JP2020509336A - 細胞凍結乾燥システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、細胞凍結乾燥システムに関し、該細胞凍結乾燥システムは、加温窒素ガス供給機構と、凍結乾燥作業ボックスと、排気機構とを備え、前記加温窒素ガス供給機構と、前記凍結乾燥作業ボックスと、前記排気機構とは、第１接続管を介して順次接続され、前記加温窒素ガス供給機構は、加熱後の気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに供給し、前記凍結乾燥作業ボックスは、液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れた後、予め設定されたモードに従って昇温するとともに、加熱後の気体窒素が連続的に導入され、細胞サンプルの固体の水を昇華させて気体の水にし、前記凍結乾燥作業ボックスは、液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整されており、前記排気機構は、細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む気体窒素を排出するためのものである。本発明は、さらに、細胞凍結乾燥方法に関する。本発明は、細胞の凍結乾燥による損傷や汚染の問題を効果的に解決でき、細胞凍結乾燥の優れた安全性、高効率及び低コストを達成することができる。【選択図】図１
Description
本発明は、細胞保存の技術分野に関するものであり、特に細胞凍結乾燥システム及び方法に関するものである。
一般的に使用されている細胞脱水方法は、真空凍結乾燥法であり、該方法は、真空凍結乾燥装置を用い、限られた空間内の気体の水の分圧の制御及び昇華エネルギーの入力を実現し、細胞の凍結乾燥を達成する。この方法で得られた凍結乾燥細胞は、マイクロ構造の明らかな破壊が存在し、回復率（recovery rate）が低い。凍結乾燥による損傷の具体的な原理は、明確ではないが、主な影響因子は、凍結乾燥中の細胞の内部応力作用にあると考えられる。現在、一般的に使用されている工業装置の条件では、−９０℃よりも低い温度を制御可能な環境を低コストで実現するのは難しいため、細胞凍結乾燥用の人工環境の初期作動温度が一般的に−９０℃以上であるが、細胞凍結には一般的に液体窒素が作動媒体として用いられ、両者には巨大な温度差が存在し、これは、細胞の凍結乾燥による損傷を引き起こしやすい要因である可能性がある。
現在、細胞実験室に一般的に使用されている凍結乾燥装置には、深刻な汚染の問題が存在する。該装置は、作業空間の気体の水の分圧を制御し、負圧状態を維持するために、真空ポンプが２４時間以上連続的に運転する必要があり、真空ポンプが連続的に運転するため、潤滑油の蒸発による消耗を回避できず、深刻な振動やノイズも抑制しにくく、従って、該装置は、細胞実験室との整合性が良くないという問題を抱えて、室内で運転できないとともに、細胞凍結融解装置とのプロセス接続を行うことも難しい。
細胞は、複雑な生体の基本的な機能単位であり、人間の健康や病気を定義する対象が最終的に細胞になる。人間に関する医学は、器官、体系、組織を考察及び干渉の対象とすることから始まり、現在、遺伝子編集、ハイスループットＤＮＡシークエンシング、人工修飾による免疫細胞方法などを含む細胞方法に急速に変わっている。これらの方法は、臨床細胞方法とも呼ばれ、より高効率で低コストの臨床医学方法のシステムが迅速に確立されている。細胞医学時代では、細胞を安全かつ低コストで保存することは、社会的にも経済的にも重要な意義を有する。安全、高効率、低コストの細胞凍結乾燥方法及び装置の確立は、細胞医学及び細胞産業の基礎の１つである。
本発明の実施例の目的は、細胞凍結乾燥による損傷や汚染の問題を効果的に解決できるとともに、安全性、高効率及び低コストを達成できる細胞凍結乾燥システム及び方法を提供することである。
上記目的を達成させるために、本発明の実施例は、細胞凍結乾燥システムを提供し、前記細胞凍結乾燥システムは、
加温窒素ガス供給機構と、凍結乾燥作業ボックスと、排気機構とを備え、前記加温窒素ガス供給機構と、前記凍結乾燥作業ボックスと、前記排気機構とは、第１接続管を介して順次接続され、ここで、前記加温窒素ガス供給機構は、加熱後の気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに供給し、前記凍結乾燥作業ボックスは、細胞サンプルを入れた後、予め設定されたモードに従って昇温するとともに、加熱後の前記気体窒素が連続的に導入され、前記細胞サンプルに対して凍結乾燥処理を行うことで、前記細胞サンプルの固体の水を昇華させて気体の水として前記気体窒素に取り込み、ここで、前記細胞サンプルは、液体窒素で冷凍された細胞サンプルであり、前記凍結乾燥作業ボックスは、前記液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整されており、前記排気機構は、前記細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む気体窒素を排出するためのものである。
加温窒素ガス供給機構と、凍結乾燥作業ボックスと、排気機構とを備え、前記加温窒素ガス供給機構と、前記凍結乾燥作業ボックスと、前記排気機構とは、第１接続管を介して順次接続され、ここで、前記加温窒素ガス供給機構は、加熱後の気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに供給し、前記凍結乾燥作業ボックスは、細胞サンプルを入れた後、予め設定されたモードに従って昇温するとともに、加熱後の前記気体窒素が連続的に導入され、前記細胞サンプルに対して凍結乾燥処理を行うことで、前記細胞サンプルの固体の水を昇華させて気体の水として前記気体窒素に取り込み、ここで、前記細胞サンプルは、液体窒素で冷凍された細胞サンプルであり、前記凍結乾燥作業ボックスは、前記液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整されており、前記排気機構は、前記細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む気体窒素を排出するためのものである。
