JPH0728717B2

JPH0728717B2 - 生物液体培養装置

Info

Publication number: JPH0728717B2
Application number: JP24644785A
Authority: JP
Inventors: イー．コルヴインアーサー; シー．モンテイパトリシア; シー．コンラツドリチヤド; エム．トーニイエヴエリツト
Original assignee: ライフテクノロジ−ズ、インコ−ポレイテツド
Priority date: 1984-11-05
Filing date: 1985-11-05
Publication date: 1995-04-05
Anticipated expiration: 2010-04-05
Also published as: JPS61158775A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は生物培養装置、特に単細胞からなる生物の液体
培養のための装置に関する。

〔従来の技術〕

藻類およびバクテリアを生育させるために便利な装置
が、これらの生物およびそれらの物質代謝を研究してい
る科学者により長い間要求されてきた。近代生物工学の
出現と共に、この要求はさらに激しくなつてきている。
液体培養による発酵システムは、温度、pHおよび照射光
の制御を含む多数の機能、細胞の物質代謝に伴なつて生
ずるガスの循環および除去のための設備、並びに培養系
からのサンプリングのための設備を備えていなければな
らない。先行技術には、上記諸機能のうちの２種以上を
同時に提供するよう設計されたシステムの例が数多くあ
げられており、例えばクイツグ（Quigg）の米国特許第
4,036,699号、ベロウソブら（Belousov et al）の米国
特許第4,116,778号、マリツク（Malick）の米国特許第
4,181,576号、チエル（Chelle）の米国特許第4,204,042
号およびバシーン（Vaseen）の米国特許第4,223,094号
をあげることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

各種の培養に適用できるような多機能性を有し、かつ使
用が簡単な単一システムに対する要求は依然として満さ
れていない。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、先行技術における他の完全なシステムより
使用がより容易であり、かつより万能であるシステムに
係るものである。本発明は、相互に共動するサブシステ
ムに多くの新規な改善を行うことにより達成されたもの
である。

本システムの発酵容器は、特別のつば配置によりその両
端部開口に脱着可能に圧着されたプレートを有する簡単
な、垂直に取り付けられたリツプ付管である。これらの
プレートは、前記容器内にガスを導入する、及び前記容
器内からガスを排出する手段、ならびに必要に応じて温
度およびpH感知装置を備えている。ガスは、前記底部プ
レート内に設けられたスパージヤーを通つて培養溶液中
に導入され、それによつて該培養液がじやま板の回りに
循環できるようになつている。泡立つガスによる撹拌
は、レスラー（Roesler）の米国特許第4,048,017号およ
び浜中ら（Hamanaka,et al）の米国特許第4,093,518号
にみられるように、新規ではない。しかしながら、本発
明の装置では、補助撹拌機を全く必要としない独特のス
パージヤー位置（Position）が用いられ、“デツド”ス
ペース（利用できない空間）が排除されている。底部に
ガス導入口を有する発酵管を垂直に取り付けたことによ
り、流体循環が可能となるのみならず培養物用の新規な
サンプリングシステムが可能となる。

特別に構成された照明供給および感知システムを本発明
の培養装置に用いることができる。微光を発することの
できる水銀灯を曲げて長いＵ字形管とし、これらが前記
発酵管と同軸上にある半円筒の反射凹面鏡部内部に取り
付けられている。前記水銀灯の管部分は、前記反射凹面
鏡部の内部に設けられたクリツプ中に圧着される。これ
ら管部分は、Ｕ字形をしているので、電気結線はすべて
Ｕ字形の頂部においてなされ、そのために液もれ（spil
lage）による電気的障害が低減される。光出力の感知
は、従来の光電池配置によりなされる。該光電池配置は
ルーメンの強度ではなく、より実用的な測定値としての
実際のフラツクス密度で読み取られるように改善されて
いる。前記水銀灯は、容易に交換しうるので、発光体を
使用しないものまたは異なる発光体の組合せによるもの
を設けて、特種な生体、あるいは特別な研究目的のため
に必要な波長を提供することができる。波長が既知の場
合に、フラツクス密度の読みを、実際に培養系が受けた
エネルギー量に容易に変換することができる。

