JP2019198850A

JP2019198850A - 撹拌容器および撹拌方法

Info

Publication number: JP2019198850A
Application number: JP2018096547A
Authority: JP
Inventors: 松田　博行; Hiroyuki Matsuda; 博行松田; 将太伊藤; Shota Ito; 知浩都倉; Tomohiro Tokura
Original assignee: Fujimori Kogyo Co Ltd
Current assignee: Fujimori Kogyo Co Ltd
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2019-11-21
Anticipated expiration: 2038-05-18
Also published as: JP7198593B2

Abstract

【課題】内容物に作用するシェアを抑制するために、マイルドに撹拌しても、高い撹拌効率で均一に混合することが可能な撹拌容器および撹拌方法を提供することを課題とする。【解決手段】液状の内容物を入れることができる円柱状の撹拌容器であって、内部に水平方向に延在して設けられた突起状のバッフル１４を有することを特徴とする。撹拌容器が、バッフル１４を有する円筒状の容器外殻１０と、容器外殻１０に収容された可撓性の内袋とを備えてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、撹拌容器および撹拌方法に関する。

食品、化粧品や医薬品などの製造において、水などの溶媒にさまざまな物質を混合・溶解させ種々の溶液や製品が調製される。また、微生物、昆虫細胞、植物細胞、動物細胞などの培養により、医薬品、食品、化粧品やこれらの原材料などとして有用な各種物質が生産されている。
特許文献１には、可撓性を有する培養バッグを収めるハウジング部の内面で、培養バッグと当接する当接面の一部に、湾曲凸状の突起部からなるバッフルが設けられたシングルユース細胞培養装置が記載されている。

特開２０１７−３５００９号公報

特許文献１には、培養液の一部がバッフルに衝突することにより、旋回流の方向が転向されて上下方向の流れが生じ、培養液が均一になるように、効率的に混合することができるとの記載がある。しかし、細胞等の培養物に作用するシェアを抑制するために、マイルドに撹拌しても、高い撹拌効率で均一に混合するには、更なる改善が望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、内容物に作用するシェアを抑制するために、マイルドに撹拌しても、高い撹拌効率で均一に混合することが可能な撹拌容器および撹拌方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、液状の内容物を入れることができる円柱状の撹拌容器であって、内部に水平方向に延在して設けられた突起状のバッフルを有することを特徴とする撹拌容器を提供する。

前記撹拌容器が、前記バッフルを有する円筒状の容器外殻と、前記容器外殻に収容された可撓性の内袋とを備えている構成としてもよい。
前記撹拌容器の中心を円形の軌道上で水平方向に回転移動させる公転運動をさせながら振とうさせることができる構成としてもよい。
前記撹拌容器の容積が１Ｌ以上である構成としてもよい。
前記撹拌容器の底面から前記バッフルまでの高さが、前記撹拌容器の高さの０．０１〜０．９９倍の範囲内である構成としてもよい。
前記バッフルが、複数段に設けられている構成としてもよい。
前記バッフルは、上端が水平面で下端が斜面である三角形状の断面を有し、水平方向の寸法が前記撹拌容器を構成する円柱の直径の０．１〜０．２倍であり、高さ方向の寸法が前記撹拌容器を構成する円柱の高さの０．１〜０．４倍である構成としてもよい。

また、本発明は、前記撹拌容器を用い、前記内容物の上面を、少なくとも１つ以上の前記バッフル以上の高さとして撹拌を行う撹拌方法を提供する。

本発明によれば、撹拌容器の内部に設けられたバッフルが水平方向に延在しているので、内容物に作用するシェアを抑制するために、マイルドに撹拌しても、高い撹拌効率で均一に混合することが可能な撹拌容器および撹拌方法を提供することを課題とする。

