アセンブリ３２の内側壁体２９と外側の円筒スクリーン
２０とによつて画定された環状室２６を備えている。内
側壁体２９の上部は、端部部材５５と一体的に形成され
かつ閉端部壁を画定する厚肉の領域部５３で終端してい
る。スクリーン２０は、その頂部が、厚肉領域部５３と
当接する環状部材５６により支持されており、しかもス
クリーンには、内側壁体２９の頂部と係合する内側Ｏ−
リング５７（第５図）が設けられている。チユーブ２２
が、室２６内を長手方向に延びている。チユーブ２２
は、頂部が環状部材５６を貫通する孔８０に接続され、
かつ、端部部材５５を貫通する孔８２と、中空のシヤフ
ト４８の周辺とシヤフト４８が軸受されている端部部材
５５の孔８６との間に画定された環状室８４と、シヤフ
ト４８の壁部に形成された側部通路８８と、シヤフト４
８の中央孔５８と、可動シヤフト支持部材９０（第２
図）と、固定シヤフト支持部材９２の孔９３と、気体供
給ノズル７０と、該ノズルに結合された気体供給管６８
とからなる気体供給通路に接続されている。空気または
その他の気体が、気体供給通路を介してチユーブ２２に
加圧下で供給される。

第３、６及び７図により詳細に示すように、スクリーン
２０の底部は、ねじ９６及びＯ−リング９８により内側
壁体２９の下部領域に接続された円筒形支持部材９４に
支持されている。支持部材９４の上面には、環状のキヤ
ツプ１００とともに環状の気体通路(gas channel)２４
を画定する、環状の切欠きが形成されている。チユーブ
２２は、キヤツプ１００内の開口１０２を介して気体通
路２４と連通している（第７図）。

環状のキヤツプ１００には、気体を環状室２６の中へ上
方へ放出するように、上面に沿つて延びる孔２７が形成
されている。この際、室２６は容器１０とともに、流体
媒体を含んでいる。孔２７から放出された気体は、室２
６内の流体のカラムを介して泡立ち、この気体のある部
分はスクリーン２０を通過するが、発泡を引き起こさな
いように細かい泡の形態で通過する。更に、気体の放出
により著しく曝気された室内の流体のある部分は、スク
リーン２０を介して押出される。

環状部材５６にも、端部部材５５に形成された２つの長
手方向に延びる出口孔５４にそれぞれ接続された２つの
出口管５９が形成されている（第５図）。出口管５９
は、孔５４の中に配置されており、かつ、容器１０内の
流体のレベル１０４に達している。室２６内の流体は泡
によつて孔５４及び出口管５９の中に運ばれ、流体中で
の気体の分配を促進している。この分配は、上記したよ
うに、攪拌器１６の作動により一層高められる。

攪拌器１６は、取付けねじ６４によりシヤフト４８に取
付けられている。シヤフト４８はまた、軸受アセンブリ
３０（第１および２図）により回転自在に支持されてい
る。軸受アセンブリ３０は、回転力が加わつたときに、
シヤフト４８、次いで攪拌器１６を回転させる軸受７２
を備えている。ばね１０８により接触状態に保持されて
いるガスケツト１０６が、シヤフト４８の回転を促進す
るとともに液体が逃げるのを防止するように設けられて
いる。軸受アセンブリ３０の固定部は、容器のカバー１
２に接続されている。

次に、円筒形支持部材９４にロツド５１によつて固定さ
れた環状の磁石アセンブリ５０を、第１及び３図に基づ
いて説明する。磁石アセンブリ５０は、保護シーズ(she
ath)５２により包囲されかつ支持された環状の永久磁石
４を備えている。支持体の下方に取付けらている磁石駆
動モータ６２の磁石６０が回転すると、磁石６０は磁石
アセンブリ５０を回転させ、攪拌器１６及びシヤフト４
８を、該シヤフトによつて画定される軸線を中心に回転
させる。この方法によれば、駆動モータと攪拌器とを物
理的に直接接続させる必要がなくなる。更に、磁石アセ
ンブリ５０は容器１０の底部の流通路を拡げるととも
に、底部の周辺に微粒子担体が蓄積するのを防止するの
を助ける。この装置はまた、攪拌器が磁石を使用するこ
となく回転されるように、直接駆動モータ手段により上
方または下方から機械的に駆動してもよい。

好ましい構成においては、スパージヤ装置のスクリーン
２０は、環状部材５６と支持部材９４との間を延びるロ
ツドのケージ１８によつて支持することもできる。ロッ
ドのケージ１８、環状部材５６及び支持部材９４は、チ
ユーブ２２及びスクリーン２０とともに、一体的に取外
すようにすることができる。流体供給路は、上部環状リ
ングを貫通するようにしてもよい。底部環状リングに
は、供給管が貫通する孔を有する環状のデイスクによつ
て覆われた環状の溝を形成することができる。かかる構
成は、上記したリング形状のチユーブと機能的に対応す
るものである。

装置は、攪拌器とともに図示され、かつ、記載されてい
るが、どのようなタイプの攪拌器とも無関係な醗酵容器
とともに使用することができる。この場合には、管部材
３８は、省略することができる。

