JP6447597B2 - バッファタンクおよび培養システム - Google Patents

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Description

本発明は、バッファタンクおよび培養システムに関する。
近年、細胞培養により、目的とする組織や臓器を人工的に作成する再生医療の研究開発が進められている。細胞の培養操作等を行うためには、所定の基準、例えばＧＭＰ（Ｇｏｏｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｐｒａｃｔｉｃｅ）を充足した培養システムが用いられている。
培養システムでは、通常、培養容器内の培養環境が徐々に悪化することを防止するために、培養容器内の液体の培地（培養液とも言う）を定期的に交換する。この際、新しい培地を培養容器に供給することで、培養容器内の古い培地を培養容器から押し出して排出している。排出された古い培地は培地分析部に供給されて（サンプリングされて）成分分析が行われ、培養容器内での細胞培養が適切に行われているか否かを確認している（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、培養容器内に貯留されている培地の成分には、偏りが生じている場合がある。この場合には、成分分析の精度が低下し得る。このことに対処するためには、排出された培地を培地分析部へ供給する前に均質化させることが効果的である。
ところで、特許文献２においては、培地を混入させて希釈された細胞懸濁液を撹拌させて、細胞分布の不均一性を解消させるためのタンクが開示されている。ここでは、タンク内の一部の細胞懸濁液をタンクから吸引する動作と、同量の細胞懸濁液をタンクに注入する動作とを繰り返すことにより、タンク内の細胞懸濁液に撹拌流を生じさせている。
特開２００９−１８０５９４号公報 特開２０１５−１０９８７７号公報
しかしながら、特許文献２に示すタンクにおける細胞懸濁液の撹拌には時間を費やすという問題がある。例えば、このタンクを培養容器から排出された培地の均質化のために用いる場合には、撹拌している間に培地のｐＨ、溶存酸素濃度および二酸化炭素濃度などが変化し得る。この場合、培地の成分分析の精度が低下し、培養される細胞の品質が低下するという問題が生じる。
また、例えば、特許文献２に示すタンクを、新しい培地を培養容器に供給する前に貯留して培地中の気泡を除去するためのタンクに用いる場合には、加熱された培地を均質化するまでに時間がかかり、培地が劣化し得る。この場合においても、培養される細胞の品質が低下するという問題が生じる。また、このタンク内で培地に添加剤を添加する場合においても同様の問題が生じ得る。
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、培地を注入し始めてから培地が均質化されるまでの時間を短縮することができ、培養される細胞の品質を向上させることができるバッファタンクおよび培養システムを提供する。
本発明は、細胞培養用の培地を貯留するバッファタンクであって、鉛直方向に延びる円筒状の内側面と、前記内側面の下方に設けられた逆円錐状の貯留底面と、前記内側面および前記貯留底面により画定され、前記培地を貯留する貯留空間と、を有するタンク本体と、 前記タンク本体の前記貯留底面から前記貯留空間に前記培地を注入する注入部と、前記貯留空間に貯留された前記培地を排出する排出部と、を備え、前記注入部は、前記タンク本体の前記内側面の中心軸線に向かって、前記中心軸線に対して斜め上方に前記培地を注入する、バッファタンク、を提供する。
上述したバッファタンクにおいて、前記注入部は、前記中心軸線と前記注入部とを含む断面において前記貯留底面を一対の母線として見たときに、前記注入部が設けられた側の前記母線とは反対側の前記母線に平行な方向に前記培地を注入する、ようにしてもよい。
上述したバッファタンクにおいて、前記注入部は、前記タンク本体を貫通する注入路と、前記注入路の下流側端部に設けられた注入開口と、を有し、前記注入路は、前記中心軸線と前記注入開口とを含む平面に沿って延びている、ようにしてもよい。
上述したバッファタンクにおいて、前記排出部は、前記タンク本体の前記貯留底面の最下点に設けられた排出開口を有している、ようにしてもよい。
上述したバッファタンクにおいて、前記貯留空間に貯留された前記培地の液面レベルを検出する液面センサを更に備える、ようにしてもよい。
上述したバッファタンクにおいて、前記貯留空間に貯留された前記培地の成分を分析する分析装置を更に備える、ようにしてもよい。
上述したバッファタンクにおいて、前記分析装置は、前記培地のｐＨを計測するｐＨ計測センサ、前記培地の溶存酸素濃度を計測する酸素濃度センサ、および前記培地の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素濃度センサのうちの少なくとも一つを有している、ようにしてもよい。
上述したバッファタンクにおいて、前記タンク本体の周囲に設けられ、前記タンク本体を加熱する加熱部を更に備える、ようにしてもよい。
また、本発明は、培養容器を保持可能な容器保持部と、前記容器保持部に保持された前記培養容器から排出される前記培地を分析する培地分析部と、前記容器保持部と前記培地分析部との間に設けられ、前記容器保持部に保持された前記培養容器から排出される前記培地を貯留する、上述したバッファタンクと、を備えた、培養システム、を提供する。
上述した培養システムにおいて、前記バッファタンクの前記貯留空間に貯留された前記培地を循環する循環ラインを更に備える、ようにしてもよい。