第１実施形態の撹拌容器の外観を示す斜視図である。第１実施形態の撹拌容器の内部を示す断面図である。第２実施形態の撹拌容器の外観を示す斜視図である。第２実施形態の撹拌容器の内部を示す断面図である。第３実施形態の撹拌容器の外観を示す斜視図である。第３実施形態の撹拌容器の内部を示す断面図である。第４実施形態の撹拌容器の外観を示す斜視図である。第４実施形態の撹拌容器の内部を示す断面図である。比較例１の撹拌容器の外観を示す斜視図である。比較例１の撹拌容器の内部を示す断面図である。比較例２の撹拌容器の外観を示す斜視図である。比較例２の撹拌容器の内部を示す断面図である。比較例３の撹拌容器の外観を示す斜視図である。比較例３の撹拌容器の内部を示す断面図である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。

図１に、第１実施形態の撹拌容器の外観を示す。この撹拌容器は、円柱状の容器となる容器外殻１０の内部に、水平方向に延在して設けられた突起状のバッフル１４を有する。容器外殻１０は、バッフル１４を有する円筒状の側面１１と、側面１１の上部に接続された上面１２と、側面１１の下部に接続された底面１３とを有する。バッフル１４は、側面１１に対して固定されていてもよい。高さ方向、周方向など、バッフル１４が側面１１に対して移動可能としてもよい。バッフル１４の移動は、レール等を用いた連続的な移動でもよく、２箇所以上の設置位置を選択できる構成でもよく、内容物の量の変化などに対応して撹拌容器の外側から操作できる構成でもよい。

図２に、第１実施形態の撹拌容器の内部を示す。この撹拌容器は、バッフル１４を有する円筒状の容器外殻１０と、容器外殻１０に収容された可撓性の内袋１５とを備えている。

容器外殻１０は、側面１１と上面１２と底面１３とが一体に構成されてもよく、側面１１の途中、側面１１と上面１２との間、側面１１と底面１３との間などに継ぎ目を有してもよい。継ぎ目は、その両側の各部が相互に結合されていてもよく、両側の各部が分割可能であってもよい。例えば、側面１１と底面１３とを一体の容器本体とし、上面１２を容器本体に対して開閉可能な蓋部としてもよい。内容物が内袋１５に密閉状態で収容される等の場合には、上面１２を省略してもよく、また、内袋１５の一部が側面１１の上端より上方に突出してもよい。

内袋１５は、バッフル１４の内側に重ね合わされて、バッフル１４の断面形状に沿って変形していてもよい。内袋１５が設けられている場合、液状の内容物が内袋１５に収容されて、容器外殻１０が内容物に触れない構造としてもよい。内袋１５の形状としては、特に限定されないが、四角柱状、六角柱状、八角柱状等の多角柱状等が挙げられ、また円柱状の構造としてもよい。内袋がガゼット袋であると、容器外殻１０の外で折り畳みが容易になるため、好ましい。内袋１５が、二重袋や三重袋など多重の包装袋であると、液体が漏れにくいので好ましい。

内容物の撹拌時には、静止時において、内容物の上面１６が、バッフル１４の上端部分以上の高さとなるように構成してもよい。内容物の上面１６が、バッフル１４の上端部分より高くてもよく、内容物の上面１６が、バッフル１４の上端部分と同等の高さでもよい。なお、内容物が液体や液状である場合、内容物の上面は、液面に対応する。液状の内容物とは、単一成分の液体や二成分以上からなる溶液、乳液等に限らず、粉粒体や気泡等を含む分散液、懸濁液などでもよい。

