JP2018074925A - 培養液調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】培養液の性質を容易に調整することのできる培養液調整装置を提供する。【解決手段】ｐＨ平衡溶液である培養液Ｌ１の性質を調整する培養液調整装置１０であって、所定圧力で供給される酸素、二酸化炭素、不活性ガスの流量をそれぞれ調整する第１流量調整部１２、第２流量調整部１３、第３流量調整部１４と、それぞれ流量の調整された酸素、二酸化炭素、及び不活性ガスを混合する混合部１５と、混合部から流出する混合ガスが供給され、培養液を貯留する貯留部２０と、酸素濃度センサ２１と、ｐＨセンサ２２と、検出された溶存酸素濃度と溶存酸素濃度の目標値とに基づいて酸素の流量を設定し、検出されたｐＨとｐＨの目標値とに基づいて二酸化炭素の流量を設定し、所定流量から、設定された酸素の流量及び設定された二酸化炭素の流量を引いて不活性ガスの流量を設定する流量設定部１８と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、培養液の性質を調整する培養液調整装置に関する。

従来、この種の装置において、溶存酸素濃度測定器と、溶存二酸化炭素濃度測定器と、ｐＨ測定器とを備えるものがある（特許文献１参照）。特許文献１に記載のものは、これらの測定器による測定値に基づいて、ガス交換手段に供給する空気混合ガスの通気量、散気手段からの酸素含有気泡の供給量、及びガス供給装置からのガスの供給量を制御するとしている。

特開２０１４−１８１７４号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものでは、ガス交換手段、散気手段、及びガス供給装置を、どのように協調させて制御して培養液の性質を調整するのか不明であり、未だ改善の余地を残すものとなっている。

本発明は、こうした課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、培養液の性質を容易に調整することのできる培養液調整装置を提供することにある。

上記課題を解決するための第１の手段は、
ｐＨ平衡溶液である培養液の性質を調整する培養液調整装置であって、
所定圧力で供給される酸素の流量を調整する第１流量調整部と、
前記所定圧力で供給される二酸化炭素の流量を調整する第２流量調整部と、
前記所定圧力で供給される不活性ガスの流量を調整する第３流量調整部と、
前記第１流量調整部、前記第２流量調整部、及び前記第３流量調整部により、それぞれ流量の調整された前記酸素、前記二酸化炭素、及び前記不活性ガスを混合する混合部と、
前記混合部から流出する混合ガスが供給され、前記培養液を貯留する貯留部と、
前記培養液の溶存酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、
前記培養液のｐＨを検出するｐＨセンサと、
前記酸素濃度センサにより検出された前記溶存酸素濃度と前記溶存酸素濃度の目標値とに基づいて前記酸素の流量を設定し、前記ｐＨセンサにより検出された前記ｐＨと前記ｐＨの目標値とに基づいて前記二酸化炭素の流量を設定し、所定流量から前記設定された酸素の流量及び前記設定された二酸化炭素の流量を引いて前記不活性ガスの流量を設定する流量設定部と、
前記流量設定部により設定された前記酸素の流量、前記二酸化炭素の流量、及び前記不活性ガスの流量になるように、前記第１流量調整部、前記第２流量調整部、及び前記第３流量調整部を制御する流量制御部と、
を備える。

上記構成によれば、所定圧力で供給される酸素の流量が第１流量調整部により調整され、所定圧力で供給される二酸化炭素の流量が第２流量調整部により調整され、所定圧力で供給される不活性ガスの流量が第３流量調整部により調整される。第１流量調整部、第２流量調整部、及び第３流量調整部により、それぞれ流量の調整された酸素、二酸化炭素、及び不活性ガスが混合部で混合されて混合ガスとなる。そして、混合部から流出する混合ガスが、貯留部に貯留された培養液に供給される。

ここで、培養液の溶存酸素濃度が酸素濃度センサにより検出され、培養液のｐＨがｐＨセンサにより検出される。培養液の溶存酸素濃度は混合ガスの酸素分圧に応じて変化し、培養液のｐＨは混合ガスの二酸化炭素分圧に応じて変化する。そして、各ガスの圧力が所定圧力で等しく且つ混合ガスの全体流量が一定であれば、各ガスの分圧は各ガスの流量に比例する。

この点、流量設定部は、酸素濃度センサにより検出された溶存酸素濃度と溶存酸素濃度の目標値とに基づいて酸素の流量を設定し、ｐＨセンサにより検出されたｐＨとｐＨの目標値とに基づいて二酸化炭素の流量を設定し、所定流量から、設定された酸素の流量及び設定された二酸化炭素の流量を引いて不活性ガスの流量を設定する。このため、溶存酸素濃度を目標値にするための酸素の流量、ｐＨを目標値にするための二酸化炭素の流量、及び不活性ガスの流量を容易に設定することができる。そして、流量設定部により設定された酸素の流量、二酸化炭素の流量、及び不活性ガスの流量になるように、第１流量調整部、第２流量調整部、及び第３流量調整部が制御される。したがって、上記培養液調整装置によれば、培養液の性質を容易に調整することができる。なお、溶存酸素濃度の目標値及びｐＨの目標値は、予め設定された値でもよいし、ユーザが都度入力してもよい。

第２の手段では、前記流量設定部は、前記酸素濃度センサにより検出された前記溶存酸素濃度と前記溶存酸素濃度の目標値との偏差である第１偏差と、設定する前記酸素の流量との関係を予め規定した第１データに、前記第１偏差を適用して前記酸素の流量を設定し、前記ｐＨセンサにより検出された前記ｐＨと前記ｐＨの目標値との偏差である第２偏差と、設定する前記二酸化炭素の流量との関係を予め規定した第２データに、前記第２偏差を適用して前記二酸化炭素の流量を設定する。