さらに、本発明は、新しい培地を供給する培地供給源と、培養容器を保持可能な容器保持部と、前記培地供給源と前記容器保持部との間に設けられ、前記培地供給源から供給される新しい前記培地を貯留する上述したバッファタンクと、を備えた、培養システム、を提供する。
本発明によれば、培地を注入し始めてから培地が均質化されるまでの時間を短縮することができ、培養される細胞の品質を向上させることができる。
図１は、本実施の形態における培養システムの概略構成を示す図である。 図２は、図１に示す培養容器を示す平面図である。 図３は、図２に示す培養容器を示す断面図である。 図４は、図１の分析用バッファタンクを示す縦断面図である。 図５は、図４の分析用バッファタンクの注入部を示す平面断面図である。 図６は、図４の分析用バッファタンクの分析装置を示す平面断面図である。 図７は、図１の第１変形例を示す図であって、培養システムの概略構成の一部を示す部分図である。
以下、図面を参照して本発明の一の実施の形態について説明する。なお、本明細書に添付する図面においては、図示の理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
本実施の形態による培養システムは、あらゆる細胞を培養するために用いることができ、（ヒト）ｉＰＳ細胞、（ヒト）ＥＳ細胞等の多能性幹細胞、骨髄間質細胞（ＭＳＣ）等の軟骨細胞、樹状細胞等の様々な細胞を培養する際に用いることができる。本実施の形態では、以下、ｉＰＳ細胞を培養する用途を主に想定して説明するが、これはあくまでも一例である。
まず、図１を参照して、本発明の実施の形態に係る培養システムの概略構成を説明する。
図１に示すように、培養システム１は、新しい培地を供給する培地供給源２と、細胞を培養するための培養容器１００を保持可能な容器保持部３と、容器保持部３に保持された培養容器１００から排出される培地の成分を分析する培地分析部４と、を備えている。
培地供給源２は、培養容器１００に供給するための細胞培養用の新しい培地を保管する。培地供給源２は、例えば保冷庫内に設けられており、保管時には、培地は低温（例えば約４℃）で保管され、成分の劣化を防止している。
培地供給源２と容器保持部３との間に、インレットヒータ５および新液用バッファタンク６がこの順に設けられている。
インレットヒータ５は、培地供給源２から供給される培地を加熱して、培地の温度を高温（例えば、約３７℃）にする。加熱された培地は、インレットヒータ５から排出されて、新液用バッファタンク６に供給される。なお、培地供給源２とインレットヒータ５との間には、培地供給源２からインレットヒータ５に培地を供給するためのインレットポンプ７が設けられている。なお、培地を供給するためのポンプは、このインレットポンプ７で構成されることに限られることはない。例えば、培地供給源２からのラインとインレット洗浄液供給源１９からのラインとの合流点よりも下流側であって、インレットヒータ５よりも上流側に共用ポンプ（図示せず）を設けて、この共用ポンプに培地供給機能を持たせてもよい。この場合、共用ポンプは、洗浄液供給機能も持たせることができ、後述するインレット洗浄ポンプ２１を省略することができる。
新液用バッファタンク６は、インレットヒータ５により加熱された培地を貯留し、培地中の気泡を除去する。新液用バッファタンク６は、培地を貯留する内部空間と、ベント部（いずれも図示せず）と、を有しており、新液用バッファタンク６の内部空間は新液用バッファタンク６の周囲雰囲気（培養システム１のチャンバ内の清浄な雰囲気）とベント部を介して連通している。このことにより、新液用バッファタンク６に貯留されている培地に気泡が混入している場合には、その気泡が浮き上がって培地から除去される。すなわち、新しい培地に含まれる溶存気体や微小な気泡は、高温になったことによって発現し膨張するため、内部空間に貯留された培地から気泡を効率良く除去することができる。また、ベント部を有していることにより、新液用バッファタンク６に対する培地の供給および排出をスムースにさせることができる。なお、ベント部にはベントフィルター（図示せず）が設けられており、新液用バッファタンク６の内部空間への異物の混入防止を図っている。
新液用バッファタンク６の内部空間における培地の貯留容量は、培養容器１００内の培地を交換する際に培養容器１００内の古い培地を押し出し新しい培地に完全に置換できるように、培養容器１００の容量よりも大きくすることが好適である。例えば、新液用バッファタンク６の培地の貯留容量は、培養容器１００の容量が１８ｍＬである場合には、これよりも大きい３０ｍＬとすることが一例として挙げられる。
インレットポンプ７とインレットヒータ５との間には、第１インレット開閉弁８が設けられている。この第１インレット開閉弁８は、培地供給源２から新液用バッファタンク６への培地の供給を制御している。新液用バッファタンク６と容器保持部３との間には、第２インレット開閉弁９が設けられており、新液用バッファタンク６から培養容器１００への培地の供給を制御している。新液用バッファタンク６は、容器保持部３よりも高い位置に配置されており、新液用バッファタンク６から容器保持部３に保持された培養容器１００への培地の供給が容易になっている。
容器保持部３は、培養容器１００を保持するように構成されている。培養システム１が、細胞培養を行うインキュベータ（図示せず）を組み込んでいる場合には、上述した培養システム１のチャンバ内にインキュベータが配置され、このインキュベータの筐体内に、容器保持部３が設けられる。この筐体は、内部の雰囲気の温度、湿度および気体濃度の少なくとも一つを調整するように構成されている。例えば、容器保持部３に保持されている培養容器１００の温度が約３７℃になるように筐体内の雰囲気の温度が調整される。他方、培養システム１とインキュベータが離れて設置されている場合には、容器保持部３は、インキュベータから容器保持部３に搬送された培養容器１００を、培地交換を行うために一時的に保持するためのものになる。この場合の容器保持部３に保持されている培養容器１００は、例えば培養システム１のチャンバ内において滅菌空間を維持する筐体内に収容される。培養容器１００の詳細は後述する。
