KR20170010858A - 미세 기포 발생장치를 가지는 왕복동 교반장치 - Google Patents

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KR20170010858A
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요시카즈 카토
히사유키 카나모리
마코토 사토
나오키 타하라
히데아키 토가시
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사타케 가가쿠 기카이 고교 가부시키가이샤
닛끼 가부시끼가이샤
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Abstract

피교반물에, 양호한 기체 흡착작용이 수득되는 왕복동 교반장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 피교반물(3)이 삽입되는 교반용기(2)와, 해당 교반용기(2) 내에 설치된, 왕복동하는 구동축(4)과, 해당 구동축(4)에 교차하도록 연결 고정된 교반 날개(8)와, 미세 기포 발생장치(9)로 이루어지고, 해당 미세 기포 발생장치(9)는 다공질체(19)로 이루어지는 스파저(10)와, 해당 스파저(10)에 기체를 공급하는 기체 공급수단으로 이루어지고, 해당 기체 공급수단에 의해 상기 스파저(10)에 공급된 기체가 상기 다공질체(19)의 작은 구멍(21)을 통해서 상기 피교반물(3) 내에 기포가 발생된다.

Description

미세 기포 발생장치를 가지는 왕복동 교반장치{RECIPROCATING STIRRER DEVICE WITH MICROBUBBLE-GENERATING UNIT}
본 발명은 미세 기포 발생장치를 가지는 왕복동 교반장치에 관한 것이다.
종래, 동물이나 식물 등의 세포 또는 미생물을 포함하는 배양액을, 해당 세포 등에 대미지를 주지 않고, 양호하게 교반하는 방법으로서, 교반 날개를 상하동 왕복시켜서 배양액을 교반하는 상하동 왕복 교반장치가 있다(특허문헌 1).
상기 상하동 왕복 교반장치는 배양액을 저 전단작용으로 온화하게 교반할 수 있는 동시에, 양호하게 교반할 수 있으므로, 대미지를 받기 쉬운 세포 등을 포함하는 배양액을 교반하는데도 호적하다.
일본 공개특허공보 2011-31192호
그렇지만, 배양액 중에, 산소나 이산화탄소 등의 기체를 공급하는 경우, 상기 종래의 상하동 왕복 교반장치에서는 저 전단작용에 의한 교반 때문에, 교반 날개에 의해, 일반적으로 사용되는 스파저로부터 버블링되는 예를 들면 직경 수 mm 정도의 공기의 기포를 작게(파쇄)할 수가 없어, 양호한 가스 흡수작용을 수득할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명은 이것들의 문제점을 해소하고, 배양액(피교반물)을 양호하게 교반하는 동시에, 배양액 중에 신속하게 산소 또는 이산화탄소 등의 기체를 용해시킬 수 있는 왕복동 교반장치에 관한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 피교반물이 삽입되는 교반용기와, 해당 교반용기 내에 설치된 왕복동하는 구동축과, 해당 구동축에 교차하도록 연결 고정된 교반 날개와, 미세 기포 발생장치로 이루어지고, 해당 미세 기포 발생장치는 내부에 공동부를 가지는 다공질체로 이루어지는 스파저와, 해당 공동부에 기체를 공급하는 기체 공급수단으로 이루어지고, 해당 기체 공급수단에 의해 상기 공동부에 공급된 기체가 상기 다공질체의 작은 구멍을 통해서 상기 피교반물 내에 기포가 발생된다.
본 발명에 의하면, 배양액(피교반물)을 양호하게 교반하는 동시에, 배양액 중에 신속하게 산소 또는 이산화탄소 등의 기체를 용해시킨다.
또, 소망하는 직경의 미세한 기포를 발생시킬 수 있게 된다.
또, 상하로 교반하는 경우에는 기포를 장시간, 피교반물에 접촉시킬 수 있게 된다.
또, 스파저가 있음에도 불구하고, 양호한 상하류를 실현시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 교반장치 종단면도이다.
도 2는 해당 교반장치의 교반 날개 평면도이다.
도 3은 해당 교반장치의 다른 예의 교반 날개의 평면도이다.
도 4는 해당 교반장치의 기포가 발생하는 상태를 나타내는 모식도이다.
도 5는 해당 교반장치의 상하 진동 교반의 플로우패턴을 나타내는 설명도이다.
도 6은 도 5의 B-B선 재단도이다.
도 7은 종래방법에 의한 기포가 발생하는 상태를 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 수득되는 결과를 나타내는 특성이다.
도 9는 본 발명의 실시예에서 수득되는 결과를 나타내는 특성이다.
도 10은 본 발명의 실시예에서 수득되는 결과를 나타내는 특성이다.
도 11은 본 발명의 실시예에서 수득되는 결과를 나타내는 특성이다.
도 12는 본 발명의 실시예에서 수득되는 결과를 나타내는 특성이다.