従来技術に比べて、本発明に開示された、細胞凍結乾燥システムは、加温窒素ガス供給機構、凍結乾燥作業ボックス及び排気機構を設置することで、加温窒素ガス供給機構により加熱後の窒素ガスを凍結乾燥作業ボックスに提供し、凍結乾燥作業ボックスが予冷された場合において、細胞サンプルを入れた後、凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させるとともに、加熱後の前記気体窒素が連続的に導入され、前記細胞サンプルに対して凍結乾燥処理を行い、乾燥したクリーンな気体窒素を昇華乾燥用の熱媒体及び不活性保護剤とし、液体窒素温度を昇華開始温度とし、前記細胞サンプルの固体の水を昇華させて気体の水にし、そして、排気機構により前記細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む気体窒素を排出するという技術的解決手段によって、凍結乾燥作業ボックスが前記液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整されており、細胞サンプルを入れるときに凍結乾燥作業ボックスが適切な温度に予め調整されたため、入れる時の過大な初期温度差による細胞損傷の問題を解決し、また、窒素を昇華媒体とし、連続的な昇温により昇華エネルギーを提供することで、常圧状態で細胞サンプルの昇華脱水を完成することができ、且つ、窒素の工業的価格が低く、環境汚染やエネルギー消費が小さく、従って、安全性に優れ、効率が高く、コストが低いという有益な効果が得られる。
さらに、前記凍結乾燥作業ボックスは、
前記細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックス内に入れ又は前記凍結乾燥処理が完了した細胞サンプルを前記凍結乾燥作業ボックスから取り出すためのサンプル出し入れ装置と、
前記凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させる加熱皿と、を備える。
前記細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックス内に入れ又は前記凍結乾燥処理が完了した細胞サンプルを前記凍結乾燥作業ボックスから取り出すためのサンプル出し入れ装置と、
前記凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させる加熱皿と、を備える。
さらに、前記加温窒素ガス供給機構は、
液体窒素を貯蔵するための液体窒素貯蔵タンクと、
前記液体窒素を前記気体窒素に転化させるためのガス発生装置と、
前記気体窒素を加熱し、加熱後の前記気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに供給するためのガス加温装置と、を備え、
前記液体窒素貯蔵タンクと、前記ガス発生装置と、前記ガス加温装置とは、第２接続管を介して順次接続され、前記ガス加温装置は、前記第１接続管を介して前記凍結乾燥作業ボックスに接続される。
液体窒素を貯蔵するための液体窒素貯蔵タンクと、
前記液体窒素を前記気体窒素に転化させるためのガス発生装置と、
前記気体窒素を加熱し、加熱後の前記気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに供給するためのガス加温装置と、を備え、
前記液体窒素貯蔵タンクと、前記ガス発生装置と、前記ガス加温装置とは、第２接続管を介して順次接続され、前記ガス加温装置は、前記第１接続管を介して前記凍結乾燥作業ボックスに接続される。
さらに、前記凍結乾燥作業ボックスは、前記凍結乾燥作業ボックスの容量を調節するための容積調節器をさらに備える。
さらに、前記細胞凍結乾燥システムは、中央コントローラと、流量センサとをさらに備え、前記流量センサは、加熱後の前記気体窒素を導入する前記凍結乾燥作業ボックスの入り口に設置され、導入された加熱後の前記気体窒素の流量を取得するためのものであり、前記中央コントローラは、前記凍結乾燥作業ボックスの容量及び前記流量センサによって取得された前記気体窒素の流量に基づいて、前記ガス発生装置の出力、前記ガス加温装置の出力及び前記加熱皿の熱出力を予め設定されたモードに従って上昇させるように制御するためのものである。
さらに、前記サンプル出し入れ装置は、入れられた前記細胞サンプルの重量を取得するためにも使用され、
前記中央コントローラは、前記サンプル出し入れ装置によって取得された前記細胞サンプルの重量に基づいて、前記容積調節器を制御して前記凍結乾燥作業ボックスの容量を調整するためにも使用される。
前記中央コントローラは、前記サンプル出し入れ装置によって取得された前記細胞サンプルの重量に基づいて、前記容積調節器を制御して前記凍結乾燥作業ボックスの容量を調整するためにも使用される。
さらに、前記排気機構は、前記排気機構の温度を調整することで前記排気機構が前記気体窒素を排出する速度を制御するための加熱装置をさらに備える。
それに対応して、本発明の実施例は、さらに細胞凍結乾燥方法を提供し、前記細胞凍結乾燥方法は、
液体窒素で冷凍された細胞サンプルを、前記液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整された凍結乾燥作業ボックスに入れることと、
前記凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させ、加熱後の気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに連続的に導入し、前記細胞サンプルに含まれた固体の水を昇華させて気体の水として前記気体窒素に取り込むとともに前記細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む前記気体窒素を持続的に排出することを含む、前記凍結乾燥作業ボックスの凍結乾燥工程を起動することと、