上記構成によれば、酸素濃度センサにより検出された溶存酸素濃度と溶存酸素濃度の目標値との偏差である第１偏差と、設定する酸素の流量との関係が、第１データにより予め規定されている。そして、流量設定部は、第１データに上記第１偏差を適用して酸素の流量を設定する。このため、溶存酸素濃度を目標値にするための酸素の流量を、更に容易に設定することができる。また、ｐＨセンサにより検出されたｐＨとｐＨの目標値との偏差である第２偏差と、設定する二酸化炭素の流量との関係が、第２データにより予め規定されている。そして、流量設定部は、第２データに上記第２偏差を適用して二酸化炭素の流量を設定する。このため、ｐＨを目標値にするための二酸化炭素の流量を、更に容易に設定することができる。なお、第１データ及び第２データは、予め実験等に基づいて規定しておくことができる。

第３の手段では、前記第１データは、前記培養液の溶存酸素濃度が平衡する場合の各溶存酸素濃度と前記混合ガスにおける酸素の各流量との関係を予め規定した酸素流量テーブルと、前記酸素流量テーブルにおいて前記溶存酸素濃度の目標値に対応する酸素の流量に掛ける係数と前記第１偏差との関係を予め規定した第１係数テーブルとを含み、前記第２データは、前記培養液のｐＨが平衡する場合の各ｐＨと前記混合ガスにおける二酸化炭素の各流量との関係を予め規定した二酸化炭素流量テーブルと、前記二酸化炭素流量テーブルにおいて前記ｐＨの目標値に対応する二酸化炭素の流量に掛ける係数と前記第２偏差との関係を予め規定した第２係数テーブルとを含む。

上記構成によれば、培養液の溶存酸素濃度が平衡する場合の各溶存酸素濃度と混合ガスにおける酸素の各流量との関係が、酸素流量テーブルにより予め規定されている。そして、酸素流量テーブルにおいて溶存酸素濃度の目標値に対応する酸素の流量に掛ける係数と上記第１偏差との関係が、第１係数テーブルにより予め規定されている。このため、酸素の流量は、培養液の溶存酸素濃度が平衡する場合の酸素の流量に、第１偏差に応じた係数が掛けられることで設定される。したがって、溶存酸素濃度が平衡する場合の酸素の流量を基準にしつつ、溶存酸素濃度を目標値に迅速に調整することができる。

また、培養液のｐＨが平衡する場合の各ｐＨと混合ガスにおける二酸化炭素の各流量との関係が、二酸化炭素流量テーブルにより予め規定されている。そして、二酸化炭素流量テーブルにおいてｐＨの目標値に対応する二酸化炭素の流量に掛ける係数と上記第２偏差との関係が、第２係数テーブルにより予め規定されている。このため、二酸化炭素の流量は、培養液のｐＨが平衡する場合の二酸化炭素の流量に、第２偏差に応じた係数が掛けられることで設定される。したがって、ｐＨが平衡する場合の二酸化炭素の流量を基準にしつつ、ｐＨを目標値に迅速に調整することができる。

培養液に対する酸素の溶解量及び二酸化炭素の溶解量は、温度に応じて変化する。この点、第４の手段では、前記酸素流量テーブルは、前記培養液の溶存酸素濃度が平衡する場合の各溶存酸素濃度と前記混合ガスにおける酸素の各流量との関係を、各温度に応じて予め規定しており、前記二酸化炭素流量テーブルは、前記培養液のｐＨが平衡する場合の各ｐＨと前記混合ガスにおける二酸化炭素の各流量との関係を、各温度に応じて予め規定しているといった構成を採用している。したがって、培養液に対する酸素の溶解量及び二酸化炭素の溶解量が温度に応じて変化したとしても、溶存酸素濃度及びｐＨを目標値に適切に調整することができる。

酸素の流量及び二酸化炭素の流量を設定し、所定流量から、設定された酸素の流量及び設定された二酸化炭素の流量を引いて不活性ガスの流量を設定する構成では、常に所定流量の混合ガスが流れることになる。このため、溶存酸素濃度及びｐＨが目標値に調整された後も、混合ガスが無駄に消費されるおそれがある。

この点、第５の手段では、前記流量設定部は、前記酸素濃度センサにより検出された前記溶存酸素濃度と前記溶存酸素濃度の目標値との偏差である第１偏差が第１所定偏差よりも小さく、且つ前記ｐＨセンサにより検出された前記ｐＨと前記ｐＨの目標値との偏差である第２偏差が第２所定偏差よりも小さい場合に、前記酸素の流量、前記二酸化炭素の流量、及び前記不活性ガスの流量を０に設定するといった構成を採用している。このため、第１偏差が第１所定偏差よりも小さく、且つ第２偏差が第２所定偏差よりも小さい場合には、混合ガスを流すことを停止させることができる。したがって、混合ガスが無駄に消費されることを抑制することができる。

第６の手段では、前記培養液により細胞を培養する培養部と、前記貯留部から前記培養部へ前記培養液を送出する第１送出部と、前記培養部から前記貯留部へ前記培養液を送出する第２送出部と、を備える。

上記構成によれば、第１送出部により、貯留部から培養部へ培養液が送出される。そして、培養部において培養液により細胞が培養され、細胞の活動により培養液の溶存酸素濃度及びｐＨが変化する。この点、第２送出部により、培養部から貯留部へ培養液が送出される。そして、貯留部において、培養液の溶存酸素濃度及びｐＨが再び目標値に調整される。したがって、貯留部と培養部との間で培養液を循環させて継続使用することができるとともに、培養部に供給される培養液の性質を目標値に維持することができる。

