JP2020188691A - 細胞培養装置 - Google Patents

Abstract

【課題】連続的な細胞の培養を行う。【解決手段】細胞培養装置１は、細胞培養のための培地Ｍ１ａを培地受入部１２から受け入れると共に、培地Ｍ１ａを培地排出部１３から排出する培養槽１０と、培養槽１０から排出された培地Ｍ１ａを再び培養槽１０に導く培地循環ユニット２０と、培養槽１０へ培地Ｍ１ａとは異なる培地Ｍ２を供給する培地供給ユニット３０と、培地循環ユニット２０及び培地供給ユニット３０の動作を制御する制御ユニット４０と、を備える。制御ユニット４０は、培地循環ユニット２０及び培地供給ユニット３０を制御して、培養槽１０から培地Ｍ１ａを排出しながら、培養槽１０へ培地Ｍ２を提供する入替動作を行う。制御ユニット４０は、入替動作を行うとき、培地供給ユニット３０を制御して、培養槽１０へ培地Ｍ２を流量Ｆ１で供給した後に、培養槽１０へ培地Ｍ２を流量Ｆ１で供給する。【選択図】図１

Description

本開示は、細胞培養装置に関する。

特許文献１〜３は、細胞培養装置を開示する。細胞培養装置は、細胞培養槽に収容された培地を利用して細胞を培養する。より詳細には、特許文献１〜３に示された細胞培養装置は、プラグフロー上昇流を培養槽の内部に形成する。このプラグフロー上昇流によって、細胞塊や単体を浮遊させて培養する。この培地は、細胞培養槽の下部から供給され、上部から排出される。排出された培地は、所定の処理がなされたのちに、再び細胞培養槽に供給される。

特開２０１５−１４２５５０号公報 特開２０１６−８６７９１号公報 国際公開第２０１８／０３８２２８号

細胞を培養するとき、細胞の成長に伴って培地の性質が変化する。例えば、細胞培養では、培養を継続すると培地が含む栄養成分が消費される。また、細胞の成長段階に応じて、必要な培地の性質が変わることもある。従って、必要に応じて培地を交換する。

例えば、培地の循環を停止させ、使用済みの培地を新しい培地に入れ替えたのちに、再び培地の循環を開始する方法がある。しかし、この手法では、培地の入れ替えのときに培地の循環が停止するので、連続的な細胞の培養が妨げられる。

本開示は、連続的な細胞の培養が可能な細胞培養装置を開示する。

本開示の一形態である細胞培養装置は、細胞の培養のための第１培地を受入部から受け入れると共に、第１培地を排出部から排出する培養槽と、培養槽から排出された第１培地を再び培養槽に導く循環部と、培養槽へ第１培地とは異なる第２培地を供給する供給部と、循環部及び供給部の動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、循環部及び供給部を制御して、培養槽から第１培地を排出しながら、培養槽へ第２培地を提供する入替動作を行い、制御部は、入替動作を行うとき、供給部を制御して、培養槽へ第２培地を第１流量で供給した後に、培養槽へ第２培地を第２流量で供給し、第２流量は、第１流量より大きい。

細胞培養装置は、培養槽と循環部との間で培地を循環させることにより細胞の培養を行うことができる。また、細胞培養装置は、制御部によって循環部及び供給部の制御を行うことにより、培地を入れ替える動作を行うことができる。そのうえ、制御部は、第２培地を第１流量で供給した後に、第１流量より大きい第２流量で供給する。この態様によれば、第１培地と第２培地との境界の状態を安定させると共に、受入部から排出部へ向かう安定したプラグフローを維持することができる。従って、第１培地を第２培地へ速やかに交換することが可能になる。そうすると、培地の入替動作中においても、培養槽の内部は第１培地及び第２培地によって満たされる。従って、細胞の培養が中断されないので、連続的な細胞の培養を行うことができる。

上記の形態において、培養槽は、受入部から排出部へ向かう方向に交差する断面の形状が第１断面積である第１部分と、第１部分とは異なる位置における断面の形状が第１断面積より大きい第２断面積である第２部分と、を有し、第１部分は、第２部分よりも受入部に近く、制御部は、入替動作を行うとき、供給部を制御して、第１培地と第２培地との境界が第１部分であるときに培養槽に第２培地を第１流量で供給し、境界が第２部分であるときに培養槽に第２培地を第２流量で供給してもよい。この構成によれば、第１培地と第２培地との境界の状態をさらに安定させると共に、受入部から排出部へ向かう安定したプラグフローをより好適に維持することができる。

