JP6594462B2 - 培養装置 - Google Patents

Description

本発明は、微生物や細胞等の培養に用いられる培養装置であって、培養液の循環にポンプを使えない、またはポンプを使うのが望ましくないプロセスにおいてポンプを使わずに外部循環を行う培養装置に関するものである。

例えば剪断に弱い微生物や細胞等の培養においては、培養液の冷却等のための培養槽外の熱交換器にポンプで培養液を供給すると、剪断によって微生物や細胞等が破壊されてしまう。また、培養液がガスの気泡を多く含む場合には、キャビテーションが生じるために外部の熱交換器にポンプによって培養液を循環させること自体が不可能となる。

そこで、特許文献１には、上下端が開放されたドラフトチューブを、縦型培養槽内に槽側壁、槽底壁および槽蓋との間に間隙が生じるように設置した培養装置において、ドラフトチューブを培養液中に埋没する状態で設け、このドラフトチューブを回転駆動装置に連結して、ドラフトチューブを回転させることでドラフトチューブの外周部の培養液に上向きの流れを生じさせ、培養槽の胴部外側に設けたジャケットに循環させた水蒸気または恒温水との間で培養液の熱交換を行うようにした培養装置が記載されている。

実用新案登録第２５４００４５号公報

しかしながら、この特許文献１に記載された培養装置では、熱交換器が上述のように縦型培養槽の胴部外側に設けられたジャケットであるため、培養槽が大きくなると単位量当たりの培養液に対する熱交換面積は相対的に小さくなり、効率的な培養液の熱交換を行うことが困難となるので、装置の大型化に限界がある。

本発明は、このような背景の下になされたもので、例えば剪断に弱い微生物や細胞等を培養する培養装置であって、培養液の循環にポンプを使えない、またはポンプを使うのが望ましくないプロセスにおいてポンプを使わずに培養液を外部の熱交換器に循環させて効率的な熱交換を行うことが可能な培養装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、培養液を保持する培養槽と、この培養槽内の上記培養液を撹拌する撹拌手段と、上記培養液中にガスを供給するガス供給手段と、上記培養槽の上部に上部循環ラインを介して接続されるとともに該培養槽の下部に下部循環ラインを介して接続される外部熱交換器とを備え、上記上部循環ラインまたは上記外部熱交換器には上記培養液から上記ガスの気泡を抜く均圧管の一端が接続されており、上記上部循環ラインにおける上記均圧管の一端から上記外部熱交換器の間、または上記外部熱交換器、または上記下部循環ラインには流量計が備えられ、この流量計によって測定された上記均圧管の一端から上記下部循環ラインを流れて上記培養槽に循環する上記培養液の流量に基づき、上記撹拌手段および上記ガス供給手段の双方を制御する制御手段を有していることを特徴とする。

このように構成された培養装置において、培養槽内の培養液中にガス供給手段からガスを供給すると、ガスは気泡となって撹拌手段による撹拌により微細化し、培養液の液面レベルを上昇させる。そこで、上部循環ラインの培養槽への接続部を、この上昇した培養液の液面レベルよりも下に配置することにより、培養液は上部循環ラインから外部熱交換器に流入して熱交換される。

このとき、上部循環ラインまたは外部熱交換器には培養液からガスの気泡を抜く均圧管の一端が接続されているので、気泡が抜けた外部熱交換器内の培養液と気泡を含む培養槽内の培養液との間には比重差が生じ、比重の大きい外部熱交換器内の培養液は下部循環ラインから培養槽に循環する。

このように、上記構成の培養装置においては、ポンプを用いることなくシェルアンドチューブ方式等の熱交換効率の高い外部熱交換器との間で培養槽内の培養液を循環させることができる。このため、例えば剪断に弱い微生物や細胞等の培養や気泡を含む培養液による培養においても、効率的な培養液の熱交換を行うことができるとともに、培養槽を大型化しても対応することが可能となり、大量の微生物や細胞等の培養を促すことができる。