支持シヤフト４８を含む気体供給通路は、また、栄養素
または他の流体を供給する例にも使用することができ
る。更に、連続操作の場合には、第２のスクリーンで囲
まれたチユーブを、第１図に示すように設けて、消費さ
れた栄養素を容器１０から引出すようにすることがで
き、新鮮な栄養素は気体供給管６８を介して供給され
る。この方法は、潅流(perfusion)と呼ばれる。

別の実施例では、攪拌器は、下方から駆動され、液体ま
たは気体は、モータシヤフトを介して下から入り、元の
装置の下方に延びるチユーブの頂部に結合された環状の
円筒部材の頂部まで運ばれる。

第８図に示す別の実施例では、環状の通路２４の代わり
に、チユーブ２２に接続された環状のチユーブ１１０が
配設され、孔がチユーブ１１０の上面を中心に分配形成
されている。

更に別の実施例では、円筒形スクリーンを管部材の周囲
に取付けて、チユーブを介して押出される液体における
発泡をなくすようにすることができる。

更に別の実施例では、第９図に示すように、管部材５９
から押出される液体における発泡をなくすようにするた
めに、円筒形のスクリーンを管部材５９を中心に取付け
ることができる。特に、攪拌器の端部部材５５がキヤツ
プ１６６を支持しており、キヤツプ１６６との間で室１
７２を画定している。キヤツプ部材１６６には、開口１
７３を有する端部壁１６０が形成されており、シヤフト
４８が端部壁１６０を貫通することができるようにして
いる。キヤツプ１６６は、Ｏ−リング１６８によつて端
部部材５５に固着されかつ複数の窓１７０を有してい
る。円筒形のスクリーン１７４は、窓１７０を覆うよう
にキヤツプの周囲に配設されている。液体がチユーブ５
９から押出されている場合には、液体は、スクリーンで
囲まれた窓を貫通し、容器の中に落下する。

次に、第１０図について説明すると、第１０図には、第
１乃至９図の実施例と同様な円筒形の攪拌器を内蔵する
醗酵容器が示されている。容器１１０は、該容器１１０
の頂部リム１１４に対し封着されている。キヤツプ１１
２によつて閉止されている。攪拌器１１６は、容器のキ
ヤツプに支持され、第１の開放端部１２０と第２の閉鎖
端部１２２とを備えている。攪拌器１１６はまた、外側
シリンダ１１８と内側シリンダ１３０とを備えており、
両シリンダ間には環状のキヤビテイ１２６が形成されて
いる。

３つの管部材１２４が、攪拌器１１６の外側シリンダ１
１８から側方に突出している。管部材１２４は、中空で
あり、開口１２８を有している。管部材１２４は、第１
の実施例の管部材と同様に構成されている。従つて、攪
拌器１１６と管部材１２４の内部には吸引作用が生じ、
容器内の流体を開放端部に流入させ、更に、環状キヤビ
テイ１２６及び管部材１２４を介して開口１２８から出
すように作用する。

第１０図に示すように、攪拌器１１６の内側シリンダ１
３０が支持部材１３１に支持され、かつ、内側室１３２
を画定している。内側シリンダ１３０は、複数の上部窓
１３４と下部窓１３６とを有し、環状のキヤビテイ１２
６が内側室１３２と連通することができるようにしてい
る。内側シリンダ１３０はまた、上部窓に重なる第１の
上部外側円筒形スクリーン１３８と、下部窓１３６に重
なる第２の下部外側円筒形スクリーン１４０とを備えて
いる。チユーブ１４２が、内側シリンダ１３０の内側室
１３２内を長手方向に延び、第１の端部１４３が気体入
口１４４に、第２の端部１４５が環状の気体通路１４６
に、それぞれ接続されている。チユーブ１４２は、支持
部材１３１に支持されており、Ｏ−リング１４３、ねじ
１４５及び環状のシールプレート１４７によつて支持部
材１３１に嵌合接続されている。

動作においては、空気または他の気体が加圧下で気体入
口１４４を介してチユーブ１４２の中へ、更には環状の
気体通路１４６に中へ給送される。環状の気体通路１４
６は、下面に沿って、気体を内側室１３２の中へ放出す
る複数の孔１４８を有しているので、気体は内側室１３
２の流体を介して泡となつて放出される。気体の圧力に
より、泡立つ気体は、窓１３４と１３６とをそれぞれ覆
う上部及び下部スクリーン１３８と１４０を通過する
が、発泡を生じないように細かい泡となっている。従つ
て、環状のキヤビテイを流れる流体は、発泡することな
く、連続的に曝気される。更にまた、過剰の気体が第２
の閉鎖端部１２２の環状の気体出口１５０により放出さ
れる。

溶存酸素及びpHの測定に応答して、オペレータは、本装
置により有効に供給されかつ分配される酸素その他の気
体または液体の、システムの正確な必要量を定めること
ができる。更に、攪拌器は、システムの必要性に応じ
て、速度を換えて回転させることができる。特に、好ま
しい回転速度は、約２０乃至２２５回転／分である。好
ましい流速は、約０．２乃至１．５リツトル／分であ
り、好ましい作動容積(working volume)（システムの最
大実用容積）は約３．８リツトルである。