第７の手段では、前記溶存酸素濃度の目標値及び前記ｐＨの目標値を入力する際に操作される操作部を備える。

上記構成によれば、ユーザは、操作部を操作することで、溶存酸素濃度の目標値及びｐＨの目標値を入力することができる。そして、流量設定部により、溶存酸素濃度を目標値にするための酸素の流量、ｐＨを目標値にするための二酸化炭素の流量、及び不活性ガスの流量が設定される。このため、ユーザは、操作部を操作して溶存酸素濃度の目標値及びｐＨの目標値を入力するだけで、培養液の性質を自動的に目標値に調整することができる。

培養液調整装置を示す模式図。 平衡状態における酸素体積比と溶存酸素濃度と温度との関係を示すグラフ。 平衡状態における二酸化炭素体積比の自然対数値とｐＨと温度との関係を示すグラフ。 酸素流量テーブルを示す図。 二酸化炭素流量テーブルを示す図。 第１係数テーブルを示す図。 第２係数テーブルを示す図。 溶存酸素濃度の変化を示すタイムチャート。

以下、細胞を培養する培養液の性質を調整する培養液調整装置に具現化した一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、培養液調整装置１０は、制御ユニット１１、培養液ボトル２０、酸素濃度センサ２１、ｐＨセンサ２２、温度センサ２３、培養容器３０、ポンプ３１，３２等を備えている。

制御ユニット１１は、マスフロコントローラ（ＭＦＣ）１２，１３，１４、継手１５、操作部１６、表示部１７、マイクロコンピュータ（ＭＣ）１８等を備えている。

ＭＦＣ１２（第１流量調整部に相当）には、酸素ボンベ４１からの酸素が、レギュレータ（調圧弁）４５により所定圧力に調整されて供給される。ＭＦＣ１３（第２流量調整部に相当）には、二酸化炭素ボンベ４２からの二酸化炭素が、レギュレータ４６により所定圧力に調整されて供給される。ＭＦＣ１４（第３流量調整部に相当）には、窒素ボンベ４３からの窒素（不活性ガスに相当）が、レギュレータ４７により所定圧力に調整されて供給される。すなわち、ＭＦＣ１２，１３，１４には、互いに等しい所定圧力の酸素，二酸化炭素，窒素がそれぞれ供給される。ＭＦＣ１２，１３，１４は、それぞれ酸素，二酸化炭素，窒素の流量を調整する。ＭＦＣ１２，１３，１４によるガス流量の調整状態は、ＭＣ１８により制御される。

ＭＦＣ１２，１３，１４により、それぞれ流量の調整された酸素，二酸化炭素，窒素は継手１５で合流する。継手１５は、ＭＦＣ１２，１３，１４にそれぞれ接続された配管１２ａ，１３ａ，１４ａを配管１５ａに接続している。すなわち、継手１５（混合部に相当）により、ＭＦＣ１２，１３，１４からそれぞれ供給される酸素，二酸化炭素，窒素が混合されて、それらの混合ガスが配管１５ａへ供給される。

配管１５ａは、培養液Ｌ１を貯留する培養液ボトル２０（貯留部に相当）に接続されている。詳しくは、配管１５ａは、培養液Ｌ１中に混合ガスを供給するように培養液ボトル２０に接続されている。培養液ボトル２０には、ｐＨ平衡溶液である培養液Ｌ１が貯留されている。培養液に添加する試薬としては、例えば重炭酸塩等、ｐＨ６〜８の範囲において遊離してｐＨ緩衝機能を有するものを採用することができる。重炭酸塩としては、重炭酸ナトリウム（炭酸水素ナトリウム）、炭酸水素カリウム、炭酸水素カルシウム等を採用することができる。その他、培養液Ｌ１には、細胞が活動するために必要な養分として、血清、アミノ酸、ビタミン、糖類等が添加されている。なお、培養液Ｌ１には、ｐＨを目視で確認するためにフェノールレッド等の指示薬が添加されている。

培養液ボトル２０には、培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯを検出する酸素濃度センサ２１、培養液Ｌ１のｐＨを検出するｐＨセンサ２２、及び培養液Ｌ１の温度を検出する温度センサ２３が取り付けられている。

培養液ボトル２０には、配管２５を介してポンプ３１が接続されている。ポンプ３１（第１送出部に相当）には、配管２６を介して培養容器３０（培養部に相当）が接続されている。ポンプ３１は、配管２５を通じて培養液ボトル２０内の培養液Ｌ１を吸入し、培養液Ｌ１を配管２６を通じて培養容器３０へ吐出する。すなわち、ポンプ３１は、培養液ボトル２０から培養容器３０へ培養液Ｌ１を送出する。

培養容器３０内には、培養液Ｌ２が貯留されている。培養液Ｌ２（培地）は、培養する細胞を含んでいる。この細胞としては、動物細胞、植物細胞、昆虫細胞、細菌、酵母、真菌等を採用することができる。また、細胞は、複数個の細胞からなる組織や、複数種の細胞からなる組織であってもよい。そして、培養容器３０において培養液Ｌ２により細胞が培養され、細胞の活動により培養液Ｌ２の溶存酸素濃度及びｐＨが変化する。

培養容器３０には、配管２７を介してポンプ３２が接続されている。ポンプ３２（第２送出部に相当）には、配管２８を介して培養液ボトル２０が接続されている。ポンプ３２は、配管２７を通じて培養容器３０内の培養液Ｌ２を吸入し、培養液Ｌ２を配管２８を通じて培養液ボトル２０へ吐出する。すなわち、ポンプ３２は、培養容器３０から培養液ボトル２０へ培養液Ｌ２を送出する。

制御ユニット１１の操作部１６は、ダイヤルやスイッチ等により構成されている。操作部１６は、培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯの目標値及びｐＨの目標値をユーザが入力する際に操作される。操作部１６の操作により入力された溶存酸素濃度ＤＯの目標値及びｐＨの目標値は、ＭＣ１８へ出力される。

