JP6252193B2 - 細胞培養装置 - Google Patents

Description

本発明は、動物細胞や植物細胞、酸素を必要とする好気性微生物細胞を培養する装置に関する。

動物細胞や植物細胞、酸素を必要とする好気性微生物細胞を培養するには、有機物等の電子供与体や、窒素、リン、微量元素等の栄養源と共に、電子受容体としての酸素を細胞に供給する必要がある。例えば、動物細胞の培養においては、酸素供給の方法として、静置された液体培地や寒天平板培地に酸素を含むガスを接触させ、拡散によって酸素を培地中の細胞に供給する方式が用いられる。この方式で細胞に酸素を供給する場合は、シャーレやディスク等の小さい容器に培地と細胞を収容することになる（例えば、特許文献１）。

但し、小さい容器を用いる酸素供給は、細胞を大量に培養する場合には不向きである。その理由は、大量培養のためには小さい容器を多数用いる必要があり、培地の入れ替え等のメンテナンスの手間が容器の数だけかかって、非常にコストが高く付いてしまうからである。

そこで、一般に細胞を大量培養する際には、液体培地を入れた大型の培養槽が用いられ、細胞に対する酸素の供給は、水面下での通気や攪拌によって液体培地を曝気することで行われる。

特開２００４−２３６５４７号公報

しかし、水面下で通気や攪拌を行うと、液体培地に水流が発生して細胞に強いせん断力が加わり、細胞がダメージを受けて順調に培養されなくなってしまう。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、水流による強いせん断力を培養液（液体培地）中に発生させることなく培養液中の細胞に酸素を効率よく供給することができる細胞培養装置を提供することにある。

上記目的を達成するため請求項１に記載した本発明の細胞培養装置は、
培養液中の細胞に酸素を供給する細胞培養装置であって、
培養液が充填される培養槽と、
前記培養槽の下部において、酸素含有ガスを前記培養液中に導入するガス供給口と、
前記ガス供給口よりも上方の培養液中に上下方向に重ねて配置され、それぞれの開口部を下方に向けた凹部を有する複数の棚と、
を備えており、
前記各棚の前記凹部の天井板には、該天井板を貫通する通気管が、上下方向において隣り合う棚どうしで水平方向に位置をずらしてそれぞれ設けられており、
前記培養液中を浮上し前記開口部から前記凹部に進入して滞留した前記酸素含有ガスが、前記通気管の内部を下端から上端に通過して、該通気管を前記天井板に設けた前記棚の上方に隣り合う棚の前記凹部に滞留する、
ことを特徴とする。

請求項１に記載した本発明の細胞培養装置によれば、ガス供給口から導入されて培養液中を浮上する酸素含有ガスの気泡は、その直上の棚の開口部から内部に進入して凹部内に滞留する。そして、滞留した酸素含有ガスにより凹部内の培養液の液面が、その棚の天井板を貫通する通気管の下端以下に押し下げられると、通気管の下端から内部に酸素含有ガスが進入し、天井板を超えて通気管の上端に移動する。

通気管の上端に移動した酸素含有ガスは、上方に隣り合う次の棚の開口部から内部に進入する。このとき、下の棚と上の棚とで通気管の位置が水平方向にずらしてあるので、下の棚の通気管の上端に達した酸素含有ガスは上の棚の凹部内に滞留する。

上の棚の凹部内に滞留した酸素含有ガスにより凹部内の培養液の液面が、上の棚の天井板を貫通する通気管の下端以下に押し下げられると、通気管の下端から内部に酸素含有ガスが進入し、上の棚の天井板を超えて通気管の上端に移動する。通気管の下端から上端への酸素含有ガスの移動は、移動した酸素含有ガスの分だけ上昇する凹部内の培養液の液面が通気管の下端に達してこれを塞ぐまで続く。

上の棚の通気管の上端に移動した酸素含有ガスは、さらに上方に隣り合う次の棚の開口部から内部に進入して凹部内に滞留する。これが繰り返されることで、各棚の内部に酸素含有ガスが連続供給される。そして、各棚の凹部内には、培養液と酸素含有ガスとの界面（培養液の液面）がそれぞれ形成され、この界面から培養液に酸素が効率よく供給される。