上記の形態において、制御部は、循環部及び供給部を制御して、培養槽及び循環部において第１培地を循環させる循環動作と、入替動作と、を相互に切り替えてもよい。この構成によれば、循環動作から入替動作へ切り替える動作を連続して行うことが可能であり、同様に、入替動作から循環動作へ切り替える動作を連続して行うことも可能である。従って、連続的な細胞の培養をより好適に行うことができる。

上記の形態において、供給部は、第２培地、第２培地とは異なる第３培地及び所望の処理液のうち少なくとも２つをそれぞれ収容する複数のタンクと、複数のタンクより選択された選択タンクから第２培地、第３培地及び処理液を培養槽に提供する選択供給部と、を含んでもよい。この構成によれば、細胞の種類や成長段階ごとに適した培地を速やかに培養槽へ提供できる。

本開示の細胞培養装置によれば、連続的な細胞の培養が可能である。

図１は、本開示の細胞培養装置の構成を示す図である。 図２は、細胞培養装置の循環動作を説明する図である。 図３は、細胞培養装置の入替動作を説明する図である。 図４の（ａ）部、図４の（ｂ）部及び図４の（ｃ）部は、培地が入れ替わる様子を示す図である。 図５は、境界の位置と流量との関係を示すグラフである。 図６の（ａ）部、図６の（ｂ）部及び図６の（ｃ）部は、境界の位置と流量との別の関係を示すグラフである。 図７は、変形例の細胞培養装置の構成を示す図である。 図８は、入替動作の変形例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

動物細胞を培養する手法として、シャーレ等を用いた静置培養と、培養槽内において細胞を培地に浮遊させて培養する浮遊培養とがある。浮遊培養は、細胞の大量培養に適する。本開示に係る細胞培養装置は、浮遊培養のための装置である。

図１に示す細胞培養装置１は、バイオ医薬品生産や再生医療のための動植物細胞の培養装置である。また、細胞培養装置１は、再生医療のための三次元組織及び臓器培養装置として用いてもよい。細胞培養装置１は、動物細胞培養の最適化のための細胞の許容せん断応力測定装置として用いてもよい。さらに、細胞培養装置１は、化学反応向けリアクタとして用いてもよい。

細胞培養装置１は、培養槽１０と、培地循環ユニット２０（循環部）と、培地供給ユニット３０（供給部）と、制御ユニット４０（制御部）と、を有する。培養槽１０は、培地Ｍ１ａ（第１培地）を収容している。培養槽１０に収容された培地Ｍ１ａの内部において、細胞が培養される。培養槽１０には、培地循環ユニット２０が接続されている。培地循環ユニット２０は、培地Ｍ１ａの循環動作のためのものである。培地循環ユニット２０は、培養槽１０から排出された培地Ｍ１ａを再び培養槽１０に戻す。培養槽１０には、さらに、培地供給ユニット３０が接続されている。培地供給ユニット３０は、循環中の培地Ｍ１ａとは別の培地Ｍ１ｂ、Ｍ２及び緩衝液Ｍ３を収容している。そして、培地供給ユニット３０は、必要に応じて収容している培地Ｍ１ｂ、Ｍ２及び緩衝液Ｍ３を培養槽１０に供給する。制御ユニット４０は、培地循環ユニット２０及び培地供給ユニット３０の動作を制御する。

培養槽１０は、培養対象である細胞を培養する容器である。培養槽１０及び培地循環ユニット２０の一部は、インキュベータ５に収容されている。培養槽１０は、培地Ｍ１ａを収容する。培地Ｍ１ａには、細胞或いは細胞が付着した担体が浮遊している。担体は、マイクロキャリアとも称される微小な粒体である。担体は、細胞の付着基盤である。そして細胞は、担体の表面において増殖する。

培養槽１０は、槽本体１１と、培地受入部１２（受入部）と、培地排出部１３（排出部）と、を有する。槽本体１１は、円筒状の容器である。槽本体１１の下端及び上端は開放されており、培地受入部１２及び培地排出部１３によってそれぞれ閉鎖されている。槽本体１１の下端には、培地受入部１２が設けられている。培地受入部１２には、培地循環ユニット２０及び培地供給ユニット３０が接続されている。槽本体１１の上端には、培地排出部１３が設けられている。培地排出部１３には、培地循環ユニット２０が接続されている。

槽本体１１は、下端から上端に向かう方向に沿って、断面積が変化する。このような断面積を有する槽本体１１は、下端から上端に向かう培地Ｍ１ａのプラグフローを形成する。槽本体１１の断面積は、下端から上端に向かう方向に概ね増加する。この槽本体１１の断面積は、例えば、下端から上端に向けて一律に比例するように増加してもよい。また、槽本体１１は、下端から上端に向かう方向に断面積が増加する部分と、断面積が増加せず一律の断面積を有する部分と、を含んでもよい。