容器保持部３と培地分析部４との間に、分析用バッファタンク３０が設けられている。この分析用バッファタンク３０は、培養容器１００から排出された培地を一定量貯留する。この培地は、分析用バッファタンク３０内で混合されて貯留される。このことにより、分析用バッファタンク３０に貯留された培地の均質化を図っている。分析用バッファタンク３０の培地の貯留容量は、培養容器１００の容量よりも小さくすることが好適である。分析用バッファタンク３０の詳細は後述する。
容器保持部３と分析用バッファタンク３０との間には、第１アウトレットポンプ１０、培地フィルター１１およびアウトレット開閉弁１２が、この順に設けられている。このうち第１アウトレットポンプ１０は、培養容器１００から細胞培養後の培地を引き出し、分析用バッファタンク３０に培地を供給する。この際、培養容器１００からの培地の引き出しと同時に、新液用バッファタンク６から培養容器１００への新しい培地の供給が促される。このことにより、培養容器１００に新しい培地が供給され、培地交換がなされる。培地フィルター１１は、培養容器１００から排出される培地に含まれる固形物（例えば、培養していた細胞など）を培地から除去するように構成されている。アウトレット開閉弁１２は、培養容器１００から分析用バッファタンク３０への培地の供給を制御するように構成されている。
本実施の形態における培地分析部４は、代謝分析装置１３と、酵素分析装置１４と、ｐＨ分析装置１５と、タンパク分析装置１６と、を有している。代謝分析装置１３は、培養容器１００から排出された培地に含まれる代謝物の濃度および成分を分析する。酵素分析装置１４は、培地に含まれる酵素の濃度および成分を分析する。ｐＨ分析装置１５は、培地のｐＨを分析し、タンパク分析装置１６は、培地に含まれるタンパクの濃度および成分を分析する。これらの分析装置１３〜１６で行われる培地の分析は、破壊検査方式で行われ、分析に用いられた培地は、再利用されることなく廃棄される。
分析用バッファタンク３０と培地分析部４との間には、第２アウトレットポンプ１７およびアウトレット切替弁１８がこの順に設けられている。このうち第２アウトレットポンプ１７は、分析用バッファタンク３０から培地分析部４に培地を供給するように構成されている。アウトレット切替弁１８は、分析用バッファタンク３０から排出された培地が、代謝分析装置１３、酵素分析装置１４、ｐＨ分析装置１５およびタンパク分析装置１６のうちのいずれか一つに選択的に供給されるように流路を切り替えるように構成されている。このようにして、分析用バッファタンク３０から供給される培地は、これら４つの分析装置１３〜１６に別々に供給可能になっている。
本実施の形態による培養システム１は、インレット洗浄液供給源１９と、アウトレット洗浄液供給源２０と、を更に備えている。このうちインレット洗浄液供給源１９は、インレットヒータ５および新液用バッファタンク６を洗浄するために、インレットヒータ５に洗浄液を供給する。インレットヒータ５に供給された洗浄液は、新液用バッファタンク６に供給され、インレットヒータ５および新液用バッファタンク６が洗浄される。インレット洗浄液供給源１９とインレットヒータ５との間には、インレット洗浄ポンプ２１およびインレット洗浄開閉弁２２がこの順に設けられており、インレット洗浄液供給源１９からインレットヒータ５への洗浄液の供給を制御している。アウトレット洗浄液供給源２０は、分析用バッファタンク３０を洗浄するために、分析用バッファタンク３０に洗浄液を供給する。アウトレット洗浄液供給源２０と分析用バッファタンク３０との間には、アウトレット洗浄ポンプ２３およびアウトレット洗浄開閉弁２４がこの順に設けられており、アウトレット洗浄液供給源２０から分析用バッファタンク３０への洗浄液の供給を制御している。
図１に示すように、培養システム１は、制御部２５を更に備えている。この制御部２５は、上述した各開閉弁やポンプを制御するように構成されている。
次に、図２および図３を用いて、本実施の形態による培養容器１００について説明する。
図２および図３に示すように、培養容器１００は、容器本体１０１と、容器本体１０１の一面に貼り付けられた平板１０２と、を備えている。容器本体１０１は、培地（培地以外にも細胞が分散された懸濁液、剥離剤、リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）など）が流入される流入口１０３と、流入口１０３から流入した培地が通過する通路１０４と、通路１０４を通過した培地が流出される流出口１０５と、を有している。このうち流入口１０３は、上述した新液用バッファタンク６に連結され、流出口１０５は、分析用バッファタンク３０に連結されている。
容器本体１０１の通路１０４は、容器本体１０１の平板１０２が貼り付けられた一面側に溝状に形成されている。通路１０４の口径（すなわち溝の深さ及び幅）は、一例として、２ｍｍ〜４ｍｍである。また、容器本体１０１の通路１０４は、平面視において蛇行する部分、すなわち直線部と折り返し部とが交互に接続された部分を有している。これにより、容器本体１０１を大型化させることなく、通路１０４の全長を延伸させて、細長状の通路１０４が形成されている。