一方、各棚の凹部では、下方の棚の通気管を下端から上端に向けて通過した酸素含有ガスが、下方の棚との間の培養液中を気泡となって浮上すると、凹部内の酸素含有ガスの滞留量が増加して培養液の液面低下が発生する。また、各棚の凹部では、酸素含有ガスの滞留量が増加して酸素含有ガスが通気管を下端から上端に向けて通過し上方の棚の凹部に移動すると、凹部内の酸素含有ガスの滞留量が減少して培養液の液面上昇が発生する。しかし、培養液の液面の上昇や低下によって凹部内の培養液に水流が継続的に発生することはない。

よって、培養槽の培養液中において、酸素含有ガスとの界面を各棚の凹部内にそれぞれ形成して培養液中の細胞に酸素を効率よく供給することができ、その際、細胞にせん断力を加える原因となる水流が凹部内の培養液に継続的に発生するのを抑制することができる。即ち、水流による強いせん断力を培養液中で発生させることなく培養液中の細胞に酸素を効率よく供給することができる。

また、請求項２に記載した本発明の細胞培養装置は、請求項１に記載した本発明の細胞培養装置において、前記各棚は、前記天井板を挟んで前記凹部の上方に配置されて開口部を上方に向けた第２凹部を有しており、上下に隣り合う２つの前記棚が、下方の前記棚の前記第２凹部と上方の前記棚の前記凹部とを連通させて、上下方向に重ねて配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載した本発明の細胞培養装置によれば、上下に隣り合う２つの棚において、上側の棚の開口部を下方に向けた凹部内における、酸素含有ガスとの界面から下側の部分に位置する培養液の層が、この凹部と連通する下側の棚の開口部を下方に向けた第２凹部内の培養液の層に連なることになる。

したがって、細胞が壁に付着しやすいものである場合、細胞を培養する際には各棚の第２凹部に細胞を先に接種し、培養した細胞を回収する際には、培養槽から培養液を回収した後、各棚の第２凹部内に残った培養液から細胞を回収することで、細胞の接種や回収を確実に行うことができる。

さらに、請求項３に記載した本発明の細胞培養装置は、請求項１又は２に記載した本発明の細胞培養装置において、上下に隣り合う２つの前記棚において、下方の前記棚の前記通気管の上端が、上方の前記棚の前記通気管の下端以上の高さ位置に配置されていることを特徴とする。

請求項３に記載した本発明の細胞培養装置によれば、請求項１又は２に記載した本発明の細胞培養装置において、上方の棚の凹部内における培養液の液面は通気管の下端に位置する際に最も高い位置となる。これに対し、下方の棚の通気管の上端は常にそれと同じ高さ位置かそれよりも高い位置に存在する。

したがって、下方の棚の通気管を移動した酸素含有ガスが上方の棚の凹部内に進入する際に培養液中を気泡となって浮上することがない。よって、細胞にせん断力を加える原因となる水流が凹部内の培養液に発生するのを、より一層防止することができる。

また、請求項４に記載した本発明の細胞培養装置は、請求項１、２又は３に記載した本発明の細胞培養装置において、前記培養槽は、前記棚の出入口を上端に有していると共に、前記上端に対して着脱可能な前記出入口の蓋体を有しており、前記各棚と前記水槽との間に水平方向においてそれぞれ隙間が設けられており、前記各棚に、前記出入口から前記隙間に挿入した出し入れ治具が係脱可能な係止部が設けられていることを特徴とする。

請求項４に記載した本発明の細胞培養装置によれば、請求項１、２又は３に記載した本発明の細胞培養装置において、各棚が培養槽の出入口を通して培養槽に出し入れ可能となり、しかも、その出し入れを、棚と培養槽との隙間に挿入した出し入れ治具を棚の係止部に係止させて行うことができる。

このため、無菌状態において、培養槽に対する培養液の供給や回収を行いつつ、培養槽に対する棚の出し入れを行うことで、細胞培養を全自動で行える細菌培養装置を構成することができる。

