JP5768365B2

JP5768365B2 - 細胞培養装置における培養液の撹拌方法

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Publication number: JP5768365B2
Application number: JP2010270236A
Authority: JP
Inventors: 美栄森
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: JP2012115232A

Description

本発明は、細胞を播種した培養液を収容し、その培養液にエアーを通気しながら撹拌して細胞培養するための細胞培養装置における培養液の撹拌方法に関するものである。

従来、細胞を播種した培養液を収容し、その培養液にエアーを通気しながら撹拌して細胞培養するための細胞培養装置は、内部に撹拌羽根を有するジャーファーメンターおよびタンクの構造が主流である（特許文献１）。

しかし、撹拌羽根による培養方法では、撹拌によるせん断力で細胞にダメージを与えることが懸念されるため、エアーにて撹拌することが提案されている（特許文献２，３）。

特許文献２では、培養容器内に、下端が開口した管を設け、その管の上部の圧力を変動させることで、培養容器内の培養液を管内に、或いは管から培養容器へ交互に繰り返し出し入れすることで撹拌するようにしている。

また、特許文献３では、培養容器内の下部から気泡を断続的に供給し、その気泡を培養容器内で成長させて容器の内径に近い大泡とし、その大泡が培養容器を上昇することで、培養液を撹拌するようにしている。

特開平０９−１３５６８０号公報特開２００６−２８８２４４号公報特表２００７−５１１２３０号公報

しかしながら、特許文献２では、培養液に通気するための通気装置の他に圧力を変動させる手段が必要となり、装置が複雑になる問題があると共に、圧力を変動させるための管内の圧力変動室に気泡が混入した場合には、圧力変動室内の気体を除去することが必要となる問題もある。

これに対して、特許文献３では、大泡を培養容器内で上昇させるだけで、培養液を撹拌できる利点があるものの、大泡の上昇力だけで撹拌を行うため、培養容器の径が１ｃｍ以下と小さく、培養容器を大容量にすることができない問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、培養槽の大きさにかかわらず、培養液を通気エアーなどで効率よく撹拌できる細胞培養装置における培養液の撹拌方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、培養槽内に培養液を収容し、その培養槽にガスを通気して培養する細胞培養装置における培養液の撹拌方法において、鉛直な一対の培養筒の下部を連結して反応槽を形成し、その両培養筒の下部にガス吹込手段をそれぞれ接続すると共に両培養筒の上部に排気手段をそれぞれ接続し、いずれか一方のガス吹込手段からその一方の培養筒の下部にガスを吹き込むと共に、他方の培養筒の上部から排気手段を介してガスを排出し、これを交互に繰り返して、両培養筒の培養液を交互に移動して撹拌することを特徴とする細胞培養装置における培養液の撹拌方法である。

請求項２の発明は、鉛直な一対の培養筒の下部を屈曲筒で接続してＵ字状の反応槽を形成し、ガス吹込手段と排気手段の切り換えで、屈曲筒を通して培養液を一方から他方、又はこの逆に培養液を移動させて撹拌する請求項１記載の細胞培養装置における培養液の撹拌方法である。

請求項３の発明は、ガス吹込手段には、培養筒の下部の内周壁に沿って気泡を吹き出すエアレーションノズルが設けられる請求項１又は２記載の細胞培養装置における培養液の撹拌方法である。

請求項４の発明は、培養筒の上部には、その培養筒の内周側に沿って上昇した培養液を中心側に流下させると共に上昇する気泡を上方に吹き出す対流促進部材が設けられる請求項３記載の細胞培養装置における培養液の撹拌方法である。

本発明によれば、下部を連結した一対の培養筒のいずれか一方にガスを流し、他方の培養筒からガスを排出し、これを交互に繰り返すことで、通気するガスで培養液を培養筒間で移動させながら混合撹拌することができるという優れた効果を発揮するものである。

本発明の一実施の形態を示す図である。本発明の他の実施の形態を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）、図１（ｂ）は、本発明の細胞培養装置における培養液の撹拌方法の一実施の形態を示したものである。

図１において、１０は、培養液１１を収容する培養槽で、鉛直に立ち上げられた左右一対の培養筒１２ａ、１２ｂの下部を屈曲筒１３で連結してＵ字状に形成される。左右の培養筒１２ａ、１２ｂは、ＳＵＳやガラス管などで形成され、例えば１０Ｌの培養液１１を培養する場合、内径は、例えば２５ｃｍ、長さが１００ｃｍに形成されると共に屈曲筒１３は、これら左右の培養筒１２ａ、１２ｂの内径と同じ径で、左右の培養筒１２ａ、１２ｂの下端を接続するよう１８０度屈曲させた形状に形成される。