ここで、均圧管によって抜かれたガスの気泡に含まれた微生物や細胞等が大気中に漏れ出るのを防ぐには、上記均圧管の他端は上記培養槽における上記上部循環ラインの接続部よりも上方かつ上記培養槽内の気相部に連通するように接続されていることが望ましい。一方、上記撹拌手段としては、上記培養槽の上部に設けられた回転装置から垂下した回転軸に上下方向に間隔をあけて取り付けられた複数段の撹拌羽根を備えたものを用いることにより、これら上下の複数段の撹拌羽根によって気泡の微細化を一層確実に制御することが可能となる。また、ガス供給手段を、撹拌手段の下方に備えることにより、ガスの気泡を微細化することができる。

さらに、本発明の培養装置においては、上記上部循環ラインにおける上記均圧管の一端から上記外部熱交換器の間、または上記外部熱交換器、または上記下部循環ラインに流量計を備えて、この流量計によって測定された上記均圧管の一端から上記下部循環ラインを流れて上記培養槽に循環する上記培養液の流量に基づき、上記撹拌手段および上記ガス供給手段の双方を制御する制御手段を有しているものとすることにより、培養槽に循環する培養液の流量が少ない場合は撹拌手段による気泡の微細化を促進したり、ガス供給手段によるガス供給量を増加したりして、培養槽内の培養液の液面レベルを上部循環ラインの接続部を越える位置に保持することができ、外部熱交換器への培養液の流入と培養槽への循環とを維持することができる。

さらに、上記培養槽の上部に排気ラインを接続するとともに、この排気ラインには上記培養槽内の圧力を調整する圧力調整手段を備え、また上記と同じく上記上部循環ラインにおける上記均圧管の一端から上記外部熱交換器の間、または上記外部熱交換器、または上記下部循環ラインに流量計を備えた場合に、上記流量計によって測定された上記均圧管の一端から上記下部循環ラインを流れて上記培養槽に循環する上記培養液の流量に基づき、上記圧力調整手段および上記撹拌手段の双方と、上記ガス供給手段とを制御する制御手段を有することにより、培養槽に循環する培養液の流量が少ない場合は上述のように撹拌手段による気泡の微細化を促進したり、ガス供給手段によるガス供給量を増加したり、あるいは圧力調整手段によって培養槽内の圧力を低くして気泡を大きくしたりして、培養槽内の培養液の液面レベルを上部循環ラインの接続部を越える位置に保持することができ、外部熱交換器への培養液の流入と培養槽への循環とを維持することができる。

以上、説明したように、本発明によれば、例えば剪断に弱い微生物や細胞等を含む培養液や気泡を多く含む培養液でも、剪断やキャビテーションを生じるポンプを用いることなく培養槽と外部熱交換器との間で循環させることができ、熱交換効率の高い外部熱交換器を用いることができるとともに、培養槽の大型化を図って効率的な微生物や細胞等の培養を行うことが可能となる。

本発明の一実施形態を示す概略図である。

図１は、本発明の一実施形態を示す概略図である。図１において符号１で示すのは培養槽であり、この培養槽１には培養する微生物や細胞等を含んだ培養液Ｌが保持されている。培養槽１の底部には散気管２Ａが配設されるとともに、この散気管２Ａは培養槽１の外部のブロア２Ｂ等に接続されて、本実施形態におけるガス供給手段２を構成する。このガス供給手段２によって供給されるガスＧは、培養する微生物や細胞等の種類にもよるが、例えば空気である。また、散気管２Ａは散気板や単なる配管であってもよい。なお、ガス供給手段２は、散気管２Ａを設けずに、外部のブロア２Ｂ等からガスＧを直接培養槽１内へ供給する構成としてもよい。

散気管２Ａよりも上方の培養槽１内には、撹拌手段３が配設されている。この撹拌手段３は、培養槽１の上部に設けられたモータ等の回転装置３Ａから垂下した回転軸３Ｂに取り付けられた撹拌羽根３Ｃを備え、本実施形態ではこのような撹拌羽根３Ｃが上下方向に間隔をあけて複数段（図では２段）取り付けられている。この撹拌羽根３Ｃは、例えば回転軸３Ｂを中心に水平に取り付けられた円板状の支持板３ａの外周部に、支持板３ａの回転方向を向く例えば方形板状の複数の羽根本体３ｂが周方向に間隔をあけて取り付けられたものである。なお、撹拌羽根３Ｃは単段であってもよい。

