JP3080647B2

JP3080647B2 - 細胞培養装置

Info

Publication number: JP3080647B2
Application number: JP02271924A
Authority: JP
Inventors: 嘉一長谷川; 明橋本
Original assignee: Eisai Co Ltd
Current assignee: Eisai Co Ltd
Priority date: 1990-10-09
Filing date: 1990-10-09
Publication date: 2000-08-28
Anticipated expiration: 2015-08-28
Also published as: US5188962A; JPH04148675A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、細胞を培養するための装置に関し、特に付
着性の高い細胞の高密度培養システムにおいて、長期間
細胞の生存率を高く維持するための培養システムに関す
るものである。

（従来の技術）従来から中空糸の束を内蔵した細胞培養容器を用いて
細胞を培養する手段が知られており、例えば特公昭54−
6634号などが周知である。

以上のような従来の手段は、貯水槽に充填されている
倍地をベローズポンプや歯車ポンプ、チュービングポン
プなどで細胞培養容器に送るようになっている。また、
ガス混入機やガス混入量を制御するための各種センサー
を主管路の途中に接続し、設けている。

（発明が解決しようとする課題）しかし、従来の手段では、中空糸表面に培養中に生ず
る固形分が付着することにより細胞への栄養や酸素の補
給が次第に不十分となり、死滅する細胞が増加し、更に
その細胞が固形分となるので、加速度的に細胞が死滅す
るという問題があった。

更に、遊離した固形分が循環し、ガス混入機やセンサ
ーなどへ捕捉されて、循環を阻害したり、制御が困難に
なるという問題が生じていた。

（課題を解決するための手段）従って、本発明は以上の技術的課題を解決し、細胞に
充分な量と質の培地を送り込むことにより、多くの細胞
を長期間培養できる手段を提供することを目的とするも
のである。

そこで、培地が充填された貯水槽と中空糸の束を内蔵
した細胞培養容器を結ぶ主管路に振動柱ポンプを配設し
た細胞培養装置を構成した。

そして、このような細胞培養装置の貯水槽側の主管路
末端に、浮遊する固形分を捕捉するための容器を配設し
た。また、主管路に副管路を分岐して設けるとともに、
貯水槽にガス混入機を連通して設け、副管路に配設した
各種センサーでガス混入量を制御するように構成した。

（作用）以上のように構成された本発明の細胞培養装置にあっ
ては、振動柱ポンプの稼働によって貯水槽に充填されて
いる培地が主管路と細胞培養容器を循環し、培地中の栄
養分や酸素などを細胞培養容器内の細胞に供給して、培
養するようになっている。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を基に説明する。

第１図は本発明にかかる細胞培養装置の構成を表すブ
ロック図である。

（１）は貯水槽であり、貯水槽（１）には培地（２）
が充填されている。（３）は貯水槽（１）内に成分を補
給する補助ポンプであり、レベルメーター（４）が培地
（２）の液面高さが低くなったことを検知すると、補助
ポンプ（３）が稼働して成分を補給するように制御され
ている。

（５）は貯水槽（１）に連通するガス混入機であり、
ガス混入機（５）で混合されたガスは貯水槽（１）内に
浸設された螺旋状多孔性通気管（６）を介して、培地
（２）に溶けるようになっている。ガス混入機（５）に
おいて、（７）（８）（９）（10）はそれぞれ空気、酸
素、二酸化炭素、窒素の注入口であり、ここから注入さ
れた各ガスがバルブ（11）（12）（13）（14）で流量制
御されて所望の比率にガスを混合するようになってい
る。（15）（16）は各注入口とバルブの間に設けられた
フィルターと流速計である。

その他、貯水槽（１）には、撹拌羽（18）、ヒーター
（19）、温度計（20）が設けられている。また、貯水槽
（１）内の培地（２）はポンプ（21）で汲み出されるよ
うになっており、余剰ガスはダクト（22）から外部に出
るようになっている。

以上のような貯水槽（１）には主管路（30）（31）が
接続されており、これら主管路（30）（31）の間に細胞
培養容器（32）が接続されている。（33）は主管路（3
0）中に配設された主ポンプであり、この主ポンプ（3
3）で貯水槽（１）中の培地（２）を主管路（30）から
細胞培養容器（32）に送り込み、主管路（31）から再び
貯水槽（１）に培地（２）を戻すようになっている。主
管路（31）を戻る培地（２）の流速は流速計（34）で測
定されるようになっている。また、主管路（30）（31）
中の培地温度は温度計（35）（36）で測定されるように
なっている。その他、細胞培養容器（32）の前後には主
管路（30）（31）を跨ぐように切り替え管路（37）（3
8）が設けられており、４つのバルブ（39）の開閉の組
合せによって細胞培養容器（32）における倍地（２）の
流れ方向を変えられるようになっている。

主管路（30）には副管路（40）が分岐して設けられて
おり、この副管路（40）に補助ポンプ（41）、サンプリ
ングコック（42）、溶存酸素計（43）、PH計（44）、流
速計（45）が配設されている。

