JP6110766B2 - 細胞培養装置及び細胞培養方法 - Google Patents
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Description
本発明は、微細藻類や光合成細菌、光合成微生物等の光合成を行なう細胞の培養に適した細胞培養装置及び細胞培養方法に関する。
微細藻類や光合成細菌、光合成微生物等の光合成を行なう細胞の培養を行うために、目的の細胞を培地に懸濁して培養する培養槽と、細胞の増殖に有効な光を効率良く照射するための光照射手段とを備えた細胞培養装置が種々検討されている。例えば、（特許文献１）には、少なくとも両側面が透明プラスチックあるいは透明ガラス等の光透過性透明材料で作られかつ該両側面間の距離がほぼ２ｃｍ以下である培養槽とその側面に光を供給するようにされた光供給手段とを有する光合成微生物培養装置が開示されている。また、（特許文献２）には、光合成生物が懸濁した培養液を収容する培養容器と、該培養容器内の培養液に炭酸ガスを溶解させるための炭酸ガス供給手段、及び前記培養容器内の培養液に太陽光又は人工光源より発する光を照射する光照射手段を備えた光合成生物の培養装置が開示されている。
しかし、従来提案されている細胞培養装置では、光の利用効率が十分でない、装置が複雑化する、スケールアップが困難である等の問題点を有し、商用規模の細胞培養装置として実用化するには課題が残る。また、培養細胞や生産物の収率も必ずしも満足するものには至っていない。さらに、培養槽の内壁面や培養液中に浸漬した光照射面に、光合成生物、あるいはその分泌物が付着して光の培養液中への拡散が阻害されるため、光照射効率が低下する問題があった。そのため、培養終了後に培養装置内を定期的に洗浄し、付着物を除く必要があった。特に、商用規模の大量培養装置では、光合成生物を培養液中に浮遊させるための撹拌装置や、予め培養槽内部を滅菌、洗浄するための装置、設備を組み込むことは、構成が複雑になるばかりか、運転動力あるいはコストの面で不利になる。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものである。すなわち、簡便で、かつ省エネルギー的な構成で、光エネルギーの利用効率を改善して、目的の細胞あるいは生産物の収率を向上できる光合成細胞の培養装置及び培養方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の細胞培養装置は、光透過性及び可撓性を有し、内部に培養液を封入可能な無菌バッグと、その無菌バッグに当接させ、その当接面を介して無菌バッグ内部の培養液に対し光照射を行うための光照射部材とを備え、さらに、前記当接面に凸状の突起を設けたことを特徴とする。
また、本発明の細胞培養方法は、内壁面の少なくとも一部に凸状の突起が設けられ、その内壁面の少なくとも一部から光照射を行うことができる箱体に、光透過性及び可撓性を有する無菌バッグを収容し、光合成を行う細胞を懸濁した培養液を無菌バッグに注入することによって箱体の内壁面の少なくとも一部に無菌バッグを当接させ、その当接面を介して無菌バッグ内部の培養液に対し光照射を行うことを特徴とする。
本発明によれば、光透過性と可撓性を有する無菌バッグに、細胞を懸濁した培養液を封入して培養を行なうので、無菌バッグに当接する光照射部材の光照射面を汚染することがない。細胞培養装置の洗浄作業を無菌バッグの交換作業に置き換えることができるので、洗浄設備や滅菌設備が不要であり、初期コストを抑制できると共に省力化を図ることができる。
また、光合成を行なう細胞は光合成色素を保有しており、培養増殖に伴って透過光の強度が急速に減衰するので、光照射面から数センチの液深部では、従来は光合成に有効な光強度が不足するために培養効率が低下していた。本発明では、無菌バッグの当接面に設けた凸状の突起により、液深部に対して光照射が可能となるので、培養効率の低下を抑制することができる。