撹拌容器は、容器外殻１０の中心を円形の軌道１７上で水平方向に回転移動させる公転運動をさせながら振とうさせることができる。これにより、撹拌時の内容物の上面１８Ａ，１８Ｂは、左右に盛り上がり、中央部が凹状となる。容器外殻１０の側面１１に近い外周部では、上面１８Ａ，１８Ｂの高さが上下に振動し、バッフル１４と衝突することで、撹拌効果が向上する。例えば、内容物の上面１８Ａ，１８Ｂがバッフル１４の上方からバッフル１４の上端に向けて下降するとき、バッフル１４の上端に沿って円筒の径方向の内側に向かう流れが生じる。内容物の上面１８Ａ，１８Ｂがバッフル１４の下方からバッフル１４の下端に向けて上昇するとき、バッフル１４の下端に沿って円筒の径方向の内側に向かう流れが生じる。

バッフル１４が側面１１から径方向に突出する幅（側面１１の内面からの高さ）は、容器外殻１０の半径に対して、０．０５〜０．２倍程度が好ましい。容器外殻１０の高さ方向におけるバッフル１４の寸法（バッフル１４の厚さ）は小さくてもよく、例えば薄い板状であってもよい。

第１実施形態におけるバッフル１４の断面形状は、三角形状である。例えば、バッフル１４の上端が水平面であり、バッフル１４の下端は、容器外殻１０の径方向の中心から離れるほど下向きに傾斜した斜面となっている。これにより、バッフル１４の上端に沿った流れと、バッフル１４の下端に沿った流れとが互いに交差し、撹拌効果のさらなる向上が期待される。

第１実施形態におけるバッフル１４は、容器外殻１０の側面１１上で全周にわたり連続した環状（穴のあいたドーナツ状）に形成されている。これにより、水平方向でバッフル１４に途切れがないので、バッフル１４に衝突することなく上下動する流れの割合を低減することができる。バッフル１４による撹拌効果の向上が、容器外殻１０の全周にわたって得られる。なお、バッフル１４が連続して形成された構成は、一体に継ぎ目のない構造でもよく、液密に隙間なく連結された継ぎ目を有する構造などでもよい。

なお、バッフル１４の延在方向となる水平方向とは、例えば重力による鉛直方向に対して垂直な方向であるが、振とうの際に、水平面に対して例えば±１５°程度傾斜していてもよい。バッフル１４の延在方向が水平方向であるという場合には、容器外殻１０の底面１３に対して平行であるか、または平行面に対して例えば±１５°程度傾斜していてもよく、容器外殻１０の円筒状の側面１１の中心軸に対して垂直であるか、または垂直面に対して例えば±１５°程度傾斜していてもよい。容器外殻１０の上面１２は、容器外殻１０の底面１３と平行であることが好ましい。容器外殻１０の底面１３が、撹拌時に水平面に対して±１５°程度傾斜していてもよい。

容器外殻１０の底面１３からバッフル１４までの高さは、容器外殻１０の高さの０．０１〜０．９９倍の範囲内であることが好ましい。これにより、バッフル１４の上下に振動するような流れが生じる量の内容物を効率よく撹拌容器に収容させることができる。ここで容器外殻１０の高さとは、例えば側面１１の高さであり、あるいは上面１２と底面１３との間の距離である。

バッフル１４は、少なくとも撹拌時に内容物が衝突して、流れの方向を変えるものであればよい。なお、バッフル１４の内側に内袋１５を用いる場合には、バッフル１４が内容物に直接接触せずに、内袋１５を介してバッフル１４が内容物の流れに影響を与えるのでもよい。撹拌容器を用いての撹拌方法は、撹拌容器の内部に撹拌翼等の撹拌手段を用いないで撹拌容器を回転（公転、自転）、往復移動、振とう等により撹拌する方法に限られず、撹拌容器の内部に撹拌翼等の撹拌手段を導入する方法に適用してもよい。撹拌翼は、回転軸が撹拌容器の内外にわたり設けられてもよく、磁気式などのように、撹拌容器の外から動力を遠隔的に撹拌手段に伝達する構成でもよい。