予め設定された凍結乾燥の停止条件を満たす時、前記凍結乾燥作業ボックスの凍結乾燥工程を終了し、前記細胞サンプルを前記凍結乾燥作業ボックスから取り出すことと、を含む。
液体窒素で冷凍された細胞サンプルを、前記液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整された凍結乾燥作業ボックスに入れることと、
前記凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させ、加熱後の気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに連続的に導入し、前記細胞サンプルに含まれた固体の水を昇華させて気体の水として前記気体窒素に取り込むとともに前記細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む前記気体窒素を持続的に排出することを含む、前記凍結乾燥作業ボックスの凍結乾燥工程を起動することと、
予め設定された凍結乾燥の停止条件を満たす時、前記凍結乾燥作業ボックスの凍結乾燥工程を終了し、前記細胞サンプルを前記凍結乾燥作業ボックスから取り出すことと、を含む。
従来技術に比べて、本発明に開示された、細胞凍結乾燥方法は、液体窒素で冷凍された細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックスに入れ、次に、凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させ、加熱後の気体窒素を凍結乾燥作業ボックスに連続的に導入し、細胞サンプルに含まれた固体の水を昇華させて気体の水にし、同時に細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む気体窒素を持続的に排出することを含む凍結乾燥作業ボックスの凍結乾燥工程を起動し、予め設定された凍結乾燥の停止条件を満たす時、凍結乾燥作業ボックスの凍結乾燥工程を終了し、細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックスから取り出すという技術的解決手段によって、細胞サンプルを入れるときに凍結乾燥作業ボックスがすでに適切な温度に予め調整されたため、入れる時の過大な初期温度差による細胞損傷の問題を解決し、また、窒素を昇華媒体として、連続的な昇温で昇華エネルギーを提供することで、常圧状態で細胞サンプルの昇華脱水を実施でき、また、窒素の工業的価格が低く、環境汚染やエネルギー消費が小さく、従って、安全性に優れ、効率が高く、コストが低いという有益な効果が得られる。
さらに、加熱後の気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに連続的に導入することは、具体的には、
液体窒素を前記気体窒素に転化させて、前記気体窒素を得ることと、
前記気体窒素を加熱することと、
加熱された前記気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに導入することと、を含む。
液体窒素を前記気体窒素に転化させて、前記気体窒素を得ることと、
前記気体窒素を加熱することと、
加熱された前記気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに導入することと、を含む。
さらに、細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックスに入れることは、具体的には、
細胞サンプルを予冷後の前記凍結乾燥作業ボックスに入れ、前記細胞サンプルの重量を取得し、前記細胞サンプルの重量に応じて前記凍結乾燥作業ボックスの容量を調整することを含み、
前記凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させることは、具体的には、
前記凍結乾燥作業ボックスに導入した前記気体窒素の流量を取得し、前記凍結乾燥作業ボックスの容量及び前記凍結乾燥作業ボックスに導入した前記気体窒素の流量に応じて、前記凍結乾燥作業ボックスを制御して予め設定されたモードに従って昇温させることを含む。
細胞サンプルを予冷後の前記凍結乾燥作業ボックスに入れ、前記細胞サンプルの重量を取得し、前記細胞サンプルの重量に応じて前記凍結乾燥作業ボックスの容量を調整することを含み、
前記凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させることは、具体的には、
前記凍結乾燥作業ボックスに導入した前記気体窒素の流量を取得し、前記凍結乾燥作業ボックスの容量及び前記凍結乾燥作業ボックスに導入した前記気体窒素の流量に応じて、前記凍結乾燥作業ボックスを制御して予め設定されたモードに従って昇温させることを含む。
以下、本発明の実施例の図面を参照しながら、本発明の実施例の技術的解決手段について明瞭、かつ完全に説明するが、勿論、説明される実施例は、本発明の一部の実施例に過ぎず、すべての実施例ではない。当業者が本発明の実施例に基づいて創造的な労力を要することなく想到しうるすべての他の実施例は、本発明の保護範囲に属する。
図１には、本発明の実施例１に係る細胞凍結乾燥システムの構造模式図が示されており、本発明の実施例は、
加温窒素ガス供給機構１と、凍結乾燥作業ボックス２と、排気機構３とを備え、ここで、加温窒素ガス供給機構１と、凍結乾燥作業ボックス２と、排気機構３とは、第１接続管を介して順次接続され、具体的には、
加温窒素ガス供給機構１は、加熱後の気体窒素を凍結乾燥作業ボックス２に供給し、
凍結乾燥作業ボックス２は、細胞サンプルを入れた後、予め設定されたモードに従って昇温するとともに、加熱後の気体窒素が連続的に導入され、細胞サンプルに対して凍結乾燥処理を行うことで、細胞サンプルの固体の水を昇華させて気体の水として気体窒素に取り込み、ここで、細胞サンプルは、液体窒素で冷凍された細胞サンプルであり、凍結乾燥作業ボックス２は、液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整されている。