図２および図３に示すように、通路１０４の通路底面１０４ａには、通路１０４を通過する細胞が播種される複数の細胞播種領域１０６が、当該通路１０４に沿って並んで設けられている。本実施の形態では、通路１０４の通路底面１０４ａには、細胞播種領域１０６と同心状に窪み１０７が凹設されている。
このような培養容器１００内の培地を交換する際には、第１アウトレットポンプ１０が駆動されて、通路１０４内の古い培地が引き出されて流出口１０５から流出される。これに伴い、新液用バッファタンク６から供給される新しい培地が流入口１０３から通路１０４に流入される。この間、通路１０４内の古い培地は、新しい培地により押し出されるようにして流出口１０５から流出される。この場合、新しい培地と古い培地は、通路１０４に沿って流れるため、新しい培地と古い培地とが混ざることを防止できるとともに、古い培地を新しい培地に容易に交換することができる。
次に、図４乃至図６を用いて、本実施の形態によるバッファタンクについて説明する。本実施の形態では、本発明によるバッファタンクが図１に示す分析用バッファタンク３０に適用される例について説明する。
図４に示すように、分析用バッファタンク３０は、培地を貯留する貯留空間３１を有するタンク本体３２を備えている。タンク本体３２は、樹脂材料若しくは金属材料等の任意の材料によって形成することができる。金属材料等の熱伝導率が良好な材料により形成されている場合には、後述するシリコンラバーヒータ６３により加熱された熱を培地に効率良く伝えることができ、培地の加熱時間を短縮化することができる。金属材料の例としては、ステンレスやアルミニウム合金が挙げられる。
タンク本体３２の貯留空間３１は、鉛直方向に延びる円筒状の内側面３３と、内側面３３の下方に設けられた逆円錐状の貯留底面３４とにより画定されている。内側面３３と貯留底面３４とは、湾曲状に滑らかに接続されている。より具体的には、タンク本体３２は、円筒状のタンク胴部３５と、タンク胴部３５の下方に設けられたタンク底部３６と、を有している。このうちタンク胴部３５の内面によって内側面３３が形成され、タンク底部３６の上面によって逆円錐状（下方に向かって先細状となる円錐状）の貯留底面３４が形成されている。貯留底面３４の頂角は、図４では約９０度である例が示されているが、これに限られることはない。内側面３３および貯留底面３４には、撥水コーティングが施されていることが好適である。この場合、貯留空間３１に貯留された培地を排出する際、内側面３３または貯留底面３４に培地が表面張力で残存することを防止できる。
本実施の形態では、タンク胴部３５の上方には、蓋部３７が設けられている。この蓋部３７は、タンク胴部３５の上端にボルト（図示せず）などによって取り外し可能に取り付けられている。蓋部３７の下面３８は、貯留空間３１を画定しており、蓋部３７は、タンク胴部３５の上端開口３５ａを閉塞するように構成されている。蓋部３７は、樹脂材料若しくは金属材料等の任意の材料により形成することができるが、樹脂材料、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）によって形成されていることが好適である。
タンク底部３６には、注入部４０が設けられている。この注入部４０は、タンク本体３２の貯留底面３４から貯留空間３１に、培養容器１００から排出された培地を注入するように構成されている。注入部４０は、タンク本体３２の内側面３３の中心軸線Ｘに向かって、かつ中心軸線Ｘに対して斜め上方に培地を注入する。本実施の形態では、培地は、中心軸線Ｘと注入部４０とを含む断面において貯留底面３４を一対の母線３４ａとして見たときに、注入部４０が設けられた側の母線３４ａとは反対側の母線３４ａに平行な方向に注入される。図４に示すように貯留底面３４の頂角が９０°である場合には、当該断面視において、タンク本体３２の貯留底面３４（注入部４０が設けられた側の母線３４ａ）に垂直な方向に培地は注入される。
より具体的には、注入部４０は、タンク底部３６を貫通する注入路４１と、注入路４１の下流側端部に設けられた注入開口４２と、を有している。注入開口４２は、タンク本体３２の貯留底面３４に形成された開口を意味する。
注入路４１は、図５に示すように、中心軸線Ｘと注入開口４２とを含む平面に沿って延びている。言い換えると、注入路４１は、上方から見たときに、中心軸線Ｘを中心として放射方向に延びている。ここで、中心軸線Ｘと注入開口４２とを含む平面とは、上方から見たときに図５に示された平面Ａ−Ａをいう。図４は、このＡ−Ａ線断面に相当する。また、注入路４１は、中心軸線Ｘと注入開口４２とを含む平面における断面で見たときに（すなわち、図４に示す断面で見たときに）、タンク本体３２の注入開口４２が設けられていない側の母線３４ａに平行（注入開口４２が設けられた側の母線３４ａに垂直な方向に延びている。注入路４１は、上述したアウトレット開閉弁１２に連結されており、培養容器１００から排出された培地が、アウトレット開閉弁１２を通って注入路４１に供給される。なお、図４および図５に示す形態では、タンク底部３６に注入プラグ４３が取り付けられており、この注入プラグ４３の内部に、注入路４１が形成されている。
注入部４０から貯留空間３１に注入される培地の流量は、後述する渦（図４参照）が形成されて貯留空間３１に貯留された培地を均質化することができれば特に限られることはない。例えば、注入開口４２の口径が１ｍｍの場合に、２０ｍＬ／分〜３０ｍＬ／分であることが好適である。２０ｍＬ／分以上とすることにより、貯留空間３１内の培地により一層好適な渦を形成することができ、３０ｍＬ／分以下とすることにより、培地フィルター１１などの圧損によってアウトレットポンプのエネルギが浪費されることを防止できる。