本装置の他の特徴および利点は添付図面と共に特許請求
の範囲および発明の詳細な説明から明らかとなろう。前
記添付図面において、第１図は、本発明の全発酵システ
ムの好ましい態様の3/4部の斜視図であり；第２図は本
発明の装置における発酵管端およびつばシステムの断面
図であり；第３図は本発明の装置でのつばシステムに於
ける可撓性つばの断面図であり；第４図は本発明の装置
における発酵管、じやま板、サンプリング口およびスパ
ージヤーを有するベースプレートの部分断面図であり；
第５図は幾つかの関連部品を具備した、ただし連続結線
を除いた、細胞培養容器、および反射凹面鏡部の一部を
断面図とした本発明の装置の主要部の正面図であり；第
６図は第５図に於いて６−６線を通つて本発明の装置を
水平に切断した場合の断面部分図であり；第７図は本発
明の装置に利用し得る照明供給システムの概略図であ
り；第８図は本発明の装置に利用し得る光感知システム
の概略図である。

本発明の好ましい態様による発酵システムは第１図に示
される。垂直に取り付けられた発酵管１は細胞培養容器
である。それは両端にリツプを有する単純な円形のシリ
ンダーである。好ましい態様において、発酵管は肉厚型
（heavywall type1）、Ａ級珪硼酸ガラスで構成されて
おり、外径が約３−1/2インチであり、実容積が1.8リツ
トルである。その内部は後で詳細に説明するように、ま
た、第４図および第６図に示されるように垂直なじやま
板で分割されている。発酵管１の上下両端部には特別に
構成されたプレート／つば組部品２があり、これについ
ても、後で説明し、更に第２図および第３図で説明す
る。照明器35の集合体により発酵管１が照明される。こ
れらの照明器は、発酵管１と実質上同軸の半円形状に湾
曲した半シリンダー壁から形成される反射凹面鏡部４の
内部に取り付けられている。これらの特徴部分の間の関
係は、第６図の水平方向断面図に最もよく示されてい
る。ガス供給装置、温度およびpH用プローブは下部プレ
ートおよびつばからなる組部品２を通して管１にはい
る。異なるガスの供給のため、ガス供給装置５が示され
ている。pHプローブ装置、温度プローブおよび温度感知
装置、並びに冷却プローブ装置も下部プレートを通して
システムにはいる。温度およびpH感知装置は、下部プレ
ートの下に設けたガス伝導装置のように、当業者によく
知られているものであればいずれでもよい。

サンプリング用ポートチユーブ（port tube）の背圧／
排気マニホールド組部品10、液／気泡感知装置11および
上部ニツプル端部12が、管１の頂上にあつて、上部プレ
ートおよびつばの集成部品２を通してその内部に連結さ
れている。組部品10は、圧力を監視し、管１からのガス
の逃散を制御する従来公知の代表的なものの何れを用い
てもよい。前記液／気泡感知器11は、液レベルまたは気
泡の存在を選択的に監視することのできる導電率型プロ
ーブから構成されている。好ましくは、手動もしくは感
知器出力により制御しうるぜん動ポンプが、水または消
泡剤の添加のために設けられている。連続培養法におい
て、該ポンプは培地を添加するためにも用いられる。サ
ンプリング用ポートチユーブは第４図にさらによく示さ
れており、後に説明する。

本発明の発酵装置の他の部分は、コンソール自身の中に
納められ、pH監視／制御パネル13、流体監視／制御パネ
ル14、温度監視／制御パネル15、ガス運搬監視パネル16
および照明監視／制御パネル17を通じて使用者とのコン
タクトを取るための関連の計装から構成されている。