屈曲筒１３の下部には、左右の培養筒１２ａ、１２ｂの下部にエアーなどのガスを交互に吹き込むガス吹込手段１４ａ、１４ｂが接続され、左右の培養筒１２ａ、１２ｂの上部には、培養筒１２ａ、１２ｂ内に供給されたエアーなどのガスを交互に排出する排気手段１５ａ、１５ｂが接続される。

ガス吹込手段１４ａ、１４ｂは、屈曲筒１３から培養槽１０内に入り、その上端が左右の培養筒１２ａ、１２ｂの下部に臨むように設けられた気泡吹込管１６ａ、１６ｂと、屈曲筒１３の外側の気泡吹込管１６ａ、１６ｂに順次接続された供給側開閉バルブ１７ａ、１７ｂと供給側フィルタ１８ａ、１８ｂとで構成される。また供給側開閉バルブ１７ａ、１７ｂの上流側は図示していないがエアーなどのガス供給源に接続され、供給側開閉バルブ１７ａ、１７ｂを開くことで、気泡吹込管１６ａ、１６ｂの上端から左右の培養筒１２ａ、１２ｂ内の培養液１１にエアーなどのガスを吹き込めるようになっている。

排気手段１５ａ、１５ｂは、左右の培養筒１２ａ、１２ｂの上面に接続された排気管１９ａ、１９ｂと、その排気管１９ａ、１９ｂに順次接続された排出側フィルタ２０ａ、２０ｂと、排出側開閉バルブ２１ａ、２１ｂとで構成される。

次に本実施の形態の作用を説明する。

先ず、培養槽１０内に動物細胞等を播種した培養液１１を収容し、左右いずれかのガス吹込手段１４ａ（又は１４ｂ）からエアーなどのガスを気泡Ｂとして培養液１１に吹き込み、吹き込んだ培養筒１２ａ（又は１２ｂ）とは反対側の排気手段１５ｂ（又は１５ａ）を開放しておき、これを交互に繰り返すことで、培養液１１が、一方の培養筒１２ａから屈曲筒１３を通して他方の培養筒１２ｂに移動し、これを交互に繰り返すことで、培養液１１が撹拌される。

これを更に説明すると、図１（ａ）に示すように、左側のガス吹込手段１４ａの開閉バルブ１７ａを開いた状態とし、右側のガス吹込手段１４ｂの開閉バルブ１７ｂを閉じた状態とし、排気側は、左側の排気手段１５ａの開閉バルブ２１ａを閉じ、右側の排気手段１５ｂの開閉バルブ２１ｂを開いた状態とする。これにより、左側のガス吹込手段１４ａから培養筒１２ａに吹き込まれた気泡Ｂはそのまま培養筒１２ａ内を上昇してその上部の気相部Ｇａに溜まり、その気相部Ｇａの圧力で、水面Ｗａが下がり、培養液１１は、屈曲筒１３を通して右側の培養筒１２ｂに流れ、培養筒１２ｂの気相部Ｇｂ内のガスが排気手段１５ｂの開閉バルブ２１ｂを通って排気される。

また培養筒１２ｂ内の培養液１１の液面Ｗｂが上昇したならば、図１（ｂ）に示すように、右側のガス吹込手段１４ｂの開閉バルブ１７ｂを開き、左側のガス吹込手段１４ａの開閉バルブ１７ａを閉じ、排気側は、右側の排気手段１５ｂの開閉バルブ２１ｂを閉じ、左側の排気手段１５ａの開閉バルブ２１ａを開いた状態に切り換える。これにより、右側のガス吹込手段１４ｂから培養筒１２ｂに気泡Ｂが吹き込まれ、培養筒１２ｂの気相部Ｇｂにガスが溜まり、その気相部Ｇｂの圧力で、水面Ｗｂが下がり、培養液１１は、屈曲筒１３を通して左側の培養筒１２ａに流れ、培養筒１２ａの気相部Ｇａ内のガスが排気手段１５ａの開閉バルブ２１ａを通って排気される。

このように、左右のガス吹込手段１４ａ、１４ｂと排気手段１５ａ、１５ｂを交互に切り換えることで、通気するガスだけで、培養槽１０内の培養液１１にせん断力を与えることなく撹拌することが可能となる。この切り換えは、培養液１１全体の約３割程度が、左側の培養筒１２ａと右側の培養筒１２ｂを交互に移動するように切り換えることで、効率的に撹拌することができる。また気泡吹込管１６ａ、１６ｂから培養液１１に吹き込む気泡Ｂは、気泡径が約１ｍｍ程度となるように、気泡吹込管１６ａ、１６ｂの吹出口に多孔質板などを設けて吹き込むようにする。

