JP4434416B2 - 高圧培養装置及びこれを用いた深水生物の育成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、細胞や生物の培養装置に係り、更に詳細には、１ＭＰａ以上の高圧下で細胞等を培養できるのみならず、当該高圧下における培養液の成分を計測することが可能であり、高圧下での培養環境の分析・制御により、適切な高圧培養環境を実現し得る高圧培養装置及びこれを用いた深水生物の育成方法に関する。
また、本発明の培養装置によれば、培養液を培養槽に無菌的に供給するのが容易になる。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、無菌的な環境下での培養において、小型の培養槽を用いる場合には、培養槽をオートクレーブ内で滅菌した後に培養が行われ、培地容器から培養槽への培養液の供給には一般的にチューブポンプが利用されるが、チューブの耐圧性やチューブをしごく力による吐出圧の限界から、培養圧力が０．１ＭＰａ以上の高圧下では使用できないことが多い。
このように、小型培養槽を用いる場合、高圧下では培養液を無菌的に供給できないのが現状であり、例えば、培養細胞濃度が濃くなった場合や動物細胞培養における培養液交換が極めて困難であり、また、深海の圧力を再現した培養を地上近辺で実施することは実質的に不可能であった。
【０００３】
なお、ダイアフラムポンプやギアポンプには１ＭＰａ程度の吐出圧を実現可能な機種もあるが、このようなポンプを採用すると、装置構成が大型化して培養槽をオートクレーブ内で滅菌できないので、据置型滅菌を行わなければならず、結局、小型の培養槽には利用できない。
【０００４】
また、０．１ＭＰａ未満の通常の培養では、培養槽にセンサーを装着して培養液成分を連続的に計測したり、培養槽から培養液をサンプリングして成分を測定するが、センサーの耐圧性には限度があり、特に溶存酸素やｐＨのような化学成分を計測するセンサーには、０．１ＭＰａ以上で使用可能なものは殆どない。このため、高圧下での培養液成分などの培養環境を把握することが困難であった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型化が容易な簡易な構成を有し、高圧下でも培養液を培養槽に的確に供給でき、しかも培養液の成分測定をも可能にし得る高圧培養装置、及びこれを用いた深水生物の育成方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、培養液を充填した内容積が可変な圧力容器を培養槽に連通してその内容積を変化させることや、所要に応じて、培養槽の下流側に圧力制御弁を設け、その下流側に各種センサーを設置することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
本発明に係る高圧培養装置は、培養液を含む内容物を０．１ＭＰａ以上に加圧し得る培養槽と、培養液が充填される密閉可能で内容積が可変に形成されかつ培養槽内の圧力とほぼ同圧にして連通される圧力容器と、圧力容器の内容積を変化させる内容積変動手段と、を備えた高圧培養装置であって、内容積変動手段により圧力容器の内容積を減少して、培養槽の内容物にかかった圧力をほぼ保持したまま上記圧力容器に充填された培養液を培養槽に供給するのと同時に、培養槽の内容物に含まれる培養液の全部又は一部をその培養槽から排出して培養液を交換することを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の高圧培養装置の好適形態は、上記内容積変動手段が、上記圧力容器に圧力媒体を供給する圧力媒体供給手段であり、
上記圧力容器内が、上記培養液及び圧力媒体を通過させない隔膜を有しこの圧力媒体の供給によって膨張する圧力媒体充填部と、上記培養液が充填される培養液充填部とに区画され、
上記圧力媒体の供給による圧力媒体保持部の膨張によって、上記培養液充填部の内容積を減少し、充填された培養液を上記培養槽に供給することを特徴とする。
【０００９】
更に、本発明の高圧培養装置の他の好適形態は、上記隔膜が可撓性ないし弾性を有することを特徴とする。
【００１０】
更にまた、本発明の高圧培養装置の更に他の好適形態は、上記培養槽からの培養液排出用の流体排出路を設け、この流体排出路に圧力調整弁を設け、この圧力調整弁の下流側に、培養液の成分を計測する成分計測手段を設けて成ることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の高圧培養装置の他の好適形態は、上記培養槽の内部が、光波、音波、電磁波、熱及び電気から成る群より選ばれた少なくとも１種のものにより、観察可能であることを特徴とする。