図３および図４に、第２実施形態の撹拌容器を示す。第２実施形態が第１実施形態と共通する構成には共通の名称および符号を付して、重複する説明を省略する場合がある。第２実施形態では、容器外殻１０Ａの内面に、断面が四角形状のバッフル１４Ａが設けられている。この場合も、第１実施形態と同様に、内容物の液面１６が撹拌時に上下し、バッフル１４Ａと衝突することで、撹拌効果が向上する。

図５および図６に、第３実施形態の撹拌容器を示す。第３実施形態が第１実施形態と共通する構成には共通の名称および符号を付して、重複する説明を省略する場合がある。第３実施形態では、容器外殻１０Ｂの内面に、断面が半円形状のバッフル１４Ｂが設けられている。この場合も、第１実施形態と同様に、内容物の液面１６が撹拌時に上下し、バッフル１４Ｂと衝突することで、撹拌効果が向上する。

図７および図８に、第４実施形態の撹拌容器を示す。第４実施形態が第１実施形態と共通する構成には共通の名称および符号を付して、重複する説明を省略する場合がある。第４実施形態では、容器外殻１０Ｃの内面のうち、略半周程度にバッフル１４Ｃが設けられている。この場合も、第１実施形態と同様に、内容物の液面１６が撹拌時に上下し、バッフル１４Ｃと衝突することで、撹拌効果が向上する。

バッフル１４Ｃは、容器外殻１０Ｃの側面１１上で周方向の一部に形成される場合、バッフル１４Ｃの断面形状は、第１実施形態のように三角形状でもよく、第２実施形態のように四角形状でもよく、第３実施形態のように半円形状でもよい。バッフル１４Ｃが周方向に延在する範囲は、例えば９０°以上が好ましく、１５０°程度、１８０°程度、２２５°程度、２７０°程度、３５０°程度などでもよい。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。改変としては、各実施形態における構成要素の追加、置換、省略、その他の変更が挙げられる。また、２以上の実施形態に用いられた構成要素を適宜組み合わせることも可能である。

容器外殻の材質は特に限定されないが、内袋を保護可能な硬さ（剛性）を有することが好ましく、例えば、ステンレス等の金属、樹脂、木材、集成材、繊維強化プラスチック等の複合材料が挙げられる。バッフルの断面形状は、上述の実施形態における三角形状、四角形状、半円形状等に限らず、適宜の形状にすることができる。なかでも断面が三角形状のバッフルが好ましい。

内袋を構成するフィルムの材質は特に限定されないが、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィン等の熱可塑性樹脂や、これらの積層体が挙げられる。内袋は、シングルユース（使い捨て）であってもよい。

撹拌容器の容積は、１Ｌ以上であることが好ましい。好ましくは５Ｌ以上、１０Ｌ以上、２０Ｌ以上、５０Ｌ以上、１００Ｌ以上、２００Ｌ以上である。また、好ましくは１０００Ｌ以下、３０００Ｌ以下である。容積が大きい方が大量の撹拌に適し、また内袋がバッフルによく密着する。内容物が内袋に収容される場合、内袋の容量は、撹拌容器の容積に適合することが好ましい。容器外殻に収容される内袋には、内容物として、液体（例えば培地）と気体を含むことが好ましい。

内袋には、内容物（例えば培地）や雰囲気ガス等の内容物の追加、取り出し、内容物のｐＨ等の制御、添加物等の追加等の目的で、１又は２以上のチューブ、注出口、コック、キャップ、注ぎ口等を設けることもできる。チューブには、フィルター、フローモニター、流量計、バルブ、ポンプ等を設けてもよい。内袋およびその付属物は、培養や衛生等の目的では必要に応じて、使用前に滅菌されていることが好ましい。滅菌手段は使用の目的等に応じて適宜選択でき、具体例として、γ線等の放射線、エチレンオキサイド等のガス、水蒸気等による加熱などが挙げられる。

