JPS61149080A

JPS61149080A - スケ−ルアツプ用生物細胞培養装置

Info

Publication number: JPS61149080A
Application number: JP27212584A
Authority: JP
Inventors: Hideo Tanaka; 秀夫田中; Hiroshi Kataoka; 片岡　廣; Sensuke Sawada; 澤田　宣介
Original assignee: IWASHIYA SEIBUTSU KAGAKU KK
Current assignee: IWASHIYA SEIBUTSU KAGAKU KK
Priority date: 1984-12-25
Filing date: 1984-12-25
Publication date: 1986-07-07
Also published as: JPS6331191B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、工業用大型培養装置の培養槽内における培養
液の培養物性を、実験用小型培養装置の培養槽内に再現
させるための、スケールアップ用生物細胞培養装置に関
する。

［従来技術とその問題点］小さな規模の培養装置で得られた培養結果を大きな規模
の培養装置で再現させる、いわゆる、スケールアップは
、従来、両装置内の培養液物性（培地組成、温度、ＰＨ
溶存酸素など）が等しいという仮定のもとにおこなわれ
てきた。

しかしながら、フラスコやジャーファーメンタ−などの
小さな規模の培養装置内では、それらの培養物性が均一
であるのに対し、数十トン、数百トンという工業規模で
の大型培養装置では、液深が数メートルから数十メート
ルとなり、培養槽内の液表面と槽底の間にかなりの反差
が生じ、それに伴い、培養物性のいくつかは、槽内で不
均一となる。　　　　　　たとえば、大型の基型培養装
置内では、液流動がブラッグフローに近いために、槽底
から液表面の間で生ずる圧力分布と同様に種々の溶存ガ
スの濃度分布が生ずるし、完全混合状態が形成される通
気攪拌型培養装置においても、大型培養装置においては
、槽底から液表面の間で生ずる圧力分布はもとより、溶
存ガス濃度分布も生ずることが報告されている（Ｒ，Ｍ
ａｎｆｒｅｄｉｎｉ等、Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ、　′Ｂ
ｉｏｅｎｇ、、　　第２５巻、第３１１５頁、１９８３
年）。

このように、小型培養装置内では均一であるが、大型培
養装置では不均一となる培養物性に関しては、従来のス
ケールアップにおいてほとんど考慮されていない、　　
　　　　大型培養装置内での不均一な培養物性のなかで
、もっとも重要なものは溶存ガス濃度であり、そのなか
でも、酸素と炭酸ガスにあるものと考えられる。

特に酸素は、好気培養において培養結果を支配する最も
重要な因子であり、また炭酸ガスは、培養液のＰＨや細
胞の生理活性に大きな影響を及ぼす因子である。　　　
　　さらに不均一な因子として、圧力が挙げられ、細胞
の種類により圧力そのものも細胞の生理活性に大きな影
響を与えることが考えられる。　　　　培養装置の培養
槽内に生理細胞が接種され、培養が開始されると、細胞
は培養槽内をある平均周期で′循環することになり、そ
の間、増殖およびその他の生理活動Ｃ以下総称して生命
活動という）が行われる。

いいかえると、先に述べたように、大型培養装置では、
Ｊｌ内で不均一な溶存ガスの濃度分布や。

圧力分布が生じ、その間を細胞がある平均周期で循環す
ることとなり、細胞は、それら、の不均一因子の影響を
受けながら、生命活動を行うことになる。　　　　これ
らの培養槽内の不均一因子が、培養結果にどのような影
響を及ぼすかは、従来のスケールアップ法ではまったく
予想がつかず、経済的負担が大きな、大型培養装置での
実験を実際に行ってみて、初めて明らかにされていた。