【００１２】
更に、本発明の高圧培養装置の他の好適形態は、上記培養槽が、その内容物を１ＭＰａ以上に加圧可能に形成されていることを特徴とし、この場合、上記内容物を２０ＭＰａ／ｍｉｎ以下の速度で加圧又は減圧可能であることが好ましく、更に他の好適形態は、上記圧力媒体が液体であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の深水生物の育成方法は、上述の如き高圧培養装置を用い、上記培養槽内で深水生物の育成を行うことを特徴とする。
【００１４】
【作用】
本発明においては、内容積が可変に形成された圧力容器に培養液を充填し、その圧力容器を培養槽の圧力とほぼ同圧にして連通させてその圧力容器の内容積を低減すれば、培養液が培養槽に確実に圧送され、これに伴って内容物に含まれる培養液の全部又は一部を培養槽から排出して培養液が交換される。
また、この圧力容器は密閉可能に形成されているので、培養液を圧力容器に無菌的に充填しさえすれば、無菌的に培養槽に供給される。
【００１５】
なお、圧力容器内を可撓性隔膜などで培養液充填部と圧力媒体充填部とに区画すれば、培養槽に比較的高い圧力がかかっていても、かかる圧力媒体充填部に圧力媒体を充填することにより、この可撓性隔膜を介して上記培養液充填部の内容積を低減し、充填されている培養液を培養槽に容易に圧送・供給することができる。
更に、培養槽から排出される培養液などの排出流路に圧力調整弁を設置し、この下流側に各種センサーを取り付ければ、かかる各種センサーに耐圧性は要求されないので、排出された培養液などを容易に分析でき、培養環境を的確に把握可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の高圧培養装置について詳細に説明する。
上述の如く、本発明の高圧培養装置は、内容物を０．１ＭＰａ以上に加圧し得る培養槽と、密閉可能で内容積が可変に形成された圧力容器と、この圧力容器の内容積を変化させる内容積変動手段を備える。
また、培養槽と圧力容器は連通しており、上記培養槽及び圧力容器には培養液が充填される。
【００１７】
ここで、培養槽は、その内容物を０．１ＭＰａ以上に加圧できるものであれば特に限定されるものでなく、各種微生物、動物細胞又は植物細胞の培養、動物又は植物の生育、及びこれらの混合培養又は育成に利用可能である。
また、内容物としては、細胞や動植物などの培養・育成対象物と、各種培養液との混合系を挙げることができるが、本明細書において、「培養液」の語は、いわゆる培養液自体だけではなく、培養液に窒素、酸素、メタン及び硫化水素などが溶存したものや、海水と飼料の分散液なども包含するものとする。
【００１８】
なお、本発明では、上記内容物を１ＭＰａ以上、好ましくは２ＭＰａ以上、更に好ましくは１０〜２００ＭＰａ以上に加圧できる培養槽が望ましく、これにより、水深２００ｍ以深の深海などの高圧下の環境を地上近辺で人工的に再現できることになる。
また、加圧又は減圧速度を制御できることが好ましく、代表的には、圧力変化速度を２０ＭＰａ／ｍｉｎ以下に制御することが望ましく、圧力変化速度の制御は加圧速度を連続的に滑らかに変化させてもよいし、圧力調整弁を用いて制御してもよいし、段階的にステップ状に変化させてもよい。
このように、圧力変化速度を可変とすることによって、細胞や生物などの培養・育成対象物に損傷を与えない圧力変化速度が選択可能となるとともに、圧力変化速度の変化を刺激とした刺激に対する遺伝子への応答を調査することもできる。
更に、圧力を変動させてもよく、周期的に変動させれば、日周や潮汐に応じて存在深度を変化させるような回遊行動を行う水生生物を育成する際に、実際の生息域と近似した育成環境を実現することができる。
【００１９】
また、上記培養槽としては、温度制御を行えるものが好ましく、この温度制御範囲は培養・育成対象物によって定まるが、具体的には、０〜１２０℃の範囲で温度制御できるものが好ましい。海底火山の近傍では周囲温度が６０℃を超えることもある。
なお、培養・育成対象物の培養・生育状態を把握するため、上記培養槽の内部は、光波、音波、電磁波、熱又は電気及びこれらの組合せによる観察手段により、観察可能であることが好ましい。
かかる観察手段としては、観察窓、ソナー、光ファイバー並びにバイオセンサー、ｐＨセンサー及び溶存酸素センサーなどの各種センサーを挙げることができる。
【００２０】
