JPH0687769B2 - 無菌大量培養方法とその装置 - Google Patents

無菌大量培養方法とその装置

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JPH0687769B2
JPH0687769B2 JP63036780A JP3678088A JPH0687769B2 JP H0687769 B2 JPH0687769 B2 JP H0687769B2 JP 63036780 A JP63036780 A JP 63036780A JP 3678088 A JP3678088 A JP 3678088A JP H0687769 B2 JPH0687769 B2 JP H0687769B2
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正孝 渡辺
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    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
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    • C12M31/00Means for providing, directing, scattering or concentrating light
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Description

【発明の詳細な説明】 (技術分野) この発明は、無菌大量培養方法とその装置に関するもの
である。さらに詳しくは、この発明は、藻類や細菌等の
単細胞生物を高速度で大量培養することのできる方法と
その装置に関するもので、研究機関、工場等の実験装置
または生産設備として有用な高効率純粋無菌培養方法と
そのための装置を提供するものである。
(背景技術) 生物工学、実験生物学、細胞培養技術の発展にともなっ
て、生物細胞を高効率で、大量に培養する技術の確立が
求められてきている。
これまで、この大量培養については生物の生存および増
殖の条件を比較的大きな規模で安定に保持することは極
めて困難なこととされてきていた。その理由としては、
生物、細胞そのものの生存、増殖の機構が解明されてい
ないことと、その機構の解明を最適条件で安定して比較
的大きな規模において検討するための装置またはシステ
ムの開発が進展していないことがあった。
たとえば、この発明の発明者が検討を進めている赤潮発
生の生物的機構についても、これまでは高速で大量に培
養するための設備システムを欠いていたために、自然条
件下での赤潮発生の適確な予測や防御を行うことは困難
であった。
赤潮の研究は、瀬戸内海において頻繁に発生するHetero
sigma akashiwoやChattonella antiquaの異常増殖によ
るものであるが、実験室の試験やフラスコ、さらにはベ
ンチスケールでの検討の結果から、この異常増殖を実際
の海域について予測するのは難しい。実際の海水域にお
いては、光照度、温度、栄養分の濃度等が大きな規模に
おいて変化し、赤潮発生の原因となる藻類の鉛直方向の
移動が起っているからである。これらの変化および 移動に沿って赤潮発生の機構を解明するためには、空間
的に適度な大きさを持ち、環境因子についてより自然条
件に近い場を形成し得る培養系の確立がどうしても必要
であった。
培養系に関する技術手段としては、これまでにも培養槽
の液表面に光照射することや、培養液中に空気を吹き込
む等の諸手段が検討され、たとえば実開昭48-61198号公
報に見られるように光照射方法の改良等も試みられては
いる。また、実開昭63-4699号公報には、フィルタを通
して除菌した培養液を培養槽内に連続的に供給する連続
培養装置が開示されてもいる。
さらには、実開昭62-204500号公報には連続培養や連続
醗酵等において培養液を循環路により鉛直方向に循環す
ること、および特公昭60-22906号公報には、ビール等の
醗酵に際して培養槽外周部に液温調節ジャケットを設け
ること等が開示されている。
しかしながら、これまでの培養系においては、とくに藻
類や細菌等を培養するうえで、完全な無菌状態で純粋培
養するための大量培養系は存在せず、しかも自然界に生
起する現象を追行し、これを解析し、またその現象を予
測し得る水準を備えた培養系はいまだに確立されていな
いのが実情である。
このような事情は、赤潮研究の場合に限られるものでは
ない。生物細胞の培養において、より大きな規模で、か
つ効率的に培養するための装置、システムは、様々な実
験研究および有用物質生産にとって必要とされていた。
(発明の目的) この発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたもので
あり、従来の培養系の問題点を克服した、空間的により
大きな規模を持ち、かつ効率的に高速で培養することを
可能とする新しい高速大量培養装置とこれを用いた無菌
培養方法を提供することを目的としている。
(発明の開示) この発明は、上記の目的を実現するために、培養槽を蒸
気滅菌し、除菌フィルターを介して培養槽内に導入した
培養液に藻類または細菌を無菌接種し、空気フィルター
を介して空気を培養槽内に導入し、培養槽内の培養液を
鉛直方向に循環しつつ、培養液の表層と低層との温度差
を制御して藻類または細菌を連続的に純粋無菌培養・無