본 발명을 실시하기 위한 형태 실시예를 이하에 나타낸다.
실시예 1
본 발명의 실시예 1을 도 1 내지 도 7에 의해 설명한다.
도 1은 본 발명의 왕복동 교반장치(1)의 종단면도이다.
(2)는 해당 왕복동 교반장치(1)의 교반용기, 예를 들면 배양용기이고, 해당 배양용기(2)는 원통상의 몸체부를 가지고, 예를 들면, 동물이나 식물의 세포나 미생물, 및 영양분을 포함하는 배양액(피교반물)(3)이 들어가 있다.
(4)는 구동축이고, 해당 구동축(4)은 상기 배양용기(2)의 정상면부(2a)의 중앙부의 개구부(5)를 관통해서 상기 배양용기(2) 내에 삽입되어 있다.
또, 해당 구동축(4)은 상기 개구부(5)에 설치된 구동축 실링부 또는 스러스트 베어링 등의 지지부(6)에 의해, 상하동 가능하게 지지되어 해당 구동축(4)의 상단부에 있어서, 상기 정상면부(2a)의 상방에 설치한 왕복 구동장치(7)에 연결하고, 해당 왕복 구동장치(7)의 구동에 의해 상하동하도록 했다.
(8)은 교반 날개를 나타내고, 도 2에 나타내는 바와 같이 타원의 판상체로 이루어지고, 상기 구동축(4)의 하단부에 직교하도록 연결 고정되고 있다.
또, 도 2에 있어서, (8a)는 상기 교반 날개(8)의 타원 장축을 나타내고, (8b)는 해당 타원의 단축을 나타낸다.
또, 상기 교반 날개(8)는 상기 구동축(4)에 1단, 또는 2단 이상 설치되고, 해당 교반 날개(8)의 형상은, 예를 들면, 타원형, 계란형, 직사각형 등, 장축과 단축을 가지는 형상일 수 있고, 예를 들면, 도 3에 나타내는 바와 같이 직사각형에 있어서, 장축측의 변을 만곡시킨 것일 수도 있다. 또, 상기 교반 날개(8)의 모서리부만을 만곡시킬 수도 있다. 또, 해당 구동축(4)에 해당 교반 날개(8)를 고정하는 위치는 하단이 아니고, 중단 또는, 상단일 수도 있다.
(9)는 미세 기포 발생장치를 나타내고, 해당 미세 기포 발생장치(9)는 스파저(10)와, 기체 저류부(11)와, 기체 공급 유로(12)로 이루어지고, 상기 스파저(10)에 의해, 공기나 산소 등의 기체를 아주 미소한 기포(마이크로버블)(13)로 해서, 상기 배양용기(2) 내의 배양액(3)에 공급한다.
그리고 공기나 산소 등의 기체가 저류된 상기 기체 저류부(11)로부터 상기 기체 공급로(12)를 통해서 상기 스파저(10)에 기체를 공급하고, 해당 스파저(10)로부터 미소한 기포(13)가 배양액(3) 내로 공급되고, 상기 배양용기(2)의 상면에 접속된 배기로(14)를 통해서 배양용기(2) 내에서 발생하는 가스(산소나 이산화탄소 등의 기체 등)을 배출하도록 구성되어 있다.
또, 도 1 중 (15), (16), (17), (18)은 각각 니들 밸브, 압력계, 유량계 및 볼 밸브이며, 예를 들면 도면에 나타나 있지 않은 제어부에 의해, 배양용기(2)로의 기체의 공급과 중단, 배양용기(2)에 공급하는 기체의 압력 및 유량을 제어할 수 있게 구성되어 있다.
상기의 스파저(10)는 예를 들면 내부 영역(10a)이 공동이 되도록 대략 원통형상으로 형성된 다공질체(다공질막)(19)에 의해 구성된 상하방향으로 연장되는 관상의 다공질체이고, 배양액(3) 중에 침지되어 있다.
또, 상기 스파저(10)의 형상은 상하방향으로 직선상으로 연장되는 것 이외의 형상일 수도 있다. 또, 상하방향으로 직선상으로 연장되는 경우, 후술하는 바와 같이, 배양용기 중에 설치되는 위치는 어디라도 좋지만, 교반 날개의 장축측의 외방에 설치하는 것에　의해, 해당 스파저(10)가 배양액의 상하류와 선회류를 수반하는 대순환류에 영향을 미치지 않게 되므로 바람직하다.
이 다공질체(19)는 상단측에 상기 기체 공급로(12)가 기밀하게 접속되고, 하단측은 예를 들면 도면에 나타나 있지 않은 실링 부재 등에 의해 실링되어 있다. 이 다공질체(19)에는 도 1의 하측에 확대해서 나타내는 바와 같이 작은 구멍 직경(d)이 예를 들면 50㎛ 이하가 미소한 작은 구멍(20)이 전면에 걸쳐서 균일하게 다수 형성되어 있고, 다공질체(19)의 내부 영역(10a)과 스파저(10)의 외부영역(배양액(3))이 작은 구멍(20)을 통해서 다수 부분에 있어서 연통하도록 구성되어 있다.