上述の撹拌容器は、振とう型培養容器として、流加培養（フェドバッチ方式）、灌流培養（パーフュージョン方式）のいずれにも応用することができる。培養する生物体、細胞等は、特に限定されず、大腸菌をはじめとする菌類、酵母、微生物、昆虫細胞、植物細胞、動物細胞や、バイオ医薬製造用のＣＨＯ（ＣｈｉｎｅｓｅＨａｍｓｔｅｒＯｖａｒｙ）細胞や、ＨｅＬａ細胞、ＣＯＳ細胞、再生医療用途のｉＰＳ細胞、間葉系幹細胞を始めとした幹細胞、分化させた組織細胞などの動物細胞、などの培養に用いることができる。

内容物の温度については、撹拌容器にヒータ等の温度調整機能を用いて温度調整を行うことができる。培養を行う場合の温度は、培養される生物の種類にもよるが、例えば微生物の場合、４〜４０℃が好ましく、２５〜３７℃が特に好ましい。培養しないで培地等の撹拌装置として用いる場合は、冷却してもよい（例えば４〜２０℃）。温度管理は、内袋に温度計を組み込み、その測定値を利用することで、フィードバック制御を行うことができる。温度計は、接触式温度計でもよいが、据え置き型非接触温度計が好ましい。

上述のバッフルは、１段に限られず、複数段に設けられている構成としてもよい。各段のバッフルの断面形状および寸法は、同一でもよく、異ならせてもよい。上述のバッフルが１段または複数段に設けられた撹拌容器を用いる場合において、内容物の上面を、少なくとも１つ以上のバッフル以上の高さとして撹拌を行うことが好ましい。これにより、内容物に作用するシェアを抑制するために、マイルドに撹拌しても、高い撹拌効率で均一に混合することが可能になる。同時に２以上のバッフルが作用する場合、効果を増強することができる。

例えばフェドバッチ法の場合は、培養期間中に培地を連続的に追加するため、液面が徐々に上昇する。そこで、培養期間の開始時から終了時まで継続して、液面が少なくとも１つ以上のバッフル以上の高さにあることが好ましい。側面に複数段のバッフルを設けた場合、液面の上昇に伴って、液面下にあるバッフルの個数が段階的に増加してもよい。上述したように、撹拌時に液面が上下する場合は、液面が上下する範囲内またはその近傍に、少なくとも１つのバッフルが存在することが好ましい。

容器外殻の高さに対する、底面からバッフルまでの高さの比率の例示としては、特にこれらに限定されるものではないが、０．１倍、０．２倍、０．３倍、０．４倍、０．５倍、０．６倍、０．７倍、０．８倍、０．９倍等が挙げられる。
バッフルが、上端が水平面で下端が斜面である三角形状の断面を有する場合は、バッフルの水平方向の寸法は、撹拌容器を構成する円柱の直径の０．１〜０．２倍、円柱の半径に対しては０．２〜０．４倍が好ましい。また、バッフルの高さ方向の寸法は、撹拌容器を構成する円柱の高さの０．１〜０．４倍が好ましい。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。

半径が３０ｃｍの円筒状の容器外殻を準備し、中に可撓性バックからなる内袋を入れ、さらにその中に６０Ｌの透明の溶液を入れた。バッフルが無い場合（比較例２）は、液面の高さは容器外殻の底面から約２１ｃｍであった。バッフルのある場合では、実施例２および比較例３を除き、静止時の液面の高さがバッフルよりも３ｃｍ高くなるようにバッフルの寸法および設置位置を設定した。その後、外殻を円を描くように振幅１０ｃｍで一方向に回転させながら振とう撹拌を行った。回転時に、静止した時の端部よりも液面が５ｃｍ上昇するように撹拌を行った。回転が十分に安定したところで、液面の中心に赤色染料を含んだ溶液を１ｍＬ滴下した。滴下したときから、滴下した染料が均一に十分に混合されて目視にて濃淡が分からなくなるまでの時間を計測した。

