JP2020089304A - 細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】培養液中の溶存ガス濃度を従来に比べて高い精度で制御することができる細胞培養装置及び培養液の気体濃度制御方法の提供。【解決手段】細胞を培養する培養容器と、培養容器内の細胞に供給する培養液を保持する培養液槽と、培養液槽に保持された培養液を培養容器に送液する送液ポンプと、培養液中のターゲットガスの濃度を検出する溶存ガスセンサ２０６によって検出された溶存ガス濃度に基づいて培養液中のターゲットガスの濃度を制御する溶存ガス濃度制御ユニット２００と、を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、培養液中の溶存ガス濃度を制御することが可能な細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法に関する。

培養容器や流路を密閉系構造にして、駆動力を供給して自動培養するシステムの培養容器に無菌的に培地や細胞を入れ培養処理を実施する自動培養装置の一例として、特許文献１には、ベースを無菌環境下で組み立てて、密閉系流路内に培地や細胞を入れ、ガイドにより培養容器や密閉系流路の最適な配置を可能にし、ベースを自動培養装置の内部の駆動部と容易に接続して、流路に駆動力を供給することにより、ベースにより密閉系培養容器による密閉系流路の設置容易性を備えることが記載されている。

特開２０１１−１４２８３７号公報

近年、再生医療技術の発展に伴い、研究用途のみならず、医療分野における治療用途として、細胞培養技術によって再生された組織が求められている。

そのため、数多くの細胞を可能な限りコンタミネーションリスクの低い方法で培養する手段として、閉鎖系流路を用いた細胞培養装置を使用することが望まれている。

このようなコンタミネーションリスクの低い閉鎖系流路を用いた細胞培養装置の多くは、チューブ等で大気と培養液とを隔離している。

閉鎖系流路を用いた細胞培養装置の一例として、例えば特許文献１に記載されたような装置がある。

しかしながら、特許文献１に記載されたような一方通行型の閉鎖系流路や完全に系が閉じている循環型の閉鎖系流路を用いた細胞培養装置では、閉鎖系流路を格納しているガスインキュベータ内のガス濃度を制御することで細胞培養装置の濃度を制御している。

このため、最も一般的な培養ディッシュを用いた細胞培養のように、培養液が大気に直接接触できる開放系流路に比べて培養液中の溶存ガスと大気中のガスとのガス交換性能が充分に確保されておらず、培養液自体のガス濃度をより正確に制御する余地があることが本発明者らの検討により明らかとなった。

本発明は、培養液中の溶存ガス濃度を従来に比べて高い精度で制御することができる細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、細胞を培養する培養容器と、前記培養容器内の前記細胞に供給する培養液を保持する培養槽と、前記培養槽に保持された前記培養液を前記培養容器に送液する送液ポンプと、を備えた細胞培養装置において、前記培養液中のターゲットガスの濃度を検出する溶存ガスセンサによって検出された溶存ガス濃度に基づいて前記培養液中の前記ターゲットガスの濃度を制御する気体制御モジュールを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、培養液中の溶存ガス濃度を従来に比べて高い精度で制御することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

従来の細胞材用装置において、ガスインキュベータ内のガス濃度を制御する方式を示す図である。 本発明の実施例１の細胞培養装置の概略構成を示す図である。 実施例１の細胞培養装置のうち、溶存ガス濃度制御ユニットの概略構成を示す図である。 実施例１の細胞培養装置における溶存ガス濃度制御のフローチャートである。 実施例１の細胞培養装置のうち、溶存ガス濃度制御ユニットの他の一例を示す図である。 実施例１の細胞培養装置の他の一例における培養液の流速制御のフローチャートである。 本発明の実施例２の細胞培養装置のうち、溶存ガス濃度制御ユニットの概略構成を示す図である。 本発明の実施例３の細胞培養装置のうち、溶存ガス濃度制御ユニットの配置の一例を示す図である。 実施例３の細胞培養装置による溶存ガス濃度制御のフローチャートである。 本発明の実施例４の細胞培養装置の概略構成を示す図である。 実施例４の細胞培養装置のシステム構成を示す図である。 実施例４の細胞培養装置の他のシステム構成の一例を示す図である。 本発明の実施例５の細胞培養装置の概略構成を示す図である。

以下に本発明の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法の実施例を、図面を用いて説明する。

＜実施例１＞
本発明の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法の実施例１について図１乃至図６を用いて説明する。

最初に、従来の閉鎖系流路をもつ細胞培養装置の構成とその問題点について図１を用いて簡単に説明する。図１は、従来の閉鎖系流路をもつ細胞培養装置において、培養液中の溶存ガス濃度を制御するシステム構成を表している。

図１において、従来の細胞培養装置は、インキュベータ１０１内に、培養物１０３を収容する培養容器１０２、培養液１０６を送液する送液ポンプ１０４、培養液１０６を溜める培養液槽１０５、チューブ１０７から構成される。

この細胞培養装置では、インキュベータ１０１内大気の溶存ガス濃度、温度、湿度制御はそれぞれ、窒素ガス供給機構１０８、ＣＯ_２ガス供給機構１０９、加温機構１１０、加湿機構１１１によって制御される。

図１のように、インキュベータ１０１内に格納された閉鎖系流路内の培養液中の溶存ガス濃度は、チューブ１０７等の隔壁材を通したガスの気液平衡状態に依存している。特に、チューブ１０７を構成する素材のガス透過性能に大きく依存する。このため、より正確な培養液中の溶存ガス濃度を制御する余地があることが明らかとなった。また、間接的な値であるインキュベータ１０１内のガス濃度を記録するのみであったため、培養液中の溶存ガス濃度を正確に記録することもできず、培養条件の優れたトレーサビリティを確保することについても改善の余地があることが明らかとなった。

以下、本実施例の細胞培養装置の構成について図２および図３を用いて説明する。図２は本実施例１の細胞培養装置の概略構成を示す図、図３は図２に示す細胞培養装置のうち、溶存ガス濃度制御ユニットの概略構成を示す図である。

図２において、本実施例の細胞培養装置１００は、培養物１０３を収容する培養容器１０２、培養容器１０２内の培養物１０３に供給する培養液１０６を溜める培養液槽１０５、培養液槽１０５に保持された培養液１０６を培養容器１０２に送液する送液ポンプ１０４、ガス不透過性チューブ２０５、溶存ガス濃度制御ユニット２００を備えている。

この細胞培養装置１００は、培養容器１０２から排出された培養液１０６が培養液槽１０５に戻る循環型の閉鎖系で構成される。

本実施例の細胞培養装置１００では、溶存ガス濃度制御ユニット２００以外の培養液槽１０５と培養容器１０２とを接続する流路や培養容器１０２から排出された培養液１０６が培養液槽１０５に戻るまでの流路は、全て、ターゲットガスを含めて気体を透過させないガス不透過性チューブ２０５から構成される。

ガス不透過性チューブ２０５は、好適にはテフロン（登録商標）等のフッ素樹脂から構成される。

図２および図３に示すように、溶存ガス濃度制御ユニット２００は、細胞培養装置１００の閉鎖系流路上に配置されており、培養液１０６中のターゲットガスの濃度を検出する溶存ガスセンサ２０６によって検出された溶存ガス濃度に基づいて培養液１０６中のターゲットガスの濃度を制御するユニットである。

溶存ガス濃度制御ユニット２００は、溶存ガスセンサ２０６、溶存ガスセンサ処理回路２１４、ガスチャンバー２０２、圧力センサ２０１、圧力センサ処理回路２１１、ガスチャンバー内圧制御部２０３、ガス供給機構２０７、ガス供給機構制御バルブ２０９、ガス供給機構制御回路２１２、脱気機構２０８、脱気機構制御バルブ２１０、脱気機構制御回路２１３、コントローラ２１５、外部通信回路２１６、記憶装置２１７を備えている。