したがって、従来のスケールアップ法は、まったく意味
がないという問題点があった。

［発明の概要］本発明者らは、上記問題点を解決し、前述のような大型
生物細胞培養装置における培養槽の中を、ある一定周期
で循環する生物細胞（微生物、植物、動物等）が受ける
種々の変動条件、すなわち培養槽内の圧力、溶存ガス濃
度の周期的変動、および剪断応力、ならびにこれらの変
動幅や周期時間等に対応して、実験用小型生物細胞培養
装置内に、これらを再現できるようにしたスケールアッ
プ用生物銅胞培養装置を開発したもので、培養槽内に、
電磁弁が介在されたエアー導入パイプと・、圧力検出器
と、溶存ガス濃度検出器と、電磁弁が介在されたエアー
排出パイプと、モーターに接続された攪拌羽根とが設け
られ、エアー導入パイプの電磁弁と培養槽間のエアー導
入パイプには、酸素ガス供給パイプと、窒素ガス供給パ
イプと、炭酸ガス供給パイプとが、それぞれ電磁弁を介
して接続されると共に、培養槽内の培養液の上記圧力検
出器および溶存ガス濃度検出器による検出値、ならびに
剪断応力値が、あらかじめ設定されたこれらの設定値と
整合するように、自動制御装置により前記各電磁弁およ
びモーターの作動が制御されること、および上記エアー
導入パイプの電磁弁と培養槽間のエアー導入パイプに、
電磁弁を介してガス混合器が接続され、かつこのガス混
合器に酸素ガス供給パイプと、窒素ガス供給パイプと、
炭酸ガス供給パイプとが、それぞれ電磁弁を介して接続
されたことを特徴とする。

［実施例コ別紙図面について本発明に係るスケールアップ用生物細
胞培養装置の実施例を説明する。

密閉可能に構成された公知の培養槽ｌ内には、図示され
ていないコンプレッサーおよびエアートランスホーマか
らなる加圧装置２のエアー導入パイプ３がレギュレタ−
４と電磁弁５を介して培養槽１内底面に開口され、この
エアー導入パイプ３における電磁弁５と培養槽１間のエ
アー導入パイプ３には、電磁弁８を介してガス混合器７
が混合ガス供給パイプ８により接続され、かつこのガス
混合器７には酸素ボンベ８、窒素ガスボンベ１０、炭酸
ガスボンベ１１がそれぞれレギュレタ−１２，１３，１
４と電磁弁１５．１８．１７を介して酸素ガス供給パイ
プ１８．窒素ガス供給パイプ１８、炭酸ガス供給パイプ
２０により接続されると共に、培養槽１の中心部には下
端部に攪拌羽根２１を有する攪拌軸２２が吊設され、攪
拌軸２２はモータ２３に連設されている。　　　　　　
培養槽ｌの側壁で培養液Ａに浸漬される位置には酸素電
極２５が取りつけられ、培養槽１の上面で培養液Ａに接
しない位置には、圧力発信器２４と電磁弁２６を介した
エアー排出パイプ２７が取りつけられている。

圧力発信器２４と酸素電極２５は自動制御装置２８の入
力部２９に接続される。　　　　　自動制御装置２日の
入力部２３と設定部３１は演算部３２に接続され、演算
部３２は変換部３３を介して出力部３０に接続されてい
る。　　　　　自動制御装置２Ｂの出力部３０には前述
の各電磁弁５　、８　、１５．１８．１？、２６と、各
レギュレタ−４，１２，１３，１４とモータ２３がそれ
ぞれ接続される。

つぎに、この装置を用いて培養槽１内の培養液Ａに対す
る圧力、溶存ガス濃度および剪断応力の制御方法を説明
する。

圧力の制御：培養槽ｌ内の圧力を制御するには、加圧装置２により加
圧された空気を培養槽１内へ供給し、あるいは培養槽１
内からこの空気を排出することにより行い、設定周期の
前半ではレギュレター４と電磁弁５を開き、電磁弁Ｂと
電磁弁２Ｂを閉じて設定圧力まで加圧し、後半ではレギ
ュレタ−４と電磁弁５を閉じ、電磁弁２Ｂを開き培養槽
１内を常圧まで減圧する。　　　　　　この工程を繰返
し、生物細胞が大型培養槽を循環する間に受ける圧力の
変動を再現する。

すなわち、加圧装置２により加圧された空気は、エアー
トランスホーマにより、水分、塵埃等を除去されてレギ
ュレタ−４に導入され、レギュレタ−４により一定の圧
力により設定される。

培養槽１の排出側の電磁弁２Ｂと逆流防止用を兼ねた混
合ガス供給パイプ８の電磁弁８を閉じた状態で吸入側の
電磁弁５を開くと、培養槽１内の圧力は次第に高くなり
、この圧力変化は培養槽１に設けられた圧力発信器２４
により検出され、その”圧力信号が自動制御装置２Ｂの
入力部２Ｓに入る。

培養槽１内の圧力が設定部３１により設定された圧力、
に達すると、出力部３０からの信号で電磁弁５が閉じら
れ、設定部３１で設定された任意時間経過後電磁弁２６
が開き、培養槽１内の加圧空気、が排出されて培養槽１
内の圧力が常圧にまで下げられる。　　　　　　レギュ
レタ−４の設定圧力と、電磁弁５を閉じて電磁弁２６を
開く間の時間を調節することにより、圧力の設定値と、
圧力の上昇、下降の傾きを自由に設定することができる
。