第２図および第３図は、部分拡大の形で、本発明の前記
発酵管およびつばの配置を示している。管１の各端部に
は、管１の外径Ｄよりも大きい外径D₁を有するフレアリ
ツプ20が設けられている。管１の各端部には、その周囲
近くに孔23を有する硬質デイスク状プレート22が重ねら
れて、管１の各端部はそれぞれ該プレート22により覆わ
れている。該プレートは、溝21を設けて、プレート22に
対するリツプ20の接触に際し、衝撃を緩和する環状弾性
ガスケツトを収納しておくことが好ましい。

つば26は、フレアリツプ20の近くで管１を包囲してい
る。つば26は、実質上非圧縮性であるが、ある程度の可
撓性を有している。該つばは、その可撓性のために、第
３図において示されるように開かれることが可能である
スリツト30により切れている以外は環状である。該つば
は、第２図の断面図で最もよく示されているように、２
種の異なる内径をもつて構成されている。つば26の第一
の部分は、少くともフレアリツプ20の外径D₁と同じ大き
さの内径E₁を有する。第２図に示したそれぞれの部品が
一緒に取り付けられると、この第一の部分はプレート22
に隣接してフレアリツプ20の外側から管１を取り囲むよ
うに配設される。つば26の第２の部分は、少くとも管１
の外径Ｄと同じ大きさであるが実質上フレアリツプ20の
外径D₁より小さい内径Ｅを有する。つば26のこの第２の
部分は、リツプ20のフレアが始まる手前の管１の端部近
くの点で管１の本体を取り囲むように配設される。つば
26の第２の部分に隣接して、フレアリツプ20の外径D₁よ
り大きい内径Ｆを有する硬質リング24がある。孔25およ
び27が硬質リング24およびつば26にそれぞれ設けられて
おり、これらの孔はプレート22中の孔23に対応し、ボル
ト28およびナツト29を用いてつば26をプレート22とリン
グ24との間に圧着するようになつている。その内径およ
び外径がほぼＥおよびE₁にそれぞれ等しい弾性Ｏ−リン
グ31も設けられている。

内径Ｆ（リング24の）、ＥおよびE₁（つば26の）が上記
の通りである場合、管１の端部とプレート22との間に、
確実ではあるが、容易に取外し可能なシールを得ること
ができる。すなわち、硬質リング24が先づフレアリツプ
20から管１に嵌められる。次いでつば26が、そのスリツ
ト30を拡げて、それがフレアリツプ20のある管１の端部
の回りに位置することができるように配置され、また孔
25と孔27とが合わされる。次いでＯ−リング31をフレア
リツプ20から嵌めて、それに隣接して配置する。最後
に、リング24およびつば26の孔に対応する孔23と共にプ
レート22を管１の端部に配置する。次いでボルト28およ
びナツト29を用いて該組部品を締付ける。つば26の前記
第２の部分は管１の回りに密着し、その内径Ｅはフレア
リツプ20の外径D₁よりも小さいので、該組部品は管１の
端部に固く保持される。プレート22には、前記システム
の作動中、管１の内容物が出入りする各種の孔が設けら
れている。

本発明の装置に利用し得る改良されたガススパージング
およびサンプリングシステムは、第４図において最もよ
く示されており、該第４図は発酵管１の断面側面図を示
す。管１の内部は平らなじやま板52（第６図にも示され
ている）によつて分割されており、該じやま板は管１の
側面まで伸びており、側面上の内壁、好ましくは中央よ
りある程度後方に固定されており、したがつて分割され
た容積の約2/3がじやま板52の前方にあるようになつて
いる。じやま板52は、管側面に永久に固定してもよい
し、あるいは内部チヤネル中に、または容器壁のナツブ
間で滑べる可能性のものであつてもよい。該じやま板は
ベースプレート48の上方および管１の液体内容物の頂部
の下方で終り、該液体がその回りを循環できるようにな
つている。じやま板52の前面において、ガススパージヤ
ー53がベースプレート48中に取り付けられている。該ス
パージヤーは、多数の多孔質物質の何れかで形成するこ
とが可能であるが、好ましくは0.5ミクロンの細孔を有
するステンレス鋼316で作られる。該スパージヤーは下
位にあるガス供給手段54から空気または他のガスを受け
入れ、じやま板52の前方で管１の底部にその細孔を通し
て前記気体を放出する。この気体放出によりじやま板の
回りに、矢印の方向に循環流が生ずる。この「エアリフ
ト循環」と呼ばれる方式により、撹拌により通常達され
るよりも、よりゆるやかで、速かで、かつより充分な培
養系の混合が可能となり、本発明では特に通常の撹拌装
置を必要としない。それは、また培養液中への気体の有
効な拡散をもたらす。