表示部１７は、液晶ディスプレイ等により構成されており、溶存酸素濃度ＤＯの目標値（ｐｐｍ）、溶存酸素濃度ＤＯの検出値（ｐｐｍ）、ｐＨの目標値、ｐＨの検出値、温度の検出値（℃）、酸素の流量（ｍｌ／ｍｉｎ）、二酸化炭素の流量（ｍｌ／ｍｉｎ）、混合ガスの全体流量（ｍｌ／ｍｉｎ）等を表示する。表示部１７の表示状態は、ＭＣ１８により制御される。

制御ユニット１１は、ＳＤカード１９（記憶媒体）を挿入する挿入部を備えている。ＭＣ１８は、挿入部に挿入されたＳＤカード１９にデータを書き込んだり、ＳＤカード１９に書き込まれたデータを読み込んだりする。詳しくは、ＭＣ１８は、溶存酸素濃度ＤＯの目標値、酸素濃度センサ２１により逐次検出される溶存酸素濃度ＤＯ、ｐＨの目標値、ｐＨセンサ２２により逐次検出されるｐＨ、温度センサ２３により逐次検出される温度Ｔ等を、所定の周期でＳＤカード１９に書き込む。

ＭＣ１８（流量設定部、流量制御部に相当）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータである。ＭＣ１８は、センサ２１，２２，２３による検出値に基づいて、培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯ及びｐＨが目標値になるようにＭＦＣ１２，１３，１４を制御する。

図２は、培養液Ｌ１に混合ガスが供給されて平衡した状態において、混合ガスにおける酸素体積比と、培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯと、培養液Ｌ１の温度Ｔとの関係を示すグラフである。培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯは、混合ガスの酸素分圧に応じて変化する。そして、混合ガスにおける各ガスの圧力が所定圧力で等しく且つ混合ガスの全体体積（全体流量）が一定であれば、各ガスの分圧は各ガスの体積（流量）に比例する。このため、混合ガスにおける酸素体積比が大きくなるほど、溶存酸素濃度ＤＯが高くなっている。詳しくは、溶存酸素濃度ＤＯは、混合ガスにおける酸素体積比に比例している。また、培養液Ｌ１に対する酸素の溶解量は、温度Ｔに応じて変化する。詳しくは、温度Ｔが高くなるほど、培養液Ｌ１に対する酸素の溶解量が少なくなり、溶存酸素濃度ＤＯが低くなっている。

図３は、培養液Ｌ１に混合ガスが供給されて平衡した状態において、混合ガスにおける二酸化炭素体積比の自然対数値と、培養液Ｌ１のｐＨと、培養液Ｌ１の温度Ｔとの関係を示すグラフである。二酸化炭素が培養液Ｌ１に溶解することで水素イオンが発生するため、培養液Ｌ１のｐＨは混合ガスの二酸化炭素分圧に応じて変化する。そして、混合ガスにおける各ガスの圧力が所定圧力で等しく且つ混合ガスの全体体積（全体流量）が一定であれば、各ガスの分圧は各ガスの体積（流量）に比例する。このため、混合ガスにおける二酸化炭素体積比が大きくなるほど、ｐＨが小さくなっている。詳しくは、ｐＨの減少量は、混合ガスにおける二酸化炭素体積比の自然対数値の増加量に比例している。また、培養液Ｌ１に対する二酸化炭素の溶解量は、温度Ｔに応じて変化する。詳しくは、温度Ｔが高くなるほど、培養液Ｌ１に対する二酸化炭素の溶解量が少なくなり、ｐＨが大きくなっている。

図４は、図２のグラフに基づいて、培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯが平衡した場合の各溶存酸素濃度ＤＯと混合ガスにおける酸素の各流量と各温度Ｔとの関係を規定した酸素流量テーブルを示す図である。例えば、温度Ｔ１において溶存酸素濃度ＤＯ１（例えば１ｐｐｍ）で平衡する場合の酸素流量は流量ＲＯ１１であり、温度Ｔｍにおいて溶存酸素濃度ＤＯｎ（例えば２０ｐｐｍ）で平衡する場合の酸素流量は流量ＲＯｎｍである。流量ＲＯ１１から流量ＲＯｎ１へ順に大きくなっており、流量ＲＯ１１から流量ＲＯ１ｍへ順に大きくなっている。そして、流量ＲＯｎｍが最も大きくなっている。なお、図２の３つのグラフに含まれていない条件の流量ＲＯは、それらのグラフの間を比例補間することにより算出されている。

図５は、図３のグラフに基づいて、培養液Ｌ１のｐＨが平衡した場合の各ｐＨと混合ガスにおける二酸化炭素の各流量と各温度Ｔとの関係を規定した二酸化炭素流量テーブルを示す図である。例えば、温度Ｔ１においてｐＨ１（所定のｐＨ値、例えば６．９）で平衡する場合の二酸化炭素流量は流量ＲＣ１１であり、温度ＴｍにおいてｐＨｎ（所定のｐＨ値、例えば７．９）で平衡する場合の二酸化炭素流量は流量ＲＣｎｍである。流量ＲＣ１１から流量ＲＣｎ１へ順に小さくなっており、流量ＲＣ１１から流量ＲＣ１ｍへ順に大きくなっている。そして、流量ＲＣ１ｍが最も大きくなっている。なお、図３の３つのグラフに含まれていない条件の流量ＲＣは、それらのグラフの間を比例補間することにより算出されている。

そして、ＭＣ１８は、酸素濃度センサ２１により検出された溶存酸素濃度ＤＯと溶存酸素濃度ＤＯの目標値とに基づいて酸素の流量を設定する。例えば、温度Ｔｍにおいて溶存酸素濃度ＤＯｎが平衡する場合の酸素の流量ＲＯｎｍを基準流量として、溶存酸素濃度ＤＯの検出値と目標値ＤＯｎとの偏差である第１偏差ｄＯｍに応じた係数を基準流量ＲＯｎｍに掛けることで酸素の流量を設定する。