本発明によれば、水流による強いせん断力を培養液（液体培地）中に発生させることなく培養液中の細胞に酸素を効率よく供給することができる。

本発明の第１実施形態に係る細胞培養装置の概略構成を示す説明図である。 （ａ）は図１の棚の平面図、（ｂ）は同縦断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の細胞培養装置により細胞培養を行う際の手順を示す説明図である。 （ａ），（ｂ）は、図１の細胞培養装置により細胞培養を行う際の手順を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る細胞培養装置の概略構成を示す説明図である。 （ａ）は図５の棚の平面図、（ｂ）は同縦断面図である。 （ａ），（ｂ）は、図５の細胞培養装置により細胞培養を行う際の手順を示す説明図である。 （ａ），（ｂ）は、図５の細胞培養装置により細胞培養を行う際の手順を示す説明図である。 （ａ），（ｂ）は、図５の細胞培養装置により細胞培養を行う際の手順を示す説明図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係る細胞培養装置における棚の概略構成を示す縦断面図である。 本発明の実施例と比較例の細胞培養装置で槽内の水に空気を供給した場合の槽上部の排ガス中の酸素濃度の経時変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る細胞培養装置の概略構成を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態の細胞培養装置１は、有底の矩形筒状の培養槽１０の内部に、平面視矩形の複数の棚２０，２０，…を上下方向に重ねて収容して構成されている。

前記培養槽１０は、上端に出入口１１ａを有する槽本体１１と、槽本体１１の上端に着脱可能な出入口１１ａの蓋体１３とを有している。槽本体１１は、槽本体１１内に培養液１５を導入する培地流入口１１ｂを下部側面に有しており、また、槽本体１１内の培養液１５をオーバーフローさせて槽外に排出する培地流出口１１ｃを、上部側面の蓋体１３と干渉しない箇所に有している。

培養液１５は、動物細胞や植物細胞、酸素を必要とする好気性微生物細胞（以下、「細胞」と総称する。）の液体培地とするものである。そして、培地流入口１１ｂから培養液１５の導入を継続し、培地流出口１１ｃからオーバーフローした培養液１５を回収することで、槽本体１１の培養液１５を入れ替えることができる。また、培地流入口１１ｂから培養液１５を槽外に排出することで、槽本体１１から培養液１５を回収することができる。

また、槽本体１１は、槽本体１１内の培養液１５中に空気１７（図４（ｂ）参照、請求項中の酸素含有ガスに相当）を導入する空気流入口１１ｄ（請求項中のガス供給口に相当）を下部側面に有しており、この空気流入口１１ｄには、除菌フィルタ３０を通過した除菌後の空気が供給される。さらに、槽本体１１は、棚２０の外周部が載置される載置片１１ｅを、培地流入口１１ｂや空気流入口１１ｄが開口する下部内壁の直上の四隅に有している。

蓋体１３は、除菌フィルタ４０を介して培養槽１０の外部と連通した空気流出口１３ａを有している。蓋体１３を槽本体１１の上端に取付装着することで、出入口１１ａは蓋体１３により密閉される。槽本体１１内の培地流出口１１ｃの上方に滞留する空気は、空気流出口１３ａから除菌フィルタ４０を介して培養槽１０の外部に放出される。

図２（ａ）は図１の各棚２０の平面図、（ｂ）は同縦断面図である。各棚２０は、図２（ｂ）に示すように、上下方向中間の仕切板２１（請求項中の天井板に相当）を挟んでその下方に凹部２３を、上方に第２凹部２５をそれぞれ有している。凹部２３の開口部２３ａは上下方向下方に向けて開放されており、第２凹部２５の開口部２５ａは上下方向上方に向けて開放されている。

また、各棚２０は、仕切板２１を貫通して凹部２３と第２凹部２５とを連通する通気管２７を有している。図２（ａ）に示すように、通気管２７は、仕切板２１の長手方向一端寄りに、長手方向と直交する向きに等間隔で３つ配置されている。図２（ｂ）に示すように、各通気管２７の下端２７ａは凹部２３の開口部２３ａよりも上方に位置しており、通気管２７の上端２７ｂは第２凹部２５の開口部２５ａよりも上方に位置している。

さらに、各棚２０は、図２（ａ）に示すように、四隅にＬ字状の脚片２９をそれぞれ有している。各脚片２９は、図２（ｂ）に示すように、凹部２３の開口部２３ａから下方に一部突出しており、図１に示すように複数の棚２０を重ね合わせた状態で、下方の棚２０の上部四隅に嵌合される。この嵌合により、上下に重ねた２つの棚２０，２０が水平方向にずれないように位置決めされる。