上記一連の動作を繰返すことにより、大型培養槽内を循
環する間に生物細胞が受ける圧力変動が再現される。

ガス濃度の制御：加圧によって変化する因子としては、先に述べたように
、液中溶存ガス濃度が考えられ、これは大別して、溶存
酸素濃度と溶存炭酸ガス濃度に別けられる。　　　　　
そして、溶存ガス濃度はその系に作用する圧力に比例す
るため、大型培養槽内の溶存酸素濃度は、加圧空気を一
定圧力で供給していても、培養槽１の上部と下部では異
る。

したがって、生物細胞が大型培養槽内を循環する周期に
合わせて、培養槽１内の溶存酸素濃度を変化させなくて
はならない。

このために、空気供給ラインに酸素および窒素ガスを混
合して培養槽ｌに供給し、酸素もしくは窒素ガスの量を
周期的に調節し、溶存酸素濃度を変化させ、生物細胞が
大型培養槽を循環する間に受ける溶存酸素濃度の変化を
再現する。

同様に溶存炭酸ガスの変化も再現する。

すなわち、まず、圧力による溶存酸素濃度の制御は、酸
素、または酸素に窒素ガスを混合させて変化させる。

基準となる溶存酸素濃度が設定されると、ある圧力下で
の溶存酸素濃度はその系に作用する圧力に比例するので
計算により決定することができるから、あらかじめ得ら
れた所望圧力下での計算値を設定部３１に設定しておく
。

ついで加圧装置２のレギュレター礁と電磁弁５を閉じ、
酸素ボンベ８のレギュレタ−１２と電磁弁１５を開け、
電磁弁８を開けると、酸素ボンベ９からの酸素はレギュ
レタ−１２により一定の圧力に設定され、ガス混合器７
を介して培養槽１内に供給される。　　　　　　培養槽
ｌに設置さ″れた酸素電極２５により培養槽１内”の溶
存酸素濃度が検出され、その酸素量が設定部３１で設定
された設定値に達すると、レギュレタ−１２と電磁弁１
５が閉じられる。

このように、生物細胞が大型培養槽内を循環する周期に
合わせて、レギュレター１２と電磁弁１５を開いて、酸
素を培養槽ｌ内に供給する量により、溶存酸素濃度が増
えである圧力下の溶存酸素濃度が再現できる。

ここまでの過程は細胞が培養槽１の上部から底部へ移動
した状態を一再現している。

底部から上部へ細胞が移動するにつれて、溶存酸素濃度
が減少するが、これく対応させるには窒素ガスボンベｌ
Ｏのレギュレタ−１３と電磁弁１Ｂを開き、窒素ガスを
レギュレタ−１３により一定の圧力−にしてガス混合器
７内に導入すれば、゛ガス混合器７内で窒素ガスと酸素
ガスが混合され、この混合ガスが培養槽１内に供給され
讐溶存酸素濃度が薄くなるから、酸素電極２５による検
出値が設定部３１で設定さ□れた基準となる酸素量にな
ると、窒素ガスボンベ１０のレギユレター１３と電磁弁
１Ｂが閉じられる。

この一連の動作を繰返し、基準となる酸素量となるよう
に、加える酸素の量と加える時間の調節、ｉよび加える
窒素ガスの量と加える時間の調節を行うことにより、細
胞が大型培養槽を循環するときに受ける溶存酸素濃度の
変動を再現させる。　　　　　同様に炭酸ガスも制御す
る。

剪断応力の制御：培養液を混合攪拌するために攪拌羽根を回転させるが、
回転する攪拌羽根の先端の位置と攪拌羽根から離れた位
置とでは生物細胞が受ける力は一定でなく、いいかえれ
ば生物細胞は一定の剪断応力を受けているわけでなく、
攪拌羽根に近い位置にいたときに受ける剪断応力と、液
面に近く攪拌羽根から遠い位置にいたときに受ける剪断
応力は同等ではない。

このため攪拌のスピードを゛変化させることにより、生
物細胞が大型培養槽を循環する間に受ける剪断応力の変
化を再現する。

すなわち、剪断応力の決定は攪拌羽根２１の応力とし、
単位時間当たりの回転数と攪拌羽根２１の中心からの距
離の積とする。

大型培養槽の設定回転数から基準の攪拌羽根回転数が決
定される。

生物細胞が大型培養槽を循環する周期に合わせ゛て回転
数を変化させるが、このとき最低剪断応力値を決定する
。　　　　　この決定は大型培養槽め液上部の流速をあ
らかじめ測定し、その速度から攪拌羽根２１の回転数を
決定し、最低剪断応力値とするン　　１　　　　　攪拌
羽根２１の回転数から生物細胞の循環周期速度に合わせ
て、最低の回転数まで減速、または増速することにより
、大型培養槽内を一環する生物細胞が受ける剪断応力を
再現させる。　　゛上記各制御はすべて自動制御装置２８により行われる。