一方、このガスＧの供給を行っていない場合の培養液Ｌの液面レベルよりも上方において培養槽１の側壁には、上部循環ライン（循環パイプ）４が接続されており、この上部循環ライン４は水平に延びた後に下方に延びて、例えばシェルアンドチューブ方式等の多重管型熱交換器である外部熱交換器５の上端部に接続されている。また、本実施形態では、上部循環ライン４が水平に延びる部分には均圧管６の一端が接続されており、この均圧管６は上方に延びた後、その他端が上部循環ライン４との接続部よりも上方かつガスＧの供給時の液レベルよりも上方の培養槽１の気相部における側壁または天井部に接続されている。

さらに、外部熱交換器５の下端部からは下部循環ライン（循環パイプ）７が下方に延びた後に水平に培養槽１の底部に向かって延び、この培養槽１の底部（下部）の中央に接続されている。また、この下部循環ライン７には、下部循環ライン７を通って培養槽１に循環する培養液Ｌの流量を測定する流量計８が備えられている。

そして、この流量計８はコンピューター等の制御手段９に接続されていて、この制御手段９は本実施形態では第１に、流量計８によって測定された外部熱交換器５から下部循環ライン７を流れて培養槽１に循環する培養液Ｌの流量に基づき、図１に一点鎖線で示すよう上記撹拌手段３を制御する。ここで、この制御手段９による撹拌手段３の制御は、下部循環ライン７を流れて培養槽１に循環する培養液Ｌの流量が減少したときには、撹拌手段３の回転装置３Ａによる撹拌羽根３Ｃの回転数を増やす制御とされ、逆に培養液Ｌの流量が増加したときには、撹拌手段３の回転装置３Ａによる撹拌羽根３Ｃの回転数を減らす制御とされる。

また、この制御手段９は、第２に、図１に二点差線で示すように、上記流量計８によって測定された培養液Ｌの流量に基づき、上記ガス供給手段２によるガスＧの供給量も制御可能とされている。すなわち、流量計８によって外部熱交換器５から培養槽１に循環する培養液Ｌの流量が減少した場合にはガス供給手段２によるガスＧの供給量を増大させ、逆に培養液Ｌの流量が増大したときにはガスＧの供給量を減少させる。

さらに、培養槽１の上部（均圧管６の他端の接続部よりも上方の気相部の側壁または天井部）には、排気ライン１０が接続され、この排気ライン１０は、バルブ等の圧力調整手段１１を介して排気手段１２に接続されている。そして、上記制御手段９は、第３に、図１に破線で示すようにこの圧力調整手段１１にも接続されており、流量計８によって外部熱交換器５から培養槽１に循環する培養液Ｌの流量が減少した場合には圧力調整手段１１のバルブ等を開いて培養槽１内の圧力を低くし、逆に培養液Ｌの流量が増大したときには圧力調整手段１１のバルブ等を閉じて培養槽１内の圧力を増加させる。

このように構成された培養装置においては、ガス供給手段２のブロア２Ｂから散気管２ＡにガスＧを供給すると、供給されたガスＧは気泡Ｂとなって培養液Ｌ中を上昇し、散気管２Ａの上方の撹拌手段３における撹拌羽根３Ｃの支持板３ａの下面に溜まる。さらに、こうして支持板３ａの下面に溜まった気泡Ｂは、支持板３ａの外周縁から上昇する際に回転する羽根本体３ｂに衝突することによって破砕されて微細化される。本実施形態では、このような微細化が上下方向に間隔をあけた複数段の撹拌羽根３Ｃにおいて生じる。

こうして微細化された気泡Ｂが培養液Ｌ中に分散すると、培養槽１に保持された培養液Ｌの液面レベルは、図１に破線で示したガスＧを供給していない状態から実線で示す状態に上昇する。そして、この液面レベルが培養槽１への上部循環ライン４の接続部を越えると、培養液Ｌは上部循環ライン４を通って外部熱交換器５に流入する。このとき、本実施形態では、上部循環ライン４に均圧管６が接続されているので、培養液Ｌ中に分散した気泡ＢのガスＧは抜かれて除去され、均圧管６を通って排出されて均圧管６の他端から培養槽１の上部に放出される。