また、一番下段の棚２０の各脚片２９は、槽本体１１の四隅の各載置片１１ｅにそれぞれ載置され、これにより、一番下段の棚２０が培地流入口１１ｂや空気流入口１１ｄの上方に位置決めされる。

なお、図１に示すように重ねた上下の２つの棚２０，２０において、下方の棚２０の各通気管２７の上端２７ｂは、上方の棚２０の各通気管２７の下端２７ａと同じ高さに配置される。また、各棚２０と槽本体１１の内壁との間には、隙間１９がそれぞれ形成される。

以上に説明した培養槽１０（槽本体１１、蓋体１３）や棚２０は、例えば、通常の蒸気滅菌条件である１２１℃、２気圧で変質しないガラス、金属、シリコンゴム等で構成するのが望ましい。あるいは、蒸気滅菌以外の滅菌手段を用いる場合は、滅菌手段であるガンマ線、電子線、過酢酸、オゾン等の照射で変質しない材料で構成するのが好ましい。なお、培養槽１０の要部を透明材料で構成すれば、槽内の様子を槽外から確認できるのでさらに好ましい。

また、棚２０は、槽本体１１内の培養液１５中に静置することから、培養液１５中で浮力を上回る重力が作用する比重（重量）の材料で構成するのが好ましい。

次に、上述した第１実施形態の細胞培養装置１で細胞培養を行う際の手順を、図３及び図４を参照して説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、無菌環境下において、滅菌済の棚２０の第２凹部２５に細胞５０を接種して培養液１５を充填する。そして、この状態の棚２０を、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、滅菌された槽本体１１に出入口１１ａから１つずつ入れて重ねていく。このとき、棚２０は、滅菌された一対の出し入れ治具６０，６０を用いて出入口１１ａから槽本体１１の内部に水平状態を保ったままの姿勢で設置される。

詳しくは、各出し入れ治具６０，６０の下端のＬ字状に折り曲げた係止部６１，６１を、棚２０の長手方向両側における２つの脚片２９，２９間の下縁部分（請求項中の係止部に相当）にそれぞれ係止し、槽本体１１の内壁との隙間１９を利用して出し入れ治具６０により槽本体１１の上方から内部に棚２０を順次降ろす。

そして、出し入れ治具６０を棚２０から外して槽本体１１の内壁との隙間１９に沿って引き上げ、次の棚２０を係止して再び槽本体１１内に降ろし、既に設置した棚２０に重ねて設置する。これを繰り返すことで、本実施形態では、４つの棚２０を槽本体１１内に重ねて設置する。

なお、通気管２７が棚２０の長手方向における一方の端部側と他方の端部側とに交互に配置されるよう、各棚２０の向きを水平面内で１８０度ずつ変えて設置する。また、最初の棚２０は各脚片２９を槽本体１１の四隅の載置片１１ｅの上に載置し、２つ目以降の棚２０は、各脚片２９を槽本体１１内の一番上段に設置された棚２０の第２凹部２５の四隅に係合させる。

次に、図４（ａ）に示すように、槽本体１１の出入口１１ａを蓋体１３で塞ぎ、培地流出口１１ｃに液面が達するまで培地流入口１１ｂから槽本体１１内に培養液１５を充填する。そして、培養液１５の充填を終了した後、図４（ｂ）に示すように、空気流入口１１ｄから除菌後の空気１７を槽本体１１の培養液１５中に導入する。

導入された空気１７の気泡は、まず、一番下段の棚２０の開口部２３ａから内部に進入して凹部２３内の上部に滞留する。そして、滞留した空気１７により凹部２３内の培養液１５の液面が、その棚２０の仕切板２１を貫通する通気管２７の下端２７ａ以下に押し下げられると、下端２７ａから通気管２７の内部に空気１７が進入し、仕切板２１を超えて通気管２７の上端２７ｂに移動する。

通気管２７の上端２７ｂに移動した空気１７は、上方に隣り合う次の棚２０の凹部２３内に進入する。このとき、下の棚２０と上の棚２０とで通気管２７の位置が水平方向にずらしてあるので、下の棚２０の通気管２７の上端２７ｂに達した空気１７は上の棚２０の凹部２３内の上部に滞留する。