図４に示すように、タンク底部３６には、排出部４４が設けられている。この排出部４４は、貯留空間３１に貯留された培地を排出する。排出部４４は、タンク本体３２の貯留底面３４の最下点に設けられた排出開口４５と、排出開口４５から下方に延びる排出路４６と、を有している。このうち排出開口４５は、タンク本体３２の貯留底面３４に形成された開口を意味しており、上方から見たときに中心軸線Ｘに重なるように配置されている（図５および図６参照）。排出路４６は、タンク底部３６を貫通しており、上述したアウトレットポンプに連結されている。なお、図４に示す形態では、タンク底部３６に排出プラグ４７が取り付けられており、この排出プラグ４７の内部に、排出路４６が形成されている。
図４に示すように、タンク本体３２には、貯留空間３１に貯留された培地の成分を分析するタンク分析装置５０が設けられている。本実施の形態では、タンク分析装置５０は、図６に示すように、培地のｐＨを計測するｐＨ計測センサ５１と、培地の溶存酸素濃度を計測する酸素濃度センサ５２と、培地の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素濃度センサ５３と、を有している。このうちｐＨ計測センサ５１を用いて培地のｐＨを計測することにより、培地のｐＨが適切な範囲内にあるかを確認することができる。また、酸素濃度センサ５２を用いて培地の溶存酸素濃度を計測することにより、培養している細胞の酸素使用量を確認することができる。また、二酸化炭素濃度センサ５３により培地の二酸化炭素濃度を計測することにより、培養中の細胞の活動状態を確認することができる。これらのセンサ５１〜５３により計測される培地の成分は、比較評価を行うために用いられる。すなわち、前回までに計測された培地の成分と今回計測された培地の成分とを比較評価するために用いられる。
ｐＨ計測センサ５１は、特に限られることはないが、例えば、光学式センサであってもよい。光学式センサとしては、例えば、貯留空間３１内に配置された蛍光チップから発せられる蛍光を光検出端で検出し、検出された蛍光の成分からｐＨを分析するように構成されたセンサとすることができる。同様の光学式センサを、酸素濃度センサ５２および二酸化炭素濃度センサ５３にも適用することができる。このような光学式センサを用いる場合、図１に示す培地分析部４の各装置１３〜１６とは異なり、非破壊検査方式で培地の成分を分析することができ、分析に用いられた培地を、培地分析部４の分析に用いることができる。
図４および図６に示すように、各センサ５１〜５３は、タンク本体３２の内側面３３に設けられた窓部５４に配置されている。すなわち、本実施の形態では、図６に示すように、タンク本体３２に、中心軸線Ｘに直交する方向にタンク胴部３５を貫通する４つのセンサ挿入孔５５が設けられており、各センサ挿入孔５５の内側端部に窓部５４が設けられている。４つの窓部５４は、上方から見たときに、タンク胴部３５の周方向に等間隔で配置されており、９０°ピッチで配置されている。これら４つの窓部５４のうち互いに異なる窓部５４に、３つのセンサ５１〜５３が別々に配置されている。センサ５１〜５３が上述した光学式センサである場合には、窓部５４は光透過性を有し、窓部５４のタンク本体３２の内側面３３の側に上述した蛍光チップが配置され、センサ挿入孔５５内に上述した光検出端が配置される。残りの１つの窓部５４には、他のセンサを配置してもよいが、予備として、センサを配置しないようにしてもよい。
上述した４つの窓部５４は、タンク胴部３５の鉛直方向中心よりも下側に配置されており、図４に示す形態では、タンク胴部３５の下端部に配置されている。このことにより、タンク分析装置５０の各センサ５１〜５３を、貯留空間３１の下部に配置することができる。この場合、培地の分析を行わない間に各センサ５１〜５３を保存するための緩衝液の使用量を低減することができる。
図４に示すように、蓋部３７には、ベント部６０が設けられている。このベント部６０は、分析用バッファタンク３０内の貯留空間３１を分析用バッファタンク３０の周囲雰囲気（上述した培養システム１のチャンバ内の清浄な雰囲気）に連通している。このベント部６０は、分析用バッファタンク３０に対する培地の供給および排出をスムースにさせるように構成されている。なお、ベント部６０にはベントフィルター６１が設けられており、貯留空間３１への異物の混入防止を図っている。
また、蓋部３７には、貯留空間３１に貯留された培地の液面レベルを検出する液面センサ６２が設けられている。液面センサ６２には図１に示す制御部２５が接続されており、制御部２５は、液面センサ６２により計測された培地の液面レベルに基づいて、上述したアウトレット開閉弁１２を制御する。すなわち、液面センサ６２により培地の液面が検出されると、アウトレット開閉弁１２が閉じられ、分析用バッファタンク３０への培地の供給が停止される。この液面センサ６２の検出部６２ａの位置によって、分析用バッファタンク３０の培地の貯留容量が設定されている。分析用バッファタンク３０の培地の貯留容量は、上述したように培養容器１００の容量よりも小さく設定されており、培養容器１００から排出される古い培地の残りは、図示しない排出ラインを介して排出される。これにより、培養容器１００内の細胞培養後の古い培地のうちの一部が、分析用バッファタンク３０の貯留空間３１に回収され、その回収量は毎回一定になっている。