溶存ガスセンサ２０６は、ガス不透過性チューブ２０５を流れる培養液１０６中のターゲットガスの濃度を測定するセンサであり、好適には培養液１０６に接触することなく溶存ガス濃度を測定可能な様々な非接触式のガスセンサが用いられることが望ましい。

溶存ガスセンサ処理回路２１４は、溶存ガスセンサ２０６で測定された培養液１０６中のターゲットガスの濃度の信号を処理し、コントローラ２１５に出力する。

ガスチャンバー２０２は、ガス透過性フィルム２０４を介して培養液１０６中のターゲットガスを培養液１０６に供給あるいは培養液１０６から脱気させるための空間である。

本実施例では、ガス透過性フィルム２０４を含むガスチャンバー２０２は、溶存ガスセンサ２０６の上流側に配置されており、フィードバック制御によりターゲットガスの濃度が制御される。制御の流れは図４を用いて後述する。

ガス透過性フィルム２０４は培養液１０６とガスチャンバー２０２とを隔壁するフィルムであり、好適には孔が気体と同サイズの、気体以外の培養液１０６を構成する各種成分は透過させないように構成されたフィルムである。このガス透過性フィルム２０４は、ガスチャンバー２０２内のターゲットガスを含む気体および培養液１０６と接触している。

圧力センサ２０１は、ガスチャンバー２０２内の圧力を測定するセンサである。圧力センサ処理回路２１１は、圧力センサ２０１で測定されたガスチャンバー２０２内の圧力の信号を処理し、コントローラ２１５に出力する。

ガスチャンバー内圧制御部２０３は、ガスチャンバー２０２の圧力を制御する部分であり、ガス透過性フィルム２０４を介してターゲットガスを培養液１０６に供給あるいは培養液１０６から脱気させる部分である。

ガスチャンバー内圧制御部２０３には、ガスチャンバー内圧制御部２０３にガスを供給するガス供給機構２０７およびガス供給機構制御バルブ２０９が接続されている。

ガス供給機構２０７はターゲットガスが充填されたボンベ等である。ガス供給機構制御バルブ２０９は、より正確にガスチャンバー２０２内を加圧値とするために、比例電磁弁などを用いてフィードバック制御できるようなカスケード制御方式であることが望ましい。

また、ガスチャンバー内圧制御部２０３には、ガスチャンバー内圧制御部２０３内の圧力を減圧する脱気機構２０８および脱気機構制御バルブ２１０が接続されている。

脱気機構２０８は、脱気機構２０８はガスチャンバー２０２に接続されたガスチャンバー内圧制御部２０３からターゲットガスを含む気体を脱気する機器である。例えば、算出された減圧値によって、大気解放ポート等で大気解放することで減圧を行う方法や、真空ポンプポンプなどでガスチャンバー２０２内を負圧とすることで減圧を行う方法があり、特に手段は問わないが、こちらもカスケード制御方式であることが望ましい。

また、脱気機構制御バルブ２１０は、外乱の影響がある系や、圧力測定から圧力制御のプロセスに時間が掛かるような系において、より正確にガスチャンバー２０２内を減圧値とするために、比例電磁弁などを用いてフィードバック制御できるようなカスケード制御方式が望ましい。

コントローラ２１５は、溶存ガスセンサ処理回路２１４で信号処理された溶存ガスセンサ２０６によって測定された溶存ガス濃度や、圧力センサ処理回路２１１で信号処理された圧力センサ２０１にて測定された圧力値に基づいて、培養液１０６のターゲットガス濃度を所定の値や所定範囲内に収めるために必要なガス供給機構２０７からのターゲットガスの供給量あるいは脱気量を求め、ガス供給機構制御回路２１２あるいは脱気機構制御回路２１３に対して制御信号を出力する。

ガス供給機構制御回路２１２は、コントローラ２１５からの信号を受け、ガス供給機構２０７からのターゲットガスの供給の有無とガス供給機構制御バルブ２０９の開度を制御する。ターゲットガスの供給量は、ガス供給機構２０７からの供給量、あるいはガス供給機構制御バルブ２０９の開度のうち少なくともいずれかによって調整する。

脱気機構制御回路２１３は、コントローラ２１５からの信号を受け、脱気機構制御バルブ２１０の開度と脱気機構２０８による気体の脱気の有無を制御する。気体の脱気量は、脱気機構２０８による脱気量、あるいは脱気機構制御バルブ２１０の開度によって調整する。

コントローラ２１５は、外部機器との信号の送受信を行うための外部通信回路２１６を備えており、記憶装置２１７等と接続されている。外部通信回路２１６における通信手段は、有線、無線を問わない。

記憶装置２１７は、溶存ガスセンサ２０６によって測定された培養液１０６中の溶存ガス濃度を記憶する装置であり、ＨＤＤやＳＳＤ等の各種記録媒体から構成される。この記憶装置２１７は、圧力センサ２０１で測定された圧力値についても記憶してもよい。ユーザは、記憶装置２１７に記憶された培養物１０３の培養中の溶存ガス濃度のデータを必要に応じて読み出し、利用することができる。なお、記憶装置２１７は記録媒体である必要はなく、紙などに溶存ガス濃度を記す印刷機であってもよい。

次に、好適には本実施例の細胞培養装置１００のうち、溶存ガス濃度制御ユニット２００を用いた、培養液１０６中の溶存ガス濃度制御方法について図４を用いて説明する。図４は気体濃度制御のフロー図の一例である。

まず、細胞培養装置１００の運転中に、溶存ガスセンサ２０６にて培養液１０６中の溶存ガス濃度を測定する（ステップＳ３０１）。

続いて、コントローラ２１５は、ステップＳ３０１において測定した、測定濃度から設定濃度を減算して求める偏差（測定濃度−設定濃度）の絶対値と、設定された閾値との大小関係を判定する（ステップＳ３０２）。

ステップＳ３０２にて偏差の絶対値≦閾値と判定された場合は、測定濃度が設定濃度に十分近いと判断し、溶存ガス濃度制御は行わずに処理をステップＳ３０８に進める。

これに対し、ステップＳ３０２にて偏差の絶対値＞閾値と判定された場合は、測定濃度が設定濃度に十分離れているため、処理をステップＳ３０３に進め、溶存ガス濃度制御動作を開始する。

次に、コントローラ２１５は、ステップＳ３０２にて算出した偏差（測定濃度−設定濃度）自体の正負符号を判定する（ステップＳ３０３）。

ステップＳ３０３にて、偏差が正である、すなわち測定濃度が設定濃度よりも大きいと判定された場合は、測定時よりも溶存ガス濃度を低下させて、設定濃度に近づける必要がある。

ここで、液体中の溶存ガス分圧はヘンリーの法則に従う。このため、溶存ガス分圧ｐは、以下に示す式（１）
ｐ＝ＫＨ・Ｘ …（１）
で表すことができる。ここでｐはガス分圧、ＫＨは比例定数、Ｘはモル分率を表す。

この式（１）に示すように、溶存ガス分圧はモル分率、つまり、溶存ガス濃度に比例する。従って、式（１）より、溶存ガス濃度を低下させて設定濃度に近づけるためには、ガス分圧を測定時よりもいくらか低下させることで実現可能であることが分かる。

そこで、コントローラ２１５は、測定濃度と設定濃度の偏差を計算し、その偏差に応じたガスチャンバー２０２内の減圧値を算出する（ステップＳ３０４）。

減圧値の算出過程においては、より正確に溶存濃度を制御するために、外乱の影響を受けにくいＰＩ制御や、ＰＩＤ制御といったフィードバック制御方法が望ましい。このために、ガス透過性フィルム２０４を含むガスチャンバー２０２は、上述のように溶存ガスセンサ２０６の上流側に配置することが望ましい。