上の棚２０の凹部２３内の上部に滞留した空気１７により凹部２３内の培養液１５の液面が、上の棚２０の仕切板２１を貫通する通気管２７の下端２７ａ以下に押し下げられると、下端２７ａから通気管２７の内部に空気１７が進入し、上の棚２０の仕切板２１を超えて通気管２７の上端２７ｂに移動する。通気管２７の下端２７ａから上端２７ｂへの空気１７の移動は、移動した空気１７の分だけ上昇する凹部２３内の培養液１５の液面が通気管２７の下端２７ａに達してこれを塞ぐまで続く。

上の棚２０の通気管２７の上端２７ｂに移動した空気１７は、さらに上方に隣り合う次の棚２０の凹部２３内に進入して凹部２３内の上部に滞留する。これが各棚２０で順次繰り返されることで、各棚２０の凹部２３内の上部に空気１７がそれぞれ連続供給される。

そして、各棚２０の凹部２３内の上部に空気１７が滞留して培養液１５との界面を形成し、この界面から培養液１５中に取り込まれた酸素が細胞５０に供給されて細胞５０が培養される。

なお、一番上段の棚２０の凹部２３から通気管２７を経て槽本体１１の培養液１５の液面上の空間に移動した空気１７は、蓋体１３の空気流出口１３ａ及び除菌フィルタ４０を介して培養槽１０の外部に放出される。

培養槽１０で培養された細胞５０の回収は、例えば、無菌環境下において以下の手順で行うことができる。まず、空気流入口１１ｄからの除菌後の空気１７の導入を停止して、槽本体１１内の培養液１５を培地流入口１１ｂから培養槽１０の外部に排出する。そして、蓋体１３を取り外して槽本体１１の出入口１１ａから一対の出し入れ治具６０，６０を槽本体１１の内壁と棚２０との隙間１９に挿入し、一番上段の棚２０に係止部６１，６１を係止して、出し入れ治具６０，６０により一番上段の棚２０を引き上げる。

以後、各棚２０を上側から順に槽本体１１の出入口１１ａから出し入れ治具６０，６０を用いて取り出し、各棚２０の第２凹部２５の培養液１５と共に、細胞５０を回収する。

なお、以上の手順による細胞５０の回収や、先に説明した、第２凹部２５に細胞５０を接種し培養液１５を充填した各棚２０の槽本体１１への設置、また、必要に応じた培養液１５の入れ替え等を、出し入れ治具６０，６０等を操作する不図示のアクチュエータ等を利用してそれぞれ自動で行うことで、細胞５０の培養を全自動化してもよい。

このように構成された本実施形態の細胞培養装置１によれば、各棚２０の凹部２３内に空気１７が供給される際には、各棚２０において、下方の棚２０の通気管２７を下端２７ａから上端２７ｂに向けて通過した空気１７が、下方の棚２０との間の培養液１５中を気泡となって浮上し、凹部２３内の空気１７の滞留量が増加するので、凹部２３内の培養液１５の液面低下が発生する。また、凹部２３内の空気１７の滞留量が増加すると、空気１７が通気管２７を下端２７ａから上端２７ｂに向けて通過して上方の棚２０の凹部２３に移動し、凹部２３内の空気１７の貯留量が減少するので、凹部２３内の培養液１５の液面が上昇する。しかし、培養液１５の液面の上昇や低下によって、凹部２３内の培養液１５に水流が継続的に発生することはない。

よって、培養槽１０の培養液１５中において、空気１７との界面を各棚２０の凹部２３内にそれぞれ形成して培養液１５中の細胞５０に酸素を効率よく供給することができ、その際、細胞５０にせん断力を加える原因となる水流が凹部２３内の培養液１５に継続的に発生するのを抑制することができる。即ち、水流による強いせん断力を培養液１５中で発生させることなく培養液１５中の細胞５０に酸素を効率よく供給することができる。

そして、本実施形態の細胞培養装置１では、各棚２０の仕切板２１の上方に、開口部２５ａを上方に向けた第２凹部２５を設け、上下に隣り合う２つの棚２０，２０において、下の棚２０の第２凹部２５と上の棚２０の凹部２３とを連通させる構成とした。

このため、上下に隣り合う２つの棚２０，２０において、上の棚２０の凹部２３内における、空気１７との界面から下側の部分に位置する培養液１５の層が、この凹部２３と連通する下の棚２０の第２凹部２５内の培養液１５の層に連なることになる。