したがって、本発明により、簡便で、かつ省エネルギー的な構成で、光エネルギーの利用効率を改善して、目的の細胞あるいは生産物の収率を向上させ得る光合成細胞の培養装置及び培養方法を提供することが可能となる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、本発明を詳細に説明する。
まず、本発明の細胞培養装置の第一の実施形態について、図１〜７に基づき説明する。本発明の細胞培養装置は、図１に示すように、光透過性及び可撓性を有する無菌バッグ１と、無菌バッグ１に当接させ光照射を行うための光照射部材４とから概略構成される。この無菌バッグ１の内部には、細胞培養を行う際に、目的の細胞と培地を懸濁した培養液２が封入される。無菌バッグ１としては、例えば、エチレン−ビニルアセテート共重合体やエチレン−ビニルアルコール共重合体等の多層フィルムで構成された市販の医薬品包装用途のシングルユースバッグ等を用いることができる。予めガンマ線やエチレンオキシドガスによって滅菌されているバッグを用いることもできる。
まず、本発明の細胞培養装置の第一の実施形態について、図１〜７に基づき説明する。本発明の細胞培養装置は、図１に示すように、光透過性及び可撓性を有する無菌バッグ１と、無菌バッグ１に当接させ光照射を行うための光照射部材４とから概略構成される。この無菌バッグ１の内部には、細胞培養を行う際に、目的の細胞と培地を懸濁した培養液２が封入される。無菌バッグ１としては、例えば、エチレン−ビニルアセテート共重合体やエチレン−ビニルアルコール共重合体等の多層フィルムで構成された市販の医薬品包装用途のシングルユースバッグ等を用いることができる。予めガンマ線やエチレンオキシドガスによって滅菌されているバッグを用いることもできる。
本発明に係る細胞培養装置により、光合成を行う細胞の培養を行うことができる。このような光合成細胞としては、光合成細菌、微細藻類、ラン藻類を挙げることができる。特に、医薬品や健康食品等の主原料となる物質を生産する光合成細胞を培養する際に使用することができる。生産対象となる物質としては、何ら限定されるものではなく、例えばβ−カロテンやアスタキサンチン等のカロチノイド、クロロフィルやバクテリオクロロフィル等の光合成色素、食品あるいは化粧品等の着色等に使用されるフィコシアニン等のフィコビリン蛋白質、あるいはコレステロール上昇抑制やアトピー性皮膚炎の治療に有効であるγ−リノレン酸に代表される脂肪酸等の生理活性物質を挙げることができる。また、クロレラやスピルリナ等、乾燥菌体自体が健康食品として市販されている一部の藻類も培養可能である。培養に用いる培地についても特に限定されるものではなく、従来のあらゆる培地が使用可能である。
光源ランプ３を備えた光照射部材４は、図３に示すように無菌バッグ１とは別体に設けられており、図１に示すように無菌バッグ１に当接させ、その当接面を介して無菌バッグ１内部の培養液２に対し光照射を行うための部材である。光照射部材４の当接面の材質としては、アクリル樹脂、ガラス、ポリカーボネート等、透明性が高く、強度の高いものであればいずれも適用可能である。光源ランプ３としては、各種の人工光源を用いることができる。例えば、白熱灯やハロゲン光等の連続スペクトル波長の光源、あるいは蛍光灯やＬＥＤ光等の特定波長光を含む光源を用いることができる。
そして、光照射部材４の当接面には、凸状の突起４ａが設けられる。突起４ａの形状は特に限定されるものではなく、本実施形態においては、図２の斜視図に示すように、例えば光照射部材４の当接面の全体にわたって複数の円錐状の突起４ａを密に配列させている。このような凸状の突起４ａを、培養液２を封入した無菌バッグ１に当接させ、突起４ａに沿って無菌バッグ１の表面を変形させた状態で光照射しながら細胞培養を行う。