加温窒素ガス供給機構１と、凍結乾燥作業ボックス２と、排気機構３とを備え、ここで、加温窒素ガス供給機構１と、凍結乾燥作業ボックス２と、排気機構３とは、第１接続管を介して順次接続され、具体的には、
加温窒素ガス供給機構１は、加熱後の気体窒素を凍結乾燥作業ボックス２に供給し、
凍結乾燥作業ボックス２は、細胞サンプルを入れた後、予め設定されたモードに従って昇温するとともに、加熱後の気体窒素が連続的に導入され、細胞サンプルに対して凍結乾燥処理を行うことで、細胞サンプルの固体の水を昇華させて気体の水として気体窒素に取り込み、ここで、細胞サンプルは、液体窒素で冷凍された細胞サンプルであり、凍結乾燥作業ボックス２は、液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整されている。
通常、従来の装置の凍結乾燥開始温度が一般的に−９０℃より高いが、細胞凍結には一般的に液体窒素が作動媒体として用いられ、両者には巨大な温度差が存在するため、細胞の凍結乾燥による損傷を引き起こしやすい。本発明に記載の液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度とは、液体窒素で冷凍された細胞サンプルに構造的損傷を与えない温度を意味し、理想的な適切的温度は、−１８６℃である。実際的に、凍結乾燥作業ボックス２の温度が一般的に−１８６℃より僅かに高いが、細胞サンプルが凍結乾燥作業ボックス２に入れられるときに液体窒素保護下にあるので、サンプルの温度が液体窒素温度からボックス内の温度に上がる前に、凍結乾燥が既に開始されており、つまり、凍結乾燥の開始時に細胞サンプルがまだ液体窒素で保護されており、そのため、液体窒素温度から凍結乾燥させると考えられ、液体窒素温度を昇華開始温度とする。
排気機構３は、細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む気体窒素を排出するためのものである。
本発明の実施例の凍結乾燥システムは、乾燥したクリーンな気体窒素を昇華乾燥の熱媒体及び不活性保護剤として使用し、液体窒素温度を昇華開始温度とし、常圧状態で細胞サンプルの昇華脱水を行うという原理に基づいて細胞サンプルの凍結乾燥処理を実現する。具体的には、凍結乾燥作業ボックスに窒素ガスを導入し、窒素ガスが純粋である場合、このときの凍結乾燥作業ボックスの窒素ガス環境には水が含まれていないと考えられ、又は、このときの凍結乾燥作業ボックスにおいて昇華水分圧のバランス状態になっていると考えられ、温度が上昇した後、窒素ガスのバランス状態が崩れ、これにより、細胞サンプル中の固体の水の昇華を開始させ、連続的に加温することで細胞が完全に脱水するまで連続的に昇華することができる。
本実施例に用いられる第１接続管は、いずれも断熱接続管であり、ガス流れの一方向性を確保し、凍結乾燥処理を正常に行うことを確保するように、第１接続管にいずれも一方向の気密バルブが設けられる。
具体的に実施する際、まず凍結乾燥作業ボックス２を起動して予冷を開始し、加温窒素ガス供給機構１と排気機構３を起動し、凍結乾燥作業ボックス２の温度を、液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度、例えば−１８６℃に達す。次に、凍結乾燥作業ボックス２に細胞サンプルを入れる。凍結乾燥作業ボックス２に細胞サンプルを入れた後に、予め設定されたモードに従って昇温させるとともに加熱後の気体窒素が連続的に導入され、細胞サンプルに対して凍結乾燥処理を行うことで、細胞サンプルの固体の水を昇華させて気体の水として気体窒素に取り込み、予め設定された凍結乾燥の停止条件を満たす時、細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックス２から取り出し、これにより、細胞サンプルに対する凍結乾燥処理を完了する。
従来技術に比べて、本発明の実施例は、従来の凍結乾燥技術による細胞構造破壊の問題を解決し、窒素を媒体として昇華させるため、エネルギー消費が少なくなり、また、窒素の工業的価格が低く、環境汚染が小さく、従って、安全性に優れ、効率が高く、コストが低いという有益な効果が得られる。
図２には、本発明の実施例２に係る細胞凍結乾燥システムの構造模式図が示されており、本発明の実施例は、
加温窒素ガス供給機構１と、凍結乾燥作業ボックス２と、排気機構３とを備え、ここで、加温窒素ガス供給機構１と、凍結乾燥作業ボックス２と、排気機構３とは、第１接続管を介して順次接続され、具体的には、
加温窒素ガス供給機構１は、加熱後の気体窒素を凍結乾燥作業ボックス２に供給し、
凍結乾燥作業ボックス２は、細胞サンプルを入れた後、予め設定されたモードに従って昇温するとともに、加熱後の気体窒素が連続的に導入され、細胞サンプルに対して凍結乾燥処理を行うことで、細胞サンプルの固体の水を昇華させて気体の水として気体窒素に取り込み、ここで、細胞サンプルは、液体窒素で冷凍された細胞サンプルであり、凍結乾燥作業ボックス２は、液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整されている。
加温窒素ガス供給機構１と、凍結乾燥作業ボックス２と、排気機構３とを備え、ここで、加温窒素ガス供給機構１と、凍結乾燥作業ボックス２と、排気機構３とは、第１接続管を介して順次接続され、具体的には、
加温窒素ガス供給機構１は、加熱後の気体窒素を凍結乾燥作業ボックス２に供給し、
凍結乾燥作業ボックス２は、細胞サンプルを入れた後、予め設定されたモードに従って昇温するとともに、加熱後の気体窒素が連続的に導入され、細胞サンプルに対して凍結乾燥処理を行うことで、細胞サンプルの固体の水を昇華させて気体の水として気体窒素に取り込み、ここで、細胞サンプルは、液体窒素で冷凍された細胞サンプルであり、凍結乾燥作業ボックス２は、液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整されている。