図６は、図４の酸素流量テーブルにおいて溶存酸素濃度ＤＯの目標値ＤＯｎに対応する酸素の基準流量ＲＯｎｍに掛ける係数ＰＯｎｍ，ＭＯｎｍと、上記第１偏差ｄＯｍとの関係を規定した第１係数テーブルを示す図である。第１係数テーブルは、予め実験等に基づいて規定しておくことができる。

例えば、溶存酸素濃度ＤＯの目標値ＤＯ１（例えば１ｐｐｍ）に対して、検出値が正側に偏差ｄＯ１だけ大きい場合の第１係数は第１係数ＰＯ１１である。また、溶存酸素濃度ＤＯの目標値ＤＯｎ（例えば２０ｐｐｍ）に対して、検出値が正側にｄＯｍ（ｄＯ１＜ｄＯｍ）だけ大きい場合の第１係数は第１係数ＰＯｎｍである。第１係数ＰＯ１１から第１係数ＰＯ１ｍへ順に小さくなっており、第１係数ＰＯｎ１から第１係数ＰＯｎｍへ順に小さくなっている。一方、溶存酸素濃度ＤＯの目標値ＤＯ１に対して、検出値が負側に偏差ｄＯ１（０＜ｄＯ１）だけ小さい場合の第１係数は第１係数ＭＯ１１である。また、溶存酸素濃度ＤＯの目標値ＤＯｎに対して、検出値が負側にｄＯｍ（ｄＯ１＜ｄＯｍ）だけ小さい場合の第１係数は第１係数ＭＯｎｍである。第１係数ＭＯ１１から第１係数ＭＯ１ｍへ順に大きくなっており、第１係数ＭＯｎ１から第１係数ＭＯｎｍへ順に大きくなっている。

同様にして、ＭＣ１８は、ｐＨセンサ２２により検出されたｐＨとｐＨの目標値とに基づいて二酸化炭素の流量を設定する。例えば、温度ＴｍにおいてｐＨｎが平衡する場合の二酸化炭素の流量ＲＣｎｍを基準流量として、ｐＨの検出値と目標値ＤＯｎとの偏差である第２偏差ｄＰｍに応じた係数を基準流量ＲＣｎｍに掛けることで二酸化炭素の流量を設定する。

図７は、図５の二酸化炭素流量テーブルにおいてｐＨの目標値ｐＨｎに対応する二酸化炭素の基準流量ＲＣｎｍに掛ける係数ＰＣｎｍ，ＭＣｎｍと、上記第２偏差ｄＰｍとの関係を規定した第２係数テーブルを示す図である。第２係数テーブルは、予め実験等に基づいて規定しておくことができる。

例えば、ｐＨの目標値ｐＨ１（所定のｐＨ値、例えば６．９）に対して、検出値が正側に偏差ｄＰ１だけ大きい場合の第２係数は第２係数ＰＣ１１である。また、ｐＨの目標値ｐＨｎ（所定のｐＨ値、例えば７．９）に対して、検出値が正側にｄＰｍ（ｄＰ１＜ｄＰｍ）だけ大きい場合の第２係数は第２係数ＰＣｎｍである。第２係数ＰＣ１１から第２係数ＰＣ１ｍへ順に大きくなっており、第２係数ＰＣｎ１から第２係数ＰＣｎｍへ順に大きくなっている。一方、ｐＨの目標値ｐＨ１に対して、検出値が負側に偏差ｄＰ１（０＜ｄＰ１）だけ小さい場合の第２係数は第２係数ＭＣ１１である。また、ｐＨの目標値ｐＨｎに対して、検出値が負側にｄＰｍ（ｄＰ１＜ｄＰｍ）だけ小さい場合の第２係数は第２係数ＭＣｎｍである。第２係数ＭＣ１１から第２係数ＭＣ１ｍへ順に小さくなっており、第２係数ＭＣｎ１から第２係数ＭＣｎｍへ順に小さくなっている。

なお、上記酸素流量テーブル及び第１係数テーブルにより第１データが構成されており、上記二酸化炭素流量テーブル及び第２係数テーブルにより第２データが構成されている。すなわち、第１データは、酸素濃度センサ２１により検出された溶存酸素濃度ＤＯと溶存酸素濃度ＤＯの目標値との偏差である第１偏差と、設定する酸素の流量との関係を予め規定している。また、第２データは、ｐＨセンサ２２により検出されたｐＨとｐＨの目標値との偏差である第２偏差と、設定する二酸化炭素の流量との関係を予め規定している。

ＭＣ１８は、上記に基づいて酸素の流量及び二酸化炭素の流量を設定し、所定流量（例えば７５０ｍｌ）から、設定された酸素の流量及び設定された二酸化炭素の流量を引いて、窒素の流量を設定する。そして、ＭＣ１８は、設定された酸素の流量、二酸化炭素の流量、及び不活性ガスの流量になるように、ＭＦＣ１２，１３，１４をそれぞれ制御する。

図８は、培養液調整装置１０により培養液Ｌ１の性質を調整する際の溶存酸素濃度ＤＯの変化を示すタイムチャートである。ここでは、温度センサ２３により検出された培養液Ｌ１の温度が温度Ｔｍであり、溶存酸素濃度ＤＯの目標値が目標値ＤＯｎに設定されているとする。

時刻ｔ１よりも前において、例えば目標値ＤＯｎに対する酸素濃度センサ２１による検出値の偏差が＋ｄＯ３〜＋ｄＯ４の間である場合は、図４の酸素流量テーブルにおける酸素の流量ＲＯｎｍに図６の第１係数テーブルにおける第１係数ＰＯｎ４を掛けた酸素の流量（ＲＯｎｍ×ＰＯｎ４）に設定される。同様にして、目標値ＤＯｎに対する酸素濃度センサ２１による検出値の偏差が＋ｄＯ１〜＋ｄＯ２の間である場合は、図４の酸素流量テーブルにおける酸素の流量ＲＯｎｍに図６の第１係数テーブルにおける第１係数ＰＯｎ２を掛けた酸素の流量（ＲＯｎｍ×ＰＯｎ２）に設定される。