菌採集するに際して、培養液の表面全域を、藻類または
細菌の概日リズムに応じた時間間隔で光照射することを
特徴とする無菌大量培養方法を提供する。
また、この発明は、耐圧タンクからなる培養槽と、除菌
フィルタを備えた供給路を介して培養槽に連通する培養
液のストレージタンンク、培養槽内の培養液を鉛直方向
に循環する循環路、培養槽の空気導入口に連通する空気
フィルタを備えた空気供給路、培養槽外周部に配置した
液温調製ジャケット、および培養液の表面全域を光照射
する光源とを備えており、光源は任意の時間間隔で点滅
することを特徴とする無菌大量培養装置をも提供する。
すなわち、この発明の方法および装置は、 1)蒸気滅菌した培養槽への除菌培養液の供給と、培養
液への藻類または細菌の無菌接種、 2)培養槽内液の鉛直方向の循環による培養液濃度の調
整、 3)培養槽内液の表層と底層との温度差調整、 4)藻類または細菌の概日リズムに応じた時間間隔での
液表面全域への光照射を行い、培養生物の自生環境と類
似もしくは同様の条件を設定することにより、培養生物
の高速での無菌大量培養を可能にしている。
これらのことは、従来全く実現されてこなかったことで
あり、たとえば光照射についても、液表面全域へ光照射
することの重要性と必要性すらほとんど認識されておら
ず、ましてや光照射を培養生物の自生環境と同様の明暗
同期で点滅させることは全く考慮されていなかった。こ
の光照射をはじめとする上記の通りの特徴によってこの
発明はこれまでにない優れた特徴を有する培養系を確立
するものである。
以下、添付した図面に沿ってこの発明の培養装置につい
て詳しく説明する。
第1図は、この発明の培養装置の構成を例示したブロッ
ク図である。
たとえばこの第1図に例示した培養装置は、培養液用の
母液を貯蔵するストレージタンク(1)、母液に添加成
分を加えて培養液を調製する混合タンク(2)、培養液
を除菌するための除菌フィルタ(3)、および藻類また
は細菌の培養増殖を実施する培養槽(4)を有し、これ
らは各々パイプ(101)(102)(103)によって連通
し、除菌した培養液を適宜に培養液導入口(5)から培
養槽(4)に供給できるようになっている。培養槽
(4)は、内容量約1.5m3程度の大型の耐圧タンクから
なり、密封した状態で内部を加圧蒸気滅菌することが可
能である。
また、この培養槽(4)には、その内部に導入した培養
液の液面を光照射する光照射部(6)、培養液中に供給
する空気を除菌する空気フィルタ(7)、培養液の温度
をその表層から底層にかけて段階的に変化させるための
液温調整ジャケット(8)、および各液温調整ジャケッ
ト(8)に個別に冷水または温水を供給する液温調整バ
ス(9)を装着している。空気フィルタ(7)と培養槽
(4)底部の空気導入口(10)とはパイプ(104)で連
通し、各液温調整ジャケット(8)と液温調整バス
(9)とはパイプ(105)によって連通している。
さらにこの培養槽(4)は、その底部に培養液循環取出
し口(11)を備えており、この取出し口(11)と培養液
導入口(5)とをパイプ(106)(103)により連通させ
循環路を形成している。これによって、培養槽(4)内
の培養液を、例えば自然の海水域に模して鉛直方向に循
環させることができる。なお、培養液はオーバーフロー
口(12)から随時排水することもでき、培養液を定期的
に給・排水することにより、連続的な培養が可能であ
る。
これらの構成以外に、この発明の培養装置は、たとえば
培養状態の測定のための流量計、水温計、圧力計、生物
細胞サンプリング装置などの手段を備えてもいる。
第2図は、培養槽(4)と光照射部(6)の拡大図であ
る。すなわち、培養槽(4)の上面開口部にはガラス窓
(13)を装着しており、このガラス窓(13)を通じて、
培養液(14)の表面全体に光が照射されるようにしてい
る。この照射は、ガラス窓(13)の上方に設けた光源
(15)、その背後の全反射鏡(16)、さらに必要に応じ
て使用する光拡大のための凹レンズ(17)を用いて行
う。
光源(15)と全反射鏡(16)、さらには凹レンズ(17)
との相互の距離と、これらのガラス窓(13)との距離を
調整することによって、ガラス窓(13)の大きさに応じ
て、液表面全体を常時照らすようにすることができる。
また場合によっては、この調整によって、液表面を部分
的に照明するようにすることもできる。さらに、光源
(15)は任意の時間間隔で点灯、消灯を繰り返すように
なっている。これによって、培養生物の自生環境と同じ
明暗周期(L/D)を設定することができ、その増殖効率
を促進することができる。
もちろん、この発明の培養装置は、以上の例によって限
定されるものではない。培養槽の形状、構造、培養シス
テムの全体構成については、培養系の目的と対象とする
生物に対して適宜に選択することができる。
また、光照射部(6)を構成する光源としては、水銀ラ
ンプ、ハロゲンランプ、キセノンランプ等の適宜なもの
を用いることができる。光ファイバーによって送る自然
光でもよい。培養槽については、対象とする培養系に応
じてその内面をグラスライニング、合金、またはチタン
等の金属、テフロン等の樹脂によってライニングするこ
とができる。
次にこの発明の培養装置を赤潮発生の機構解明のため
に、藻類の培養に適用する場合について説明する。
(培養装置) 第1図および第2図に示した構成からなる装置のストレ
ージタンク(容量10m3、内部グラスライニング製)
(1)に海水を貯蔵する。海水は、混合タンク(容量0.