続いて、コントローラ２１５は、ステップＳ３０４にて算出した減圧値を実現するための脱気機構制御バルブ２１０の開度を演算し、脱気機構制御回路２１３に演算した制御信号を出力する。脱気機構制御回路２１３は、入力された制御信号に基づいて脱気機構制御バルブ２１０を開き、ガスチャンバー２０２内が減圧値となるよう脱気機構２０８による脱気を実行させる（ステップＳ３０５）。

ステップＳ３０３に戻り、偏差が負である、すなわち測定濃度が設定濃度よりも小さいと判定された場合は、測定時よりも溶存ガス濃度を増加させて、設定濃度に近づける必要がある。

ここで、上述したヘンリーの法則および式（１）より、溶存ガス濃度を増加させて設定濃度に近づけるには、ガス分圧を測定時よりもいくらか増加させる必要がある。

そこで、コントローラ２１５は、測定濃度と設定濃度の偏差を計算し、その偏差に応じたガスチャンバー２０２内の加圧値を算出する（ステップＳ３０６）。

加圧値の算出過程においては、減圧値の算出と同様に、外乱の影響がある系や、圧力測定から圧力制御のプロセスに時間が掛かるような系において、より正確に、溶存濃度を制御するために、外乱の影響を受けにくいＰＩ制御や、ＰＩＤ制御といったフィードバック制御方法が望ましい。

続いて、コントローラ２１５は、ステップＳ３０６にて算出した加圧値を実現するためのガス供給機構制御バルブ２０９の開度を演算し、ガス供給機構制御回路２１２に演算した制御信号を出力する。ガス供給機構制御回路２１２は、入力された制御信号に基づいてガス供給機構制御バルブ２０９を開き、ガスチャンバー２０２内が加圧値となるようガス供給機構２０７による加圧を実行させる（ステップＳ３０７）。

ステップＳ３０２の判定処理後、ステップＳ３０５の減圧処理、もしくはステップＳ３０７の加圧処理終了後、コントローラ２１５は、現在の装置状態が培養中かどうかの判定を行う（ステップＳ３０８）。ステップＳ３０８にて装置状態が“培養中”と判定された場合は、あらかじめ設定された周期にてステップＳ３０１に処理を戻して、制御を繰り返し実施する。これに対して“培養終了”と判定された場合、処理を終了する。

上述のように、本実施例の溶存ガス濃度制御ユニット２００による溶存ガス濃度の制御では、培養液１０６の流路方向に対して、ガスチャンバー２０２よりも下流側に溶存ガスセンサ２０６を備えることで、ガスチャンバー２０２にて制御した溶存ガス濃度をリアルタイム測定している。

ここで、溶存ガス濃度のフィードバック制御において正確な制御を行う場合、制御のリアルタイム性を考慮すると、理想的には、（１）培養液流速は極力速く、（２）ガスチャンバー２０２から溶存ガスセンサ２０６までの距離は極力近く、（３）フィードバック制御のサンプリング周期は極力短く、また、（４）培養液流速のバラツキは極力小さい、ことが求められる。

ここで、「（１）培養液流速は極力速く」に関しては、培養液の流速を速めることにより細胞・組織が破壊されてしまうこと、また培養液の流れが細胞に対してせん断応力等の力学刺激の影響を及ぼしてしまうリスクがある。このため、むやみに流速を速くすることは困難である。

また、「（２）ガスチャンバー２０２から溶存ガスセンサ２０６までの距離は極力近く」に関しては、ガスチャンバー２０２と溶存ガスセンサ２０６とをお互い極力近く配置することで実現可能である。

次に、「（３）フィードバック制御のサンプリング周期は極力短く」に関しては、制御に用いるコントローラ２１５の処理能力を高めることで実現可能である。

そして、「（４）培養液流速のバラツキは極力小さいこと」に関しては、実際に培養液の流速を測定して測定流速と設定流速の偏差を計算し、その偏差に応じて送液ポンプ１０４の流速をフィードバック制御し続けることが望ましい。

以下、図５および図６を用いて培養液流路中に流速計をもつ本実施例の細胞培養装置のバリエーションについて説明する。図５は本実施例１の細胞培養装置のうち、溶存ガス濃度制御ユニットの概略構成を示す図である。図６に、流速センサ４０１を備えた細胞培養装置における培養液流速制御のフローを示す。

細胞培養装置のバリエーションのうち、溶存ガス濃度制御ユニット４００以外の構成は図２に示した細胞培養装置の構成、動作と同じであるため、詳細は省略する。

図５に示す溶存ガス濃度制御ユニット４００は、図３に示した溶存ガス濃度制御ユニット２００に加えて、培養液１０６の流速を測定する流速センサ４０１と、流速センサ４０１によって測定された培養液１０６の流速の信号を処理し、コントローラ４１５に出力する流速センサ処理回路４０２を更に備えている。

コントローラ４１５は、図３に示したコントローラ２１５と同等の機能に加えて、流速センサ４０１によって測定された培養液１０６の流速に基づいて送液ポンプ１０４による培養液１０６の送液速度を制御する機能を有している。

流速センサ４０１は、培養液１０６に接触せずにその流速を測定することが望ましく、例えば超音波式や熱伝導式等の方式のセンサを用いることが望ましい。

次に培養液流速制御の流れについて図６を用いて説明する。

なお、図６に示した培養液流速制御のフローは、コントローラ４１５にて図４に示した溶存ガス濃度制御のフロー内で実施しても良いし、別に独立制御させても良い。正確な制御を行うためには、フィードバック制御の繰返し周期は極力短いことが望ましい。以下、コントローラ４１５にて独立して実行する場合を例に説明する。

始めに、流速センサ４０１にて、培養液１０６の流速を測定する（ステップＳ５０１）。

次に、コントローラ４１５は、ステップＳ５０１にて測定した培養液１０６の流速から設定流速を減算して求める偏差（測定流速−設定流速）の絶対値と、設定された閾値との大小関係を判定する（ステップＳ５０２）。

ステップＳ５０２にて、偏差の絶対値≦閾値と判定された場合は、測定流速が設定流速に十分近いとし、培養液の流速制御は行わずに処理をステップＳ５０５に進める。

これに対し、ステップＳ５０２にて偏差の絶対値＞閾値と判定された場合は、測定流速が設定流速に十分離れているとし、処理をステップＳ５０３ｂに進め、培養液１０６の流速の制御動作を開始する。

次に、コントローラ４１５は、ステップＳ５０２にて算出した偏差から送液ポンプ１０４の制御量を算出する（ステップＳ５０３）。送液ポンプ１０４の制御量の算出過程においては、より正確に培養液の流速を制御するために、外乱の影響を受けにくいＰＩ制御や、ＰＩＤ制御といったフィードバック制御方法が望ましい。

次に、コントローラ４１５は、外部通信回路２１６を介して送液ポンプ１０４の制御コントローラへステップＳ５０３にて算出した送液ポンプ１０４の制御量を送信し、送液ポンプ１０４は入力された制御量に基づいて運転する（ステップＳ５０４）。コントローラ４１５が送液ポンプ１０４の制御コントローラを兼ねる場合は、送液ポンプ１０４の制御量を外部通信回路２１６を介して送信する必要はない。

ステップＳ５０２の判定処理後、もしくはステップ５０４の速度制御を実施後、コントローラ４１５は、現在の装置状態が培養中かどうかの判定を行う（ステップＳ５０５）。ステップＳ５０５にて装置状態が“培養中”と判定された場合は、あらかじめ設定された周期にてステップＳ５０１に処理を戻して、制御を繰り返し実施する。これに対して“培養終了”と判定された場合、処理を終了する。