次に、圧力容器は、密閉可能で内容積が可変に形成、換言すれば、充填された培養液を上記培養槽に圧送できるように加圧又は容積減少可能に形成されていることを要するが、例えば、容器全体が伸縮性を有し、風船やベローズのように形成されていてもよいし、容器内部に圧力媒体などが充填される膨張可能な画室を有していてもよい。
また、内容積変動手段としては、上述のように圧力容器全体が伸縮性を有する場合には、当該圧力容器を機械的に押圧及び引張できる機構を用いることができる。一方、圧力容器内部に膨張可能な画室が設けられている場合には、圧力媒体供給手段を内容積変動手段として用いることができる。
【００２１】
なお、本発明においては、圧力容器の内部を、上記培養液及び圧力媒体を通過させない隔膜を有する膨張可能な圧力媒体充填部と、培養液充填部とに区画し、この圧力媒体充填部に、内容積変動手段としての圧力媒体供給部から圧力媒体を供給し、培養液充填部の内容積を低減して培養液を加圧する構成を採用することが好ましい。
ここで、かかる圧力媒体充填部としては、上記隔膜を有し培養液充填部と区画されていれば十分であるが、この隔膜が可撓性ないし弾性を有すれば、圧力媒体充填の自由度が大きくなり、培養液に加える圧力を適切に調整し易くなる。
【００２２】
また、圧力媒体としては、各種流体、液体及び気体を用いることができるが、培養槽及びこれと連通している圧力容器にかかっている比較的大きな圧力に抗して培養液を加圧することを要するため、加圧による体積変化の少ない液体が好ましく、水、シリコーンオイル及びエチレングリコールなどを用いることが望ましい。
更に、上記圧力媒体供給手段として、ピストンとシリンダを有する注入器を用いると、圧力媒体の供給を微調整し易く、この結果、培養槽への培養液の供給も制御し易くなる。
【００２３】
また、本発明の高圧培養装置においては、培養槽に流体排出路を設け、この流体排出路の途中に圧力調整弁を設置し、更にこの圧力調整弁の下流側に、培養液の成分を計測する成分計測手段やサンプリング手段を設けることができる。
かかる構成を採用することにより、成分計測手段やサンプリング手段が高圧に曝されるのを回避できるので、耐圧仕様の特別なものを使用する必要が無くなり、容易に培養環境を分析できるとともに、コストダウンを図ることができる。
【００２４】
次に、本発明の高圧培養装置を用いた培養につき説明する。
まず、圧力容器に培養対象物に合致した培養液を充填して密閉した後、培養槽と連通する。この際、培養槽には内容物として培養対象物と培養液が入れられ、所定の圧力に加圧されているので、大きな圧力変動を生ずることのないように、圧力容器内の圧力と培養槽内の圧力をほぼ同圧にしてから連通を行う。
次いで、内容積変動手段を作動させて上記圧力容器の内容積を減少すると、この圧力容器に充填された培養液は、上記培養槽の内容物にかかった圧力をほぼ保持したまま当該培養槽に供給される。またこれと同時に、この内容物に含まれている培養液の全部又は一部が培養槽外に排出されるので、培養槽内に充填されていた培養液を交換することができ、培養対象物に新鮮な栄養分を与えることができ、高圧下での良好な培養を続行することができる。
【００２５】
上述のように培養液を交換した後は、培養槽と圧力容器との連通を弁などを用いて遮断し、次いで、圧力容器の密閉を解除しその内容積を復元して、新たな培養液を充填し、次回の培養液の交換にそなえればよい。
なお、培養液の交換の際には、上述のように、内容物にかかっている圧力はほとんど変動せず、代表的には１０％以下しか圧力変動を生じない。従って、培養対象物に殆どストレスを生じさせることがなく、良好な培養を実行できる。
【００２６】
また、本発明の深水生物の育成方法は、上述した高圧培養装置の培養槽に深水生物を入れ、ここに栄養分や飼料を供給し、生育させるものである。
ここで、「深水生物」の語は、深度の大きな場所に生息している生物を意味し、代表的には深海生物であるが、海水などの塩水に生息する生物のみならず、汽水や淡水に生息する生物も含むものとする。
【００２７】
なお、深海生物の育成では、海水に飼料を分散ないし懸濁させたものを上記圧力容器を介して培養槽に供給・交換すればよく、これにより、深海の自然条件に近い育成環境を人工的に構築できるので、深水生物の生態を解明し、深海生物の生殖、産卵及び孵化などを人工的に調整できる可能性も向上する。
具体的には、現在、その生態が解明されておらず養殖が不可能なチョウチンアンコウなどのアンコウ類や、産卵や孵化が不可能で仔魚（シラスウナギ）を捕獲しなければならないウナギなどの養殖（完全養殖）の実現に大きな進歩をもたらすことが期待される。