したがって、細胞５０が壁に付着しやすいものである場合、細胞５０を培養する際には各棚２０，２０の第２凹部２５に細胞５０を先に接種し、培養した細胞５０を回収する際には、培養槽１０から培養液１５を回収した後、各棚２０の第２凹部２５内に残った培養液１５から細胞５０を回収することで、細胞５０の接種や回収を確実に行うことができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る細胞培養装置について説明する。図５は第２実施形態に係る細胞培養装置の概略構成を示す断面図である。

図５に示すように、本実施形態の細胞培養装置１Ａは、培養槽１０の槽本体１１内に重ねて配置する各棚２０Ａの構成を第１実施形態とは異ならせている。

図６（ａ）は図５の各棚２０Ａの平面図、（ｂ）は同縦断面図である。各棚２０Ａは、図６（ａ）に示すように、図１乃至図４に示す第１実施形態の棚２０の第２凹部２５を省略し、棚２０Ａの上端を凹部２３の平坦な天井板２１Ａ（請求項中の天井板に相当）とした構成としている。そして、天井板２１Ａを貫通する通気管２７の上端２７ｂを、天井板２１Ａの上面と同じ位置に配置している。

また、本実施形態の棚２０Ａは、第１実施形態の棚２０の各脚片２９に代えて、図６（ａ）に示すように、凹部２３の開口部２３ａの四隅に矩形の支持片２９Ａを、天井板２１Ａと平行にそれぞれ取り付けている。この支持片２９Ａは、下の棚２０に重ねて棚２０を配置した際に、下の棚２０に対して凹部２３の周壁の板厚分を超えて水平方向にずれても、下の棚２０の天井板２１Ａの四隅に当接する。これにより、下の棚２０に重ねた棚２０が下の棚２０の天井板２１Ａの外側に脱落するのを防止することができる。

次に、上述した第２実施形態の細胞培養装置１Ａで細胞培養を行う際の手順を、図７乃至図９を参照して説明する。

まず、図７（ａ）に示すように、無菌環境下において、培地流入口１１ｂから槽本体１１内に培養液１５を棚２０Ａの高さ分程度充填して細胞５０を接種し、この状態で、図７（ｂ）に示すように、出入口１１ａから槽本体１１内に降ろした滅菌済の棚２０Ａを培養液１５に静かに沈め、四隅の支持片２９Ａを槽本体１１の四隅の載置片１１ｅの上に載置する。

次に、図８（ａ）に示すように、培地流入口１１ｂから槽本体１１内に培養液１５を棚２０Ａの高さ分程度さらに充填し、必要に応じて細胞５０をさらに接種する。そして、この状態で、図８（ｂ）に示すように、出入口１１ａから槽本体１１内に降ろした滅菌済の棚２０Ａを培養液１５に静かに沈め、四隅の支持片２９Ａを設置済の棚２０Ａの天井板２１Ａの四隅の上に載置する。

以後、同様の手順を繰り返して、図９（ａ）に示すように、槽本体１１の培養液１５に４つ目の棚２０Ａを静かに沈めて、設置済の３段目の棚２０Ａに重ねて配置したら、培地流入口１１ｂから槽本体１１内に残りの培養液１５を充填して、４段の棚２０Ａを培養液１５中に全て沈める。

以上の手順は、第１実施形態の場合と同様に、棚２０Ａの長手方向両側における２つの支持片２９Ａ，２９Ａ間の下縁部分（請求項中の係止部に相当）に係止部６１をそれぞれ係止した一対の出し入れ治具６０，６０を用いて行ってもよい。

そして、槽本体１１の出入口１１ａを蓋体１３で塞いだ後、図９（ｂ）に示すように、空気流入口１１ｄから除菌後の空気１７を槽本体１１の培養液１５中に導入する。

導入された空気１７の気泡は、まず、一番下段の棚２０Ａの開口部２３ａから内部に進入して凹部２３内の上部に滞留する。そして、滞留した空気１７により凹部２３内の培養液１５の液面が、その棚２０Ａの天井板２１Ａを貫通する通気管２７の下端２７ａ以下に押し下げられると、下端２７ａから通気管２７の内部に空気１７が進入し、天井板２１Ａを超えて通気管２７の上端２７ｂに移動する。