図４に示すように、タンク本体３２および蓋部３７の周囲に、シリコンラバーヒータ６３（加熱部）が設けられている。シリコンラバーヒータ６３は、タンク本体３２および蓋部３７の外周面を覆うように形成されており、タンク本体３２および蓋部３７を加熱するとともに、タンク本体３２および蓋部３７と周囲雰囲気とを断熱するように構成されている。タンク本体３２のタンク底部３６には、貯留空間３１に貯留された培地の温度を計測する温度センサ６４が設けられている。この温度センサ６４は、タンク本体３２の貯留底面３４に取り付けられている。温度センサ６４には、図１に示す制御部２５が接続されており、制御部２５は、温度センサ６４により計測された培地の温度に基づいて、シリコンラバーヒータ６３のＯＮ／ＯＦＦを制御する。すなわち、培地の温度が所定の温度（例えば３７℃）未満である場合には、シリコンラバーヒータ６３がＯＮになり、培地の温度が所定の温度以上である場合には、シリコンラバーヒータ６３がＯＦＦになる。なお、シリコンラバーヒータ６３には、センサ挿入孔５５に連通する第２のセンサ挿入孔６５が設けられており、上述したセンサ５１〜５３の光検出端が挿入可能になっている。また、シリコンラバーヒータ６３の代わりに、タンク本体３２および蓋部３７を加熱するだけでなく冷却することもできる温調器を用いてもよい。
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
培養容器１００内の培地の交換時に古い培地をサンプリングする場合、まず、図１に示す第１アウトレットポンプ１０が駆動されるとともに、第２インレット開閉弁９およびアウトレット開閉弁１２が開く。このことにより、培養容器１００から古い培地が引き出されて、分析用バッファタンク３０の注入部４０（図４参照）に供給される。この際、新液用バッファタンク６内に貯留されている新しい培地が培養容器１００の流入口１０３（図２および図３参照）を介して通路１０４に流入し、通路１０４内の古い培地は、新しい培地に押し出されるように排出される。
分析用バッファタンク３０の注入部４０に供給された古い培地は、図４に示すように注入路４１を通って注入開口４２から貯留空間３１に注入される。
この際、注入路４１が、中心軸線Ｘと注入開口４２とを含む平面（図５におけるＡ−Ａ線で示される面）に沿うとともに、図４に示す注入開口４２が設けられていない側の母線３４ａに平行な方向に延びているため、注入開口４２を通過した培地は、中心軸線Ｘに向かって中心軸線Ｘに対して斜め上方に沿うとともに、当該母線３４ａに平行な方向に注入される。このことにより、鉛直方向に旋回するとともに中心軸線Ｘと注入開口４２とを含む平面に沿う渦（図４の二点鎖線矢印参照）が形成されながら、貯留空間３１に培地が注入される。形成される渦は、当該平面に沿って中心軸線Ｘを跨ぐように旋回し、貯留空間３１の貯留底面３４近傍の培地と、液面近傍の培地とを巻き込み、貯留空間３１内の培地の全体にわたるように形成され得る。この際、貯留空間３１内の培地に、この渦に巻き込まれ難いよどみが形成されることを抑制できる。
培地の注入が続くと、貯留空間３１に貯留された培地の液面は上昇する。培地の液面が上昇している間においても、注入される培地は、中心軸線Ｘに向かって中心軸線Ｘに対して斜め上方に注入される。このため、図４の二点鎖線で示すような渦と同様の渦であってより大きく鉛直方向に旋回する渦（図４の実線矢印参照）が形成される。
このようにして、貯留空間３１内の培地が、渦によって混合される。このため、貯留空間３１内の培地を均質化することができる。とりわけ、本実施の形態では、図２に示すように培養容器１００の通路１０４が蛇行して細長状に形成されていることから、通路１０４内に貯留されている培地の成分には、偏りが生じる可能性がある。これに対して本実施の形態における分析用バッファタンク３０によれば、図２に示す培養容器１００から排出される培地であっても、注入時に形成される渦によって迅速に均質化させて貯留空間３１に貯留させることができる。
貯留空間３１内の培地の液面が液面センサ６２の検出部６２ａに達すると、培地の液面が液面センサ６２により検出される。このことにより、アウトレット開閉弁１２が閉じられ、分析用バッファタンク３０への培地の供給が停止する。この場合、分析用バッファタンク３０に、培養容器１００の通路１０４に貯留されていた培地の全体量のうちの一定量の培地が回収される。また、上述したように、分析用バッファタンク３０に回収された培地は、通路１０４のうち、毎回同じ部分に貯留されている培地になる。このため、培養容器１００の通路１０４内に貯留されている培地の成分に偏りが生じる場合であっても、培地の成分は毎回同じように偏るため、培地の成分の偏りが、後述する成分分析に影響を与えることを防止し、成分分析を安定化させることができる。
分析用バッファタンク３０への培地の供給が停止してから所定時間経過後（例えば数分後）、貯留空間３１に貯留された培地の成分が、タンク本体３２に設けられたタンク分析装置５０により非破壊検査方式で分析される。本実施の形態では、ｐＨ計測センサ５１により培地のｐＨが計測され、酸素濃度センサ５２により培地の溶存酸素濃度が計測され、二酸化炭素濃度センサ５３により培地の二酸化炭素濃度が計測される。
貯留空間３１に培地が貯留されている間、培地の温度が所定の温度未満である場合には、シリコンラバーヒータ６３がＯＮになり、主としてタンク本体３２を介して貯留空間３１内の培地が加熱される。培地の温度が所定の温度に達するとシリコンラバーヒータ６３はＯＦＦになる。このようにして、貯留空間３１内の培地の温度が所定の温度に維持される。
培地の成分分析が終了した後、貯留空間３１から培地が排出される。この場合、第２アウトレットポンプ１７が駆動されて、貯留空間３１内の培地が、排出開口４５および排出路４６を通って排出される。排出された培地は、アウトレット切替弁１８によって、培地分析部４の代謝分析装置１３、酵素分析装置１４、ｐＨ分析装置１５およびタンパク分析装置１６のいずれかに選択的に供給される。