なお、かかるアンコウ類やウナギの育成においては、固体の飼料を供給する関係上、現時点では、圧力媒体を用いて培養液を供給するより、ピストンなどの外力を利用して上記圧力容器の内容積を変動させて培養液（海水と飼料の混合物）を供給することが望ましいと思われる。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明を若干の実施例により更に詳細に説明する。
【００２９】
（実施例１）
図１は、本発明の高圧培養装置の一実施例を示す断面図である。
同図において、この培養装置は、培養槽１と、圧力容器３と、内容積変動手段の一例である圧力媒体供給手段としてのシリンジポンプ９を備え、培養槽１は配管２によって圧力容器３と連通している。
【００３０】
圧力容器３は、図示しないパッキンを介して容器本体４と蓋５を螺合させることにより密閉され、培養液の一例である培養液を培養液充填部３ａに充填可能に形成されている。また、圧力容器３の内部には、培養液及び圧力媒体を不透過で弾性を有するチューブ６が、その一端を容器本体４から一体に凸設されたチューブノズル４ａに外挿され、他端に栓７を装着されて配置されており、これにより、圧力容器３の内部が圧力媒体充填部３ｂと培養液充填部３ａとに区画されている。
そして、圧力媒体充填部３ｂは、ストップ弁８を介してシリンジポンプ９のシリンダー１０の内筒１２に連通しており、本実施例においては、この内筒１２に圧力媒体の一例である水が充填される。
【００３１】
シリンジポンプ９は、シリンダー１０、ピストン１１及びシリンダー内筒１２を密封するためのＯリング１３を含むシール機構を備え、雌ネジ２１を有するシリンダーハウジング２０に収納されている。この際、ピストン１１は、モーター２２の回転軸２３と一体に回転するピストン支持具２４によって内筒１２の内圧を支えられており、シリンダー１０内に留まっている。また、ピストン支持具２４は、周縁部に雄ネジを有し、シリンダーハウジング２０の雌ネジ２１に螺合している。モーター２２とシリンダーハウジング２０は、相対的に回転はしないが距離は変動し得るように構成されているが、その機構の図示は省略する。
【００３２】
一方、培養槽１には培養液排出管２ａを介して圧力調整弁３１が設置されており、また、その下流側にはフローセル３２が接続されている。フローセル３２にはセンサー３３が装着されており、培養槽１から排出された培養液の成分を測定可能にしている。
【００３３】
次に、本実施例の培養装置の作動（培養槽の培養液交換）につき説明する。
まず、ストップ弁３０を閉じて蓋５を脱着し、新鮮な培養液を圧力容器３の培養液充填部３ａに無菌的に充填した後、蓋５を装着して圧力容器３を密封する。シリンダー１０内の内筒１２には圧力媒体としての水を入れる。
【００３４】
次いで、ストップ弁８を開いて内筒１２と圧力媒体充填部３ｂを連通し、ピストン１１をモーター２２によって回転させながら内筒１２内に押し込み、水を圧力媒体充填部３ｂに供給して圧力媒体充填部３ｂを膨張させるとともに、培養液充填部３ａを加圧し、この圧が培養槽１とほぼ同圧になったところでストップ弁３０を開く。更にピストン１１を内筒１２に押し込み、培養液充填部３ａの内容積を低減して培養液を押圧する。これにより、新鮮な培養液は培養槽１に無菌的に供給され、これと同時に、培養槽１から古い培養液が排出される。
【００３５】
なお、かかる培養液の供給に際しては、培養液排出管２ａの途中に設置した圧力調整弁３１により、圧力の変動がなるべく生じないようにする。
また、排出された培養液は、培養液排出管２ａを介してフローセル３２に送られ、センサー３３による成分分析に供されるが、フローセル３２及びセンサー３３の上流には圧力調整弁３１が設置されており、これにより培養槽１にかかっている圧力は制御又は解除されているので、フローセル３２及びセンサー３３につき耐圧性は要求されない。
【００３６】
（実施例２）
図２は、本発明の高圧培養装置の他の実施例を示す部分断面図である。
本実施例において、圧力容器４０は、圧力媒体保持シリンダ４１と培養液保持シリンダ４２とが螺合・連結して形成されており、その内部は可撓性隔壁４３によって圧力媒体充填部４４と培養液充填部４５とに区画されている。
また、圧力媒体充填部４４及び培養液充填部４５は、それぞれジョイント部４６及び４７を介して、図示しない圧力媒体供給手段及び培養槽に連通している。
【００３７】
次に、本実施例の高圧培養装置の作動につき説明する。
実施例１と同様に圧力媒体を圧力媒体供給手段から圧力媒体充填部４４に供給すると、可撓性隔壁４３は培養液充填部４５の内容積を減少する方向に変位し、培養液が図示しない培養槽に押し込まれ、培養液の一部は培養槽から排出される。
【００３８】