通気管２７の上端２７ｂに移動した空気１７は、上方に隣り合う次の棚２０Ａの凹部２３内に進入する。このとき、下の棚２０Ａと上の棚２０Ａとで通気管２７の位置が水平方向にずらしてあるので、下の棚２０Ａの通気管２７の上端２７ｂに達した空気１７は上の棚２０Ａの凹部２３内の上部に滞留する。

上の棚２０Ａの凹部２３内の上部に滞留した空気１７により凹部２３内の培養液１５の液面が、上の棚２０の天井板２１Ａを貫通する通気管２７の下端２７ａ以下に押し下げられると、下端２７ａから通気管２７の内部に空気１７が進入し、上の棚２０Ａの天井板２１Ａを超えて通気管２７の上端２７ｂに移動する。通気管２７の下端２７ａから上端２７ｂへの空気１７の移動は、移動した空気１７の分だけ上昇する凹部２３内の培養液１５の液面が通気管２７の下端２７ａに達してこれを塞ぐまで続く。

上の棚２０Ａの通気管２７の上端２７ｂに移動した空気１７は、さらに上方に隣り合う次の棚２０Ａの凹部２３内に進入して凹部２３内の上部に滞留する。これが各棚２０Ａで順次繰り返されることで、各棚２０Ａの凹部２３内の上部に空気１７がそれぞれ連続供給される。

そして、各棚２０Ａの凹部２３内の上部に空気１７が滞留して培養液１５との界面を形成し、この界面から培養液１５中に取り込まれた酸素が細胞５０に供給されて細胞５０が培養される。

このように構成された本実施形態の細胞培養装置１Ａでも、培養した細胞５０の回収に関する点を除いて、第１実施形態の細胞培養装置１と同様の効果を得ることができる。

なお、上述した第２実施形態の細胞培養装置１Ａでは、通気管２７の上端２７ｂを、天井板２１Ａの上面と同じ位置に配置した。しかし、例えば図１０の断面図に示す第２実施形態の変形例に係る細胞培養装置の棚２０Ｂのように、上下に隣り合う２つの棚２０Ｂ，２０Ｂにおいて、下の棚２０Ｂの通気管２７の上端２７ｂを、上の棚２０Ｂの通気管２７の下端２７ａよりも上方に位置させてもよい。

このように構成すれば、上の棚２０Ｂの凹部２３内の上部に滞留した空気１７中に、下の棚２０Ｂの通気管２７の上端２７ｂが位置することになる。したがって、下の棚２０Ｂの通気管２７を下端２７ａから上端２７ｂに移動した空気１７が、上の棚２０Ｂの凹部２３内の上部に滞留した空気１７中に直接放出され、その下の培養液１５中に気泡となって放出されることがなくなる。これにより、培養液１５中に空気１７の気泡が放出されることで水流が生じるのを防ぎ、培養液１５中の細胞５０をせん断力からより一層保護することができる。

また、図１０に示す通気管２７の構成は、第１実施形態の細胞培養装置１の棚２０に設けた通気管２７にも適用可能である。

さらに、上述した第１及び第２実施形態やその変形例の細胞培養装置１，１Ａでは、細胞５０の培養中、必要に応じて、培地流入口１１ｂから培養液１５を槽本体１１内に流入させて、オーバーフローした培養液１５を培地流出口１１ｃから培養槽１０の外部に排出させることで、培養液１５の入れ替えを行ってもよい。

本発明の細胞培養装置による細菌への酸素供給能力を検証するため、実施例と比較例の各細胞培養装置を用いて実験を行った。ここで、実施例には、図５に示す構造の細胞培養装置を用い、比較例には、培養槽内に何も配置しない細胞培養装置を用いた。なお、いずれも培養槽の容積は１３リットルとし、培養液の代わりに培養槽に充填した水は９リットルとした。

そして、培養槽下部の気体流入口から培養槽内にアルゴンガスを供給し、槽内の酸素をパージした後、１リットル／分の流量で気体流入口から空気を槽内の水に供給した場合の、槽内の気相（水に溶解せず蓋体で閉じた培養槽上部の出入口付近に滞留した排ガス）の酸素濃度の経時変化を、実施例と比較例とのそれぞれについて、ガスクロマトグラフによって計測した。その結果を示すのが、図１１のグラフである。