次に、本実施例の効果について説明する。

上述した本発明の実施例１の細胞培養装置１００は、細胞を培養する培養容器１０２と、培養容器１０２内の細胞に供給する培養液１０６を保持する培養液槽１０５と、培養液槽１０５に保持された培養液１０６を培養容器１０２に送液する送液ポンプ１０４と、培養液１０６中のターゲットガスの濃度を検出する溶存ガスセンサ２０６によって検出された溶存ガス濃度に基づいて培養液１０６中のターゲットガスの濃度を制御する溶存ガス濃度制御ユニット２００と、を備えている。

本発明によれば、培養液１０６中のターゲットガス濃度が所定値、あるいは所定範囲内に収まるよう溶存ガス濃度制御ユニット２００内が制御されることから、従来に比べて正確に培養液の溶存ガス濃度を制御することができる。

例えば、大気中のＯ_２濃度よりも低い低Ｏ_２濃度（例：２％）での培養の場合、図１に示すような従来のガスインキュベータ内のガス濃度を制御する方式の場合は、ガスインキュベータ内を多量のバッファーガス（窒素ガスなど）で常時ガスパージし続けながら、インキュベータ内のＯ_２濃度を低下させる必要がある。この場合、膨大な量のバッファーガスを消費するため、環境負荷が高く、またランニングコストが非常に高くなる、との問題があった。

これに対して、本実施例であれば、低Ｏ_２濃度の設定値となるまで溶存ガス濃度制御ユニット２００を負圧制御するのみでよいため、従来の様に必要以上にバッファーガスを消費することなく、また環境負荷が非常に少なく、更にランニングコストの低い、優れた培養液中の溶存ガス濃度制御方法を実現することができる。

また、細胞培養装置１００は、培養容器１０２から排出された培養液１０６が培養液槽１０５に戻る循環型の閉鎖系で構成されることにより、外部気体に培養液が触れる箇所が少なく、より溶存ガス濃度の制御しやすい細胞培養装置とすることができる。

更に、溶存ガス濃度制御ユニット２００は、ターゲットガスを含む気体および培養液１０６と接触するガス透過性フィルム２０４と、ガス透過性フィルム２０４を介して気体を培養液１０６に供給あるいは培養液１０６から脱気させるガスチャンバー内圧制御部２０３と、を有することで、培養液１０６中のターゲットガス濃度を、培養液１０６に直接接触することなく、より容易かつ確実に所定範囲内に制御することができる。

また、溶存ガス濃度制御ユニット２００のうち、ガス透過性フィルム２０４は、溶存ガスセンサ２０６の上流側に配置され、フィードバック制御によりターゲットガスの濃度が制御されるため、培養液１０６中の溶存ガス濃度をより速やかに且つ安定して狙い通りの範囲に収めることでき、溶存ガス濃度の制御をより安定させることができる。

更に、溶存ガス濃度制御ユニット２００は、溶存ガスセンサ２０６によって検出された溶存ガス濃度を記憶する記憶装置２１７を更に有することで、培養液中の溶存ガス濃度を記録できる。このため、従来のガスインキュベータ内のガス濃度を制御する方式に比べてトレーサビリティの優れた方法で培養を行うことが可能となる。特に、細胞培養装置１００にて培養した細胞からなる再生組織を最終的に治療用途に使用する場合、最適な条件で培養が行われたか否かをより容易に判定することに大きく寄与することになる。

また、培養液１０６中の溶存ガス濃度をより正確かつ簡易に制御するためには、溶存ガス濃度制御ユニット２００以外の箇所では、培養液１０６中の溶存ガスが大気等の外部のガスとガス交換を行ってしまうことを極力防ぐ必要がある。そこで、溶存ガス濃度制御ユニット２００のうち、培養液槽１０５と培養容器１０２とを接続する流路を構成する配管は、ターゲットガスを含めて気体を透過させないガス不透過性チューブ２０５で構成されることにより、不要なガス交換が行われることを抑制することができ、より正確で、濃度の変動量の小さい溶存ガス濃度制御が可能となる。

更に、培養容器１０２から排出された培養液１０６が培養液槽１０５に戻るまでの流路を構成する配管も、ターゲットガスを含めて気体を透過させないガス不透過性チューブ２０５で構成されることで、不要なガス交換が行われることを更に抑制することができ、更に正確な溶存ガス濃度制御が可能となる。

また、培養液１０６の流速を測定する流速センサ４０１と、流速センサ４０１によって測定された培養液１０６の流速に基づいて送液ポンプ１０４による培養液１０６の送液速度を制御する流速センサ処理回路４０２と、を更に備えたことにより、溶存ガス濃度の制御の正確性をより高めることができる。とくに、フィードバック制御を行う場合の精度を高めることができる。

なお、図２に示す細胞培養装置１００は、図１に示すようなインキュベータ１０１内に配置しても構わない。この場合、ガス不透過性チューブ２０５の替わりに図１に示すようなチューブ１０７を用いることができる。また、ガス不透過性チューブ２０５の替わりに図１に示すようなチューブ１０７を用いるは、図１に示すような窒素ガス供給機構１０８、ＣＯ_２ガス供給機構１０９、加温機構１１０、加湿機構１１１のうち少なくとも１つ以上を用いてインキュベータ１０１内の雰囲気制御を行うことが望ましい。以下に示す実施例２，３，４も同様である。

＜実施例２＞
本発明の実施例２の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法について図７を用いて説明する。実施例１と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下の実施例においても同様とする。図７は本実施例２の細胞培養装置のうち、溶存ガス濃度制御ユニットの概略構成を示す図である。

実施例１の細胞培養装置１００では溶存ガス濃度制御ユニット２００，４００内の隔壁としてガス透過性フィルム２０４を使用したが、本実施例の細胞培養装置ではガス透過性フィルム２０４の代わりにガス選択性透過フィルム６０４を用いる。

図７に示すように、本実施例の細胞培養装置における溶存ガス濃度制御ユニット６００は、溶存ガスセンサ２０６、溶存ガスセンサ処理回路２１４、ガスチャンバー６０２、圧力センサ２０１、圧力センサ処理回路２１１、ガスチャンバー内圧制御部６０３、加圧機構６０７、加圧機構制御バルブ６０９、加圧機構制御回路６１２、脱気機構２０８、脱気機構制御バルブ２１０、脱気機構制御回路２１３、コントローラ６１５、外部通信回路２１６、記憶装置２１７を備えている。

これらの各構成のうち、ガスチャンバー６０２、ガスチャンバー内圧制御部６０３、加圧機構６０７、加圧機構制御バルブ６０９、加圧機構制御回路６１２およびコントローラ６１５以外は図３で示したものと同じ構成であり、その詳細は省略する。

ガスチャンバー６０２は、ガス選択性透過フィルム６０４を介して培養液１０６中のターゲットガスを培養液１０６に加圧あるいは培養液１０６から脱気させるための空間である。

本実施例でも、ガス選択性透過フィルム６０４を含むガスチャンバー６０２は、溶存ガスセンサ２０６の上流側に配置されており、フィードバック制御によりターゲットガスの濃度が制御される。

ガス選択性透過フィルム６０４は培養液１０６とガスチャンバー６０２とを隔壁するフィルムであり、好適には孔がターゲットガスと同サイズであり、培養液１０６を構成する各種成分を含めてターゲットガス以外の気体を透過させることがないように構成されたフィルムである。

ガスチャンバー内圧制御部６０３は、ガスチャンバー６０２の圧力を制御する部分であり、ガス選択性透過フィルム６０４を介してターゲットガスを培養液１０６に加圧あるいは培養液１０６から脱気させる部分である。

ガスチャンバー内圧制御部６０３には、ガスチャンバー内圧制御部６０３にターゲットガスを供給する加圧機構６０７および加圧機構制御バルブ６０９が接続されている。加圧機構６０７はターゲットガスを含む気体が充填されたボンベ等である。