分析用バッファタンク３０の貯留空間３１を洗浄する場合には、アウトレット洗浄ポンプ２３が駆動されるとともにアウトレット洗浄開閉弁２４が開き、アウトレット洗浄液供給源２０から洗浄液が貯留空間３１に供給される。この場合、アウトレット開閉弁１２は閉じられる。貯留空間３１に供給された洗浄液は、上述した培地と同様な渦（図４参照）を形成することができ、洗浄能力を高めて、貯留空間３１の洗浄時間を短縮させることができる。なお、洗浄液を液面センサ６２の検出部６２ａよりも高い位置まで供給することが、貯留空間３１を十分に洗浄させるために好適である。洗浄後に洗浄液を排出する場合には、図示しない排出ラインを介して排出される。洗浄液の供給と排出を複数回繰り返すことにより、洗浄効果を高めることができる。インレットヒータ５および新液用バッファタンク６についても、インレット洗浄液供給源１９から供給される洗浄液によって同様に洗浄することができる。
このように本実施の形態によれば、分析用バッファタンク３０の貯留空間３１に培地を注入する注入部４０は、タンク本体３２の内側面３３の中心軸線Ｘに向かって、中心軸線Ｘに対して斜め上方に培地を注入する。このことにより、貯留空間３１内の培地に鉛直方向に旋回する渦を形成することができ、貯留空間３１に培地を注入しながら、貯留されている培地を混合させて培地を均質化させることができる。このため、貯留空間３１に培地を注入し始めてから貯留空間３１内の培地が均質化されるまでの時間を短縮することができる。均質化させた培地の成分分析を行う場合には、培地の成分が変化することを抑制でき、培地の成分分析の精度を向上させることができる。この場合、培養される細胞の品質を向上させることができる。
また、本実施の形態によれば、注入部４０は、中心軸線Ｘと注入部４０とを含む断面において貯留底面３４を一対の母線３４ａとして見たときに、注入部４０が設けられた側の母線３４ａとは反対側の母線３４ａに平行な方向に培地を注入する。このことにより、貯留空間３１内の培地の全体にわたるような渦を形成することができ、貯留空間３１内の培地をより一層均質化させることができる。
また、本実施の形態によれば、注入部４０の注入路４１が、タンク本体３２の内側面３３の中心軸線Ｘと注入開口４２とを含む平面に沿って延びている。このことにより、注入開口４２を通過した培地を、中心軸線Ｘに向かって中心軸線Ｘに対して斜め上方に注入させることができる。
また、本実施の形態によれば、排出部４４の排出開口４５が、タンク本体３２の貯留底面３４の最下点に設けられている。このことにより、貯留空間３１内の培地を排出した場合に、貯留空間３１内に培地が残存することを防止できる。
また、本実施の形態によれば、貯留空間３１内の培地の成分が、タンク分析装置５０によって分析される。このことにより、培地分析部４に培地を供給する前に、事前に培地の成分を分析することができる。とりわけ、本実施の形態によれば、タンク分析装置５０は、ｐＨ計測センサ５１と酸素濃度センサ５２と二酸化炭素濃度センサ５３とを有しているため、貯留空間３１内の培地のｐＨと、溶存酸素濃度と、二酸化炭素濃度とを計測することができる。本実施の形態では、培地のｐＨの計測を、タンク分析装置５０のｐＨ計測センサ５１と、培地分析部４のｐＨ分析装置１５により行うことが可能になっている。この場合、培地のｐＨ計測精度を向上させることができる。すなわち、例えばｐＨ分析装置１５により計測されるｐＨの絶対値の信頼性が良好で、ｐＨ計測センサ５１により計測されるｐＨの再現性が良好である場合には、ｐＨ分析装置１５から得られたｐＨの計測データを使用して、ｐＨ計測センサ５１から得られたｐＨの計測データを校正することができ、培地のｐＨ計測精度を向上させることができる。なお、ｐＨの計測データの精度上問題無ければ、ｐＨ計測センサ５１およびｐＨ分析装置１５のうちのいずれか一方のみでｐＨの計測を行ってもよい。
また、本実施の形態によれば、タンク本体３２の周囲に設けられたシリコンラバーヒータ６３によって、タンク本体３２が加熱される。このことにより、タンク本体３２を介して貯留空間３１内の培地をシリコンラバーヒータ６３によって加熱することができる。このため、貯留空間３１内の培地を所定の温度に維持することができ、培地の成分が変化することを抑制できる。
（第１変形例）
なお、上述した本実施の形態において、例えば、図７に示すように、分析用バッファタンク３０の貯留空間３１に貯留された培地を、循環ライン７０によって循環させるようにしてもよい。図７に示す形態においては、培地フィルター１１とアウトレット開閉弁１２との間に第１循環切替弁７１が設けられ、第２アウトレットポンプ１７とアウトレット切替弁１８との間に、第２循環切替弁７２が設けられている。第１循環切替弁７１と第２循環切替弁７２とを、循環ライン７０が連結している。なお、図７においては、図面を明瞭にするために、アウトレット洗浄液供給源２０は省略している。
図７に示す形態において、貯留空間３１内の培地を循環させる場合には、第１循環切替弁７１は、循環ライン７０からアウトレット開閉弁１２に培地が流れるように流路を切り替えるとともに、第２循環切替弁７２は、第２アウトレットポンプ１７から循環ライン７０に培地が流れるように流路を切り替える。そして、アウトレット開閉弁１２を開くとともに、第２アウトレットポンプ１７が駆動されることにより、貯留空間３１内の培地が、排出部４４から排出されて循環ライン７０に流入する。循環ライン７０流入した培地は、分析用バッファタンク３０の注入部４０に供給され、貯留空間３１に再び注入される。このようにして、貯留空間３１内の培地を循環させることができ、培地をより一層均質化させることができる。