通常、従来の装置の凍結乾燥開始温度が一般的に−９０℃より高いが、細胞凍結には一般的に液体窒素が作動媒体として用いられ、両者には巨大な温度差が存在するため、細胞の凍結乾燥による損傷を引き起こしやすい。本発明に記載の液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度とは、液体窒素で冷凍された細胞サンプルに構造的損傷を与えない温度を意味し、理想的な適切的温度は、−１８６℃である。実際的に、凍結乾燥作業ボックス２の温度が一般的に−１８６℃より僅かに高いが、細胞サンプルが凍結乾燥作業ボックス２に入れられるときに液体窒素保護下にあるので、サンプルの温度が液体窒素温度からボックス内の温度に上がる前に、凍結乾燥が既に開始されており、つまり、凍結乾燥の開始時に細胞サンプルがまだ液体窒素で保護されており、そのため、液体窒素温度から凍結乾燥させると考えられ、液体窒素温度を昇華開始温度とする。
排気機構３は、細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む気体窒素を排出するためのものである。
本発明の実施例の凍結乾燥システムは、乾燥したクリーンな気体窒素を昇華乾燥の熱媒体及び不活性保護剤として使用し、液体窒素温度を昇華開始温度とし、常圧状態で細胞サンプルの昇華脱水を行うという原理に基づいて細胞サンプルの凍結乾燥処理を実現する。具体的には、凍結乾燥作業ボックスに窒素ガスを導入し、窒素ガスが純粋である場合、このときの凍結乾燥作業ボックスの窒素ガス環境には水が含まれていないと考えられ、又は、このときの凍結乾燥作業ボックスにおいて昇華水分圧のバランス状態になっていると考えられ、温度が上昇した後、窒素ガスのバランス状態が崩れ、これにより、細胞サンプル中の固体の水の昇華を開始させ、連続的に加温することで細胞が完全に脱水するまで連続的に昇華することができる。
好ましくは、凍結乾燥作業ボックス２は、
細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックス２内に入れ又は凍結乾燥処理が完了した細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックス２から取り出すためのサンプル出し入れ装置２１と、
凍結乾燥作業ボックス２を予め設定されたモードに従って昇温させる加熱皿２２と、を備える。また、図１に示すように、加熱皿２２は、さらに載置装置として凍結乾燥作業ボックス２に入れた細胞サンプルを載置することもでき、サンプル出し入れ装置２１により細胞サンプルを入れて加熱皿２２に搬送する。本実施例の加熱皿２２としては、金属加熱皿を用いることが好ましく、金属材料の熱容量が窒素ガスより大きいため、金属材料からなる加熱皿２２は、凍結乾燥作業ボックス２内の温度制御のバッファとして使用でき、窒素ガスの使用量を減少できるだけでなく、凍結乾燥作業ボックス２内の温度を容易に制御できる。
細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックス２内に入れ又は凍結乾燥処理が完了した細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックス２から取り出すためのサンプル出し入れ装置２１と、
凍結乾燥作業ボックス２を予め設定されたモードに従って昇温させる加熱皿２２と、を備える。また、図１に示すように、加熱皿２２は、さらに載置装置として凍結乾燥作業ボックス２に入れた細胞サンプルを載置することもでき、サンプル出し入れ装置２１により細胞サンプルを入れて加熱皿２２に搬送する。本実施例の加熱皿２２としては、金属加熱皿を用いることが好ましく、金属材料の熱容量が窒素ガスより大きいため、金属材料からなる加熱皿２２は、凍結乾燥作業ボックス２内の温度制御のバッファとして使用でき、窒素ガスの使用量を減少できるだけでなく、凍結乾燥作業ボックス２内の温度を容易に制御できる。
また、凍結乾燥作業ボックス２は、凍結乾燥作業ボックス２の容量を調節するための容積調節器２３をさらに備えることが好ましい。
好ましくは、加温窒素ガス供給機構１は、
液体窒素を貯蔵するための液体窒素貯蔵タンク１１であって、好ましくは、液体窒素貯蔵タンク１１の液体窒素の貯蔵量又は液体窒素の使用量を把握するための液体窒素液面位置センサが取り付けられた液体窒素貯蔵タンク１１と、
液体窒素を気体窒素に転化させるためのガス発生装置１２と、
気体窒素を加熱し、加熱後の気体窒素を凍結乾燥作業ボックスに供給するためのガス加温装置１３と、を備え、
液体窒素貯蔵タンク１１、ガス発生装置１２及びガス加温装置１３は、第２接続管を介して順次接続され、ガス加温装置１３は、第１接続管を介して凍結乾燥作業ボックス２に接続される。
液体窒素を貯蔵するための液体窒素貯蔵タンク１１であって、好ましくは、液体窒素貯蔵タンク１１の液体窒素の貯蔵量又は液体窒素の使用量を把握するための液体窒素液面位置センサが取り付けられた液体窒素貯蔵タンク１１と、
液体窒素を気体窒素に転化させるためのガス発生装置１２と、
気体窒素を加熱し、加熱後の気体窒素を凍結乾燥作業ボックスに供給するためのガス加温装置１３と、を備え、
液体窒素貯蔵タンク１１、ガス発生装置１２及びガス加温装置１３は、第２接続管を介して順次接続され、ガス加温装置１３は、第１接続管を介して凍結乾燥作業ボックス２に接続される。
自動化及びインテリジェント化を達成するために、本実施例は、中央コントローラ４と、流量センサ５とをさらに備え、流量センサ５は、加熱後の気体窒素を導入する凍結乾燥作業ボックス２の入り口に設置され、導入された加熱後の気体窒素の流量を取得するためのものである。中央コントローラは、凍結乾燥作業ボックス２の容量と流量センサ５によって取得された気体窒素の流量に基づいて、ガス発生装置１２の出力、ガス加温装置１３の出力及び加熱皿２２の熱出力が予め設定されたモードに従って上昇するように制御するためのものである。
