WO2020050069A1 - アンモニア吸着剤およびアンモニアの除去方法 - Google Patents
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- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N5/00—Undifferentiated human, animal or plant cells, e.g. cell lines; Tissues; Cultivation or maintenance thereof; Culture media therefor
- C12N5/0018—Culture media for cell or tissue culture
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- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N5/00—Undifferentiated human, animal or plant cells, e.g. cell lines; Tissues; Cultivation or maintenance thereof; Culture media therefor
- C12N5/06—Animal cells or tissues; Human cells or tissues
- C12N5/0602—Vertebrate cells
- C12N5/0696—Artificially induced pluripotent stem cells, e.g. iPS
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2220/00—Aspects relating to sorbent materials
- B01J2220/40—Aspects relating to the composition of sorbent or filter aid materials
- B01J2220/42—Materials comprising a mixture of inorganic materials
Definitions
- the present invention relates to an ammonia adsorbent and a method for removing ammonia.
- cells required for mass culture include antibody-producing cells such as Chinese hamster ovary cells (CHO cells) and pluripotent stem cells such as embryonic stem cells (ES cells) and induced pluripotent stem cells (iPS cells). . If these cells and the like can be stably cultured in large amounts for a long period of time, it is possible to efficiently produce a biological material such as a monoclonal antibody or a differentiation-inducing tissue derived from pluripotent stem cells.
- CHO cells Chinese hamster ovary cells
- pluripotent stem cells such as embryonic stem cells (ES cells) and induced pluripotent stem cells (iPS cells).
- Patent Document 1 discloses a cell culture device in which a cell culture tank and a component adjustment liquid tank are connected by a liquid feed line provided with a culture liquid component adjustment membrane that allows components to pass through depending on the concentration difference. It has been disclosed.
- the concentration of waste products accumulated in the culture solution decreases in the culture solution by moving to the component adjusting solution side.
- the nutrients whose concentration has decreased during the culturing are transferred from the component adjusting solution to the culturing solution and replenished. Thereby, the environment in the culture solution is maintained in a state suitable for cell culture.
- the culture solution itself was used as the component adjusting solution.
- the cell culture device disclosed in Patent Document 1 removes wastes from a culture solution using the principle of dialysis. Therefore, in order to realize sufficient removal of waste products, the volume of the component adjusting liquid tank is set to be at least 10 times the volume of the cell culture tank. For this reason, there is a problem that the required amount of liquid is enormous and the cost is high. In particular, when the culture solution itself is used as the component adjusting solution, a large amount of expensive medium is consumed, and the cost is further increased. In addition, when removing waste products using dialysis technology, there is another problem that the structure of the culture device becomes complicated.
- ammonia is often desired to be removed not only from a culture solution of cells and the like but also from other solution systems. Therefore, a new ammonia removal technique using a technique other than the dialysis technique is strongly desired.
- the present invention has been made in view of such circumstances, and one of its objects is to provide a novel ammonia removal technology.
- one embodiment of the present invention is an ammonia adsorbent.
- the ammonia adsorbent contains at least one substance selected from the group consisting of L-type zeolite, ferrierite, ZSM-5-type zeolite, strongly acidic cation exchange resin and Prussian blue-type complex. According to this aspect, a novel ammonia removal technique can be provided.
- the ammonia adsorbent may be brought into contact with a solution containing ammonia to adsorb the ammonia in the solution.
- the solution may be a culture solution of cells or microorganisms containing glucose.
- the amount of the ammonia adsorbent added to the solution may be more than 0.0005 g / mL and less than 0.2 g / mL.
- the strongly acidic cation exchange resin may be an H-type strongly acidic cation exchange resin.
- Another embodiment of the present invention is a method for removing ammonia.
- the removal method includes bringing the ammonia adsorbent of any of the above embodiments into contact with ammonia.
- a novel ammonia removal technology can be provided.
- 1A to 1D are schematic views for explaining a method for removing ammonia according to an embodiment. It is a figure which shows the ammonia adsorption rate of the ammonia adsorbent in an ammonia aqueous solution. It is a figure which shows the glucose adsorption rate of the ammonia adsorbent in the aqueous solution of ammonia and glucose. It is a figure which shows the ammonia adsorption rate and the glucose adsorption rate of the ammonia adsorbent in a cell culture solution.
- the present inventors have conducted intensive studies on a technique for removing ammonia, and have found an adsorbent that can adsorb ammonia with high selectivity.