実施例１として、図１および図２に示すように、容器外殻１０の略中央の高さで、側面１１の全周にわたり、断面が三角形状のバッフル１４を設けた。この場合、均一に混ざるまでの時間は約４秒であった。

実施例２として、実施例１と同様に、容器外殻１０の略中央の高さで、側面１１の全周にわたり、断面が三角形状のバッフル１４を設けたが、静止時の液面１６の高さがバッフル１４の上端の高さと同等となるように、容器外殻１０の底面１３からのバッフル１４の高さを変更した。この場合、均一に混ざるまでの時間は約７秒であった。

実施例３として、図３および図４に示すように、容器外殻１０Ａの略中央の高さで、側面１１の全周にわたり、断面が四角形状のバッフル１４Ａを設けた。この場合、均一に混ざるまでの時間は約７秒であった。

実施例４として、図５および図６に示すように、容器外殻１０Ｂの略中央の高さで、側面１１の全周にわたり、断面が半円形状のバッフル１４Ｂを設けた。この場合、均一に混ざるまでの時間は約６秒であった。

実施例５として、図７および図８に示すように、容器外殻１０Ｃの略中央の高さで、側面１１の約半周にわたり、断面が三角形状のバッフル１４Ｃを設けた。この場合、均一に混ざるまでの時間は約６秒であった。

比較例１として、図９および図１０に示すように、容器外殻１０Ｘの略中央の高さで、側面１１の四カ所に、略直方体状のバッフル１４Ｘを設けた。この場合、均一に混ざるまでの時間は約１５秒であった。

比較例２として、図１１および図１２に示すように、容器外殻１００の側面１１を、バッフルを有しない円筒面とした。この場合、均一に混ざるまでの時間は約２０秒であった。

比較例３として、図１３および図１４に示すように、容器外殻１０Ｙの側面１１の上端で、側面１１の全周にわたり、断面が三角形状のバッフル１４Ｙを設けた。上面１２とバッフル１４Ｙの上端との間には空間がなく、内袋１５の上部が入らなかった。静止時の液面１６の高さは、バッフル１４Ｙの下端の高さより３ｃｍ低くなっていた。この場合、均一に混ざるまでの時間は約１７秒であった。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｘ，１０Ｙ，１００…容器外殻、１１…容器外殻の側面、１２…容器外殻の上面、１３…容器外殻の底面、１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ、１４Ｘ，１４Ｙ…バッフル、１５…内袋、１６…静止時の内容物の上面（液面）、１７…円形の軌道、１８Ａ，１８Ｂ…撹拌時の内容物の上面（液面）。

Claims

液状の内容物を入れることができる円柱状の撹拌容器であって、内部に水平方向に延在して設けられた突起状のバッフルを有することを特徴とする撹拌容器。
前記撹拌容器が、前記バッフルを有する円筒状の容器外殻と、前記容器外殻に収容された可撓性の内袋とを備えることを特徴とする請求項１に記載の撹拌容器。
前記撹拌容器の中心を円形の軌道上で水平方向に回転移動させる公転運動をさせながら振とうさせることができることを特徴とする請求項１または２に記載の撹拌容器。
前記撹拌容器の容積が１Ｌ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の撹拌容器。
前記撹拌容器の底面から前記バッフルまでの高さが、前記撹拌容器の高さの０．０１〜０．９９倍の範囲内であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の撹拌容器。
前記バッフルが、複数段に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の撹拌容器。
前記バッフルは、上端が水平面で下端が斜面である三角形状の断面を有し、水平方向の寸法が前記撹拌容器を構成する円柱の直径の０．１〜０．２倍であり、高さ方向の寸法が前記撹拌容器を構成する円柱の高さの０．１〜０．４倍であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の撹拌容器。
請求項１〜７のいずれかに記載の撹拌容器を用い、前記内容物の上面を、少なくとも１つ以上の前記バッフル以上の高さとして撹拌を行う撹拌方法。