この気泡ＢのガスＧが抜かれた培養液Ｌは、外部熱交換器５において熱交換されて例えば冷却される。こうして外部熱交換器５において熱交換された培養液Ｌは、気泡Ｂが除去されているので、気泡Ｂが分散した培養槽１中の培養液Ｌよりも比重が大きくなり、下部循環ライン７を通って培養槽１に循環する。従って、上記構成の培養装置によれば、このように培養槽１中の培養液Ｌと上部循環ライン４から外部熱交換器５を経て下部循環ライン７を通り培養槽１に戻る培養液Ｌとの比重差によって培養液Ｌを循環させることができるので、このような培養液Ｌの循環にポンプを用いる必要が無くなり、例えば剪断に弱い微生物や細胞等の培養にも熱交換効率の高い外部熱交換器５を用いて熱交換を行うことが可能となるとともに、培養槽１を大型化しても効率的な熱交換ができ、大量の微生物や細胞等の培養にも対応することができる。さらに、培養液Ｌ中に気泡Ｂが分散していても、キャビテーションを生じることなく確実に培養液Ｌを循環させることができる。

また、本実施形態では、一端が上部循環ライン４に接続された均圧管６の他端が培養槽１の上部循環ライン４との接続部よりも上方かつガスＧの供給時の液レベルよりも上方の培養槽１の気相部に接続されているので、加圧培養に対応することができ、また構造が単純である。なお、本実施形態では、均圧管６の一端が上部循環ライン４に接続されているが、外部熱交換器５の培養液Ｌの保持部の上部に接続されていてもよい。また、均圧管６の他端は培養槽１の排気ライン１０に接続されていてもよく、場合によっては大気開放されていてもよい。なお、排気ライン１０や排気手段１２にフィルターを設けて、このフィルターの手前の培養槽１内や排気ライン１０に均圧管６を接続することにより、均圧管６から排出されるガスＧに培養した微生物や細胞等が混入していても、これらが大気中に漏れ出るのを防ぐことができる。

さらに、本実施形態では、上記撹拌手段３が、培養槽１の上部に設けられた回転装置３Ａから垂下した回転軸３Ｂに上下方向に間隔をあけて取り付けられた複数段の撹拌羽根３Ｃを備えている。従って、上述したようにこれら複数段の撹拌羽根３ＣによってガスＧの気泡Ｂをより確実に微細化することができるので、制御手段９による回転数の制御と相俟って培養槽１内の培養液Ｌの液面レベルを安定して維持することが可能となる。また、ガス供給手段２の散気管２Ａが、撹拌手段３の撹拌羽根３Ｃの下方に備えられているので、ガスＧの気泡を微細化することができる。

さらにまた、本実施形態では、下部循環ライン７を通る培養液Ｌの流量が流量計８によって測定され、その測定結果に基づいて制御手段９により撹拌手段３が上述のように制御される。すなわち、このような培養装置においては、流量計８の測定結果によって外部熱交換器５から培養槽１に循環する培養液Ｌの流量が減少したときには、制御手段９によって撹拌手段３の回転装置３Ａによる撹拌羽根３Ｃの回転数を増やすことにより、ガスＧの気泡Ｂの微細化が促進され、これによって培養槽１中の培養液Ｌの液面レベルが上昇するので、上部循環ライン４から外部熱交換器５に流入する培養液Ｌの流量が増加し、外部熱交換器５から下部循環ライン７を通って培養槽１に循環する培養液Ｌの流量も回復する。

また、逆に流量計８の測定結果によって外部熱交換器５から培養槽１に循環する培養液Ｌの流量が増大したときには、制御手段９によって撹拌手段３の回転装置３Ａによる撹拌羽根３Ｃの回転数を減らすことにより、ガスＧの気泡Ｂの微細化を抑制して、培養槽１中の培養液Ｌの液面レベルを上部循環ライン４との接続部を下回らない範囲で低下させることにより、上部循環ライン４から外部熱交換器５を介して下部循環ライン７を通り培養槽１に循環する培養液Ｌの流量を減少させることができる。