培地循環ユニット２０は、培地排出部１３から排出された培地Ｍ１ａを受け入れる。次に、培地循環ユニット２０は、培地Ｍ１ａに対して所定の処理を施す。そして、培地循環ユニット２０は、槽本体１１の培地受入部１２に処理後の培地Ｍ１ａを供給する。

培地循環ユニット２０は、バッファタンク２１と、バルブ２２と、ポンプ２３と、を有する。バッファタンク２１は、配管を介して培地排出部１３と接続されている。バルブ２２は、配管を介してバッファタンク２１と接続されている。ポンプ２３は、配管を介してバルブ２２と接続されると共に、別の配管を介して培地受入部１２に接続されている。従って、培地循環ユニット２０は、培地排出部１３から培地受入部１２に至る流路を形成する。また、培地循環ユニット２０は、バッファタンク２１から培地受入部１２へ培地Ｍ１ａを輸送する。バッファタンク２１は、培地Ｍ１ａを一時的に収容する。バッファタンク２１は、収容した培地Ｍ１ａに対して所定の処理を行う。例えば、バッファタンク２１は、培地Ｍ１ａに対してガス供給を行う。ガス供給の態様は、表面通気でもよいし、スパージャを用いてもよい。

培地循環ユニット２０には、廃液タンク２５が接続される。廃液タンク２５は、廃液となった使用済みの培地Ｍ１ａを受け入れる。廃液タンク２５は、ポンプ２６を介してバルブ２２に接続されている。バルブ２２は、バッファタンク２１から培地受入部１２へ至る流路と、バッファタンク２１から廃液タンク２５へ至る流路と、を相互に切り替える。例えば、バルブ２２がバッファタンク２１から培地受入部１２へ至る流路を構成するとき、培地Ｍ１ａは廃液タンク２５に向かって流れない。また、バルブ２２がバッファタンク２１から廃液タンク２５へ至る流路を構成するとき、培地Ｍ１ａは培地受入部１２に向かって流れない。

培地供給ユニット３０は、循環中の培地Ｍ１ａとは別の培地Ｍ１ｂ、Ｍ２を収容する。この別の培地Ｍ１ｂ、Ｍ２とは、循環中の培地Ｍ１ａと同じ種類の培地Ｍ１ｂを意味する場合もあるし、循環中の培地Ｍ１ａとは異なる種類の培地Ｍ２を意味することもある。つまり、別の培地Ｍ１ｂ、Ｍ２とは、互いに種類や組成が異なることを必要とせず、循環中の培地Ｍ１ａと、循環することなくタンク等に収容されている培地Ｍ１ｂ、Ｍ２と、を区別するものである。培地供給ユニット３０は、循環中の培地Ｍ１ａを別の培地Ｍ１ｂ、Ｍ２に交換する必要が生じたとき、培養槽１０に培地Ｍ１ｂ、Ｍ２を提供する。

培地供給ユニット３０は、複数のタンク３１ａ、３１ｂ、３１ｃと、選択供給部３２と、を有する。タンク３１ａは培地Ｍ１ａと同種類の培地Ｍ１ｂ（第２培地）を収容する。タンク３１ｂは培地Ｍ１ａとは別種類の培地Ｍ２（第３培地）を収容する。さらにタンク３１ｃは、培地Ｍ１ｂ、Ｍ２とは異なる処理液を収容してもよく、例えば、リン酸緩衝生理食塩水（Phosphate buffered saline：PBS）といった緩衝液Ｍ３（処理液）を収容する。

選択供給部３２は、タンク３１ａ、３１ｂ、３１ｃのいずれか一つを培地受入部１２に接続する。つまり、選択供給部３２は、タンク３１ａ、３１ｂ、３１ｃのいずれか一つを培地受入部１２に接続する流路を形成する。そして、選択供給部３２は、接続したタンク３１ａ、３１ｂ、３１ｃから培地受入部１２に収容物を輸送する。

選択供給部３２は、ポンプ３２ａと、バルブ３２ｂと、バルブ３２ｃと、を有する。ポンプ３２ａは、配管を介して培地受入部１２に接続されている。この配管には、培地循環ユニット２０のポンプ２３に接続された配管との接続箇所を有する。ポンプ３２ａは、バルブ３２ｃを介してバルブ３２ｂに接続されている。ポンプ３２ａは、培地受入部１２へ供給する培地Ｍ１ｂ、Ｍ２及び緩衝液Ｍ３の流量を制御する。例えば、ポンプ３２ａは、培地受入部１２へ小流量の培地Ｍ１ｂ、Ｍ２を提供することもできるし、培地受入部１２へ大流量の培地Ｍ１ｂ、Ｍ２を提供することもできる。バルブ３２ｂは、タンク３１ａ、３１ｂ、３１ｃからポンプ３２ａに至る流路を選択する。バルブ３２ｂは、ポンプ３２ａとタンク３１ａとを接続する流路、ポンプ３２ａとタンク３１ｂとを接続する流路及びポンプ３２ａとタンク３１ｃとを接続する流路のいずれかに切り替える。