コントローラ６１５は、測定された溶存ガス濃度やガスチャンバー６０２内の圧力値に基づいて、培養液１０６のターゲットガス濃度を所定の値や所定範囲内に収めるために必要な加圧機構６０７による加圧量、あるいは脱気量を求め、加圧機構制御回路６１２や脱気機構制御回路２１３に対して制御信号を出力する。

加圧機構制御回路６１２は、コントローラ６１５からの信号を受け、加圧機構６０７からの気体の供給の有無や加圧機構制御バルブ６０９の開度を制御する。気体の加圧量は、加圧機構６０７からの気体の供給量、あるいは加圧機構制御バルブ６０９の開度のうち少なくともいずれかによって調整する。

次に、好適には本実施例の細胞培養装置のうち、溶存ガス濃度制御ユニット６００を用いた、培養液１０６中の溶存ガス濃度の制御方法について説明する。

本実施例の培養液１０６中の溶存ガス濃度制御方法は、図４に示した実施例１における溶存ガス濃度制御方法と実質的に同じ制御フローである。

本実施例２と前述した実施例１との相違点は、ステップＳ３０１にて測定した測定濃度が設定濃度よりも小さい場合である。

実施例１では溶質となるターゲットガスを供給することで培養液１０６に対して溶存ガス濃度を増加させる。これに対し、本実施例２の場合はガス選択性透過フィルム６０４を用いているため、実施例１のようにターゲットガスを供給する必要はなく、ターゲットガスを含む混合気体、例えばターゲットガスがＯ_２である場合は大気のような混合気体を用いることができる。また、ＣＯ_２等の大気中の組成率が低い気体の場合も、高純度ガスボンベ等は不要であり、ある程度の組成率でターゲットガスを含んでいる混合気体を用いることができる。

なお、用いる混合気体は、好適には、ターゲットガスと同サイズで、かつ培養液１０６に対する溶解量が高いガスを含んでいないことがより望ましい。

その他の構成・動作は前述した実施例１の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

本発明の実施例２の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法においても、前述した実施例１の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法とほぼ同様な効果が得られる。

また、本実施例２は、溶存ガス濃度制御ユニット６００は、ターゲットガスおよび培養液１０６と接触するガス選択性透過フィルム６０４と、ガス選択性透過フィルム６０４を介してターゲットガスを培養液１０６に加圧あるいは培養液１０６から脱気させるガスチャンバー内圧制御部６０３と、を有しており、ガス選択性透過フィルム６０４により、ある１種類のガス分圧のみを選択的に増加させることができる。

前述のヘンリーの式より、ガス選択性透過フィルム６０４を用いた場合は、混合気体を加減圧するのみである１種類のガス分圧のみを選択的に増減することができる。つまり、混合気体のみで溶存ガス濃度の制御が行える、との利点を有している。

例えば、培養液中に低Ｏ_２濃度（例：２％）に制御するケースにおいて、ステップＳ３０１にて測定した測定濃度が設定濃度よりも小さい場合、実施例１におけるステップＳ３０７での加圧処理では、Ｏ_２ボンベから純度の高いＯ_２ガスを用いてガスチャンバー２０２内に適切な圧力で供給する必要がある。

これに対し、実施例２における加圧処理では、大気等の混合気体を用いてガスチャンバー６０２内に適切な圧力を加えるだけで制御することができ、事前に高純度ガスボンベ等を準備する必要がない。

また、図１に示した、従来の閉鎖系流路をもつ細胞培養装置においては、インキュベータ１０１内を低Ｏ_２濃度（例：２％）に保つために、インキュベータ１０１内に大気を取り入れてから、続いてインキュベータ１０１内に膨大な窒素ガスをパージする事で低Ｏ_２濃度を制御し、維持する。

このように、本実施例２は、実施例１に比べてもターゲットガスの消費ガス量を大幅に低減することができ、培養時の更なるコスト低減、また地球環境への負荷が更に少ない溶存ガス濃度制御法とすることができる。

更に、本実施例２における加圧処理において加圧ガスとして大気を使用する場合、実施例１の制御対象ガスを加圧する制御に比べて、同ガスの大気組成率（ガス分圧）が大きい場合は、加圧処理によって容易にガス分圧を増大させることができるため、より好適な制御方式となる。例えば、本実施例２は、大気中の比較的組成率の高いガスであるＯ_２がターゲットガスである場合、特に低Ｏ_２濃度制御（例：濃度２％）に非常に適している方法である。

＜実施例３＞
本発明の実施例３の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法について図８および図９を用いて説明する。図８は本実施例３の細胞培養装置のうち、溶存ガス濃度制御ユニットの配置の一例を示す図である。図９は実施例３の細胞培養装置による溶存ガス濃度制御のフローチャートである。

実施例１や実施例２では溶存ガス濃度制御ユニット単体で培養液１０６中の溶存ガス濃度を制御する場合について説明した。これに対し、本実施例では溶存ガス濃度制御ユニットを２台以上使用して、培養液１０６中の複数の溶存ガスの濃度を制御する。

本実施例３では、ターゲットガスをＣＯ_２およびＯ_２とし、培養液１０６中の溶存Ｏ_２濃度２％をＯ_２濃度制御ユニットにて制御し、溶存ＣＯ_２濃度５％をＣＯ_２濃度制御ユニットにて制御する。

図８に示すように、溶存Ｏ_２濃度を制御するＯ_２濃度制御ユニット７０２と、溶存ＣＯ_２濃度を制御するＣＯ_２濃度制御ユニット７０３とが、ガス不透過性チューブ２０５にて構成される培養液流路上に直列に接続されている。

Ｏ_２濃度制御ユニット７０２やＣＯ_２濃度制御ユニット７０３は、実施例１や実施例２で説明した構造の溶存ガス濃度制御ユニット２００，４００，６００のうち、コントローラ以外の構成を備えており、またその機能なども特に違いはない。

ただし、本実施例では、Ｏ_２濃度制御ユニット７０２はＯ_２にターゲットを絞り、ＣＯ_２濃度制御ユニット７０３はＣＯ_２にターゲットを絞った構成をしている。例えば、溶存Ｏ_２濃度制御ユニット７０２内にはＯ_２選択性透過フィルムが設けられており、溶存ＣＯ_２濃度制御ユニット７０３内にはＣＯ_２選択性透過フィルムが設けられている。

本実施例の細胞培養装置のコントローラ７１５は、Ｏ_２濃度制御ユニット７０２とＣＯ_２濃度制御ユニット７０３との２つの溶存ガス濃度制御ユニットの動作を制御するものであり、２つのユニットの動作を制御する点以外は実施例１などで説明したコントローラ２１５等と構成や動作に基本的な違いはない。

次に、図９を用いて、本実施例３における溶存ガス濃度制御の流れの一例について説明する。図９は本実施例３の溶存ガス濃度制御のフローチャートである。

まず、溶存Ｏ_２濃度制御ユニット７０２内の溶存Ｏ_２センサにて、培養液中の溶存Ｏ_２濃度を測定する（ステップＳ８０１）。

次に、溶存ＣＯ_２濃度制御ユニット７０３内の溶存ＣＯ_２センサにて、培養液中の溶存ＣＯ_２濃度を測定する（ステップＳ８０２）。

次に、コントローラ７１５は、ステップＳ８０１にて測定した測定Ｏ_２濃度とこの設定Ｏ_２濃度とから算出される偏差（測定濃度−設定濃度）の絶対値と、設定された閾値との大小関係を判定する（ステップＳ８０３）。

ステップＳ８０３にて偏差＞閾値と判定された場合は、測定Ｏ_２濃度が設定濃度から十分離れているため、次ステップ以降で溶存Ｏ_２濃度の制御を行う必要があるが、まずは処理をステップＳ８０４に進める。

続けて、コントローラ７１５は、ステップＳ８０２にて測定した測定ＣＯ_２濃度と設定ＣＯ_２濃度とから算出される偏差（測定濃度−設定濃度）の絶対値と、設定された閾値との大小関係を判定する（ステップＳ８０４）。