이 다공질체(19)는 예를 들면 화산재 시라수와 석회(CaO혹은 CaCO3)나 붕산(H3BO3) 등의 유리 원료를 혼합해서 고온에서 용해하고, 그 후 700℃ 정도에서 열처리를 실시한 후에 산처리해서 수득되는 것이다. 즉, 상기의 열처리에 의해, 다공질체(19) 중의 유리 성분이 실리카(SiO2) 및 알루미나(Al2O3)를 주성분으로 하는 제1 유리상과, 산화 붕소(B2O3) 및 산화칼슘(CaO)을 주성분으로 하는 제2 유리상으로 매우 균일하게 분리되므로, 열처리의 온도나 시간 혹은 성분의 첨가량 등을 조정하는 것에　의해, 산처리 후에는 매우 미세한 작은 구멍(20)이 균일하게 형성된 다공질체(19)가 수득되게 된다. 이 다공질체(19)는 예를 들면 SPG(Shirasu Porous Glass)(시라수 포라스 글래스, 또는, 시라수 다공질 유리)막 등으로 불리고 있고, SPG Technology Co., Ltd.의해 제조되고 있다.
배양용기(2) 내의 배양액(3)에는 배양을 실시하는 세포(21) 또는 미생물, 이 예에서는 세포(21)와, 이 세포(21)의 영양이 되는 영양분이 포함되어 있다. 이 영양분은 예를 들면 소정 비율로 혼합된 복수 종류의 아미노산, 비타민, 무기염 및 당 등으로 구성된 기초 배지이다. 또, 배양액(3)에는 단백질 가수분해물과, 세포(21)를 보호하기 위한 세포 보호제의 적어도 한쪽이 첨가제로서 포함되어 있다. 이들 첨가제는 어느 것이나 계면활성작용을 가지고 있으며, 당해 계면활성작용에 의해 전술한 스파저(10)로부터 배양액(3) 중에 공급되는 미세한 기포(13)의 합일(응집)을 억제하기 위한 것이다. 이것들의 첨가제에 대해서 각각의 구체적인 성분에 대해서 이하에 상세하게 설명한다.
또, 다른 계면활성작용을 가지는 표면 장력 조정제를 사용할 수도 있다.
단백질 가수분해물은 단백질을 아미노산 및 저분자량의 펩티드까지 가수분해한 것으로, 예를 들면 우유에 유래하는 단백질인 카제인의 가수분해물, 폴리펩톤, 펩톤, 효모 엑스, 고기 엑스 및 카사미노산 등이다. 이 가수분해 방법으로서는 예를 들면 산분해, 효소분해, 자기소화 등을 들 수 있다. 펩톤은 동물성 단백질이나 식물성 단백질을 아미노산 및 저분자량의 펩티드까지 가수분해한 화합물의 총칭이다. 펩톤의 일례인 폴리펩톤은 NIHON PHARMACEUTICAL CO., LTD.의 제품으로, 우유 카제인을 동물 유래의 효소로 분해한 후, 정제 및 건조한 분말이다. 또, 효모 엑스는 맥주효모(Saccharomyces Cerevisiae Meyen)의 수용성 성분을 추출하고, 건조한 분말로, NIHON PHARMACEUTICAL CO., LTD.의 제품(제품명: 분말효모 엑스 D-3) 등이 있다. 또, 카사미노산은 펩티드 이외의 것으로써 단백질을 염산을 사용해서 전부 아미노산까지 가수분해한 것이다. 또, 전술한 영양분 대신에 이 단백질 가수분해물을 사용할 수도 있다.
세포 보호제로서는 Pluronic F68, DAIGO GF21(증식촉진인자) 및 혈청 등을 들 수 있다. Pluronic F68은 BASF Japan Ltd.의 제품(CAS번호: 9003-11-6)으로 영양성분이나 세포 성장인자로서의 작용을 가지지 않고, 세포(21)를 보호하는 작용을 가지는 계면 활성제의 일종이다. DAIGO GF21은 NIHON PHARMACEUTICAL CO., LTD.의 제품으로 소혈청의 정제에 의해 γ글로불린을 제거한 GFS(Growth Factorin Serum)을 주성분으로 하는 세포증식 촉진인자이다. 혈청은 예를 들면 소태아혈청이나 송아지혈청으로 영양성분 및 세포성장인자의 공급이라는 작용 이외에, 세포배양시의 배양액(3)의 교반이나 통기 등에 의해 받는 물리적인 스트레스로부터 세포(21)를 보호하는 세포 보호제로서의 기능이 있다.