0.5ミクロンのスパージヤーの細孔は、代表的なバクテ
リアの大きさ、すなわち２〜３ミクロンよりも小さいの
で、従来装置の欠点であるスパージヤーのバクテリアに
よる汚染または目詰りが解消される。もう一つの改良点
は、スパージヤーデイスクの表面をベースプレートの頂
部に合せて配置させることにある。好ましくは、前記デ
イスクは、それをしつかりと収納するように設計された
ベースプレート中のキヤビテイに単に押し込まれる。ス
パージヤーの表面は管の底部と共面を形成するので、そ
の回りや下方で循環が不良となるような“デツドスペー
ス”を全く生じさせることはない。

管１の液体内容物が通常の方法によりそれを通つて抜き
取られるニツプル58をその頂端部12に備えているサンプ
リング管57がトツププレート56を通つて、管１の内部下
方に伸びている。サンプリング管57の下方端部59は、ス
パージヤー53のすぐ上方で液中に位置している。ニツプ
ル58を閉じると、端部59からサンプリング管57にはいり
つつある気泡は、該管中に閉じ込められ、最後には該管
を充たし、サンプリング管57から管１中の液体を排除す
ることになる。

このようにして、サンプリング管57中の培養物残余を該
サンプリング管から追い出して、培養物残余がサンプリ
ング管中に滞留し、そのデツドスペース中で変質し、更
に取り出されるサンプルを汚染することを防止できる。

第５図および第６図に、本発明の装置の好ましい態様に
おける照明装置および照明器の支持機構を示す。照明は
微光を発する水銀灯35により提供され、該水銀灯の各々
は長いＵ形状に曲げられ、クリツプ36により反射凹面鏡
部４内に取り付けられる。各灯の底部37は反射凹面鏡部
４の底部近くにある。灯の各端部において、灯管の終点
部（terminus）は熱収縮管38により被覆され、そしてそ
の頂部に標準のバナナプラグ40を有する電気コネクター
線39が伸びており、該バナナプラグは反射凹面鏡部上方
の張出しに永久に固定されたジヤツク41にはめ込まれ
る。

発酵管１は、固定棒45の上にあり、該固定棒は高さを調
節することが可能であつて、フート（foot）46中にはめ
込むことができる。固定棒45は、従来公知の多数の方法
の何れかによりフート46に固くはめ込むことができる。
固定棒45の頂部は、好ましくは、丸めてベースプレート
48中の丸いソケツト47に合うようにする。別法として、
ベースプレート48に、下方に突出するロツドを設け、該
ロツドの端部をフート46のソケツトもしくは移動止めに
取り付けるか、またはリフレクター溜め４の床に取り付
けてもよい。本発明は、管１用の支持手段の使用を意図
しており、該手段は管１の下方のジヨイント上に管１の
重量をのせることを可能とし、また該ジヨイントの回り
に管１用の支持体の回転をも可能ならしめるが、該ジヨ
イントに対して管１用支持体に滑り若しくは並進運動を
させることはできない。管１の頂部は脱着可能にハウジ
ングに取り付けられている。49におけるように、“Velc
ro”（登録商標）型の嵌み合いフツク・マンド・ルー
プフアスナーが好ましいが、パーマネントもしくはエレ
クトロ−マグネツト、または他の容易に取り外すことの
できる手段を用いてもよい。