ステップＳ８０４にて偏差＞閾値と判定された場合は、測定ＣＯ_２濃度および測定Ｏ_２濃度が設定濃度から十分離れていることから、いずれの溶存ガスの濃度制御も必要であるとして、コントローラ７１５は溶存Ｏ_２濃度と溶存ＣＯ_２濃度の制御を行うべく、ステップＳ８０６に処理を進める。

これに対し、ステップＳ８０４にて偏差≦閾値と判定された場合は、測定ＣＯ_２濃度が設定ＣＯ_２濃度に十分近いため溶存ＣＯ_２濃度制御は不要であるが、測定Ｏ_２濃度は設定濃度から十分離れていることから溶存Ｏ_２濃度制御が必要であるとして、コントローラ７１５はステップＳ８０７に処理を進める。

ステップＳ８０３にて偏差≦閾値と判定された場合は、測定Ｏ_２濃度が設定Ｏ_２濃度に十分近いため、溶存Ｏ_２濃度制御は行わないこととし、処理をステップＳ８０５に進める。

続けて、コントローラ７１５は、ステップＳ８０２にて測定した測定ＣＯ_２濃度と、設定ＣＯ_２濃度から算出される偏差（測定濃度−設定濃度）の絶対値と、設定された閾値との大小関係を判定する（ステップＳ８０５）。

ステップＳ８０５にて偏差＞閾値と判定された場合は、測定ＣＯ_２濃度が設定濃度から十分離れているため溶存ＣＯ_２濃度制御は必要であるが、測定Ｏ_２濃度は設定Ｏ_２濃度に十分近いため溶存Ｏ_２濃度制御は不要であるとして、コントローラ７１５は次ステップ以降で溶存ＣＯ_２濃度の制御を行うためにステップＳ８０８に処理を進める。

これに対し、ステップＳ８０５にて偏差≦閾値と判定された場合は、測定ＣＯ_２濃度と測定Ｏ_２濃度とのいずれもが設定濃度から十分近いことからいずれの溶存ガスの濃度制御も不要であるとして、コントローラ７１５は溶存ガス濃度制御を実行せず（ステップＳ８０９）に、処理をステップＳ８１０に進める。

ステップＳ８０６，Ｓ８０７における溶存Ｏ_２濃度の制御はＯ_２濃度制御ユニット７０２にて、ステップＳ８０６，Ｓ８０８における溶存ＣＯ_２濃度の制御はＣＯ_２濃度制御ユニット７０３にて実行する（ステップＳ８０６，Ｓ８０７，Ｓ８０８）。各溶存ガス濃度制御ユニットにおける各溶存ガス濃度を制御する方法に関しては実施例１等の場合と同様の制御方式を用いることができる。

具体的には、各ガスにおいて、測定濃度の方が設定濃度よりも大きい場合は、測定時よりも溶存ガス濃度を減少させて設定濃度に近づける必要があるため、ステップＳ３０４，Ｓ３０５と同等の処理を実行する。これに対し、測定濃度の方が設定濃度よりも小さい場合は、測定時よりも溶存ガス濃度を増加させて設定濃度に近づける必要があるため、ステップＳ３０６，Ｓ３０７と同等の処理を実行する。

溶存濃度ガス制御の実行後、コントローラ７１５は、現在の装置状態が培養中かどうかの判定を行う（ステップＳ８１０）。ステップＳ８１０にて、装置状態が“培養中”と判定された場合、あらかじめ設定された周期にて、ステップＳ８０１から繰り返し実施する。また、ステップＳ８１０にて、装置状態が“培養終了”と判定された場合、処理を終了する。

本実施例３においても、実施例１と同様に、溶存ガス濃度のフィードバック制御において正確な制御を行うために、実際に培養液の流速を測定して測定流速と設定流速の偏差を計算し、その偏差に応じて送液ポンプ１０４の流速をフィードバック制御し続けることが望ましい。実際の培養液の流速の制御フローは、実施例１（図６）と同様である。

ここで、本実施例３において、溶存ガス濃度制御ユニット内の培養液１０６とガスチャンバー２０２の隔壁材として実施例１のようにガス透過性フィルム２０４を用いる場合は、ステップＳ８０６，Ｓ８０７，Ｓ８０８の溶存ガス濃度制御では溶質となるＯ_２ガス、およびＣＯ_２ガスを用いる。

各ガスに対して加圧処理（ステップＳ３０６，Ｓ３０７）を行う場合は、ステップＳ３０６にて算出された加圧値となるよう、ガスチャンバー２０２内にＯ_２ガスおよび／あるいはＣＯ_２ガスを供給して加圧することによって、それぞれの溶存ガス濃度を独立して、かつ同時に制御可能である。

また、各ガスに対して減圧処理（ステップＳ３０４，Ｓ３０５）を行う場合は、算出された減圧値が正圧の範囲内であればガスチャンバー２０２内を正圧の範囲内で減圧することで、それぞれの溶存ガス濃度を独立して、かつ同時に制御することが可能である。

しかしながら、算出された減圧値が負圧となった場合は、ガスチャンバー２０２内を負圧とすると、培養液中の溶存Ｏ_２分圧と溶存ＣＯ_２分圧とが同時に減少する。従って、溶存Ｏ_２濃度と溶存ＣＯ_２濃度とが同時に減少するため、それぞれの溶存ガス濃度を独立して、かつ同時に制御することが困難となる。

この場合は、それぞれの溶存ガス濃度を同時に制御せず、逐次制御を行うバッチ処理とすることで制御可能となる。しかし、本来、正確な制御を行う場合はバッチ処理を含めたすべての一連の処理におけるフィードバック制御の周期を速める必要がある。ただし、この様なバッチ処理では、制御対象ガス種に比例してフィードバック制御の周期が増大してしまう点がトレードオフの関係となっており、正確な溶存ガス濃度制御において不利な条件である。

ここで、各壁材として、実施例２のようにガス選択性透過フィルム６０４を用いる場合、各ガスに対して加圧処理（ステップＳ３０７）を行う場合は、実施例２に記載した通りの制御で実行可能である。

また、各ガスに対して減圧処理（ステップＳ３０７）を行う場合も、算出された減圧値が正圧、負圧の範囲に関係なく、ガス選択性透過フィルム６０４のもつガス選択性からそれぞれの溶存ガス濃度を独立して、かつ同時に制御することが可能である。この場合は、それぞれの溶存ガス濃度の制御を前述のバッチ処理で実行する必要がない。このため、ガス透過性フィルム２０４を用いる場合に比べて早い周期でフィードバック制御を実行することができ、制御の正確性も良く、望ましい条件となる。

総合的に、本実施例３のように、複数の溶存ガス濃度制御ユニットを用いる場合は、溶存ガス濃度制御ユニット内の、培養液１０６とガスチャンバー２０２の隔壁材は、ガス選択性透過フィルム６０４を用いることが望ましい。

本発明の実施例３の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法においても、前述した実施例１の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法とほぼ同様な効果が得られる。

なお、複数の溶存ガス濃度制御ユニットに対して、個々に独立したコントローラやマイコン等がある場合は、個々の溶存ガス濃度制御ユニットにおいて、図４に示したフロー図に従った独立制御を行うことで、同様に複数のガス濃度を独立して、かつ同時に制御することができる。

＜実施例４＞
本発明の実施例４の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法について図１０乃至図１２を用いて説明する。図１０は本実施例４の細胞培養装置の概略構成を示す図である。図１１は実施例４の細胞培養装置のシステム構成を示す図である。図１２は実施例４の細胞培養装置の他のシステム構成の一例を示す図である。

上述の実施例３では、溶存ガス濃度制御ユニットを複数台使用して複数の培養液中の溶存ガス濃度を制御する場合について説明した。これに対し、本実施例では、更に、１以上の溶存ガス濃度制御ユニットに加えて、培養液の流路上に培養を効率良く行うために必要な機能を有する個々のユニットを複数台設置したモジュール構成とした細胞培養装置について説明する。