다음에, 본 실시예의 왕복동 교반장치의 작동 및 효과에 대해서 설명한다.
우선, 상기의 배양액(3)과 함께, 세포(21), 영양분 및 상기 단백질 가수분해물과 세포 보호제의 적어도 한쪽을 배양용기(2)에 투입한다. 즉, 혈청 배양인 경우에는 세포(21)에 부가해서 예를 들면 상기 기초 배지와, 혈청 혹은 DAIGO GF21이 배양액(3) 중에 투입되는 것이 되고, 무혈청 배양의 경우에는 세포(21)과 함께, 예를 들면 기초 배지와 세포 성장인자와 Pluronic F68이 투입되게 된다. 이 배양액(3)에 첨가되는 단백질 가수분해물이나 세포 보호제의 첨가량은 당해 단백질 가수분해물이나 세포 보호제의 계면활성작용에 의해 기포(13)의 합일(응집)을 억제할 수 있는 정도의 양이고, 구체적으로는 배양액(3)의 표면장력이 예를 들면, 51.5 dyne/cm 이하가 되는 첨가량이다. 또, 전술한 바와 같이, 영양분으로서 상기의 단백질 가수분해물을 사용할 수도 있다.
그리고 도면에 나타나 있지 않은 히터나 재킷 등에 의해 배양조(21) 안의 배양액(3)을 소정의 온도로 제어하면서, 기체 공급 유로(12)로부터 스파저(10)에 산소 등을 퍼 올리는 기체(가스), 예를 들면, 공기를 공급한다.
해당 스파저(10)로부터 배양액(3) 중에 공급되는 공기는 도 4에 나타내는 바와 같이 다공질체(19)의 내부 영역(10a)을 통해서, 작은 구멍(20)으로부터 배양액(3) 중에 입경이 예를 들면, 200㎛ 이하의 매우 작은 다수의 기포(마이크로버블)(13)로서 압출되어 와서, 예를 들면 당해 다공질체(19)의 외표면에 부착된다. 이들 기포(13)는 예를 들면 배양액(3)의 표면 장력에 의해 다공질체(19)의 표면 상에서 서로 합일(응집)하려고 하지만, 배양액(3) 중에는 전술한 바와 같이 계면활성작용을 가지는 첨가제가 포함되어 있으므로, 상기의 표면 장력의 작용이 작게 억제되기 때문에 합일을 억제할 수 있어서, 전술한 미세한 크기 상태로 배양액(3) 중에 방출되게 된다.
또, 전술한 바와 같이 다공질체(19)가 유리에 의해 구성되고 있고, 배양액(3)과의 젖음성이 높으므로, 당해 다공질체(19)의 표면에 있어서의 기포(13)의 합일이 더한층 억제할 수 있게 된다. 또, 상기의 도 4는 도시를 간략화하기 위해서 다공질체(19)의 편측에만 기포(13)를 묘사하고 있다.
그리고 배양액(3) 중에 있어서도, 첨가제의 계면활성작용에 의해, 동일하게 기포(13) 상호간의 합일을 억제할 수 있게 된다. 따라서 배양액(3)에 있어서의 기포(13)의 입경(기포직경)은 매우 미소하고 균일한 크기가 되고, 체적기준의 입도 분포에 있어서의 50% 직경(메디안 직경)이 200㎛ 이하의 마이크로버블이 된다. 그 때문에 예를 들면 종래 수mm 정도 혹은 300㎛ 이상의 크기의 기포를 배양액(3) 중에 버블링했을 경우와 비교해서, 기포(13)의 비표면적이 증가해서 공기(기포13)와 배양액(3)의 접촉면적이 커진다. 또, 상기의 체적기준의 입도 분포란 기포(13)의 개수를 카운트해서 산출한 입도 분포가 아니라, 기포(13)의 체적을 기준으로서 산출한 입도 분포를 나타내고 있다.
또, 상기 기포의 입경(50% 직경)은 후술하는 바와 같이, 작은 구멍의 직경과, 표면 장력에 의해 조정할 수 있고, 해당 작은 구멍의 직경과 표면 장력에 의해 소망하는 직경의 기포를 발생시킬 수 있게 된다.
이때, 기포(13)의 입경이 예를 들면 200㎛ 이하로 매우 작기 때문에, 당해 기포(13)는 거의 부력을 받지 않고, 말하자면 배양액(3) 중에 있어서 개략 정지한 상태가 된다. 따라서 배양액(3) 중에 있어서 기포(13)는 매우 온화하게 상승해서, 상기의 입경이 큰 경우보다도 배양액(3)과의 접촉 시간이 길어지게 된다.
또, 상기한 바와 같이 기포(13)의 입경이 매우 작으므로, 예를 들면, 300㎛ 이상의 입경의 기포와 비교해서 기포(13)의 내압(내부의 공기가 배양액(3) 중에 녹으려고 하는 힘)이 커진다. 이상의 점에서, 배양액(3) 중에 있어서 발생한 기포(12)는 배양액(13) 중에 빠르게 녹게 된다.