なお、培地供給ユニット３０には、細胞播種ライン３６が接続されてもよい。細胞播種ライン３６は、バルブ３２ｃに接続されている。つまり、バルブ３２ｃは、ポンプ３２ａに接続する構成として、各タンク３１ａ、３１ｂ、３１ｃ及び細胞播種ライン３６のいずれか一方を選択する。

制御ユニット４０は、培地循環ユニット２０及び培地供給ユニット３０の動作を制御する。具体的には、制御ユニット４０は、培地循環ユニット２０による循環動作と、培地循環ユニット２０及び培地供給ユニット３０による入替動作とを相互に切り替える。

制御ユニット４０は、いわゆるコンピュータである。制御ユニット４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、主記憶装置であるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）、他の機器との間の通信を行う通信モジュール、並びにハードディスク等の補助記憶装置等のハードウェアを有する。これらの構成要素が動作することにより、制御ユニット４０の機能が発揮される。

制御ユニット４０は、培地循環ユニット２０に提供する制御信号として、制御信号φ１、φ２、φ３を出力する。制御信号φ１は、ポンプ２３に提供される。制御信号φ２は、バルブ２２に提供される。制御信号φ３は、ポンプ２６に提供される。制御ユニット４０は、培地供給ユニット３０に提供する制御信号として、制御信号φ４、φ５、φ６を出力する。制御信号φ４は、バルブ３２ｂに提供される。制御信号φ５は、ポンプ３２ａに提供される。制御信号φ６は、バルブ３２ｃに提供される。

＜循環動作＞
循環動作は、培養槽１０と培地循環ユニット２０との間で培地Ｍ１ａを循環させる。図２に示すように、制御ユニット４０は、培地排出部１３から培地受入部１２へ至る流路を構成する。具体的には、制御ユニット４０は、バルブ２２に制御信号φ２を提供して、バッファタンク２１とポンプ２３とを接続する。なお、本開示において「接続する」とは、２つの構成要素間で培地Ｍ１ａを流通させる流路を構成することを意味する。従って、「接続する」及び「切断する」とは、物理的な接続や切断を伴うものではない。この構成により、培地排出部１３から培地受入部１２へ至る流路が構成される。そして、制御ユニット４０は、ポンプ２６、３２ａに制御信号φ３、φ５を提供して、ポンプ２６、３２ａの駆動を停止する。この状態において、制御ユニット４０がポンプ２３に制御信号φ１を提供すると、バッファタンク２１から培地受入部１２へ向かう培地Ｍ１ａの流れが生じる。培地受入部１２に提供された培地Ｍ１ａは、培養槽１０の内部において下端から上端に向かって流れることによりプラグフローを形成する。そして、培地Ｍ１ａは、培地排出部１３から排出され、再びバッファタンク２１に戻る。

＜入替動作＞
入替動作は、培養槽１０から培地Ｍ１ａを排出させる動作と、培養槽１０へ別の培地Ｍ２を提供する動作と、を含む。培養槽１０から培地Ｍ１ａを排出させる動作として、制御ユニット４０は、図３に示すように、培地Ｍ１ａを廃液タンク２５へ導く流路を構成する。具体的には、制御ユニット４０は、バルブ２２に制御信号φ２を提供して、バッファタンク２１と廃液タンク２５とを接続する。この構成により、培地排出部１３からバッファタンク２１を経て廃液タンク２５へ至る流路が構成される。この構成では、バッファタンク２１から培地受入部１２へ培地Ｍ１ａが流れない。そして、制御ユニット４０は、ポンプ２６に制御信号φ３を提供する。その結果、バッファタンク２１から培地Ｍ１ａが廃液タンク２５に輸送される。