時刻ｔ１において、目標値ＤＯｎに対する酸素濃度センサ２１による検出値の偏差が＋ｄＯ１以下になると、所定時間ＴＡが経過するまでは流量（ＲＯｎｍ×ＰＯｎ２）で維持される。そして、所定時間ＴＡが経過した時刻ｔ２において、目標値ＤＯｎに対する検出値の偏差が目標範囲（＋ｄＯ２〜−ｄＯ２）内で維持されていることを条件として、酸素の流量が流量（ＲＯｎｍ×ＰＯｎ１）に設定される。目標値ＤＯｎに対する検出値の偏差が目標範囲内で維持されている間は、酸素の流量が流量（ＲＯｎｍ×ＰＯｎ１）で維持される。

時刻ｔ３において、目標値ＤＯｎに対する酸素濃度センサ２１による検出値の偏差が−ｄＯ２以下になると、図４の酸素流量テーブルにおける酸素の流量ＲＯｎｍに図６の第１係数テーブルにおける第１係数ＭＯｎ３を掛けた酸素の流量（ＲＯｎｍ×ＭＯｎ３）に設定される。

時刻ｔ４において、目標値ＤＯｎに対する酸素濃度センサ２１による検出値の偏差が−ｄＯ１以上になると、所定時間ＴＡが経過するまでは流量（ＲＯｎｍ×ＭＯｎ２）で維持される。そして、所定時間ＴＡが経過した時刻ｔ５において、目標値ＤＯｎに対する検出値の偏差が目標範囲（＋ｄＯ２〜−ｄＯ２）内で維持されていることを条件として、酸素の流量が流量（ＲＯｎｍ×ＭＯｎ１）に設定される。目標値ＤＯｎに対する検出値の偏差が目標範囲内で維持されている間は、酸素の流量が流量（ＲＯｎｍ×ＭＯｎ１）で維持される。

時刻ｔ６において、目標値ＤＯｎに対する酸素濃度センサ２１による検出値の偏差が＋ｄＯ２以上になると、図４の酸素流量テーブルにおける酸素の流量ＲＯｎｍに図６の第１係数テーブルにおける第１係数ＰＯｎ３を掛けた酸素の流量（ＲＯｎｍ×ＰＯｎ３）に設定される。また、培養液調整装置１０により、培養液Ｌ１のｐＨも同様に調整される。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・ＭＣ１８は、酸素濃度センサ２１により検出された溶存酸素濃度ＤＯと溶存酸素濃度ＤＯの目標値とに基づいて酸素の流量を設定し、ｐＨセンサ２２により検出されたｐＨとｐＨの目標値とに基づいて二酸化炭素の流量を設定し、所定流量から、設定された酸素の流量及び設定された二酸化炭素の流量を引いて窒素の流量を設定する。このため、溶存酸素濃度ＤＯを目標値にするための酸素の流量、ｐＨを目標値にするための二酸化炭素の流量、及び窒素の流量を容易に設定することができる。そして、設定された酸素の流量、二酸化炭素の流量、及び窒素の流量になるように、ＭＦＣ１２、ＭＦＣ１３、及びＭＦＣ１４が制御される。したがって、培養液調整装置１０によれば、培養液Ｌ１の性質を容易に調整することができる。

・酸素濃度センサ２１により検出された溶存酸素濃度ＤＯと溶存酸素濃度ＤＯの目標値との偏差である第１偏差ｄＯｍと、設定する酸素の流量との関係が、第１データにより予め規定されている。そして、ＭＣ１８は、第１データに第１偏差ｄＯｍを適用して酸素の流量を設定する。このため、溶存酸素濃度ＤＯを目標値にするための酸素の流量を、更に容易に設定することができる。

・ｐＨセンサ２２により検出されたｐＨとｐＨの目標値との偏差である第２偏差ｄＰｍと、設定する二酸化炭素の流量との関係が、第２データにより予め規定されている。そして、ＭＣ１８は、第２データに第２偏差ｄＰｍを適用して二酸化炭素の流量を設定する。このため、ｐＨを目標値にするための二酸化炭素の流量を、更に容易に設定することができる。

・培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯが平衡する場合の各溶存酸素濃度ＤＯと混合ガスにおける酸素の各流量との関係が、図４の酸素流量テーブルにより予め規定されている。そして、酸素流量テーブルにおいて溶存酸素濃度ＤＯの目標値に対応する酸素の流量に掛ける第１係数と上記第１偏差ｄＯｍとの関係が、図６の第１係数テーブルにより予め規定されている。このため、酸素の流量は、培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯが平衡する場合の酸素の流量に、第１偏差ｄＯｍに応じた第１係数が掛けられることで設定される。したがって、溶存酸素濃度ＤＯが平衡する場合の酸素の流量を基準にしつつ、溶存酸素濃度ＤＯを目標値に迅速に調整することができる。

・培養液Ｌ１のｐＨが平衡する場合の各ｐＨと混合ガスにおける二酸化炭素の各流量との関係が、図５の二酸化炭素流量テーブルにより予め規定されている。そして、二酸化炭素流量テーブルにおいてｐＨの目標値に対応する二酸化炭素の流量に掛ける第２係数と上記第２偏差ｄＰｍとの関係が、第２係数テーブルにより予め規定されている。このため、二酸化炭素の流量は、培養液Ｌ１のｐＨが平衡する場合の二酸化炭素の流量に、第２偏差ｄＰｍに応じた第２係数が掛けられることで設定される。したがって、ｐＨが平衡する場合の二酸化炭素の流量を基準にしつつ、ｐＨを目標値に迅速に調整することができる。