또, 상기 스파저(10)에 의한 기체의 배양용기(2) 내의 배양액(3)으로의 공급과 함께, 상기 왕복동 구동장치(7)에 의해, 상기 구동축(4) 및 그 하단부에 설치한 교반 날개(8)를 상하로 왕복 운동시켜서 교반(상하 진동 교반)을 하고, 상기 스파저(10)로부터 배양액(3) 중에 공급된 기포(13)를 배양액(3) 중에 확산시킨다.
또, 상기 교반 날개(8)의 왕복동(진동)은 초진동교반과 같은 고주파수에 의한 진동이 아니고, 5Hz 이하, 바람직하게는 2Hz 이하의 교반 날개의 상하동에 의거하는 저 전단작용에 의한 진동이다.
그리고 해당 상하동 교반에 의해, 그 교반 날개(8)의 단축(8b) 부분의 외방에 도 6의 D로 나타낸 바와 같이 상하류 강화영역이 형성되어 도 5에 나타내는 바와 같이, 큰 상하류와 이것에 따르는 선회류를 동반하는 대환류를 발생시킬 수 있게 되고, 상기 기포(13)를 배양용기(2) 내 전체에 널리 퍼지게 할 수 있게 된다.
또, 상기 교반 날개를 타원의 판상체로 하는 것에　의해, 해당 교반 날개의 네모서리를 호상으로 하고, 교반조 내의 상기 교반 날개의 장축 외방 흐름과 단축의 외방 흐름 사이에 강한 전단 작용이 생기는 것을 방지하고, 날개의 측방에 큰 상하류와 선회류를 동반하는 대순환류를 발생시킬 수 있다.
또, 배양액(3) 중의 세포(21)는 영양분과 함께 배양액(3) 중의 산소를 소비하고, 예를 들면 생성물과 이산화탄소를 생성한다. 그리고 시간의 경과와 함께, 배양액(3) 중의 세포(21)의 수량(개체 수)가 증가해 가므로, 세포(21)에 의한 산소의 소비량은 세포(21)의 배양을 계속할수록 많아져 간다. 따라서 배양액(3) 중에 녹아 있는 산소(용존 산소)는 시간의 경과와 함께 감소하려고 한다.
그러나 상기한 바와 같이 스파저(10)로부터 기포(13)를 배양액(3) 중에 공급하고, 상기 상하동 진동에 의해 배양용기 내 전체에 널리 퍼지게 하고 있는 것에　의해, 상기 기포(13)가 전술한 바와 같이 배양액(3) 중에 녹아 가기 때문에, 세포(21)에 의한 산소의 소비분이 보충되게 된다.
즉, 배양액(3) 중에 미소한 기포(13)를 공급하고, 교반시키는 것에　의해, 입경이 큰 기포를 공급하는 경우와 비교해서, 배양액(3) 중의 용존 산소 농도의 감소속도가 완만해게 되거나, 혹은 용존 산소의 감소를 억제할 수 있게 된다. 그리고 배양액(3)에 있어서 생성한 이산화탄소는 배기로(14)로부터 배기되게 된다. 이렇게 해서 세포(21)에 의한 영양분 및 산소의 소비와 세포(21)의 증가(배양)가 소정의 시간 이루어져서 영양 분이 없어지면, 세포(21)가 산소를 소비하지 않게 되므로, 배양액(3) 중의 용존 산소 농도가 급격하게 증가 하게 된다.
또, 비교적 부력이 큰, 예를 들면 300㎛ 이상의 기포라고 하여도, 상하류에 의해, 상승한 기포가 하방으로 환류되므로, 배양액(3)과의 접촉시간을 길게 할 수가 있고, 양호한 기체 흡착력을 달성할 수 있다.
상술한 실시형태에 의하면, 배양액(3) 중에 있어서 세포(21)의 배양을 실시하는 것에 즈음해서, 다공질체(19)에 공기를 공급해서 체적기준의 입도 분포에 있어서의 50% 직경이 200㎛ 이하의 매우 미소한 기포(13)를 발생 시키는 동시에, 단백질 가수분해물과 세포 보호제의 적어도 한쪽을 첨가제로서 배양액(3) 중에 포함되도록 하고 있다. 그 때문에 이 첨가제의 계면활성작용에 의해, 배양액(3) 중에 있어서의 기포(13)의 합일(응집)을 억제하고, 매우 미세한 입경의 기포(13)를 얻을 수 있으므로, 예를 들면 300㎛ 이상의 입경의 기포와 비교해서, 기액(기포(13) 및 배양액(3))의 접촉면적을 벌 수 있다.