さらに、サンプル出し入れ装置２１は、入れた細胞サンプルの重量を取得するためにも使用される。中央コントローラ４は、サンプル出し入れ装置２１によって取得された細胞サンプルの重量に基づいて、容積調節器２３を制御して凍結乾燥作業ボックス２の容量を調整するためにも使用される。
さらに、排気機構３は、排気機構３の温度を調整することで排気機構３１が気体窒素を排出する速度を制御するための加熱装置３１をさらに備える。好ましくは、加熱装置３１は、中央コントローラ４によって制御されることができる。
本実施例に用いる第１接続管及び第２接続管は、いずれも断熱接続管であり、ガス流れの一方向性を確保し、凍結乾燥処理を正常に行うことを確保するように、第１接続管及び第２接続管にいずれも一方向の気密バルブが設けられる。
また、好ましくは、中央コントローラ４がガス加温装置１３、気体窒素を導入する凍結乾燥作業ボックス２の入り口、加熱皿２２及び加熱装置３１の各箇所の温度値を取得するように、ガス加温装置１３には、第１温度センサ６１が設置され、気体窒素を導入する凍結乾燥作業ボックス２の入り口には、第２温度センサ６２が設置され、加熱皿２２には、第３温度センサ６３が設置され、加熱装置３１には、第４温度センサ６４が設置される。
具体的に実施する際、まず、中央コントローラ４を起動し、中央コントローラ４によりガス加温装置１３、気体窒素を導入する凍結乾燥作業ボックス２の入り口、加熱皿２２及び加熱装置３１の各箇所の温度値を取得する。そして、凍結乾燥作業ボックス２を起動して予冷を開始するとともに、加温窒素ガス供給機構１及び排気機構３を起動し、ここで、加温窒素ガス供給機構１のガス発生装置を起動し、凍結乾燥作業ボックス２の温度を液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度、例えば−１８６℃に達するようにする。次に、サンプル出し入れ装置２１により細胞サンプルを入れ、細胞サンプルの重量を取得し、細胞サンプルを加熱皿２２に搬送する。続いて、中央コントローラ４は、細胞サンプルの重量に応じて、容積調節器２３を制御することで凍結乾燥作業ボックス２の容量を調整し、それと同時に、中央コントローラ４は、調整後の凍結乾燥作業ボックス２の容量及び流量センサ５の示度に応じて、ガス発生装置１２の出力、ガス加温装置１３の出力及び加熱皿２２の熱出力が予め設定されたモードに従って上昇するように調整し、それにより、凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させるとともに加熱後の気体窒素が連続的に導入され、細胞サンプルに対する凍結乾燥処理を開始させる。予め設定された凍結乾燥の停止条件を満たす時、サンプル出し入れ装置２１により細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックス２から取り出し、細胞サンプルに対する凍結乾燥処理を完了する。
本実施例に記載の中央コントローラ４が凍結乾燥作業ボックス２の温度モード及び容量を調節する実施形態、加温窒素ガス供給機構１が如何に加熱後の気体窒素を取得するかについての実施形態、及び排気機構３が如何に排気を行うかについての実施形態は、いずれも好ましい実施形態であり、なお、当業者にとって、本発明の原理から逸脱することなく上記実施形態の代わりに本発明の技術的効果を達成する改良技術案も、本発明の保護範囲と見なされる。
従来技術に比べて、本発明の実施例は、入れる時の過大な初期温度差による細胞損傷の問題を解決し、窒素を昇華媒体として採用し、連続的に昇温することで昇華エネルギーを提供することで、常圧状態で細胞サンプルの昇華脱水を完成させることができ、また、窒素の工業的価格が低く、環境汚染やエネルギー消費が小さく、従って、安全性に優れ、効率が高く、コストが低いという有益な効果が得られ、また、本実施例の凍結乾燥システムは、完全に制御可能な凍結乾燥環境であり、プログラムを合理的に設定すれば、作業効率を確保することができる。
それに対して、図３には、本発明の実施例３に係る細胞凍結乾燥方法の模式的なフローチャートが示されており、具体的には、
液体窒素で冷凍された細胞サンプルを、液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整された凍結乾燥作業ボックスに入れるステップＳ１と、
凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させ、加熱後の気体窒素を凍結乾燥作業ボックスに連続的に導入し、細胞サンプルに含まれた固体の水を昇華させて気体の水にし、同時に細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む気体窒素を持続的に排出することを含む凍結乾燥作業ボックスの凍結乾燥工程を起動するステップＳ２と、
予め設定された凍結乾燥の停止条件を満たす時、凍結乾燥作業ボックスの凍結乾燥工程を終了し、細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックスから取り出すステップＳ３と、を含む。
液体窒素で冷凍された細胞サンプルを、液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整された凍結乾燥作業ボックスに入れるステップＳ１と、
凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させ、加熱後の気体窒素を凍結乾燥作業ボックスに連続的に導入し、細胞サンプルに含まれた固体の水を昇華させて気体の水にし、同時に細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む気体窒素を持続的に排出することを含む凍結乾燥作業ボックスの凍結乾燥工程を起動するステップＳ２と、
予め設定された凍結乾燥の停止条件を満たす時、凍結乾燥作業ボックスの凍結乾燥工程を終了し、細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックスから取り出すステップＳ３と、を含む。