図１１を見てもわかるように、排ガス中の酸素濃度は、実施例も比較例も同様の経過を経て飽和酸素濃度に近づいており、供給開始後２０分が経過した辺りでは、酸素が水にほとんど溶解せず排ガスの酸素濃度がほぼ飽和状態となった。

そこで、上述の条件で培養槽に空気を２０分間供給した時点での、以下の（ａ）乃至（ｃ）の各項目、
（ａ）空気供給開始後２０分間に気体流入口から供給した積算酸素量、
（ｂ）排ガス中に残留した酸素量、
（ｃ）培養槽上部の気体流出口から流出した気体中の積算酸素量、
を、ガスクロマトグラフによって計測した。

上述した（ａ）乃至（ｃ）の各計測結果と、（ａ）−（ｂ）−（ｃ）の計算によって求めた培養槽内の水に溶解した酸素量とを、実施例と比較例とのそれぞれについて示したのが下記の表である。これを見ると明らかなように、実施例でも比較例でも、水に溶解した酸素量は誤差程度の違いでほとんど変わりがないことが判った。

そして、比較例の培養槽内では、空気の供給により水中に発生した気泡が槽上部に浮上するのに伴い、水面付近と槽底部付近とでＵターンする環状の水流が発生したが、実施例の培養槽内では、槽内に配置した棚が気泡の浮上を遮り棚の凹部内に滞留させるため、水中に環状の水流は発生しなかった。

このため、水流によるせん断力が細胞に加わる比較例の培養槽に代えて、水流が発生せずせん断力が細胞に加わらない実施例の培養槽を用いても、細胞に酸素を同等の効率で供給できることが分かった。

１，１Ａ 細胞培養装置
１０ 培養槽
１１ 槽本体
１１ａ 出入口
１１ｂ 培地流入口
１１ｃ 培地流出口
１１ｄ 空気流入口
１１ｅ 載置片
１３ 蓋体
１３ａ 空気流出口
１５ 培養液
１７ 空気
１９ 隙間
２０，２０Ａ，２０Ｂ 棚
２１ 仕切板
２１Ａ 天井板
２３ 凹部
２３ａ 開口部
２５ 第２凹部
２５ａ 開口部
２７ 通気管
２７ａ 下端
２７ｂ 上端
２９ 脚片
２９Ａ 支持片
３０，４０ 除菌フィルタ
５０ 細胞
６０ 出し入れ治具
６１ 係止部

Claims (4)

1. 培養液中の細胞に酸素を供給する細胞培養装置であって、
   培養液が充填される培養槽と、
   前記培養槽の下部において、酸素含有ガスを前記培養液中に導入するガス供給口と、
   前記ガス供給口よりも上方の培養液中に上下方向に重ねて配置され、それぞれの開口部を下方に向けた凹部を有する複数の棚と、
   を備えており、
   前記各棚の前記凹部の天井板には、該天井板を貫通する通気管が、上下方向において隣り合う棚どうしで水平方向に位置をずらしてそれぞれ設けられており、
   前記培養液中を浮上し前記開口部から前記凹部に進入して滞留した前記酸素含有ガスが、前記通気管の内部を下端から上端に通過して、該通気管を前記天井板に設けた前記棚の上方に隣り合う棚の前記凹部に滞留する、
   ことを特徴とする細胞培養装置。
2. 前記各棚は、前記天井板を挟んで前記凹部の上方に配置されて開口部を上方に向けた第２凹部を有しており、上下に隣り合う２つの前記棚が、下方の前記棚の前記第２凹部と上方の前記棚の前記凹部とを連通させて、上下方向に重ねて配置されていることを特徴とする請求項１記載の細胞培養装置。
3. 上下に隣り合う２つの前記棚において、下方の前記棚の前記通気管の上端が、上方の前記棚の前記通気管の下端以上の高さ位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の細胞培養装置。
4. 前記培養槽は、前記棚の出入口を上端に有していると共に、前記上端に対して着脱可能な前記出入口の蓋体を有しており、前記各棚と前記培養槽との間には水平方向においてそれぞれ隙間が設けられており、前記各棚に、前記出入口から前記隙間に挿入した出し入れ治具が係脱可能な係止部が設けられていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の細胞培養装置。

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