そして、本実施形態では、このように上記制御手段９が撹拌手段３の撹拌羽根３Ｃの回転を制御するのに併せて、図１に二点差線で示すように、上記流量計８によって測定された培養液Ｌの流量に基づき、撹拌羽根３Ｃの回転数及びガスＧの供給量の双方を制御可能としている。すなわち、流量計８によって外部熱交換器５から培養槽１に循環する培養液Ｌの流量が減少した場合にはガス供給手段２によるガスＧの供給量を増大させ、逆に培養液Ｌの流量が増大したときにはガスＧの供給量を減少させることにより、液面レベルの制御を行うことができる。このように撹拌手段３による制御と併せることで、さらに確実に培養槽１内の培養液Ｌの液面レベルの制御を行うことができる。また、流量計８は、均圧管６から下流側の培養槽１までの間に設けられていればよい。

また、本実施形態のように、培養槽１の排気ライン１０にバルブ等の圧力調整手段１１が備えられている場合には、流量計８によって測定された培養液Ｌの流量に基づき、培養槽１内の圧力を制御可能としてもよい。例えば、流量計８によって測定された培養液Ｌの流量が増大した場合には、圧力調整手段１１のバルブ等を絞ることによって培養槽１内の圧力を高くすることで気泡Ｂが小さくなり、培養槽１内の培養液Ｌのレベルを、上部循環ライン４との接続部を下回らない範囲で低下させることにより、循環流量を減少させることができる。逆に、流量計８によって測定された培養液Ｌの流量が減少した場合には、圧力調整手段１１のバルブ等を開くことによって培養槽１内の圧力を低くすることで気泡Ｂが大きくなり、培養槽１内の培養液Ｌのレベルが上昇するので、培養液Ｌの循環流量を増加することができる。

さらに、これと併せて、本実施形態では、上記撹拌手段３およびガス供給手段２の双方の制御が加えられる。これにより、例えば最初は圧力調整手段１１のみで制御を行い、圧力が最小になったら、撹拌手段３とガス供給手段２の双方を制御するといった複合的な制御を行うことができ、より確実に培養槽１内の培養液Ｌの液面レベルの制御を行うことができる。なお、上記流量計８は、上部循環ライン４における均圧管６の一端から外部熱交換器５の間、またはこの外部熱交換器５に備えられていてもよい。

１ 培養槽
２ ガス供給手段
３ 撹拌手段
３Ａ 回転装置
３Ｂ 回転軸
３Ｃ 撹拌羽根
４ 上部循環ライン
５ 外部熱交換器
６ 均圧管
７ 下部循環ライン
８ 流量計
９ 制御手段
１０ 排気ライン
１１ 圧力調整手段
１２ 排気手段
Ｌ 培養液
Ｇ ガス
Ｂ 気泡

Claims (5)

1. 培養液を保持する培養槽と、この培養槽内の上記培養液を撹拌する撹拌手段と、上記培養液中にガスを供給するガス供給手段と、上記培養槽の上部に上部循環ラインを介して接続されるとともに該培養槽の下部に下部循環ラインを介して接続される外部熱交換器とを備え、
   上記上部循環ラインまたは上記外部熱交換器には上記培養液から上記ガスの気泡を抜く均圧管の一端が接続されており、
   上記上部循環ラインにおける上記均圧管の一端から上記外部熱交換器の間、または上記外部熱交換器、または上記下部循環ラインには流量計が備えられ、
   この流量計によって測定された上記均圧管の一端から上記下部循環ラインを流れて上記培養槽に循環する上記培養液の流量に基づき、上記撹拌手段および上記ガス供給手段の双方を制御する制御手段を有していることを特徴とする培養装置。
2. 上記均圧管の他端は上記培養槽における上記上部循環ラインの接続部よりも上方かつ上記培養槽内の気相部に連通するように接続されていることを特徴とする請求項１に記載の培養装置。
3. 上記撹拌手段は、上記培養槽の上部に設けられた回転装置から垂下した回転軸に上下方向に間隔をあけて取り付けられた複数段の撹拌羽根を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の培養装置。
4. 上記ガス供給手段は、上記撹拌手段の下方に備えられていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の培養装置。
5. 上記培養槽の上部には排気ラインが接続されるとともに、この排気ラインには上記培養槽内の圧力を調整する圧力調整手段が備えられ、
   上記流量計によって測定された上記均圧管の一端から上記下部循環ラインを流れて上記培養槽に循環する上記培養液の流量に基づき、上記圧力調整手段および上記撹拌手段の双方と、上記ガス供給手段とを制御する制御手段を有していることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の培養装置。

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