本発明の実施例の凍結乾燥システムは、乾燥したクリーンな気体窒素を昇華乾燥の熱媒体及び不活性保護剤として使用し、液体窒素温度を昇華開始温度とし、常圧状態で細胞サンプルの昇華脱水を行うという原理に基づいて細胞サンプルの凍結乾燥処理を実現する。具体的には、凍結乾燥作業ボックスに窒素ガスを導入し、窒素ガスが純粋である場合、このときの凍結乾燥作業ボックスの窒素ガス環境には水が含まれていないと考えられ、又は、このときの凍結乾燥作業ボックス内において昇華水分圧のバランス状態になっていると考えられ、温度が上昇した後、窒素ガスのバランス状態が崩れ、細胞サンプル中の固体の水の昇華を開始させ、連続的に加温することで細胞が完全に脱水するまで連続的に昇華することができる。
通常、従来の凍結乾燥開始温度が一般的に−９０℃より高いが、細胞凍結には一般的に液体窒素が作動媒体として用いられ、両者には巨大な温度差が存在するため、細胞の凍結乾燥による損傷を引き起こしやすい。本発明に記載の液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度とは、液体窒素で冷凍された細胞サンプルに構造的損傷を与えない温度を意味し、理想的な適切的温度は、−１８６℃である。実際的には、凍結乾燥作業ボックスの予冷の温度が一般的に−１８６℃より僅かに高いが、細胞サンプルが凍結乾燥作業ボックスに入れられるときに液体窒素保護下にあるので、サンプル温度が液体窒素温度からボックス内の温度に上がる前に、凍結乾燥が既に開始されており、つまり、凍結乾燥開始時に細胞サンプルがまだ液体窒素で保護されており、そのため、液体窒素温度から凍結乾燥させると考えられ、液体窒素温度を昇華開始温度とする。
液体窒素の直接ガス化によって得られた窒素ガスの純度が高く、ステップＳ２の凍結乾燥工程において加熱後の気体窒素を凍結乾燥作業ボックスに連続的に導入する際に、好ましくは、まず、液体窒素を気体窒素に転化させることによって気体窒素を得て、次に、気体窒素を加熱し、最後に、加熱後の気体窒素を凍結乾燥作業ボックスに導入する。これは、好ましい実施形態であり、窒素ガスの入手及び窒素ガスの加熱は、いずれも従来技術によって得られるものであるので、本発明の原理に基づいてその他の実施形態によって加熱後の窒素ガスを取得する実施形態も、本発明の保護範囲と見なされる。
また、凍結乾燥工程を起動する時に凍結乾燥作業ボックスが予め設定されたモードに従って昇温することを確保するために、好ましくは、導入した気体窒素も予め設定されたモードに従って昇温させ、このようにして、凍結乾燥作業ボックスに導入した気体窒素の温度を凍結乾燥作業ボックスの温度とほぼ一致にさせることができ、細胞サンプル中の固体の水の昇華にエネルギーを連続的に提供する。
好ましくは、ステップＳ２の凍結乾燥工程において細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む気体窒素を排出することは、加熱方式を用いて、強制的に細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む気体窒素を排出可能にし、それにより排気効率を向上させる。
ステップＳ３では、細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックスに入れることは、具体的には、
細胞サンプルを予冷後の凍結乾燥作業ボックスに入れ、細胞サンプルの重量を取得し、細胞サンプルの重量に応じて凍結乾燥作業ボックスの容量を調整することを含む。
それに対応して、ステップＳ２では、凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させることは、具体的には、
凍結乾燥作業ボックスに導入した気体窒素の流量を取得し、凍結乾燥作業ボックスの容量及び凍結乾燥作業ボックスに導入した気体窒素の流量に応じて、凍結乾燥作業ボックスを制御して予め設定されたモードに従って昇温させることを含む。
細胞サンプルを予冷後の凍結乾燥作業ボックスに入れ、細胞サンプルの重量を取得し、細胞サンプルの重量に応じて凍結乾燥作業ボックスの容量を調整することを含む。
それに対応して、ステップＳ２では、凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させることは、具体的には、
凍結乾燥作業ボックスに導入した気体窒素の流量を取得し、凍結乾燥作業ボックスの容量及び凍結乾燥作業ボックスに導入した気体窒素の流量に応じて、凍結乾燥作業ボックスを制御して予め設定されたモードに従って昇温させることを含む。
具体的に実施する際、まず、液体窒素で冷凍された細胞サンプルを、液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整された凍結乾燥作業ボックスに入れる。次に、凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させ、加熱後の気体窒素を凍結乾燥作業ボックスに連続的に導入し、細胞サンプルに含まれた固体の水を昇華させて気体の水にし、同時に細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む気体窒素を持続的に排出することを含む凍結乾燥作業ボックスの凍結乾燥工程を起動する。予め設定された凍結乾燥の停止条件を満たす時、凍結乾燥作業ボックスの凍結乾燥工程を終了し、細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックスから取り出す。
従来技術に比べて、本発明の実施例は、従来の凍結乾燥技術による細胞構造破壊の問題を解決し、窒素を媒体として昇華させるため、エネルギー消費が少なくなり、また、窒素の工業的価格が低く、環境汚染が小さく、従って、安全性に優れ、効率が高く、コストが低いという有益な効果が得られる。
以上は、本発明の好適な実施形態であり、ただし、当業者にとっては、本発明の原理を逸脱することなく複数の改良や修飾ができ、これらの改良や修飾も本発明の保護範囲と見なされる。
Claims (10)