この入替動作では、循環中の培地Ｍ１ａとは別の種類の培地Ｍ２を供給する場合を例示する。制御ユニット４０は、バルブ３２ｂに制御信号φ４を提供して、供給すべき培地Ｍ２を収容するタンク３１ｂをバルブ３２ｂに接続する。さらに、制御ユニット４０は、バルブ３２ｃに制御信号φ６を提供して、バルブ３２ｃをバルブ３２ｂに接続する。これらの状態によって、タンク３１ｂから培地受入部１２へ至る流路が形成される。制御ユニット４０は、ポンプ３２ａに制御信号φ５を提供する。その結果、タンク３１ｂに収容された培地Ｍ２が培地受入部１２へ輸送される。そして、図４の（ａ）部から図４の（ｃ）部に示されるように、培養槽１０では、培地Ｍ１ａから培地Ｍ２への入れ替えが生じる。例えば、培地Ｍ１ａと培地Ｍ２のとの境界Ｓ（図４の（ｂ）部参照）が次第に上方に向かって移動する。そして、槽本体１１が新たな培地Ｍ２によって満たされたとき（図４の（ｃ）部参照）、入替動作を終了する。つまり、制御ユニット４０は、ポンプ３２ａの駆動を停止する。そして、制御ユニット４０は、循環動作へ切り替える。なお、入替動作は、その他の条件を満たした場合に終了させてもよい。例えば、終了させるタイミングは、新たな培地Ｍ２が培養槽１０から排出されてバッファタンク２１に至ったときとしてもよい。

＜ポンプの具体的な動作＞
培養槽１０の内部で形成されるプラグフローを用いることにより、培養槽１０の内部に培地Ｍ１ａ、Ｍ２を満たした状態で、培地Ｍ１ａを新しい培地Ｍ２で押し出すことができる。このプラグフローを用いた入替を行うとき、培地Ｍ１ａ、Ｍ２の境界Ｓは、安定した状態を維持することが望まれる。しかし、プラグフローは、培地Ｍ１ａ、Ｍ２の温度や、培地Ｍ１ａ、Ｍ２の比重の影響を受けやすい。従って、培地Ｍ１ａ、Ｍ２に温度差が存在する場合や、培地Ｍ１ａ、Ｍ２に比重差が存在する場合には、プラグフローの状態が不安定になりやすい。また、境界Ｓの状態が不安定になると、培地Ｍ１ａ、Ｍ２の混合が生じる。この混合によれば、当初の培地Ｍ１ａを新たな培地Ｍ２に入れ替えるために多量の新たな培地Ｍ２を供給する必要が生じる。さらに、入替に要する時間も長くなってしまう。そこで、入替動作にあっては、安定した境界Ｓの状態を維持するように、新たな培地Ｍ２を供給する。

ここで、入替動作において、図４の（ａ）部から図４の（ｃ）部に示す培地Ｍ１ａ、Ｍ２の入替が生じているとき、制御ユニット４０は、ポンプ３２ａの駆動の状態を変化させる。つまり、入替動作において、ポンプ３２ａの駆動状態は一定ではない。より詳細には、制御ユニット４０は、入替動作の初期段階において、ポンプ３２ａから小流量の培地Ｍ２を排出させる。そして制御ユニット４０は、所定の条件を満たすとき、ポンプ３２ａから大流量の培地Ｍ２を排出させる。つまり、制御ユニット４０は、培地受入部１２に提供する培地Ｍ２の流量を増大させる。流量を切り替える条件は、培地Ｍ１ａ、Ｍ２の境界Ｓの位置である。境界Ｓの位置は、例えば、培地受入部１２の位置を基準として、培地受入部１２からの距離としてもよい。

図５は、境界Ｓの位置と流量との関係を示すグラフである。制御ユニット４０は、まず、ポンプ３２ａの排出量を流量Ｆ１（第１流量）に設定する。例えば、培養槽１０の容積が８０ｍＬであるとき、小流量として、２０ｍＬ／ｍｉｎが例示できる。次に、制御ユニット４０は、境界Ｓが位置ＰＳに達したときに流量Ｆ１よりも大きい流量Ｆ２（第２流量）に増大させる。例えば、培養槽１０の容積が８０ｍＬであるとき、大流量として、５０ｍＬ／ｍｉｎが例示できる。換言すると、制御ユニット４０は、境界Ｓが位置ＰＳに達したときに流量Ｆ１から流量Ｆ２へステップ状にポンプ３２ａの出力を変化させる。境界Ｓの位置は、例えば、培養槽１０の近傍に設置したカメラの画像に基づいて得てもよい。また、境界Ｓの位置は、槽本体１１の寸法から求まる容積と流量と培地Ｍ２の供給を開始した時間からの経過時間とに基づいて、算出してもよい。

例えば、境界Ｓの位置によらず、ポンプ３２ａの排出量を小さい流量Ｆ１に維持したとする。境界Ｓの位置が高くなると、槽本体１１の断面積は大きくなる。断面積が大きくなると、培地Ｍ２の流れは、周囲温度の影響などを受けやすくなる。そうすると、境界Ｓが培地受入部１２に近い位置に存在するとき（入替動作の初期段階）では、境界Ｓの状態を安定させることが可能である。しかし、境界Ｓが培地受入部１２から遠い位置に存在するとき（入替動作の後期段階）、つまり、断面積の大きい部分に境界Ｓが存在するときに、小さい流量Ｆ１を維持すると、プラグフローが乱れてしまう。つまり、境界Ｓの状態が不安定になる。