또, 예를 들면, 500㎛ 이하의 기포로 해서, 비교적 부력이 큰 300㎛ 이상의 입경의 기포라 하여도, 상하류에 의해, 기포가 하방으로 환류되므로, 장시간, 배양액에 접촉시킬 수 있으므로, 양호한 기체흡착성능으로 할 수 있다.
또, 기포를 200㎛ 이하로 하면, 기포(13)의 부력을 매우 작게 억제할 수 있으므로, 상기의 입경의 큰 기포와 비교해서 배양액(3) 중에 있어서 기포(13)를 말하자면 정지상태로 유지할 수 있다. 그 때문에 기포(13)를 배양액(3)과 장시간에 걸쳐서 접촉시킬 수 있으므로, 배양액(3) 중에 산소를 신속하게 용해시킬 수 있다. 또, 미소한 기포(13)에 있어서는, 입경의 큰 기포와 비교해서, 내부의 공기가 기포(13)의 외측에 용해되려고 하는 압력이 높아지므로, 배양액(3)에 산소를 더한층 신속하게 용해시킬 수 있다.
또, 상기의 기포(13)를 얻기 위해서는 큰 기포를 파쇄하기 위한 격렬한 교반이 불필요하고, 상하동 교반에 의해, 저 전단작용으로 세포에 대미지를 주지 않고, 배양용기 내 전체를 교반할 수 있게 되어, 저 전단작용으로, 또, 양호한 교반을 달성할 수 있게 된다.
또, 기포(13)를 파쇄하는 필요가 없기 때문에, 기포(13)가 파열될 때의 충격에 의한 세포(21)에 대한 대미지를 억제할 수 있다. 또, 배양액(3)에 첨가제를 첨가하는 데 있어서, 배양액(3)이 세포(21)를 배양하기 위해서 사용하는 액체이기 때문에, 상기의 단백질 가수분해물이나 세포 보호제 이외에, 예를 들면 세포(21) 혹은 세포(21)의 배양에 대해서 유해한 물질을 배양액(3)에 투입할 수 없지만, 이 발명에서는, 세포(21)의 배양에 유익한 첨가제를 사용할 수 있다. 그 때문에 세포(21)의 배양에 악영향을 주지 않고, 배양액(3)에 산소를 신속하게 공급할 수 있다.
여기에서, 배양액(3) 중에 상기의 첨가제가 포함되어 있지 않은 경우에는 상기의 스파저(10)를 사용해서 미소한 기포(13)를 발생시켰다고 해도, 도 7에 나타내는 바와 같이 배양액(3)의 표면 장력에 의해 예를 들면 다공질체(19)의 표면에 있어서 기포(13)가 즉시 합일해버리어, 큰 기포가 생성되게 된다. 또, 이 도 7에 있어서도, 다공질체(19)의 편측에만 기포를 묘사하고 있다.
단, 상기의 첨가제를 포함시키지 않은 경우로서, 큰 기포가 생성되었다고 해도, 예를 들면, 생성되는 기포의 직경이 1mm 이하, 바람직하게는 500㎛ 이하라면, 상하류에 의해, 장시간, 기포를 배양액에 접촉시킬 수 있으므로, 양호한 가스 흡수 작용을 발휘시킬 수 있다.
또, 본원의 상하동 교반에 의해, 상하류와 이것에 동반하는 선회류가 발생하기 때문에, 상하방향으로 연장되는 스파저(10)를 상기 배양용기 내의 임의이 위치에 설치해도 해당 스파저(10)기 상기 대환류를 저해하는 경우가 없다.
또, 상기 상하방향으로 연장되는 관상의 스파저(10)를 상기 교반 날개(8)의 장축측의 외방에 설치하면, 완전하게, 대순환류를 저해하는 경우가 없이, 양호한 교반을 실현할 수 있다.
또, 상기 상하방향으로 연장되는 스파저(10)를 상기 상하류와 선회류가 발생기는 대환류의 중심에 설치하는 것에　의해, 대환류를 저해하지 않고, 양호한 교반을 실현할 수 있다.
또, 상하동 교반의 대신에, 회전 날개에 의한 교반을 했을 경우에는, 저 전단작용을 없애기 때문에, 완만한 회전으로 할 필요가 있지만, 이렇게 회전을 완만하게 하면, 배양액의 교반이 충분하지 않게 될 우려가 있지만, 본원 발명의 상하동 교반에 의하면, 상하방향의 진동 수에 관계없이, 저 전단작용을 유지할 수 있으므로, 충분한 배양액의 교반을 실시할 수 있고, 양호한 교반이 실현된다.
또, 상하동 교반의 대신에, 회전 날개에 의한 교반을 실시했을 경우에는, 상기 배양용기 내에 회전류가 발생하지만, 상하방향으로 연장되는 스파저(10)가 그 회전류를 저해하게 되어, 양호한 교반을 할 수 없는 동시에, 저 전단작용을 실현할 수 없게 되지만, 본원 발명에서는 그러한 경우가 없다.