以上、本発明の若干の好適実施例により詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、ストップ弁３０の代わりに、培養液充填部４５の圧力が培養槽１の圧力と同圧又は高圧に開く逆止弁を用いることが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、培養液を充填した内容積が可変な圧力容器を培養槽に連通してその内容積を変化させたり、所要に応じて、培養槽の下流側に圧力制御弁を設け、その下流側に各種センサーを設置することとしたため、小型化が容易な簡易な構成を有し、高圧下でも培養液を培養槽に的確に供給でき、しかも培養液の成分測定をも可能にし得る高圧培養装置、及びこれを用いた深水生物の育成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高圧培養装置の一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の高圧培養装置の他の実施例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１ 培養槽
２ 配管
２ａ 培養液排出管
３ 圧力容器
３ａ 培養液充填部
３ｂ 圧力媒体充填部
４ 容器本体
４ａ チューブノズル
５ 蓋
６ チューブ
７ 栓
８ ストップ弁
９ シリンジポンプ
１０ シリンダー
１１ ピストン
１２ 内筒
１３ Ｏリング
２０ シリンダーハウジング
２１ 雌ネジ
２２ モーター
２３ 回転軸
２４ ピストン支持具
３０ ストップ弁
３１ 圧力調整弁
３２ フローセル
３３ 成分測定センサー
４０ 圧力容器
４１ 圧力媒体保持シリンダ
４２ 培養液保持シリンダ
４３ 可撓性隔壁
４４ 圧力媒体充填部
４５ 培養液充填部
４６，４７ ジョイント部

Claims (9)

1. 培養液を含む内容物を０．１ＭＰａ以上に加圧し得る培養槽と、
   培養液が充填される密閉可能で内容積が可変に形成されかつ培養槽内の圧力とほぼ同圧にして連通される圧力容器と、
   圧力容器の内容積を変化させる内容積変動手段と、を備えた高圧培養装置であって、
   内容積変動手段により圧力容器の内容積を減少して、
   培養槽の内容物にかかった圧力をほぼ保持したまま上記圧力容器に充填された培養液を培養槽に供給するのと同時に、
   培養槽の内容物に含まれる培養液の全部又は一部をその培養槽から排出して培養液を交換することを特徴とする高圧培養装置。
2. 上記内容積変動手段は、上記圧力容器に圧力媒体を供給する圧力媒体供給手段を有し、
   上記圧力容器内が、上記培養液及び圧力媒体を通過させない隔膜を有しこの圧力媒体の供給によって膨張する圧力媒体充填部と、上記培養液が充填される培養液充填部とに区画され、
   上記圧力媒体の供給による圧力媒体保持部の膨張によって、上記培養液充填部の内容積を減少し、充填された培養液を上記培養槽に供給することを特徴とする請求項１記載の高圧培養装置。
3. 上記隔膜が可撓性ないし弾性を有することを特徴とする請求項２記載の高圧培養装置。
4. 上記培養槽からの培養液排出用の流体排出路を設け、この流体排出路に圧力調整弁を設け、この圧力調整弁の下流側に、培養液の成分を計測する成分計測手段を設けて成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の高圧培養装置。
5. 上記培養槽の内部が、光波、音波、電磁波、熱及び電気から成る群より選ばれた少なくとも１種のものにより、観察可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の高圧培養装置。
6. 上記培養槽が、その内容物を１ＭＰａ以上に加圧可能に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の高圧培養装置。
7. 上記培養槽が、その内容物を２０ＭＰａ／ｍｉｎ以下の速度で加圧又は減圧可能であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の高圧培養装置。
8. 上記圧力媒体が液体であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の高圧培養装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の高圧培養装置を用い、上記培養槽内で深水生物の育成を行うことを特徴とする深水生物の育成方法。

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