同様に、主管路（31）にも副管路（46）が分岐して設
けられており、この副管路（46）に補助ポンプ（47）、
サンプリングコック（48）、溶存酸素計（49）、PH計
（50）、流速計（51）が配設されている。

また、主管路（31）の末端には、貯水槽（１）に戻ろ
うとする培地（２）中に浮遊している固形分を捕捉する
ための捕捉容器（52）が配設されており、この捕捉容器
（52）は第２、３図のような構造になっている。すなわ
ち、主管路（31）の末端部の周りを覆うように網上の篭
体（53）が装着されており、この篭体（53）の内部に
は、スチールウールやテフロンウール、ガラスウールな
どの耐熱製繊維（54）が詰められている。第３図に示さ
れるように、主管路（31）の先端は閉塞（55）されてい
て、主管路（31）中の培地（２）は先端よりも手前に穿
設された多数の孔（56）から流出して、耐熱製繊維（5
4）で濾過されてから、篭体（53）の外部にでるように
なっている。このように、耐熱製繊維（54）で濾過し
て、培地（２）中に浮遊している固形分を捕捉するよう
になっている。

そして、以上のような細胞培養容器（32）、主管路
（30）（31）、副管路（40）（46）などの部分は無菌雰
囲気で所望の温度、例えば37℃に保温された恒温クリン
ベンチ（57）内におかれている。

次に、細胞培養容器（32）は第４図のようになってい
る。

（60）は細胞培養槽であり、細胞の出入口（61）（6
2）が設けられている。細胞培養槽（60）の両側にはチ
ャンバー（63）（64）があり、これらチャンバー（63）
（64）同士は細胞培養槽（60）の内部を通る多数の中空
糸（65）で連通されており、この中空糸（65）の外側で
細胞が培養されるようになっている。そして、チャンバ
ー（63）には主管路（30）が接続されており、チャンバ
ー（64）には主管路（31）が接続されている。

しかして、主管路（30）から流れてきた培地（２）が
中空糸（65）を通過すると、培地中に含まれている栄養
分や酸素などが中空糸（65）の外に出て、それらが細胞
培養槽（60）内に充填されている細胞に供給され、培養
が行われるようになっている。

次に、主ポンプ（33）は、第５図のような振動柱ポン
プで構成されている。この振動柱ポンプは例えば特開平
１−219400号などで開示されたポンプであり、以下のよ
うな構成になっている。

（70）は磁性材料で作られた振動管であり、バネ（6
9）で下端を支持されている。振動管（70）の上端には
バネ（71）で下向きに付勢された弁（72）が圧接してあ
る。振動管（70）の外周にはＳ極とＮ極の永久磁石（7
3）が交互に貼着してあり、各永久磁石（73）同士の間
にはスペーサー（74）が設けられている。また、振動管
（70）の周りには永久磁石（73）に対面するようにして
電磁石（75）が配設されており、各電磁石（75）同士の
間にはスペーサー（76）が設けられている。こうして、
各電磁石（75）に交互に逆向きの交流電流を流すと、振
動管（70）が上下に振動するようになっている。

そして、振動管（70）が上昇するときは弁（72）が閉
じていて吸引口（77）から液体を吸い込み、振動管（7
0）が下降するときは弁（72）が開かれて振動管（70）
上端から溢れ出た液体が吐き出し口（78）から流れ出る
ようになっている。かくして、以上のような振動柱ポン
プを主管路（30）に配設して、吸引口（77）から吐き出
し口（78）に培地（２）を流すように構成することによ
り、ポンプの稼働で培地（２）が脈打ちながら流れて、
主管路（30）、細胞培養容器（32）、主管路（31）の順
に循環するようになっている。なお、このような培地
（２）の流速や脈流の振動数は電磁石（75）に流される
交流電流の大きさや周期を変えることにより、変更可能
になっている。

しかして、以上のような構成からなる細胞培養装置に
あっては、補助ポンプ（３）を稼働して貯水槽（１）に
成分を充填しておき、ガス混入機（５）で混合したガス
を螺旋状多孔性通気管（６）を介して成分中に溶かし込
み、培養に必要な栄養とガスを含んだ培地（２）を作
る。なお、貯水槽（１）に入れられる前の成分は冷やし
て保管されている場合もあるので、そのような場合はヒ
ーター（19）で所定温度まで加熱する。

次に、主ポンプ（33）を稼働して、主管路（30）、細
胞培養容器（32）、主管路（31）の順に培地（２）を循
環させる。こうして、細胞培養容器（32）の細胞培養槽
（60）内に充填された細胞に、中空糸（65）表面を介し
て培地中に含んでいる栄養分や酸素などを供給し、細胞
を培養する。