次に、図２により本発明の他の実施の形態を説明する。

図２の実施の形態は、基本的な構成は図１の細胞培養装置と同じであるが、ガス吹込手段１４ａ、１４ｂで、培養筒１２ａ、１２ｂに気泡Ｂを吹き込む際に、その吹き込みで培養筒１２ａ、１２ｂ内の培養液１１をさらに撹拌できるように構成したものである。

図２（ａ）に示すように、ガス吹込手段１４ａ、１４ｂの気泡吹込管１６ａ、１６ｂの先端には、エアレーションノズル２３ａ、２３ｂが設けられ、培養筒１２ａ、１２ｂの上部には対流促進部材２４ａ、２４ｂが設けられる。

エアレーションノズル２３ａ、２３ｂは、図２（ｄ）、図２（ｅ）に示すように気泡吹込管１６ａ、１６ｂの先端に取り付けられたリング状ノズル２５の円周方向上面に、多数のノズル孔２６が穿設して形成される。リング状ノズル２５の外径は、培養筒１２ａ、１２ｂの内径と略同じ径に形成される。

対流促進部材２４ａ、２４ｂは、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すように下端が開口した断面逆Ｕ字状の円環リング２７の内周にロート状のノズル２８を設け、円環リング２７の頂部にガス放出穴２９がその円周方向に沿って多数穿設して形成される。円環リング２７の外径は、培養筒１２ａ、１２ｂの内径と略同じ径に形成される。

この実施の形態においては、ガス吹込手段１４ａ（又は１４ｂ）からエアレーションノズル２３ａ（又は２３ｂ）にて気泡Ｂが、培養筒１２ａ（又は１２ｂ）の内周に沿って吹き出され、その気泡Ｂが培養筒１２ａ（又は１２ｂ）の内周壁に沿って上昇し、上部の対流促進部材２４ａ（又は２４ｂ）の円環リング２７内に入り、ガス放出穴２９から吹き出され、気相部Ｇａ（又はＧｂ）に放出される。これにより、培養筒１２ａ（又は１２ｂ）の培養液１１は他方の培養筒１２ｂ（又は１２ａ）に移動するようになるが、この気相部Ｇａの圧力に加えて、内周側では気泡Ｂが多く、中心側では気泡Ｂが少ないため、内周側と中心側では密度差が生じ、中心側では下降流が生じ、対流促進部材２４ａ（又は２４ｂ）の円環リング２７に気泡Ｂと共に上昇した培養液１１の一部は、ロート状のノズル２８の外周で反転して下降流となる。また気泡Ｂと共に円環リング２７内に入り、対流促進部材２４ａ（又は２４ｂ）上に放出された培養液１１は図示の矢印のように反転してロート状のノズル２８内を通って、培養筒１２ａ（又は１２ｂ）の中心を流下することとなる。

これにより、培養筒１２ａ（又は１２ｂ）の培養液１１の撹拌がさらに良好となる。

１０培養槽
１１培養液
１２ａ、１２ｂ培養筒
１４ａ、１４ｂガス吹込手段
１５ａ、１５ｂ排気手段

Claims

培養槽内に培養液を収容し、その培養槽にガスを通気して培養する細胞培養装置における培養液の撹拌方法において、鉛直な一対の培養筒の下部を連結して反応槽を形成し、その両培養筒の下部にガス吹込手段をそれぞれ接続すると共に両培養筒の上部に排気手段をそれぞれ接続し、いずれか一方のガス吹込手段からその一方の培養筒の下部にガスを吹き込むと共に、他方の培養筒の上部から排気手段を介してガスを排出し、これを交互に繰り返して、両培養筒の培養液を交互に移動して撹拌することを特徴とする細胞培養装置における培養液の撹拌方法。
鉛直な一対の培養筒の下部を屈曲筒で接続してＵ字状の反応槽を形成し、ガス吹込手段と排気手段の切り換えで、屈曲筒を通して培養液を一方から他方、又はこの逆に培養液を移動させて撹拌する請求項１記載の細胞培養装置における培養液の撹拌方法。
ガス吹込手段には、培養筒の下部の内周壁に沿って気泡を吹き出すエアレーションノズルが設けられる請求項１又は２記載の細胞培養装置における培養液の撹拌方法。
培養筒の上部には、その培養筒の内周側に沿って上昇した培養液を中心側に流下させると共に上昇する気泡を上方に吹き出す対流促進部材が設けられる請求項３記載の細胞培養装置における培養液の撹拌方法。