図４に、図１のＡ部分の拡大図を示す。一般に、培養液中に照射した光は、図５に示すように、培養細胞の光合成色素によって吸収され、液深が大きくなるほど透過光強度が減衰する。その減衰の度合いは、培養液中の細胞濃度が高いほど大きくなる。本発明では、当接させた凸状の突起４ａを介して培養液に光照射を行うため、本来は光が届き難かった液深部に対して直接的に光を照射することができる。その結果、細胞の光合成反応が促進されて培養効率が向上する。凸状の突起４ａの高さｈは、図５の減衰グラフ等を参照して、全体として十分な培養効率が得られるよう適宜設定される。細胞濃度によって異なるが、一例として、高さｈを２〜１０ｃｍ程度とすることができる。
また、光照射部材４の突起４ａの素材の屈折率は、一般に１．４〜１．６程度であり、無菌バッグ１との当接面に生じる隙間の空気層の屈折率１．０と異なるために、界面での光反射による照射光のロスを生じる。このため、必要に応じて、当接面に反射防止膜４ｂを形成することができる。反射防止膜４ｂは、各種の反射防止剤を塗布等して形成することができる。例えば、屈折率を１．４〜１．６程度に調節したシリコンオイルやアクリル系粘着剤を、当接面である凸状の突起４ａの表面に塗布することによって形成することができる。
目的細胞が微細藻類である場合、図１に示すように、光合成反応に必要な溶存二酸化炭素を供給するための中空糸膜チューブ５を設けることができる。その場合、図１では省略しているが、ガス供給装置と溶存二酸化炭素濃度計を別途設け、培養液２中の溶存二酸化炭素濃度を制御する。また、無菌バッグ１を収容する容器６は、必要に応じて、恒温水を循環するジャッケットやペルティエ素子を備えた温度調節機能を有し、さらに、架台振とう装置７を用いて培養液２の攪拌を行なうことができる。
また、容器６には、無菌バッグ１に封入した培養液２を透過した光を反射して、培養液２を再度光照射する機能を持たせることができる。具体的には、無菌バッグ１を収容する容器６の底面を鏡面仕上げにしたり、あるいは図１に示すように反射鏡８を設けることができる。これにより、光照射部材４から照射された光を有効利用することができ、培養効率をより高めることができる。
なお、人工光源として白熱灯やハロゲン光等の連続スペクトル波長の光源を用いる場合、無菌バッグ１内の培養液２を透過した光は、細胞内の光合成色素によって吸収されなかった波長域の光、すなわち光合成に有効でない波長光の割合が多くなる。この現象は、図６の例に示すように、培養時間が進み、培養液２中の細胞濃度が高くなるほど顕著になる。そのため、反射鏡８により、反射光を培養液２に再度照射するようにしても、光合成に有効利用される光の割合が高くならず、培養効率が十分に向上し得ない場合がある。このような場合には、当接させる無菌バッグ１を挟んで光照射部材４と対向する側、具体的には図１の反射鏡８の最表面に、無菌バッグ１を透過した光の波長を変換して培養液２に対し再度光照射を行うための波長変換部材８ａをさらに設けることができる。これによって培養効率がより高まり、図７の例に示すように、反射防止膜のみの場合に比較して、反射防止膜と波長変換部材とを組み合わせることで細胞濃度をより高めることができる。
波長変換部材８ａは、例えば、蛍光色素を含むフィルムにより構成することができる。蛍光色素としては、既知の有機又は無機の蛍光色素を用いることができ、微細藻類の場合は、５００〜６００ｎｍの緑色透過光を光合成クロロフィル色素が吸収する６００〜７００ｎｍの赤色光に変換することにより、光合成反応に関与する光の利用効率を高めることができる。また、光合成細菌の場合は、６００〜７５０ｎｍの赤色透過光を、バクテリオクロロフィル色素が吸収する７５０〜９００ｎｍの近赤外光に変換する蛍光色素を選択する。このような蛍光色素の例としては、エチレンブロマイド、エチジウムブロマイド、メロシアニン、キシノールオレンジ、プロピジウムイオダイド、アクリジンオレンジ等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