一方、境界Ｓの位置によらず、ポンプ３２ａの排出量を培地Ｍ２の供給開始直後から大きい流量Ｆ２に設定したとする。この場合には、断面積の小さい部分に境界Ｓが存在するときに、大流量の培地Ｍ２が提供されてしまう。そうすると、流路面積（断面積）に対して流量が大きすぎるので、培地Ｍ２の流れが乱れる。つまり、境界Ｓの状態が不安定になる。境界Ｓの状態は、安定状態から不安定状態には移行しやすいものの、不安定な状態から安定した状態へ移行させることは困難である。その結果、不安定状態となった境界Ｓは、そのまま槽本体１１の上部まで移動する。

境界Ｓの状態を安定化し得る条件は、例えば、境界Ｓが存在する位置における単位断面積あたりの流量として規定できる。また、当該条件は、境界Ｓが存在する位置における流速として規定することもできる。従って、槽本体１１の断面積が高さに比例して増加するとき、理想的には、図５のグラフＧ５ｂのように、境界Ｓの高さに流量が比例して増加するように制御すればよい。例えば、培地受入部１２に近い位置Ｐ１における槽本体１１の断面が第１断面積であるとする。このとき、槽本体１１には、培地Ｍ２を流量Ｆ１で供給する。また、培地排出部１３に近い位置Ｐ２における槽本体１１の断面が第２断面積であるとする。このとき、槽本体１１には、培地Ｍ２を流量Ｆ２で供給する。

しかし、境界Ｓの状態を安定化し得る条件は、ある程度の許容幅を有する。従って、許容できる上限を示す線分Ｌ５ａと、許容できる下限を示す線分Ｌ５ｂと、が設定できる。そして、培地Ｍ２の流量（グラフＧ５ａ）をこの線分Ｌ５ａ、Ｌ５ｂに囲まれた範囲に収めることができれば、プラグフローを形成すると共に境界Ｓの安定した状態を維持することができる。

従って、流量の変化のさせ方は、図５のグラフＧ５ａの態様に限定されない。例えば、図６の（ａ）部のグラフＧ６ａ、Ｇ６ｂに示すように境界Ｓの位置と流量との関係は、二次曲線といった曲線状に設定してもよい。グラフＧ６ａ、Ｇ６ｂは、許容できる上限を示す線分Ｌ６ａと、許容できる下限を示す線分Ｌ６ｂと、の間に設定されている。

さらに、図６の（ｂ）部のグラフＧ６ｃに示すように、境界Ｓの位置と流量との関係は、複数のステップ状に設定してもよい。線分Ｌ６ｃ、Ｌ６ｄにより示される境界Ｓの状態を安定化し得る条件の許容幅が狭い場合であっても、複数のステップ状とすることにより、境界Ｓの位置と流量との関係を許容範囲に収めることができる。

＜作用効果＞
細胞培養装置１は、細胞の培養のための培地Ｍ１ａを培地受入部１２から受け入れると共に、培地Ｍ１ａを培地排出部１３から排出する培養槽１０と、培養槽１０から排出された培地Ｍ１ａを再び培養槽１０に導く培地循環ユニット２０と、培養槽１０へ培地Ｍ１ａとは異なる培地Ｍ１ｂ、Ｍ２及び緩衝液Ｍ３を供給する培地供給ユニット３０と、培地循環ユニット２０及び培地供給ユニット３０の動作を制御する制御ユニット４０と、を備える。制御ユニット４０は、培地循環ユニット２０及び培地供給ユニット３０を制御して、培養槽１０から培地Ｍ１ａを排出しながら、培養槽１０へ培地Ｍ２などを提供する入替動作を行う。制御ユニット４０は、入替動作を行うとき、培地供給ユニット３０を制御して、培養槽１０へ培地Ｍ２を流量Ｆ１で供給した後に、培養槽１０へ培地Ｍ２を流量Ｆ２で供給する。流量Ｆ２は、流量Ｆ１より大きい。

細胞培養装置１は、培養槽１０と培地循環ユニット２０との間で培地Ｍ１ａを循環させることにより細胞の培養を行うことができる。また、細胞培養装置１は、制御ユニット４０によって培地循環ユニット２０及び培地供給ユニット３０の制御を行うことにより、培地Ｍ１ａを培地Ｍ２へ入れ替える動作を行うことができる。