2m3)(2)にて、硝酸、リン酸、ビタミン等の栄養分
と混合する。
培養液は、除菌フィルター(3)を通じて培養槽(4)
に導く。除菌フィルター(3)としては、たとえば、5
μm Rogard filter,0.22μm Milligardfilter,0.22μm
Millidisk(MillporeCo.製)などを用いる。培養槽
(4)の大きさは、高さ2m、内径1m、培地容量1m3で、
槽内上方に0.4m3の空気層が残るようにすることができ
る。
培養槽(4)と除菌フィルター(3)との間のパイプ
(103)はテフロン製もしくは内面テフロン製とするこ
とができる。蒸気滅菌に耐え、腐食することがない。
培養槽(4)、除菌フィルター(3)、空気フィルター
(7)およびパイプ類(103)(104)は、使用前に30分
〜1時間程度、蒸気滅菌することができる。たとえば、
110℃程度の温度で、0.5kg/cm2程度の圧力条件を採用す
る。
培養槽(4)の上面のガラス窓(13)は、たとえば直径
30cmの大きさとし、上方より、150Aキセノンランプによ
って光照射する。この光は400〜700nmの波長範囲にあ
り、夏の日中の太陽光に近い条件となる。槽内の光強度
は、この場合、夏の日中の太陽光に比べて約1/5〜1/3程
度となる。
培養槽(4)の水温は、外側に取付けた液温調整ジャケ
ット(8)(たとえば、高さ35cm、厚さ5cm)に液温調
整バス(9)より水を2〜6l/分で通じることにより、
表層と底層の温度差の最高値を15℃程度に安定に維持す
ることができる。
培養槽内の計測は、マイクロコンピュータとシーケンス
プログラムによって制御されたデータロガーにより自動
的に行うことができる。水温は、白金測温抵抗体などに
より測定できる。
(培養条件) 大阪湾において、しばしば赤潮発生の原因となるHetero
sigma akashiwoを上記の培養槽において培養する。条件
は、たとえば、次の通りとする。
・ばっ気混合系 ・L/D:12時間/12時間サイクル ・培養温度20±2℃ ・f/2培地(+P1.5μmol/l) (培養結果) 以上の装置および条件下で培養した場合の細胞の増殖の
結果を示したものが第3図である。
この第3図は、極めて短期間のうちに、急速に細胞が増
殖していることを示している。比増殖速度μ(d-1)、
すなわち測定時間あたりの細胞濃度(細胞数・l-1
は、1.06であった。
従来、この比増殖速度μは、ほぼ同規模の光照明培養槽
においては、0.4d-1程度であり、これまでの最高水準を
はるかに上まわっている。高速での大量培養が実現され
ている。
この発明の光照明の方法は、培養槽の鉛直方向の温度傾
斜の安定性等と相乗的に作用して、極めて優れた培養環
境を形成することがわかる。
(発明の効果) この発明によって、以上詳しく説明した通り、高速で大
量の培養が可能となる。実験装置、生産設備等として極
めて有用な光照明型の高速、無菌大量培養方法とその装
置が実現される。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の一実施例を示したブロック図であ
る。第2図は、培養槽および光照明部を例示した断面図
である。 第3図は、Heterosigma akashiwoの培養結果を示した細
胞濃度と時間との相関図である。 1……ストレージタンク 2……混合タンク 3……滅菌フィルター 4……培養槽 5……培養液導入口 6……光照射部 7……空気フィルター 8……液温調整ジャケット 9……液温調整バス 10……空気導入口 11……循環液取出し口 12……オーバーフロー口 13……ガラス窓 14……培養液 15……光源 16……全反射鏡 17……凹レンズ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】培養槽を蒸気滅菌し、除菌フィルターを介
    して培養槽内に導入した培養液に藻類または細菌を無菌
    接種し、空気フィルターを介して空気を培養槽内に導入
    し、培養槽内の培養液を鉛直方向に循環しつつ、培養液
    の表層と低層との温度差を制御して藻類または細菌を連
    続的に純粋無菌培養・無菌採集するに際して、培養液の
    表面全域を、藻類または細菌の概日リズムに応じた時間
    間隔で光照射することを特徴とする無菌大量培養方法。
  2. 【請求項2】耐圧タンクからなる培養槽と、除菌フィル
    タを備えた供給路を介して培養槽に連通する培養液のス
    トレージタンク、培養槽内の培養液を鉛直方向に循環す
    る循環路、培養槽の空気導入口に連通する空気フィルタ
    を備えた空気供給路、培養槽外周部に配置した液温調製
    ジャケット、および培養液の表面全域を光照射する光源
    とを備えており、光源は任意の時間間隔で点滅すること
    を特徴とする無菌大量培養装置。
JP63036780A 1988-02-19 1988-02-19 無菌大量培養方法とその装置 Expired - Lifetime JPH0687769B2 (ja)

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