なお、培地（２）中の溶存酸素濃度やPH値などは、副
管路（40）（46）に設けた各種センサーの測定値に基づ
いてガス混入機（５）を制御することにより、所望の値
に制御する。例えば、入口側の副管路（40）に設けてい
る溶存酸素計（43）の測定値から酸素が足りないと判断
される場合には、酸素用のバルブ（12）もしくは空気用
のバルブ（11）を開いて酸素の含有率が高い混合ガスを
作って、貯水槽（１）の培地中に溶け込ませる。逆に、
酸素が多いときは窒素用のバルブ（10）を開いて窒素の
含有率を増やし、酸素の比率を減らすようにすると、培
地中に溶けるガスのトータル量が一定のため、相対的に
酸素の溶ける量を減らすことができる。そして、出口側
の副管路（46）についている溶存酸素計（49）により、
中空糸中の細胞の代謝によって変化した測定値から出口
側の酸素が足りないと判断した場合には主ポンプ（33）
の流速を上げて調整する。また、溶存酸素計（43）（4
9）の測定値を比較して酸素の消費量を調べることによ
り、細胞数を算出することもできる。

そして、混合ガス中の空気によって培地中の炭酸ガス
を追い出して、培地（２）をアルカリ性に傾くようにし
てあるので、PH計（44）でアルカリ性が強くなったこと
が判断された場合には、二酸化炭素用のバルブ（13）を
開いて含有率を増やし、PH値を整える。

また、主ポンプ（33）を振動柱ポンプで構成したこと
により、以下の作用を奏することができる。

すなわち、第５図で説明したように、交流電流の作用
によって振動管（70）が上下に振動すると、培地（２）
が脈打ちながら細胞培養容器（32）内を流れるようにな
っており、このような脈流によって中空糸（65）の表面
が振動し、培養中に固形分が付着しずらい状態が作られ
ているのである。

例えば、第６図のように一本の振動していない中空糸
（65）を考えると、培地（２）が流れ込む上流側（65
a）では中空糸（65）の内面に培養中に生じる固形分が
詰まりやすい状態となり、また下流側（65b）では中空
糸（65）の外面に固形分が詰まりやすい状態となる。こ
のような状態を放っておくと、培地（２）中の栄養分が
中空糸（65）の外側に充分に放出されず、細胞に栄養か
行き届かなくなって細胞が死んでしまう問題が生ずる。
このような状態は、特に付着性細胞を培養する場合に起
こりやすい。

しかるに、本発明のように主ポンプ（33）に振動柱ポ
ンプを用いたことにより、中空糸（65）の表面が振動し
て、固形分の付着を防止できるのである。

なお、培地（２）の流速や脈流の振動数は電磁石（7
5）に流される交流電流の大きさや周期を変えることに
より、変更可能であるから、例えば、細胞数が少ないと
きは流量を少なくしておいて、細胞数が増加するに従っ
て流量を増やすようにしたり、固形分が中空糸（65）の
表面に付着しにくい最適な周波数を適宜選択するように
制御することが可能である。

（発明の効果）以上、何れにしても本発明によれば、振動柱ポンプに
よって培地を脈打って流すようにしているので、中空糸
が振動し、固形分の中空糸への付着が少なくなり、中空
糸の詰まりを防ぐことができ、容易に細胞培養が長期間
できるようになる。また、培養槽全体に栄養分や酸素を
行き渡らせることができるので、大量の細胞を高密度に
培養できるという効果がある。

そして、貯水槽側の主管路末端に設けた捕捉容器で、
浮遊した固形分が再び主管路に入ることを防ぐことがで
きるので、固形分が中空糸やセンサーへ捕捉されて循環
を阻害したり、制御が困難になることを防ぐことができ
る。

また、ガス混入機を主管路に直接接続することなく貯
水槽に連通させ、副管路に各種センサーを設けて制御し
ているので、主管路や培養容器などのメインのラインで
トラブルが発生しにくく、細胞の培養に影響を与えない
でトラブルを解決できるという優れた特長がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる細胞培養装置の構成を表すブロ
ック図、第２、３図は捕捉容器の斜視図と縦断面図、第４図は細胞培養容器の断面図、第５図は主ポンプ（振動柱ポンプ）の断面図、第６図は振動しない中空糸の断面図である。１……貯水槽、２……培地、５……ガス混入機、30、31
……主管路、 32……細胞培養容器、33……主ポンプ、40、46……副管
路、 52……捕捉容器、60……細胞培養槽、65……中空糸、70
……振動管

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】培地が充填された貯水槽と中空糸の束を内
蔵した細胞培養容器を結ぶ主管路に振動柱ポンプを配設
した細胞培養装置。
【請求項２】請求項（１）の細胞培養装置の貯水槽側の
主管路末端に固形分を捕捉する容器を配設した細胞培養
装置。
【請求項３】請求項（１）または（２）の細胞培養装置
の主管路に副管路を分岐して設けるとともに、貯水槽に
ガス混入機を連通して設け、副管路に配設した各種セン
サーでガス混入量を制御するようにした細胞培養装置。