すなわち、培養槽１内の圧力、および培養液Ａの溶存酸
素濃度と剪断応力等の最大、最低値、変動時間等の設定
、これらの設定値および圧、力発信器２４と酸素電極２
５の入力信号に基づく各電磁弁５　、８．１５．１６．
１７．２８と各レギュレタ−４，１２，１３，１４の制
御、ならびにモータ２３の回転数制御は、公知の自動制
御装置２８により行われるが、自動制御装置２８にマイ
クロコンピュータ−を組込むことにより、大型培養装置
の形状、培養液の仕込量等を入力することで再現システ
ムの制御値は決定される。

なお、本実施例では説明を省略したが、培養槽ｌ内の温
度制御も自動制御装置２８で行わせる。

［効果］本発明に係るスケールアップ用生物細胞培養装置によれ
ば、実験用小型培養装置に工業用大型培養装置における
培養液の培養物性を再現させることができると共に、大
型培養装置における培養槽−内での培養液に対する変動
条件による培養結果への影響を、容易かつ少量の実験培
養液で確認でき、生物細胞の実験培養に際して培養液の
無駄を排除することができるから、生物細胞培養の工業
化に神益するところ大である。

また、装置の構成上からみれば、再現しようとする大型
培養装置における培養液の培養物性の数的条件を、自動
制御装置の入力部に入力させるのみで、小型培養装置内
に大型培養装置内の培養液の培養物性を再現できて、操
作が簡単であり、しかもエアー導入パイプ、酸素ガス供
給パイプ、窒素ガス供給パイプおよび炭酸ガス供給パイ
プにレギュレターを介在させ、あるいはガス混合器を介
在させているので、加圧空気あるいは混合ガスが均一化
されて培養槽内へ供給されることになり、培養槽内の培
養液の物性変動が均一に行われるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明に係るスケールアップ用生物細胞培養装
置の説明図である。１・・・培養槽３・・・エアー導入パイプ５．８，１５．１Ｂ、１７．２６拳・・電磁弁７　ｏｓ
・ガス混合器１８・・・酸素ガス供給パイプ１８拳・・窒素ガス供給パイプ２０−−・炭酸ガス供給パイプ２１・・・攪拌羽根２３・ｌモータ２４會・・圧力発信器２５・・・酸素電極２７−−−エアー排出パイプ２８・・拳自動制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

（１）培養槽内に、電磁弁が介在されたエアー導入パイ
プと、圧力検出器と、溶存ガス濃度検出器と、電磁弁が
介在されたエアー排出パイプと、モーターに接続された
攪拌羽根とが設けられ、エアー導入パイプの電磁弁と培
養槽間のエアー導入パイプには、酸素ガス供給パイプと
、窒素ガス供給パイプと、炭酸ガス供給パイプとが、そ
れぞれ電磁弁を介して接続されると共に、培養槽内の培
養液の上記圧力検出器および溶存ガス濃度検出器による
検出値、ならびに剪断応力値が、あらかじめ設定された
これらの設定値と整合するように、自動制御装置により
前記各電磁弁およびモーターの作動が制御されることを
特徴とするスケールアップ用生物細胞培養装置。
（２）培養槽内に、レギュレターおよび電磁弁が介在さ
れたエアー導入パイプと、圧力検出器と、溶存ガス濃度
検出器と、電磁弁が介在されたエアー排出パイプと、モ
ーターに接続された攪拌羽根とが設けられ、エアー導入
パイプの電磁弁と培養槽間のエアー導入パイプには、電
磁弁を介してガス混合器が接続され、かつこのガス混合
器には酸素ガス供給パイプと、窒素ガス供給パイプと、
炭酸ガス供給パイプとが、それぞれレギュレターおよび
電磁弁を介して接続されると共に、培養槽内の培養液の
上記圧力検出器および溶存ガス濃度検出器による検出値
、ならびに剪断応力値が、あらかじめ設定されたこれら
の設定値と整合するように、自動制御装置により前記各
電磁弁およびモーターの作動が制御されることを特徴と
するスケールアップ用生物細胞培養装置。