図１０に示すように、本実施例４における細胞培養装置９００は、閉鎖系流路を構成するガス不透過性チューブ９０１に、培養容器９０４、デブリ除去モジュール９０５、培養液槽９０６、ｐＨ監視モジュール９０８、送液モジュール９０９、Ｏ_２濃度制御モジュール９１０、溶存ＣＯ_２濃度制御モジュール９１１、温度制御モジュール９０２、制御用パソコン１００１を備えている。

培養容器９０４は培養物９０３を格納する。培養液槽９０６は培養液９０７を貯蔵する。デブリ除去モジュール９０５は培養液９０７中の培養物９０３が排出する老廃物などのデブリを分離・除去する。ｐＨ監視モジュール９０８は培養液９０７中のｐＨを常時監視する。送液モジュール９０９は培養液９０７を送液する。温度制御モジュール９０２は、培養液９０７の温度を制御する。

Ｏ_２濃度制御モジュール９１０は培養液９０７中の溶存Ｏ_２濃度を実施例１もしくは実施例２の方式で制御し、溶存ＣＯ_２濃度制御モジュール９１１は培養液９０７中の溶存ＣＯ_２濃度を実施例１もしくは実施例２の方式で制御する。

制御用パソコン１００１は、細胞培養装置９００内の各モジュールの動作を制御する。その詳細は後述する。

なお、本実施例４における細胞培養装置９００は、上記にて説明した各モジュールを備えている必要はなく、ユーザが求める培養条件から細胞培養装置に必要とする機能を有する個々のモジュールを適宜選択することができる。

図１０に示す細胞培養装置９００における各モジュールの制御は、各モジュールを１台の制御用パソコンにて集中制御することが最も容易である。以下、図１０におけるモジュール構成において、各モジュールを１台の制御用パソコンをコントローラとして使用することで集中制御する形態について図１１を用いて説明する。

図１１で示すように、制御用パソコン１００１にて各モジュールを集中制御するために、制御用パソコン１００１から各モジュールに専用の通信手段としてネットワークバス１００２を備えている。

ネットワークバス１００２は、通信の高速性、耐ノイズ性を考慮すると有線式の通信線が望ましいが、通信手段は、特に、有線、無線を問わない。

この場合は、動作フロー中の適切な時間に応じて、ネットワークバス１００２を通して各モジュールに処理信号を送信することで集中制御する。各モジュールはスレーブデバイスとして扱われ、マスターデバイスである制御用パソコン１００１からの処理信号を受信して初めてモジュールの制御を開始する。

この場合は、各モジュールからなるシステム構成の全ての組み合わせを考慮した制御処理を制御用パソコン１００１にて実行する必要がある。そのような制御処理を実現させるためには、例えば、培養開始前、もしくは直後に、制御用パソコン１００１によって、ネットワークバス１００２に接続されている各モジュール、もしくは通信可能な状態である各モジュールを調査し、調査結果によるモジュール構成に対応した制御処理を実行する方法がある。

本実施例では、各モジュールを一括制御するコントローラとして制御用パソコン１００１を採用した場合を説明したが、特にパソコンである必要はない。例えば各モジュールを制御できるコントローラ端末（マイコン、ＰＬＣ等）であれば良く、特に限定されない。

以後、図１０，１１に示す制御を集中制御方式と呼ぶ。この集中制御方式の場合、制御用パソコン１００１に機能が集中し、システム全体の処理速度など処理能力を向上させるためには、より高い処理能力をもつ制御用パソコン１００１が必要になり、必然的にシステム全体が大型化する傾向にある。

また、制御用パソコン１００１にて各モジュールを集中制御するため、制御用パソコン１００１内の制御ソフトウエアのコード量が多くなる。また、それに従ってソフトウエアの開発工数が多くなり、ソフトウエアのメンテナンスが複雑化することがある。

更に、万が一、制御用パソコン１００１が突然のエラー等で停止した場合、全てのモジュールに対して処理信号を送信することができなくなるため、システム全体が突然停止するリスクがある。

このように、各モジュールを１台の制御用パソコン１００１を用いて制御する方式は、装置の動作安定性の観点において改善の余地がある。

すなわち、１台の制御用パソコン１００１にて各モジュールを集中制御する構成の細胞培養装置９００を用いて、患者への移植治療を想定した自家細胞、または組織の培養を行う場合を考える。この場合、培養最中に細胞培養装置が何かしらのエラーで停止した場合は、その培養中の細胞は治療に使用することは細胞の品質の面で困難となり、追加で患者から再度細胞を採取して再び培養する必要が発生してしまう。このため、緊急治療時の培養や貴重な細胞を培養する場合は、細胞培養装置の動作安定性は最重要の要件となる。

そこで、集中制御方式に替わって、各モジュールが独立して自らのモジュールを自律的に制御する分散制御システム（以下、ＤＣＳと表記する）を用いることが考えられる。以下、ＤＣＳを採用した細胞培養装置の構成に関して図１２を用いて説明する。

図１２に示す細胞培養装置１１００は、集中制御方式で説明した温度制御モジュール９０２、ｐＨ監視モジュール９０８、送液モジュール９０９、Ｏ_２濃度制御モジュール９１０、ＣＯ_２濃度制御モジュール９１１に加え、状態監視モジュール１１０１、操作・入力部１１０２、表示部１１０３、培養プロトコル演算部１１０４が、ネットワークバス１１０５にて接続される。

ネットワークバス１１０５についても、通信の高速性、耐ノイズ性を考慮すると有線式の通信線が望ましいが、通信手段は、特に、有線、無線を問わない。

前述の１台の制御用パソコン１００１でモジュールシステム全てを制御する方式と比べて、図１２に示すＤＣＳ方式の各モジュールでは、マスターデバイス、スレーブアドレスをもたず、各モジュールがそれぞれを独立に制御できるコントローラを備えており、個々のモジュールが独立して制御される。

また、ＤＣＳ方式の場合、各モジュールのコントローラ部がネットワークバス１１０５を介して別のモジュールと通信できることを特徴とする。

このようなＤＣＳ方式を用いる場合、集中制御方式のように制御用パソコン１００１ですべてのモジュールを制御する必要がない。このため、制御用パソコン１００１に機能が集中する必要がない。

また、集中制御方式の場合、制御用パソコン１００１が突然のエラー等で停止した場合、全てのモジュールに対して処理信号を送信することができなくなるため、システム全体が突然停止するリスクがある。これに対して、ＤＣＳ方式の場合、前述の通り各モジュールがそれぞれの制御部を独立に制御できるコントローラを備えているため、制御用パソコン１００１に依存しない制御が可能となる。このため、あるモジュールが突然のエラー等で停止した場合は、例えば、独立して動作する状態監視モジュール１１０１が停止したモジュールを検知し、表示部１１０３にて表示することで、ユーザに異常事態を知らせることが可能となる。このように、ＤＣＳ方式を用いたモジュール構成の細胞培養装置１１００は、装置の安定性および信頼性向上を図ることができ、集中制御方式に比べて望ましい制御方法である。

その他の構成・動作は前述した実施例１の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

本発明の実施例４の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法においても、前述した実施例１の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法とほぼ同様に、従来のような図１のような一般的なガスインキュベータを使用する必要がなく、常温環境下でコンタミネーションリスクの少ない閉鎖系流路による培養を行うことが出来るとの効果が得られる。

また、細胞培養装置９００，１１００をモジュール構成とすることで、無駄な機能を省くことが出来るため、細胞培養装置のコストや、システムが占める接地面積の大幅な低減を実現することができる。

＜実施例５＞
本発明の実施例５の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法について図１３を用いて説明する。図１３は本実施例５の細胞培養装置の概略構成を示す図である。