또, 상기의 예에서는 공기 등의 산소를 포함하는 가스를 공급해서 세포(21)의 배양을 실시했지만, 이산화탄소를 포함하는 가스를 공급해서 식물 세포 또는 미세 조류 등의 식물을 배양하는 경우에 본 발명을 적용해도 좋다. 이 경우에 있어서도, 이산화탄소를 포함하는 가스가 미소한 기포(13)가 스파저(10)를 통해서 배양액(3) 중에 발생하므로, 전술의 예와 동일하게, 배양액(3)에 이산화탄소를 신속하게 용해시킬 수 있다. 이 경우에 있어서는, 기포(13)의 입경을 작게 하기 위해서(배양액(3)의 표면 장력을 내리기 위해서) 첨가하는 첨가제로서는 단백질 가수분해물이나 세포 보호제가 사용된다. 이 첨가제의 첨가량은 예를 들면 실험 등에 의해 적당하게 설정되게 된다.
또, 본 실시예에서는 구동축(4)을 늘어뜨려 설치하고, 상하방향으로 구동축(4)을 이동하는 예를 나타냈지만, 구동축(4)을 횡으로 설치하고, 횡방향로 이동하는 등, 구동축(4)을 임의의 방향을 향해서, 해당 임의의 방향으로 왕복 이동하게 할 수도 있다.
실시예
다음에, 미세한 기포(13)에 대해서 실시한 실험에 대해서 설명한다.
( 실시예 1)
우선, 동물세포를 배양하는 배양액(3)에 세포 보호제(DAIGO GF21)를 첨가했을 경우에 있어서, 전술한 스파저(10)(작은 구멍 직경(d)가 1㎛의 다공질체(19))에서 생성하는 기포(13)의 입도 분포를 측정했다. 이 입경은 레이저 회절 산란식 입도 분포계를 사용해서, 스파저(10)에 의해 기포(13)를 발생시킨 배양액(3)을 이 입도 분포계 내의 플로우 셀에 연속적으로 공급하고, 이 배양액(3)에 레이저광을 조사해서 당해 레이저 빛의 회절이나 산란을 평가하는 것에 의해서 측정했다.
그 결과, 세포 보호제의 첨가량이 1체적%의 경우에는, 도 8에 나타내는 바와 같이 체적기준의 입도 분포에 있어서의 50% 직경이 200㎛ 이하(124㎛)가 되고 있었다. 따라서 이 크기의 기포(13)에서는, 전술한 바와 같이 부력의 영향이 매우 작아지는 것으로 생각된다. 한편, 세포 보호제의 첨가량이 0.5%인 경우에는, 도 9에 나타내는 바와 같이 50% 직경이 238㎛가 되는 것을 알 수 있었다. 이러한 첨가제의 첨가량과 수득되는 기포(13)의 입경의 관계에 대해서, DAIGO GF21의 첨가량을 여러가지로 바꾸어서 기포(13)의 입경을 측정한 바, 도 10에 나타내는 결과가 수득되었다. 따라서 부력의 영향이 작다고 생각되는 200㎛ 이하의 입경의 기포(13)를 발생시키기 위해서는 1체적% 이상의 DAIGO GF21을 첨가할 필요가 있다는 것을 알 수 있었다.
( 실시예 2)
상기의 실시예 1과 동일하게, 첨가제의 첨가량과 생성하는 기포(13)의 입경과의 상관관계에 대해서, 첨가하는 첨가제의 종류 및 첨가량을 바꾸어서 실험을 실시했다.
우선, 전술한 바와 같이 배양액(3)의 표면 장력에 따라 발생하는 기포(13)의 입경이 변화되기 때문에, 입경이 200㎛ 이하의 미소한 기포(13)를 발생시키기 위해서 필요한 배양액(3)의 표면 장력이 어느 정도인지를 확인했다. 구체적으로는, 첨가제로서 DAIGO GF21을 사용하는 동시에, 이 첨가제의 첨가량을 여러가지로 바꾼 배양액(3) 중에 있어서 전술의 스파저(10)에 의해 기포(13)를 발생시키고, 이 배양액(3)의 표면 장력과 발생한 기포(13)의 입경을 측정했다. 그 결과, 도 11에 나타내는 바와 같이 배양액(3)의 표면 장력과 발생하는 기포(13)의 입경에는 직선적인 상관관계가 인정되고, 이 관계는 이하의 식(1)으로 나타나는 것을 알 수 있었다.
y = 28.98x - 1292 ㆍㆍㆍ(1)
상기 식(1)에서, 전술한 바와 같이 200㎛ 이하의 미소한 입경의 기포(13)를 발생시키기 위해서는 배양액(3)의 표면 장력을 51.5dyne/cm 이하로 할 필요가 있는 것을 알 수 있었다.