試験において、本発明のスパージヤ装置は、従来の表面
曝気に比較して効率が１０倍以上良いことがわかつた。
また、直接空気スパージング技術のちょうど半分の効率
であることもわかつたが、直接空気スパージング法は過
剰の発泡を引起こすものである。

（効果）以上のように、本発明のスパージヤ装置は、醗酵システ
ムおよび培養システムに有効に使用することができると
ともに、発泡を実質上防止し、種々の大きさの容器に適
合することができるという優れた効果を奏する。

即ち、本発明のスパージャ装置は、垂直方向に延びる室
が、細胞培養反応器装置の液体中に配置されるスクリー
ンにより少なくとも一部が形成される壁によって画定さ
れる構成と、配向手段が気体を室の底部領域へ向けるよ
うに設けられている構成と、出口開口手段が細胞培養反
応器装置における液体のレベルよりも上の部分と連通す
るように室の頂部に配設されている構成とを備えてい
る。かかる構成により、先づ、室は、気体に富んだ液体
が存在する曝気室として作用することができる。また、
気体が吹き込まれた液体が曝気室から外方へ流れ出るの
を極力抑制することができるとともに、曝気室の外側に
存在する泡を最小限度に抑えることができる。更に、曝
気室に存在する泡が液体に入るのを一層有効に防止する
ことができる。

従って、本発明のスパージャ装置は、気体を一層均一に
分配させることができるとともに、曝気室内において有
意の発泡を実質上引き起こすことなく液体に対する気体
の移動速度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従つて構成されたスパージヤ装置を使
用した攪拌器の平面図、第２図は第１図の２−２線拡大
部分断面図、第３図は第２図の３−３線拡大部分断面
図、第４図は第３図の４−４線拡大部分断面図、第５図
は第４図の５−５横断面図、第６図は第３図の６−６線
拡大横断面図、第７図は第６図の７−７線拡大部分横断
面図、第８図は本発明に係るスパージヤ装置の実施例で
あつてスパージヤ室の中に気体を開放するための孔を有
するリング状チユーブを備えたものの１部を示す横断面
図、第９図は本発明に係るスパージヤ装置の実施例であ
つて複数の窓を有するキヤツプ部材とキヤツプ部材の周
囲に巻かれかつ窓を覆うスクリーン部材とを備えたもの
の１部を示す横断面図、第１０図は本発明の別の実施例
に従つて構成されたスパージヤ装置を使用した攪拌器を
示す部分横断面図である。１０……醗酵容器１１……ブラケツト１２……容器のキヤツプ１３……コントローラの表面１４……頂部リム１５……ガスケツト１６……攪拌器２０……スクリーン２２……チユーブ２４……気体通路２６……環状室２９……内側円筒形室３２……円筒体アセンブリ３４……開放端部３６……閉鎖端部３８……管部材４０……出口開口４２……端部４４……開口４８……中空シヤフト５３……厚肉領域部５５……端部部材５６……環状部材５７……Ｏ−リング５８……中央孔５９……出口チユーブ６０……磁石６２……モータ６４……取付けねじ６８……気体供給管７２……軸受９０、９２……支持部材９１、９３……孔９４……支持部材９６……ねじ９８……Ｏ−リング１００……キヤツプ１０４……流体のレベル１０６……ガスケツト１１０……環状チユーブ１１２……キヤツプ１１４……頂部リム１１６……攪拌器１１８……外側シリンダ１２０……開放端部１２２……閉鎖端部１２６……環状キヤビテイ１３０……内側シリンダ１３２……内側室１３４……上部窓１３６……下部窓１３８、１４０……円筒形シリンダ１４２……チユーブ１４３……第１の端部１４４……気体入口１４５……第２の端部１４６……環状気体通路１４７……環状シールプレート１４８……孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ゼン・ゼンビンアメリカ合衆国，ニユージヤージー州 08904、ハイランド・パーク、アボツト・ストリート 707 (72)発明者シヤウル・ルウベニイイスラエル国、ペタハ・チイクヴア、クフアル・ガニーム、ベルトノヴ・ストリート６ (56)参考文献特開昭57−118787（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体を含む細胞培養反応器装置のスパージ
ャ装置であって、液体中に配置されかつ少なくとも一部がスクリーンによ
り画定される少なくとも第１の壁により形成された垂直
に延びる室と、前記液体を曝気するために室の底部に気体を向ける配向
手段とを備え、前記スクリーンは曝気された液体を通し、更に細胞培養反応器装置内の液体レベルよりも上方の部分と
連通するように室の頂部に近接して配設された出口開口
手段を備えることを特徴とするスパージャ装置。
【請求項２】前記第１の壁は前記スクリーンにより形成
され、前記室は狭くかつ垂直に延びており、しかも前記
室は第１の中実の内壁と前記スクリーンにより形成され
た壁との間に形成されていることを特徴とする特許請求
の範囲第１項に記載のスパージャ装置。