なお、図７に示す形態において、培養容器１００内の培地を分析用バッファタンク３０に供給する場合には、第１循環切替弁７１は、培地フィルター１１からアウトレット開閉弁１２に培地が流れるように流路を切り替える。また、貯留空間３１内の培地を培地分析部４に供給する場合には、第２循環切替弁７２は、第２アウトレットポンプ１７から培地分析部４に培地が流れるように流路を切り替える。
（第２変形例）
また、上述した本実施の形態においては、本発明によるバッファタンクを、図１に示す分析用バッファタンク３０に適用した例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、本発明によるバッファタンクを、図１に示す新液用バッファタンク６に適用してもよい。この場合、インレットヒータ５により加熱された培地が新液用バッファタンク６内で均質化されるまでの時間を短縮することができる。このため、培養容器１００の通路１０４内に供給された培地を均質化させることができ、培養される細胞の品質を向上させることができる。
本発明は上記実施の形態および変形例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態および変形例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。実施の形態および変形例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態および変形例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１ 培養システム
２ 培地供給源
３ 容器保持部
４ 培地分析部
６ 新液用バッファタンク
３０ 分析用バッファタンク
３１ 貯留空間
３２ タンク本体
３３ 内側面
３４ 貯留底面
３４ａ 母線
４０ 注入部
４１ 注入路
４２ 注入開口
４４ 排出部
４５ 排出開口
５０ タンク分析装置
５１ ｐＨ計測センサ
５２ 酸素濃度センサ
５３ 二酸化炭素濃度センサ
６２ 液面センサ
６３ シリコンラバーヒータ
７０ 循環ライン
１００ 培養容器
Ｘ 中心軸線

Claims (11)

  1. 細胞培養用の培地を貯留するバッファタンクであって、
    鉛直方向に延びる円筒状の内側面と、前記内側面の下方に設けられた逆円錐状の貯留底面と、前記内側面および前記貯留底面により画定され、前記培地を貯留する貯留空間と、を有するタンク本体と、
    前記タンク本体の前記貯留底面から前記貯留空間に前記培地を注入する注入部と、
    前記貯留空間に貯留された前記培地を排出する排出部と、を備え、
    前記注入部は、前記タンク本体を貫通する注入路と、前記注入路の下流側端部に設けられた注入開口と、を有し、
    前記注入開口は、前記貯留底面に形成され、
    前記注入部が、前記タンク本体の前記内側面の中心軸線に向かって、前記中心軸線に対して斜め上方に前記培地を注入するように、前記注入路は、前記中心軸線に対して傾斜している、バッファタンク。
  2. 前記注入部は、前記中心軸線と前記注入部とを含む断面において前記貯留底面を一対の母線として見たときに、前記注入部が設けられた側の前記母線とは反対側の前記母線に平行な方向に前記培地を注入する、請求項１に記載のバッファタンク。
  3. 前記注入路は、前記中心軸線と前記注入開口とを含む平面に沿って延びている、請求項１または２に記載のバッファタンク。
  4. 前記排出部は、前記タンク本体の前記貯留底面の最下点に設けられた排出開口を有している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のバッファタンク。
  5. 前記貯留空間に貯留された前記培地の液面レベルを検出する液面センサを更に備えた、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のバッファタンク。
  6. 前記貯留空間に貯留された前記培地の成分を分析する分析装置を更に備えた、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のバッファタンク。
  7. 前記分析装置は、前記培地のｐＨを計測するｐＨ計測センサ、前記培地の溶存酸素濃度を計測する酸素濃度センサ、および前記培地の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素濃度センサのうちの少なくとも一つを有している、請求項６に記載のバッファタンク。
  8. 前記タンク本体の周囲に設けられ、前記タンク本体を加熱する加熱部を更に備えた、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のバッファタンク。
  9. 培養容器を保持可能な容器保持部と、
    前記容器保持部に保持された前記培養容器から排出される前記培地を分析する培地分析部と、
    前記容器保持部と前記培地分析部との間に設けられ、前記容器保持部に保持された前記培養容器から排出される前記培地を貯留する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の前記バッファタンクと、を備えた、培養システム。
  10. 前記バッファタンクの前記貯留空間に貯留された前記培地を循環する循環ラインを更に備えた、請求項９に記載の培養システム。
  11. 新しい培地を供給する培地供給源と、
    培養容器を保持可能な容器保持部と、
    前記培地供給源と前記容器保持部との間に設けられ、前記培地供給源から供給される新しい前記培地を貯留する請求項１乃至８のいずれか一項に記載の前記バッファタンクと、を備えた、培養システム。
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