- the ammonia adsorbent according to the present embodiment is at least one selected from the group consisting of L-type zeolite, ferrierite, ZSM-5 type zeolite, strongly acidic cation exchange resin and Prussian blue type complex. Containing the substance. By bringing an ammonia adsorbent containing these substances into contact with ammonia, ammonia can be adsorbed.
- the ammonia adsorbent of the present embodiment can be suitably used when adsorbing and removing ammonia in a solution.
- the ammonia in the solution can be adsorbed by bringing the ammonia adsorbent into contact with the ammonia-containing solution. Thereby, ammonia can be removed.
- a plurality of types of ammonia adsorbents having different constituent materials may be mixed and used.
- L-type zeolite synthetic zeolites such as 500KOA (Tosoh Corporation) and HS-500 (Fuji Film Wako Pure Chemical Industries) can be used.
- the cation retained by these L-type zeolites is K (potassium).
- the retained ion is preferably K, but may be an alkali metal such as Na, Li, Rb, Ce, Ba, Ca, Mg, Sr, La, Al, or Fe, an alkaline earth metal, or a lanthanoid.
- synthetic zeolites such as 720KOA (Tosoh Corporation) and HS-720 (Fuji Film Wako Pure Chemical Industries) can be used.
- the cation retained by these ferrierites is K (potassium).
- the retained ion is preferably K, but may be an alkali metal such as Na (770 NAA), Li, Rb, Ce, Ba, Ca, Mg, Sr, La, Al, or Fe, an alkaline earth metal, or a lanthanoid.
- ZSM-5 type zeolite synthetic zeolites such as 822HOA, 840HOA, 890HOA, 891HOA (all of which are manufactured by Tosoh Corporation) can be used.
- the cation retained by these ZSM-5 zeolites is H (hydrogen).
- zeolites L-type zeolite, ferrierite and ZSM-5-type zeolite
- zeolites have a basic skeleton composed of silicon oxide, and some silicon in the basic skeleton is substituted by aluminum. Therefore, the entire crystal is negatively charged.
- Zeolites retain cations in the zeolite pores to maintain electrical neutrality. Cations are reversibly exchangeable. When the retained ion of the zeolite is K or H, ammonia (ammonium ion) can be adsorbed better.
- the strongly acidic cation exchange resin includes an H-type strongly acidic cation exchange resin in which -SO 3 H is bonded as an ion exchange group to a basic skeleton obtained by polymerizing styrene and divinylbenzene, and -SO 3 Na as an ion exchange group. And a strongly acidic cation exchange resin of Na type to which is bonded.
- the above-mentioned PL216LH is H type
- PK216, SK112L and C150 are Na type.
- Ammonia is adsorbed by ion exchange between H + or Na + of the exchange group and ammonium ion.
- the strongly acidic cation exchange resin is an H-type strongly acidic cation exchange resin.
- the ammonia adsorbent of the present embodiment when the solution is a culture solution of glucose-containing cells or microorganisms, the ammonia to be removed as compared with glucose to be left in the culture solution is highly selective. Can be adsorbed. Further, it is preferable to select an ammonia adsorbent having low toxicity to cells and microorganisms.
- the type of the culture solution is not particularly limited.
- the amount of the ammonia adsorbent added to the solution is preferably more than 0.0005 mg / mL, and more preferably 0.005 g / mL or more. Further, the addition amount is preferably less than 0.2 g / mL, and more preferably 0.1 g / mL or less.
- the amount of the ammonia adsorbent can be more than 0.0005 mg / mL, the ammonia adsorption rate can be more reliably increased. Further, by setting the addition amount to 0.005 g / mL or more, an ammonia adsorption rate of 10% or more in the culture solution can be obtained. Thereby, the amount of ammonia in the solution can be more reliably reduced.
- the ammonia adsorption rate is a ratio of the amount of adsorbed ammonia to the total amount of ammonia in the solution.
- the addition amount of the ammonia adsorbent is the ratio of the amount of glucose adsorbed to the total amount of glucose in the solution.
- cultured cells include pluripotent stem cells such as human iPS cells, human ES cells, and human Muse cells; somatic stem cells such as mesenchymal stem cells (MSC cells) and nephron precursor cells; human proximal tubular epithelial cells; Tissue cells such as distal tubular epithelial cells and human collecting duct epithelial cells; antibody-producing cell lines such as human embryonic kidney cells (HEK293 cells); humans such as Chinese hamster ovary cells (CHO cells) and insect cells (SF9 cells) Other antibody-derived cell lines derived from animals. Since these cells are cells for which large-scale culture is particularly desired, they are more preferable as targets to which the ammonia adsorbent according to the present embodiment is used.