図１３に示すように、本実施例の一方通行型の細胞培養装置１００Ａは、インキュベータ１０１内に、培養液１０６を供給するのみの培養パック１０５Ａ、培養液１０６を送液する送液ポンプ１０４、溶存ガス濃度制御ユニット２００、培養物１０３を収容する培養容器１０２、培養容器１０２から排出された培養液１０６を貯留する廃棄パック１０５Ｂから構成される。

この細胞培養装置１００Ａでは、インキュベータ１０１内大気の温度、湿度、溶存ガス濃度制御はそれぞれ、窒素ガス供給機構１０８、ＣＯ_２ガス供給機構１０９、加温機構１１０、加湿機構１１１によって制御される。

その他の構成・動作は前述した実施例１の細胞培養装置および培養液の気体濃度制御方法と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

本発明の実施例５のように、培養パック１０５Ａが培養液１０６を供給するのみであり、培養容器１０２から排出された培養液１０６を貯留する廃棄パック１０５Ｂを更に有する一方通行型の閉鎖系で構成される細胞培養装置１００Ａおよび培養液の気体濃度制御方法においても、前述した実施例１の細胞培養装置１００および培養液の気体濃度制御方法とほぼ同様な効果が得られる。

なお、本実施例のような一方通行系においても、チューブ１０７の替わりにガス不透過性チューブ２０５を用いることができる。この場合、インキュベータ１０１や窒素ガス供給機構１０８、ＣＯ_２ガス供給機構１０９、加温機構１１０、加湿機構１１１は必要に応じて設けることができる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

１００，１００Ａ，９００，１１００：細胞培養装置
１０１：インキュベータ
１０２：培養容器
１０３：培養物
１０４：送液ポンプ
１０５：培養液槽
１０５Ａ：培養パック
１０５Ｂ：廃棄パック（廃棄槽）
１０６：培養液
１０７：チューブ
１０８：窒素ガス供給機構
１０９：ＣＯ_２ガス供給機構
１１０：加温機構
１１１：加湿機構
２００，６００：溶存ガス濃度制御ユニット（気体制御モジュール）
２０１：圧力センサ
２０２，６０２：ガスチャンバー
２０３，６０３：ガスチャンバー内圧制御部（溶存ガス濃度制御部）
２０４：ガス透過性フィルム（気体透過性フィルム）
２０５：ガス不透過性チューブ（ガス不透過性配管）
２０６：溶存ガスセンサ
２０７：ガス供給機構
２０８：脱気機構
２０９：ガス供給機構制御バルブ
２１０：脱気機構制御バルブ
２１１：圧力センサ処理回路
２１２：ガス供給機構制御回路
２１３：脱気機構制御回路
２１４：溶存ガスセンサ処理回路
２１５，４１５，６１５：コントローラ
２１６：外部通信回路
４００：溶存ガス濃度制御ユニット（気体制御モジュール）
４０１：流速センサ
４０２：流速センサ処理回路（流速制御部）
６０４：ガス選択性透過フィルム（気体選択性透過フィルム）
６０７：加圧機構
６０９：加圧機構制御バルブ
６１２：加圧機構制御回路
７０２：溶存Ｏ_２濃度制御ユニット
７０３：溶存ＣＯ_２濃度制御ユニット
９０１：ガス不透過性チューブ
９０２：温度制御モジュール
９０３：培養物
９０４：培養容器
９０５：デブリ除去モジュール
９０６：培養液槽
９０７：培養液
９０８：ｐＨ監視モジュール
９０９：送液モジュール
９１０：Ｏ_２濃度制御モジュール（気体制御モジュール）
９１１：ＣＯ_２濃度制御モジュール（気体制御モジュール）
１００１：制御用パソコン
１００２：ネットワークバス
１１０１：状態監視モジュール
１１０２：操作・入力部
１１０３：表示部
１１０４：培養プロトコル演算部
１１０５：ネットワークバス

Claims (12)

1. 細胞を培養する培養容器と、
   前記培養容器内の前記細胞に供給する培養液を保持する培養槽と、
   前記培養槽に保持された前記培養液を前記培養容器に送液する送液ポンプと、を備えた細胞培養装置において、
   前記培養液中のターゲットガスの濃度を検出する溶存ガスセンサによって検出された溶存ガス濃度に基づいて前記培養液中の前記ターゲットガスの濃度を制御する気体制御モジュールを備えた
   ことを特徴とする細胞培養装置。
2. 請求項１に記載の細胞培養装置において、
   前記気体制御モジュールは、前記ターゲットガスを含む気体および前記培養液と接触する気体透過性フィルムと、前記気体透過性フィルムを介して前記気体を前記培養液に供給あるいは前記培養液から脱気させる溶存ガス濃度制御部と、を有する
   ことを特徴とする細胞培養装置。
3. 請求項１に記載の細胞培養装置において、
   前記気体制御モジュールは、前記ターゲットガスおよび前記培養液と接触する気体選択性透過フィルムと、前記気体選択性透過フィルムを介して前記ターゲットガスを前記培養液に加圧あるいは前記培養液から脱気させる溶存ガス濃度制御部と、を有する
   ことを特徴とする細胞培養装置。
4. 請求項２または３に記載の細胞培養装置において、
   前記気体制御モジュールのうち、前記気体透過性フィルムあるいは前記気体選択性透過フィルムは、前記溶存ガスセンサの上流側に配置され、フィードバック制御により前記ターゲットガスの濃度が制御される
   ことを特徴とする細胞培養装置。
5. 請求項１に記載の細胞培養装置において、
   前記気体制御モジュールは、前記溶存ガスセンサによって検出された溶存ガス濃度を記憶する記憶装置を更に有する
   ことを特徴とする細胞培養装置。
6. 請求項１に記載の細胞培養装置において、
   前記培養槽と前記培養容器とを接続する流路を構成する配管は、前記ターゲットガスを含めて気体を透過させないガス不透過性配管で構成される
   ことを特徴とする細胞培養装置。
7. 請求項１に記載の細胞培養装置において、
   前記培養液の流速を測定する流速センサと、
   前記流速センサによって測定された前記培養液の流速に基づいて前記送液ポンプによる前記培養液の送液速度を制御する流速制御部と、を更に備えた
   ことを特徴とする細胞培養装置。
8. 請求項１に記載の細胞培養装置において、
   前記ターゲットガスは、ＣＯ_２あるいはＯ_２のうち少なくともいずれか一方である
   ことを特徴とする細胞培養装置。
9. 請求項１に記載の細胞培養装置において、
   前記細胞培養装置は、前記培養容器から排出された前記培養液が前記培養槽に戻る循環型の閉鎖系で構成される
   ことを特徴とする細胞培養装置。
10. 請求項９に記載の細胞培養装置において、
    前記培養容器から排出された前記培養液が前記培養槽に戻るまでの流路を構成する配管も、前記ターゲットガスを含めて気体を透過させないガス不透過性配管で構成される
    ことを特徴とする細胞培養装置。
11. 請求項１に記載の細胞培養装置において、
    前記細胞培養装置は、前記培養槽が前記培養液を供給するのみであり、前記前記培養容器から排出された前記培養液を貯留する廃棄槽を更に有する一方通行型の閉鎖系で構成される
    ことを特徴とする細胞培養装置。
12. 培養容器に収容された細胞に供給される培養液中のターゲットガスの濃度を制御する培養液の気体濃度制御方法において、
    前記培養容器内の前記細胞に供給する培養液中のターゲットガスの濃度を溶存ガスセンサによって検出し、検出された溶存ガス濃度に基づいて前記培養液中のターゲットガスを前記培養液に注入あるいは前記培養液から脱気することで前記培養液中の前記ターゲットガスの濃度を制御する
    ことを特徴とする培養液の気体濃度制御方法。

Images