그래서, 이하의 표 1∼3에 나타내는 첨가제에 대해서, 각각의 농도를 바꾸어서 첨가했을 때의 배양액(3)에 대해서 표면 장력을 평가했다. 그리고 이러한 미소한 기포(13)가 생성하는 것으로 생각되는 경우(표면 장력이 51.5dyne/cm 이하)를 ○으로 하고, 이것보다도 큰 입경의 경우(표면 장력이 51.5dyne/cm 보다 크다)에는 ×로 했다. 이 결과를 이하의 표 1∼3에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
이 결과로부터, 부력의 영향 작을 것으로 생각되는 입경이, 예를 들면, 200㎛ 이하의 기포(13)를 얻기 위해서는, 첨가제의 종류에 따라 첨가량을 조정할 필요가 있다는 것을 알 수 있었다.
( 실시예 3)
다음에, 미생물을 배양하는 배지(표면 장력: 48.6dyne/cm)에 있어서, 기포(13)의 기포직경과 다공질체(19)의 작은 구멍 직경(d)의 대응관계를 측정한 바, 도 12에 나타내는 결과가 수득되었다. 이 결과에 의거해서 상기의 대응관계를 근사하는 1차 식을 산출한 바,
y = 3.4x + 17.5 ㆍㆍㆍ(2)
를 얻을 수 있었다(x: 다공질체(19)의 작은 구멍 직경, y: 기포(13)의 입경(50% 직경)). 이 때의 R2 값은 1.0이고, 따라서, 상기 식(2)에 의해, 배양액(3) 중의 기포(13)의 입경으로부터 다공질체(19)의 작은 구멍 직경(d)을 매우 높은 정도로 산출할 수 있음을 알 수 있다. 그리서, 상기의 부력의 영향이 매우 적을 것으로 생각되는 기포(13)의 입경(200㎛)에 대응하는 다공질체(19)의 작은 구멍 직경(d)을 산출하면, 50㎛가 되는 것을 알 수 있었다. 따라서 예를 들면, 작은 구멍 직경(d)이 50㎛ 이하의 다공질체(19)를 사용하는 것에　의해, 부력의 영향이 매우 작은 미세한 기포(13)를 수득할 수 있게 된다.
(산업상의 이용가능성)
본 발명의 왕복동 교반장치는 의료품 관계, 식품관계 등에서의 분야에서 이용된다.
1: 왕복동 교반장치
2: 배양용기
2a: 정상면부
3: 배양액
4: 구동축
5: 개구부
6: 지지부
7: 왕복 구동장치
8: 교반 날개
8a: 장축
8b: 단축
9: 미세 기포 발생장치
10: 스파저
10a: 내부 영역
11: 기체 저류부
12: 기체 공급 유로
13: 기포
14: 배기로
15: 니들 밸브
16: 압력계
17: 유량계
18: 볼 밸브
19: 다공질체
20: 작은 구멍
21: 세포

Claims (6)

  1. 피교반물이 삽입되는 교반용기와, 해당 교반용기 내에 설치된 왕복동하는 구동축과, 해당 구동축에 교차하도록 연결 고정된 교반 날개와, 미세 기포 발생장치로 이루어지고,
    해당 미세 기포 발생장치는 다공질체로 이루어지는 스파저와, 해당 스파저에 기체를 공급하는 기체 공급수단으로 이루어지며,
    해당 기체 공급수단에 의해 상기 스파저에 공급된 기체가, 상기 다공질체의 작은 구멍을 통해서 상기 피교반물 내에 기포가 발생되는 것을 특징으로 하는 미세 기포 발생장치를 가지는 왕복동 교반장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공질체는 시라수 다공성 유리로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기포 발생장치를 가지는 왕복동 교반장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 교반 날개는 장축과 단축으로 이루어지는 직사각형 또는 타원형 또는 계란형인 것을 특징으로 하는 왕복동 교반장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피교반물에 첨가되는 표면 장력 조정제를 추가로 가지는 것을 특징으로 하는 미세 기포 발생장치를 가지는 왕복동 교반장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 다공질체의 작은 구멍의 직경과, 상기 표면 장력 조정제의 양을 조정하는 것에　의해, 상기 미세 기포 발생장치로부터 소망하는 직경의 기포를 발생시키는 것을 특징으로 하는 미세 기포 발생장치를 가지는 왕복동 교반장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스파저는 상기 구동축의 축방향으로 연장되는 관상이고, 해당 스파저는 상기 교반 날개의 장축 외방으로 설치된 것을 특징으로 하는 미세 기포 발생장치를 가지는 왕복동 교반장치.
KR1020167036609A 2014-07-01 2015-06-16 미세 기포 발생장치를 가지는 왕복동 교반장치 KR20170010858A (ko)

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JP2014135678 2014-07-01
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