下方の発酵管が載せられている、ボールアンドソケツト
タイプあるいは、それに類似した接続機構と上方の脱着
可能なフアスナーによる締結機構との組合せにより、通
常予想し得ないほど便利な発酵管の反射鏡内からの取り
はずし、及び反射鏡内への再組立が可能となる。すなわ
ち、発酵管を含むシステムの頂部を前方へ引き、該シス
テム全体を持ち上げて引き出すだけで、発酵管を反射凹
面鏡部内から取り出すことができる。

本発明の装置に用い得る好ましい光制御システムは、第
６図〜第８図にもつともよく示されている。特に第６図
は、光供給システムの配置を示している。反射凹面鏡部
４は、約180゜にわたる曲率が円形で、その直径は約20c
mであり、その曲率の中心は発酵管１の中心軸と一致し
ており、該発酵管１の直径は約7.5cmである。

反射凹面鏡部の壁は、機器ケースと一体化されて成形さ
れた部分である。該壁の反射能は、前記カラムに焦点を
集める円形の形状およびその光沢のある白い表面により
もたらされる。所望により、反射能は、壁とランプとの
間にマイラーまたは他の物質の鏡仕上げ層を加えること
により、あるいは発酵管前方に、鏡表面に裏打ちした円
形状に曲げて成形したシールドを用いることにより増大
させることができる。

冷陰極水銀灯35は、直径が13mmであつて、反射凹面鏡部
の壁に対して約180゜スパンで等間隔に配置されるよう
に取り付けられる。このようにして、これらの水銀灯
は、発酵管の後方、すなわち培養液が流下する側を均等
に照明する。この設計、および反射鏡壁と発酵管との相
対的比率は注意深く開発され、培養系の流下部分への効
率よい光の供給が可能となる。

照明により供給されるフラツクス密度は、第７図におい
て概略的に示される調光器60によつて０〜30uE/m²secの
範囲で制御することができる。それは、広範囲固体全波
位相制御（extended range solid state full wave pha
se control）であつて、該制御は螢光灯35中のアークの
周波数を変化させるものである。照明回路の他の部品
は、標準かつ公知のものであつて、例えば線間電圧結線
61、二次電圧7,500ボルト、電流60mAの螢光灯用変圧器6
2、出力スイツチ63および5amp遮断器64があげむれる。

第８図は、照明感知システムを示す。光電池70は反射凹
面鏡部中の適当な点における照射された光を感知してメ
ーター71を作動させる。0.5×0.5cmソラレツクス（sola
rex）電池および０〜100uAメーターを用いるのが好まし
い。メーター71は、これを検量して以下の方法により発
酵容器の内壁上の実際のフラツクス密度を表示するよう
になつている。すなわち、まず水中センサーを有する量
子放射計光度計（好ましくはLI−COR型Li−1858使用）
を用いて培養器内の実際のフラツクス密度を読み取る。
次いで、感知回路と直列の可変抵抗器72を調節して、前
記光度計により300uE/m²secのフラツクス密度が測定さ
れた時にメーター71が最大目盛を表示するようにし、更
にメーター71に０の目盛を設定する。メーター71に別の
印刷された目盛を設けて、検量したときに、フラツクス
密度のuE/m²secがそれから直ちに読み取られるようにす
るのが好ましい。このような感知装置の利点は培養系に
より受けられた実際のフラツクス密度を指示することが
できることのみならず、線電圧変動に対してそれが影響
をうけないことである。