- 細胞凍結乾燥システムであって、加温窒素ガス供給機構と、凍結乾燥作業ボックスと、排気機構とを備え、前記加温窒素ガス供給機構と、前記凍結乾燥作業ボックスと、前記排気機構とは、第１接続管を介して順次接続され、前記加温窒素ガス供給機構は、加熱後の気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに供給し、前記凍結乾燥作業ボックスは、細胞サンプルを入れた後、予め設定されたモードに従って昇温するとともに、加熱後の前記気体窒素が連続的に導入され、前記細胞サンプルに対して凍結乾燥処理を行うことで、前記細胞サンプルの固体の水を昇華させて気体の水にし、前記細胞サンプルは、液体窒素で冷凍された細胞サンプルであり、前記凍結乾燥作業ボックスは、前記液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整されており、前記排気機構は、前記細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む気体窒素を排出するためのものである、ことを特徴とする細胞凍結乾燥システム。
- 前記凍結乾燥作業ボックスは、
前記細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックス内に入れる、又は、前記凍結乾燥処理が完了した細胞サンプルを前記凍結乾燥作業ボックスから取り出すためのサンプル出し入れ装置と、
前記凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させる加熱皿と、を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の細胞凍結乾燥システム。 - 前記加温窒素ガス供給機構は、
液体窒素を貯蔵するための液体窒素貯蔵タンクと、
前記液体窒素を前記気体窒素に転化させるためのガス発生装置と、
前記気体窒素を加熱し、加熱後の前記気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに供給するためのガス加温装置と、を備え、
前記液体窒素貯蔵タンクと、前記ガス発生装置と、前記ガス加温装置とは、第２接続管を介して順次接続され、前記ガス加温装置は、前記第１接続管を介して前記凍結乾燥作業ボックスに接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の細胞凍結乾燥システム。 - 前記凍結乾燥作業ボックスは、前記凍結乾燥作業ボックスの容量を調節するための容積調節器をさらに備える、ことを特徴とする請求項２に記載の細胞凍結乾燥システム。
- 中央コントローラと、流量センサとをさらに備え、前記流量センサは、加熱後の前記気体窒素を導入する前記凍結乾燥作業ボックスの入り口に設置され、導入された加熱後の前記気体窒素の流量を取得するためのものであり、前記中央コントローラは、前記凍結乾燥作業ボックスの容量及び前記流量センサによって取得された前記気体窒素の流量に基づいて、前記ガス発生装置の出力、前記ガス加温装置の出力及び前記加熱皿の熱出力を予め設定されたモードに従って上昇させるように制御するためのものである、ことを特徴とする請求項４に記載の細胞凍結乾燥システム。
- 前記サンプル出し入れ装置は、入れられた前記細胞サンプルの重量を取得するためにも使用され、
前記中央コントローラは、前記サンプル出し入れ装置によって取得された前記細胞サンプルの重量に基づいて、前記容積調節器を制御して前記凍結乾燥作業ボックスの容量を調整するためにも使用される、ことを特徴とする請求項５に記載の細胞凍結乾燥システム。 - 前記排気機構は、前記排気機構の温度を調整することで前記排気機構が前記気体窒素を排出する速度を制御するための加熱装置をさらに備える、ことを特徴とする請求項５に記載の細胞凍結乾燥システム。
- 細胞凍結乾燥方法であって、
液体窒素で冷凍された細胞サンプルを、前記液体窒素で冷凍された細胞サンプルを入れることに適切な温度に予め調整された凍結乾燥作業ボックスに入れることと、
前記凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させ、加熱後の気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに連続的に導入し、前記細胞サンプルに含まれた固体の水を昇華させて気体の水として前記気体窒素に取り込むとともに、前記細胞サンプルの固体の水が昇華してなる気体の水を含む前記気体窒素を持続的に排出することを含む、前記凍結乾燥作業ボックスの凍結乾燥工程を起動することと、
予め設定された凍結乾燥の停止条件を満たす時、前記凍結乾燥作業ボックスの凍結乾燥工程を終了し、前記細胞サンプルを前記凍結乾燥作業ボックスから取り出すことと、を含むことを特徴とする細胞凍結乾燥方法。 - 加熱後の気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに連続的に導入することは、具体的には、
液体窒素を前記気体窒素に転化させて、前記気体窒素を得ることと、
前記気体窒素を加熱することと、
加熱された前記気体窒素を前記凍結乾燥作業ボックスに導入することと、を含む、ことを特徴とする請求項８に記載の細胞凍結乾燥方法。 - 細胞サンプルを凍結乾燥作業ボックスに入れることは、具体的には、
細胞サンプルを予冷後の前記凍結乾燥作業ボックスに入れ、前記細胞サンプルの重量を取得し、前記細胞サンプルの重量に応じて前記凍結乾燥作業ボックスの容量を調整することを含み、
前記凍結乾燥作業ボックスを予め設定されたモードに従って昇温させることは、具体的には、
前記凍結乾燥作業ボックスに導入した前記気体窒素の流量を取得し、前記凍結乾燥作業ボックスの容量及び前記凍結乾燥作業ボックスに導入した前記気体窒素の流量に応じて、前記凍結乾燥作業ボックスを制御して予め設定されたモードに従って昇温させることを含む、ことを特徴とする請求項９に記載の細胞凍結乾燥方法。
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