- pluripotent stem cells such as human iPS cells, human ES cells, and human Muse cells
- somatic stem cells such as mesenchymal stem cells (MSC cells) and nephron precursor cells
- the method for removing ammonia according to the present embodiment includes bringing the above-mentioned ammonia adsorbent into contact with ammonia (ammonium ions).
- the method includes contacting an ammonia adsorbent with a solution containing ammonia.
- the method for bringing the ammonia adsorbent into contact with ammonia is not particularly limited, but the following embodiments are exemplified.
- 1A to 1D are schematic diagrams for explaining a method for removing ammonia according to an embodiment.
- the removal of ammonia from the culture solution will be described as an example, but the removal of ammonia from other solutions can be similarly performed.
- an adsorption module 6 in which a container 2 such as a column is filled with an ammonia adsorbent 4 is prepared.
- the container 2 has an inlet 2a and an outlet 2b that communicate the inside and the outside of the container 2.
- the ammonia adsorbent 4 is, for example, in the form of particles.
- the adsorption module 6 is connected to a culture vessel 10 such as a spinner flask via a circulation path 8.
- the circulation path 8 includes a forward path 8a connecting the culture container 10 and the inlet 2a of the container 2, and a return path 8b connecting the outlet 2b of the container 2 and the culture container 10.
- the pump 12 is connected in the middle of the outward route 8a.
- the culture vessel 10 contains a culture solution 14 and cells 16. Note that the pump 12 may be arranged on the return path 8b.
- the culture solution 14 is sucked from the culture container 10 and sent into the container 2 of the adsorption module 6 via the outward path 8a.
- the culture solution 14 sent into the container 2 is returned to the culture container 10 via the return path 8b.
- the culture solution 14 comes into contact with the ammonia adsorbent 4 filled in the container 2 in the process of circulating between the culture container 10 and the adsorption module 6.
- the ammonia in the culture solution 14 is adsorbed by the ammonia adsorbent 4.
- a filter (not shown) is provided at an end of the outward path 8a on the side connected to the culture vessel 10.
- a medium component such as glucose or protein necessary for culturing the cells 16 may be replenished to the culture solution 14.
- the ammonia adsorbent 4 is supported on the inner wall surface of the culture vessel 10.
- the culture container 10 contains a culture solution 14 and cells 16. Therefore, the culture solution 14 comes into contact with the ammonia adsorbent 4 exposed on the inner wall surface of the culture vessel 10. Thereby, the ammonia in the culture solution 14 can be adsorbed by the ammonia adsorbent 4.
- the culture vessel 10 include a spinner flask, a petri dish, a well plate, a cell culture insert, and microspheres.
- a method of supporting the ammonia adsorbent 4 on the inner wall surface of the culture vessel 10 for example, a method of adhering the ammonia adsorbent 4 to the inner wall surface of the culture vessel 10, or in the case where the culture vessel 10 is made of resin
- a method of molding the culture vessel 10 with a resin mixed with the ammonia adsorbent 4 is exemplified. That is, in the second embodiment, the ammonia in the culture solution 14 is removed by using the culture device including the culture container 10 and the ammonia adsorbent 4 supported on the inner wall surface of the culture container 10.
- the culture vessel 10 has a structure in which the inside of the vessel is divided into an upper stage 10a and a lower stage 10b by a diaphragm 18 such as a porous membrane.
- a cell culture insert is exemplified.
- the upper layer 10a contains the culture solution 14 and the cells 16, and the lower layer 10b contains the culture solution 14 and the ammonia adsorbent 4.
- the culture solution 14 can pass between the upper layer 10a and the lower layer 10b through the diaphragm 18.
- the cells 16 and the ammonia adsorbent 4 cannot pass through the diaphragm 18.
- the culture solution 14 contacts the ammonia adsorbent 4 stored in the lower stage 10b.
- the ammonia in the culture solution 14 can be adsorbed by the ammonia adsorbent 4. That is, in the third embodiment, the culture vessel 10, the ammonia adsorbent 4, and the diaphragm partitioning the inside of the culture vessel 10 into a first space in which the ammonia adsorbent 4 is stored and a second space in which the cells 16 are stored. 18, ammonia in the culture solution 14 is removed.
- the particulate ammonia adsorbent 4 is dispersed, sedimented or suspended in the culture solution 14.
- the ammonia in the culture solution 14 can be adsorbed by the ammonia adsorbent 4.