ところで、この入替動作では、プラグフロー及び境界の安定した状態を維持することが望まれる。しかし、プラグフロー及び境界の状態は、種々の要因によって不安定化しやすい。例えば、培地Ｍ１ａを収容したリアクタが恒温槽(例えば３７℃)で温められており、恒温槽の外部(低温雰囲気下)にポンプ３２ａを設置する場合に、流れが乱れることがある。ポンプ３２ａを通過して流入する培地Ｍ２の温度が多少低くなっていることで、リアクタに新しい培地Ｍ２が流入した際に、リアクタ壁面が早く温まる。その結果、壁面に近い培地Ｍ２が先に上昇する。従って、温まり難い中心軸部の培地Ｍ１ａが新しい培地Ｍ２へ交換され難い。よって、安定したプラグフローの形成が難しかった。また、効率の良い培地の交換には、古い培地Ｍ１ａと新しい培地Ｍ２の境界を乱さないことが求められる。強い流れを設定した際は、リアクタの下部において強い旋回流が生じるので、元の培地Ｍ１ａと新しい培地Ｍ２の境界が乱れやすかった。また、リアクタの下部の体積が小さいため、リアクタのわずかな歪みも界面の乱れに繋がりやすい。従って、安定したプラグフローの作成が妨げられていた。

そこで、制御ユニット４０は、培地Ｍ２を流量Ｆ１で供給した後に、流量Ｆ１より大きい流量Ｆ２で供給する。この態様によれば、培地Ｍ１ａと培地Ｍ２との境界Ｓの状態を安定化することが可能になる。従って、培地Ｍ１ａを培地Ｍ２へ速やかに交換することが可能になる。そうすると、入替動作中においても、培養槽１０の内部は培地Ｍ１ａ、Ｍ２によって満たされる。従って、細胞の培養が中断されないので、連続的な細胞の培養を行うことができる。

つまり、培養槽１０の下部では、旋回流を弱くすることで培地Ｍ１ａ、Ｍ２の境界Ｓが乱れ難くなる。そして、培養槽１０の上部では、強い流れにより圧力が上昇する。その結果、流れや培地Ｍ１ａ、Ｍ２の境界Ｓが安定化する。その結果、液体の温度差や、培養槽１０の歪み、旋回流による流れの乱れにより発生するプラグフローの乱れの発生を抑制することができる。その結果、安定したプラグフローが作成できることで、培養槽１０の内部の培地Ｍ１ａと新しい培地Ｍ２の境界の状態が安定する。その結果、培地Ｍ１ａ、Ｍ２が互いに混合しにくくなる。従って、例えば培地の交換時に無駄が減るので、高価な培地などを使用する際のコストの上昇を抑制することができる。

培養槽１０は、培地受入部１２から培地排出部１３へ向かう方向に交差する断面の形状が第１断面積である第１部分と、第１部分とは異なる位置における断面の形状が第１断面積より大きい第２断面積である第２部分と、を有する。第１部分は、第２部分よりも培地受入部１２に近い。制御ユニット４０は、入替動作を行うとき、培地供給ユニット３０を制御して、培地Ｍ１ａ、Ｍ２の境界Ｓが第１部分であるときに培養槽１０に培地Ｍ２を流量Ｆ１で供給する。また、境界Ｓが第２部分であるときに培養槽１０に培地Ｍ２を流量Ｆ２で供給する。この構成によれば、プラグフローを確実に形成することができると共に培地Ｍ１ａ、Ｍ２の境界Ｓの状態をより安定化できる。

制御ユニット４０は、培地循環ユニット２０及び培地供給ユニット３０を制御して、培養槽１０及び培地循環ユニット２０において培地Ｍ１ａを循環させる循環動作と、入替動作と、を相互に切り替えてもよい。この構成によれば、循環動作から入替動作へ切り替える動作を連続して行うことが可能であり、同様に、入替動作から循環動作へ切り替える動作を連続して行うことも可能である。従って、連続的な細胞の培養をより好適に行うことができる。

培地供給ユニット３０は、培地Ｍ１ａ又は培地Ｍ１ａとは異なる培地Ｍ２及び緩衝液Ｍ３をそれぞれ収容する複数のタンク３１ａ、３１ｂ、３１ｃと、複数のタンク３１ａ、３１ｂ、３１ｃとより選択された選択タンクから培地Ｍ１ｂ、Ｍ２及び緩衝液Ｍ３を培養槽１０に提供する選択供給部３２と、を含んでもよい。この構成によれば、細胞の種類や成長段階ごとに適した培地Ｍ１ｂ、Ｍ２又は緩衝液Ｍ３を速やかに培養槽１０へ提供できる。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示の細胞培養装置は上記実施形態に限定されない。