本発明について、特にその好ましい態様について特に詳
しく説明したが、本発明の精神および範囲内での変更は
当業者に想到しうるものであることは当然である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の全発酵システムの好ましい態様の斜視
図であり、第２図は本発明の装置における発酵管端およ
びつばシステムの断面図であり、第３図は本発明の装置
におけるつばシステムの可撓性つばの断面図であり、第
４図は本発明の装置における発酵管、じやま板、サンプ
リング口およびスパージヤーを有するベースプレートの
断面部分図であり、第５図は各関連部品を具備した、た
だし連続結線を除いた、細胞培養器、および反射凹面鏡
部の一部を断面図とした本発明の装置の主要部の正面図
であり、第６図は第５図の６−６線を通つて水平に切断
した第５図の装置の断面部分図であり、第７図は本発明
の装置に用い得る照明供給システムの概略図であり、第
８図は本発明の装置に用い得る光感知システムの概略図
である。 1:発酵管、2:プレート／つば組部品 3:反射鏡、4:反射凹面鏡部 5:ガス供給装置 10:サンプリングチユーブの背圧／排気マニホールド組
部品 11:サンプリングチユーブの液／気泡感知装置 12:サンプリングチユーブのニツプル端部 13:pH監視／制御パネル 14:流体監視／制御パネル 15:温度監視／制御パネル、20:フレアリツプ 21:溝、22:プレート 23,25,27:孔、24:リング 26:つば、28:ボルト 29:ナツト、30:スリツト 31:O−リング、35:照明器 36:クリツプ、37:水銀灯低部 38:熱収縮管、39:電気コネクター線 40:バナナプラグ、41:ジヤツク 45:固定棒、46:フート 47:ソケツト、48:ベースプレート 49:フアスナー、52:じやま板 53:ガススパージヤー 54:ガス供給手段 56:トツププレート 57:サンプリング管 58:ニツプル、59:サンプリング管下端 60:調光器、61:線間電圧結線 62:変圧器、63:出力スイツチ 64:遮断器、70:光電池 71:メーター、72:可変抵抗器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者リチヤドシー．コンラツド米国 20874 メリーランド州ジヤーマンタウンデメトリアスウエイ 13457 (72)発明者エヴエリツトエム．トーニイ米国 20874 メリーランド州ジヤーマンタウンクリスタルロツクドライヴ 13番 19704

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外径Ｄ、円筒軸及び外径D₁のフレア端部を
有し、前記D₁が実質上前記Ｄより大である円筒管と；通
常硬質であり、前記円筒軸に垂直な平面に於いて環状の
断面を有し、かつ前記D₁より大きな内径を有して、前記
フレア端部を通して前記円筒管に嵌められて前記円筒管
を包囲するように設けられたリングと；一般に硬質であ
り、前記円筒管のフレア端部口と重なり合いしかも該端
部口を覆うのに充分な大きさを有し、前記円筒管に固定
された状態で、培養系内に機器類を挿入、または液体若
しくはガスを導入したり、培養系からこれを取り出すた
めの手段が設けられたプレートと；前記円筒軸に垂直な
平面に於いて、２種の環状の断面を有し、これら環状断
面の内径をそれぞれＥ及びE₁とすると、これらと前記Ｄ
及びD₁との関係がＤ≦Ｅ≦D₁≦E₁であり、更にスリット
を有して可撓性であることにより、前記円筒管の取り付
けに際して、前記スリットから広げられて、前記フレア
端部から前記円筒管に嵌めることができ、そのようにし
て前記円筒管を包囲するように設けられたつばと；前記
フレア端部に於いて、前記リングと前記プレートとの間
で前記円筒管を包囲するように設けられた前記つばを、
前記リングとプレートによって押圧し、挾持するための
手段とを有することを特徴とする生物液体培養装置。
【請求項２】前記つばを押圧するための手段が、前記円
筒軸を中心とする放射線上に配置され、前記リング、つ
ば及びプレートのすべてを貫通する一組以上の孔及び該
孔に挿通された締着手段である特許請求の範囲第１項記
載の生物液体培養装置。
【請求項３】内径がO₁であり、外径がO₂であって、これ
らと前記Ｄ及びE₁との関係がＤO₁＜O₂E₁である押圧
可能なＯ−リングが、前記円筒管外面と前記つばとの間
で、前記フレア端部に隣接して、前記円筒管を包囲する
ように設けられている特許請求の範囲第１項記載の生物
液体培養装置。