・酸素流量テーブルは、培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯが平衡する場合の各溶存酸素濃度ＤＯと混合ガスにおける酸素の各流量との関係を、各温度Ｔｍに応じて予め規定しており、二酸化炭素流量テーブルは、培養液Ｌ１のｐＨが平衡する場合の各ｐＨと混合ガスにおける二酸化炭素の各流量との関係を、各温度Ｔｍに応じて予め規定している。したがって、培養液Ｌ１に対する酸素の溶解量及び二酸化炭素の溶解量が温度Ｔｍに応じて変化したとしても、溶存酸素濃度ＤＯ及びｐＨを目標値に適切に調整することができる。

・ポンプ３１により、培養液ボトル２０から培養容器３０へ培養液Ｌ１が送出される。そして、培養容器３０において培養液Ｌ２により細胞が培養され、細胞の活動により培養液Ｌ２の溶存酸素濃度ＤＯ及びｐＨが変化する。この点、ポンプ３２により、培養容器３０から培養液ボトル２０へ培養液Ｌ２が送出される。そして、培養液ボトル２０において、培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯ及びｐＨが再び目標値に調整される。したがって、培養液ボトル２０と培養容器３０との間で培養液Ｌ１，Ｌ２を循環させて継続使用することができるとともに、培養容器３０に供給される培養液Ｌ１の性質を目標値に維持することができる。

・ユーザは、操作部１６を操作することで、溶存酸素濃度ＤＯの目標値及びｐＨの目標値を入力することができる。そして、ＭＣ１８により、溶存酸素濃度ＤＯを目標値にするための酸素の流量、ｐＨを目標値にするための二酸化炭素の流量、及び窒素の流量が設定される。このため、ユーザは、操作部１６を操作して溶存酸素濃度ＤＯの目標値及びｐＨの目標値を入力するだけで、培養液Ｌ１の性質を自動的に目標値に調整することができる。

なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。

・ＭＣ１８は、溶存酸素濃度ＤＯの目標値及びｐＨの目標値を、ＳＤカード１９から読み込んでもよい。また、制御ユニット１１が外部とデータを入出力する入出力インターフェースを備えていてもよい。

・ＭＦＣ１２，１３，１４からそれぞれ供給される酸素，二酸化炭素，窒素を、一旦貯留して混合するバッファタンク（混合部に相当）を、継手１５に代えて設けることもできる。また、不活性ガスとして、窒素に代えてアルゴンやヘリウムを用いることもできる。

・混合ガスの全体流量である所定流量は、７５０ｍｌに限らず任意に設定することができる。その場合、所定流量に応じて、レギュレータ（調圧弁）４５，４６，４７により調整する各ガスの圧力（所定圧力に相当）を変更するとよい。

・培養液Ｌ１に対する酸素の溶解量が温度に応じてあまり変化しない場合は、酸素流量テーブルにおける各溶存酸素濃度ＤＯと混合ガスにおける酸素の各流量との関係を、温度に対して一律に規定してもよい。同様に、培養液Ｌ１に対する二酸化炭素の溶解量が温度に応じてあまり変化しない場合は、二酸化炭素流量テーブルにおける各ｐＨと混合ガスにおける二酸化炭素の各流量との関係を、温度に対して一律に規定してもよい。その場合は、温度センサ２３を省略することができる。

・図４の酸素流量テーブルに代えて、図２のグラフを表す関係式に基づいて、平衡時の溶存酸素濃度ＤＯｎ及び温度Ｔｍに対する酸素の体積比（すなわち酸素の流量）を算出してもよい。同様に、図５の二酸化炭素流量テーブルに代えて、図３のグラフを表す関係式に基づいて、平衡時のｐＨｎ及び温度Ｔｍに対する二酸化炭素体積比の自然対数値（すなわち二酸化炭素の流量）を算出してもよい。

・酸素流量テーブルと第１係数テーブルとを１つのテーブル（第１データに相当）にまとめることもできる。その場合は、溶存酸素濃度ＤＯの各目標値及び各第１偏差ｄＯｍに対して、設定する酸素の各流量を予め規定しておけばよい。同様に、二酸化炭素流量テーブルと第２係数テーブルとを１つのテーブル（第２データに相当）にまとめることもできる。その場合は、ｐＨの各目標値及び各第２偏差ｄＰｍに対して、設定する二酸化炭素の各流量を予め規定しておけばよい。

・溶存酸素濃度ＤＯの目標値と検出値とに基づいて、ＰＩＤ制御やＰＩ制御等により酸素の流量を設定することもできる。同様に、ｐＨの目標値と検出値とに基づいて、ＰＩＤ制御やＰＩ制御等により二酸化炭素の流量を設定することもできる。その場合も、混合ガスの全体流量である所定流量から、設定された酸素の流量及び設定された二酸化炭素の流量を引いて窒素の流量を設定すればよい。

・酸素の流量及び二酸化炭素の流量を設定し、所定流量から、設定された酸素の流量及び設定された二酸化炭素の流量を引いて窒素（不活性ガス）の流量を設定する構成では、常に所定流量の混合ガスが流れることになる。このため、溶存酸素濃度ＤＯ及びｐＨが目標範囲内に調整された後も、混合ガスが無駄に消費されるおそれがある。

この点、ＭＣ１８（流量設定部）は、酸素濃度センサ２１により検出された溶存酸素濃度ＤＯと溶存酸素濃度ＤＯの目標値との偏差である第１偏差ｄＯｍが第１所定偏差よりも小さく、且つｐＨセンサ２２により検出されたｐＨとｐＨの目標値との偏差である第２偏差ｄＰｍが第２所定偏差よりも小さい場合に、酸素の流量、二酸化炭素の流量、及び窒素の流量を０に設定してもよい。第１所定偏差としては、例えば図６の第１偏差ｄＯ１を採用することができる。第２所定偏差としては、例えば図７の第２偏差ｄＰ１を採用することができる。こうした構成によれば、第１偏差ｄＯｍが第１所定偏差よりも小さく、且つ第２偏差ｄＰｍが第２所定偏差よりも小さい場合には、混合ガスを流すことを停止させることができる。したがって、混合ガスが無駄に消費されることを抑制することができる。