続いて、本発明の細胞培養装置の第二の実施形態について、図８に基づき説明する。この実施形態では、光源ランプ３を備えた光照射部材４が、無菌バッグ１を収容可能な箱体に構成されている。細胞培養を行う際には、まず、空の無菌バッグ１を箱体に収容した後、光合成を行う細胞が培地に懸濁された培養液２を培地槽９から無菌バッグ１内に注入する。注入する量等は、培地槽９に接続された培養制御装置１２により制御することができる。
図８に示すように、無菌バッグ１を縦置きに収容すると、注入された培養液２の自重により、箱体からなる光照射部材４の内壁面に無菌バッグ１が自然に当接することとなる。このとき、無菌バッグ１の自重による圧力が加わり、無菌バッグ１と光照射部材４の内壁面との間に生じる隙間はより小さくなる。そして、光照射部材４の内壁面には、凸状の突起４ａが設けられており、この突起４ａの形状に沿って無菌バッグ１が変形しつつ当接し、液深部（図８の例では無菌バッグ１内部における光源ランプ３に対向する側）への光照射効率を高めることができる。
図８において、光照射部材４における光源ランプ３と対向する面等には、必要に応じて圧力センサ１０ａを設けることができる。この圧力センサ１０ａにおける計測値に応じて、培養液２の供給量を変化させ、無菌バッグ１と光照射部材４とが当接する圧力を制御することができる。また、光照射を行って細胞培養を開始すると、細胞の増殖に伴って透過光の強度が減衰する。そこで、例えば光照射部材４における光源ランプ３と対向する面に光センサ１０ｂを設け、その計測値に応じて光源制御装置１１により光源ランプ３の照射光強度を調節することによって、培養に適正な光強度の範囲を維持することができる。さらに、必要に応じて、培養液２内に窒素、空気、二酸化炭素等のガスを供給するためのガス通気装置１３を設けても良い。
次に、本発明の細胞培養容器の第三の実施形態を図９に示す。この実施形態では、光照射部材４が箱体に構成され、複数（図９では２つ）の無菌バッグ１を収容可能である。それぞれの収容部分には、複数の凸状の突起４ａが設けられ、培養液２が注入された無菌バッグ１に当接した状態で光源ランプ３により光照射が行われる。第三の実施形態では、１つの光照射部材４に対して複数の無菌バッグ１が収容され、より効率的に細胞培養が行われる。
上記第一の実施形態〜第三の実施形態においては、凸状の突起４ａが、複数の円錐状の突起であり、それらが当接面に密に配列している場合について示したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。すなわち、ドーム状や錘台状に突出する場合、複数条の畝として形成される場合、隣接する突起同士で突出する高さが異なる場合等、培養液２への照射効率を考慮して適宜設計することができる。
さらに、本発明の細胞培養容器の第四の実施形態について図１０に基づき説明する。この実施形態では、光照射部材４の、無菌バッグ１との当接面に設けられる複数の凸状の突起４ａが、当接面上において斜め方向へ伸びる複数の畝状体として構成されている。したがって、当接した無菌バッグ１はこの突起４ａに従って変形し、無菌バッグ１の内壁面には複数の畝が形成されることとなる。無菌バッグ１内にはガス通気手段が設けられ、このガス通気手段から発生したガスは、変形した無菌バッグ１の内壁面に沿って図１０の矢印方向に循環する。この実施形態では、ガスを所定の方向へ誘導するように突起４ａの形状を適宜設定することによって、無菌バッグ１内においてガスを自然に循環させることができ、省エネルギー化が達成されるとともに、培養効率を向上させることができる。