例えば、所望の培地Ｍ１ｂ、Ｍ２及び緩衝液Ｍ３を収容したタンク３１ａ、３１ｂ、３１ｃから、培地受入部１２へ所望の培地Ｍ１ｂ、Ｍ２及び緩衝液Ｍ３を提供する構成として、図７に示す構成を採用してもよい。例えば、細胞培養装置１Ａの培地供給ユニット３０Ａは、ポンプ３２ａ及びバルブ３２ｂによって構成されていた選択供給部３２に代えて、複数のポンプ３７ａ、３７ｂ、３７ｃによって構成される選択供給部３２Ａを有する。ポンプ３７ａは、タンク３１ａ及びバルブ３２ｃと接続されている。ポンプ３７ｂは、タンク３１ｂ及びバルブ３２ｃと接続されている。ポンプ３７ｃは、タンク３１ｃ及びバルブ３２ｃと接続されている。そして、所望の培地Ｍ１ｂ、Ｍ２及び緩衝液Ｍ３が収容されたタンク３１ａ、３１ｂ、３１ｃに接続されたポンプ３７ａ、３７ｂ、３７ｃを駆動することにより、所望の培地Ｍ１ｂ、Ｍ２及び緩衝液Ｍ３を培地受入部１２に提供することができる。なお、細胞播種ライン３６には別途のポンプ３８を設置してよい。

また、入替動作では、新たな培地Ｍ２を供給する前に、生理食塩水といった緩衝液Ｍ３を供給する動作を追加してもよい。まず、図８の（ａ）部に示されるように、緩衝液Ｍ３を培養槽１０に供給する。次に、図８の（ｂ）部に示されるように、新たな培地Ｍ２を培養槽１０に供給する。このような動作の場合、流量を制御するための境界は、培地Ｍ１ａと緩衝液Ｍ３との境界Ｓａとしてもよいし、緩衝液Ｍ３と培地Ｍ２との境界Ｓｂとしてもよい。

１，１Ａ 細胞培養装置
１０ 培養槽
１２ 培地受入部（受入部）
１３ 培地排出部（排出部）
２０ 培地循環ユニット（循環部）
２１ バッファタンク
２２，３２ｂ，３２ｃ バルブ
２３，２６，３２ａ，３７ａ，３７ｂ，３７ｃ ポンプ
２５ 廃液タンク
３０，３０Ａ 培地供給ユニット（供給部）
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ タンク
３２，３２Ａ 選択供給部
３６ 細胞播種ライン
４０ 制御ユニット（制御部）
Ｍ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ２ 培地
Ｍ３ 緩衝液（処理液）

Claims (4)

1. 細胞培養のための第１培地を受入部から受け入れると共に、前記第１培地を排出部から排出する培養槽と、
   前記培養槽から排出された前記第１培地を再び前記培養槽に導く循環部と、
   前記培養槽へ前記第１培地とは異なる第２培地を供給する供給部と、
   前記循環部及び前記供給部の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記循環部及び前記供給部を制御して、前記培養槽から前記第１培地を排出しながら、前記培養槽へ前記第２培地を提供する入替動作を行い、
   前記制御部は、前記入替動作を行うとき、前記供給部を制御して、前記培養槽へ前記第２培地を第１流量で供給した後に、前記培養槽へ前記第２培地を第２流量で供給し、
   前記第２流量は、前記第１流量より大きい、細胞培養装置。
2. 前記培養槽は、前記受入部から前記排出部へ向かう方向に交差する断面の形状が第１断面積である第１部分と、前記第１部分とは異なる位置における断面の形状が前記第１断面積より大きい第２断面積である第２部分と、を有し、
   前記第１部分は、前記第２部分よりも前記受入部に近く、
   前記制御部は、前記入替動作を行うとき、前記供給部を制御して、前記第１培地と前記第２培地との境界が前記第１部分であるときに前記培養槽に前記第２培地を前記第１流量で供給し、前記境界が前記第２部分であるときに前記培養槽に前記第２培地を第２流量で供給する、請求項１に記載の細胞培養装置。
3. 前記制御部は、前記循環部及び前記供給部を制御して、前記培養槽及び前記循環部において前記第１培地を循環させる循環動作と、前記入替動作と、を相互に切り替える、請求項１又は２に記載の細胞培養装置。
4. 前記供給部は、前記第２培地、前記第２培地とは異なる第３培地及び所望の処理液のうち少なくとも２つをそれぞれ収容する複数のタンクと、前記複数のタンクより選択された選択タンクから前記第２培地、前記第３培地及び前記処理液を前記培養槽に提供する選択供給部と、を含む、請求項１〜３の何れか一項に記載の細胞培養装置。

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