・培養容器３０内の培養液Ｌ２を培養液ボトル２０に戻さず、一定期間使用した後に廃棄することもできる。その場合は、培養液ボトル２０内の培養液Ｌ１の減少に応じて、培養液ボトル２０に培養液Ｌ１を適宜補充すればよい。

・培養液ボトル２０と培養容器３０とが、一体の容器になっている構成を採用することもできる。すなわち、容器内の培養液に細胞が含まれており、その培養液の性質を調整してもよい。その場合は、ポンプ３１，３２及び培養容器３０は不要となる。

１０…培養液調整装置、１１…制御ユニット、１２…ＭＦＣ（第１流量調整部）、１３…ＭＦＣ（第２流量調整部）、１４…ＭＦＣ（第３流量調整部）、１５…継手（混合部）、１６…操作部、１８…マイクロコンピュータ（流量設定部、流量制御部）、２０…培養液ボトル（貯留部）、２１…酸素濃度センサ、２２…ｐＨセンサ、２３…温度センサ、３０…培養容器（培養部）、３１…ポンプ（第１送出部）、３２…ポンプ（第２送出部）。

Claims (7)

1. ｐＨ平衡溶液である培養液の性質を調整する培養液調整装置であって、
   所定圧力で供給される酸素の流量を調整する第１流量調整部と、
   前記所定圧力で供給される二酸化炭素の流量を調整する第２流量調整部と、
   前記所定圧力で供給される不活性ガスの流量を調整する第３流量調整部と、
   前記第１流量調整部、前記第２流量調整部、及び前記第３流量調整部により、それぞれ流量の調整された前記酸素、前記二酸化炭素、及び前記不活性ガスを混合する混合部と、
   前記混合部から流出する混合ガスが供給され、前記培養液を貯留する貯留部と、
   前記培養液の溶存酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、
   前記培養液のｐＨを検出するｐＨセンサと、
   前記酸素濃度センサにより検出された前記溶存酸素濃度と前記溶存酸素濃度の目標値とに基づいて前記酸素の流量を設定し、前記ｐＨセンサにより検出された前記ｐＨと前記ｐＨの目標値とに基づいて前記二酸化炭素の流量を設定し、所定流量から前記設定された酸素の流量及び前記設定された二酸化炭素の流量を引いて前記不活性ガスの流量を設定する流量設定部と、
   前記流量設定部により設定された前記酸素の流量、前記二酸化炭素の流量、及び前記不活性ガスの流量になるように、前記第１流量調整部、前記第２流量調整部、及び前記第３流量調整部を制御する流量制御部と、
   を備える培養液調整装置。
2. 前記流量設定部は、前記酸素濃度センサにより検出された前記溶存酸素濃度と前記溶存酸素濃度の目標値との偏差である第１偏差と、設定する前記酸素の流量との関係を予め規定した第１データに、前記第１偏差を適用して前記酸素の流量を設定し、前記ｐＨセンサにより検出された前記ｐＨと前記ｐＨの目標値との偏差である第２偏差と、設定する前記二酸化炭素の流量との関係を予め規定した第２データに、前記第２偏差を適用して前記二酸化炭素の流量を設定する請求項１に記載の培養液調整装置。
3. 前記第１データは、前記培養液の溶存酸素濃度が平衡する場合の各溶存酸素濃度と前記混合ガスにおける酸素の各流量との関係を予め規定した酸素流量テーブルと、前記酸素流量テーブルにおいて前記溶存酸素濃度の目標値に対応する酸素の流量に掛ける係数と前記第１偏差との関係を予め規定した第１係数テーブルとを含み、
   前記第２データは、前記培養液のｐＨが平衡する場合の各ｐＨと前記混合ガスにおける二酸化炭素の各流量との関係を予め規定した二酸化炭素流量テーブルと、前記二酸化炭素流量テーブルにおいて前記ｐＨの目標値に対応する二酸化炭素の流量に掛ける係数と前記第２偏差との関係を予め規定した第２係数テーブルとを含む請求項２に記載の培養液調整装置。
4. 前記酸素流量テーブルは、前記培養液の溶存酸素濃度が平衡する場合の各溶存酸素濃度と前記混合ガスにおける酸素の各流量との関係を、各温度に応じて予め規定しており、
   前記二酸化炭素流量テーブルは、前記培養液のｐＨが平衡する場合の各ｐＨと前記混合ガスにおける二酸化炭素の各流量との関係を、各温度に応じて予め規定している請求項３に記載の培養液調整装置。
5. 前記流量設定部は、前記酸素濃度センサにより検出された前記溶存酸素濃度と前記溶存酸素濃度の目標値との偏差である第１偏差が第１所定偏差よりも小さく、且つ前記ｐＨセンサにより検出された前記ｐＨと前記ｐＨの目標値との偏差である第２偏差が第２所定偏差よりも小さい場合に、前記酸素の流量、前記二酸化炭素の流量、及び前記不活性ガスの流量を０に設定する請求項１〜４のいずれか１項に記載の培養液調整装置。
6. 前記培養液により細胞を培養する培養部と、
   前記貯留部から前記培養部へ前記培養液を送出する第１送出部と、
   前記培養部から前記貯留部へ前記培養液を送出する第２送出部と、
   を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の培養液調整装置。
7. 前記溶存酸素濃度の目標値及び前記ｐＨの目標値を入力する際に操作される操作部を備える請求項１〜６のいずれか１項に記載の培養液調整装置。

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