なお、突起４ａの形態は図１０に限定されるものではない。波形の畝等、ガスを誘導するために最適な形状が適宜選択される。
本発明の第五の実施形態を図１１に示す。この実施形態は、光照射部材４における無菌バッグ１との当接面に凸状の突起を設けず、無菌バッグ１を挟んで光照射部材４と対向する側に、無菌バッグ１を透過した光の波長を変換して無菌バッグ１内部の培養液２に対し光照射を行うための波長変換部材８ａを設けた例である。人工光源として白熱灯やハロゲン光等の連続スペクトル波長の光源を用いる場合、無菌バッグ１内の培養液２を透過した光は、細胞内の光合成色素によって吸収されなかった波長域の光の割合が多くなる。そのため、反射鏡８により、反射光を培養液２に再度照射するようにしても、光合成に有効利用される光の割合が高くならず、培養効率が十分に向上し得ない場合がある。そこで、反射鏡８の最表面に波長変換部材８ａをさらに設け、無菌バッグ１を透過した光の波長を変換して培養液２に対し再度光照射を行うことにより、培養効率をより高めることができる。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１ 無菌バッグ
２ 培養液
３ 光源ランプ
４ 光照射部材
４ａ 突起
４ｂ 反射防止膜
５ 中空糸膜チューブ
６ 容器
７ 架台振とう装置
８ 反射鏡
８ａ 波長変換部材
９ 培地槽
１０ａ 圧力センサ
１０ｂ 光センサ
１１ 光源制御装置
１２ 培養制御装置
１３ ガス通気装置
２ 培養液
３ 光源ランプ
４ 光照射部材
４ａ 突起
４ｂ 反射防止膜
５ 中空糸膜チューブ
６ 容器
７ 架台振とう装置
８ 反射鏡
８ａ 波長変換部材
９ 培地槽
１０ａ 圧力センサ
１０ｂ 光センサ
１１ 光源制御装置
１２ 培養制御装置
１３ ガス通気装置
Claims (8)
- 光透過性及び可撓性を有し、内部に培養液を封入可能な無菌バッグと、前記無菌バッグに当接させ、その当接面を介して前記無菌バッグ内部の前記培養液に対し光照射を行うための光照射部材とを備え、前記光照射部材の前記当接面に凸状の突起を設けてなる光合成細胞培養装置。
- 前記当接面に、反射防止膜が設けられる請求項１に記載の光合成細胞培養装置。
- 当接させた前記無菌バッグを挟んで前記光照射部材と対向する側に、前記無菌バッグを透過した光の波長を変換して前記無菌バッグ内部の培養液に対し光照射を行うための波長変換部材を備える請求項１に記載の光合成細胞培養装置。
- 前記光照射部材が前記無菌バッグを収容可能な箱体であり、前記箱体の内壁面の少なくとも一部が、前記培養液に対し光照射を行うための前記無菌バッグとの当接面となる請求項１に記載の光合成細胞培養装置。
- 前記無菌バッグ内部にガス通気手段を備え、前記凸状の突起に従って変形した前記無菌バッグの内壁面に沿って前記ガス通気手段から発生したガスが循環するように、前記凸状の突起が形成される請求項１に記載の光合成細胞培養装置。
- 内壁面の少なくとも一部に凸状の突起が設けられ、前記内壁面の少なくとも一部から光照射を行うことができる箱体に、光透過性及び可撓性を有する無菌バッグを収容し、光合成を行う細胞を懸濁した培養液を前記無菌バッグに注入することによって前記内壁面の少なくとも一部に前記無菌バッグを当接させ、その当接面を介して前記無菌バッグ内部の前記培養液に対し光照射を行う光合成細胞培養方法。
- 前記当接面に、反射防止膜が設けられる請求項６に記載の光合成細胞培養方法。
- 前記無菌バッグを挟んで前記当接面と対向する側に波長変換部材を備え、前記無菌バッグを透過した光の波長を変換して、前記無菌バッグ内部の培養液に対し光照射を行う請求項６に記載の光合成細胞培養方法。
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