- the ammonia adsorbent 4 preferably has a predetermined size or more, for example, 10 ⁇ m or more, in order to prevent the cells 16 from being phagocytosed. That is, in the fourth embodiment, the ammonia in the culture solution 14 is removed by using the culture device including the culture container 10 and the ammonia adsorbent 4 added to the culture solution 14 in the culture container 10. .
- the ammonia adsorbent is coated with a resin such as polyvinyl alcohol or alginic acid, or a biological gel such as collagen or gelatin.
- a resin such as polyvinyl alcohol or alginic acid
- a biological gel such as collagen or gelatin.
- the ammonia adsorbent is formed by kneading a ceramic binder, a resin binder, a bio-derived gel or the like, and an L-type zeolite or the like. This also makes it possible to suppress the outflow of the fine particles.
- the ceramic binder include an alumina binder and colloidal silica.
- the resin binder include alginic acid, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, and the like.
- the living body-derived gel include collagen, gelatin and the like.
- the detection method is not particularly limited, but it is preferable to use a medium component analyzer. Further, the ammonia concentration can be detected by using a colorimetric method using a predetermined measurement reagent, an enzyme electrode method utilizing the substrate specificity of the enzyme, high performance liquid chromatography (HPLC), or the like.
- the ammonia adsorbent according to the present embodiment is at least one selected from the group consisting of L-type zeolite, ferrierite, ZSM-5 type zeolite, strongly acidic cation exchange resin and Prussian blue type complex. Contains species of substances.
- the method for removing ammonia according to the present embodiment includes bringing the ammonia adsorbent into contact with ammonia.
- ammonia can be removed without using a huge amount of solution. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide a novel ammonia removal technique capable of removing ammonia at low cost. Further, since the ammonia can be removed only by bringing the ammonia adsorbent into contact with the ammonia-containing solution, according to the present embodiment, the structure of the culture device can be simplified.
- the amount of the culture solution used can be reduced as compared with the conventional dialysis technique.
- a culture solution is expensive, further cost reduction can be achieved.
- cells can be cultured at a high density in a large amount by removing ammonia.
- the removal of ammonia enables high-density mass culture of the cells, as well as the undifferentiated state of the cells, that is, the pluripotency of the cells (pluripotency of pluripotency). ) Can be maintained. Therefore, it is possible to obtain a large amount of cells suitable for producing a biological material and preparing a differentiation-inducing tissue. As a result, costs required for drug production and regenerative medicine can be reduced.
- the ammonia adsorbent of the present embodiment can adsorb ammonia with high selectivity to glucose which is a useful component. For this reason, more efficient cell culture becomes possible. Therefore, the ammonia adsorbent of the present embodiment is particularly useful for removing ammonia from a culture solution containing glucose.
- the ammonia adsorbent of the present embodiment may be used in combination with another cell waste adsorbent.
- the adsorbents used are as follows. Ceramics (SiO 2 : Kanto Chemical) Activated carbon (Fuji Film Wako Pure Chemical) Metal oxide (MgO: Kanto Chemical) L-type zeolite (500KOA: Tosoh Corporation) Ferrierite (720KOA: Tosoh Corporation) Mordenite (642NAA: Tosoh Corporation) Y-type zeolite (320NAA: Tosoh Corporation) ZSM-5 type zeolite (822HOA: Tosoh Corporation) Porous H-type strongly acidic cation exchange resin (PK216LH: Mitsubishi Chemical Corporation) Porous Na-type strongly acidic cation exchange resin (PK216: Mitsubishi Chemical Corporation) Gel type strongly acidic cation exchange resin of Na type (SK112L: Mitsubishi Chemical Corporation) Prussian blue type complex (Prussian blue: Kanto Chemical Co., Ltd.) The cation held by the mordenite and the Y-type zeolite is Na.
- the gel type in the strongly acidic cation exchange resin is constituted by a three-dimensional structure of a polymer of styrene and divinylbenzene.
- the porous type has a porous structure in which pores are physically provided in a gel type three-dimensional structure.
- Adsorption rate (%) [concentration before adsorption ⁇ concentration after adsorption] / concentration before adsorption ⁇ 100
- FIG. 2 is a diagram showing the ammonia adsorption rate of an ammonia adsorbent in an aqueous ammonia solution.
- an adsorbent concentration of 0.025 g / mL L-type zeolite (500KOA), ferrierite (720KOA), ZSM-5-type zeolite (822HOA), and H-type strongly acidic cation exchange resin (PK216LH) , Na-type strongly acidic cation exchange resin (PK216 and SK112L), and Prussian blue type complex (Prussian blue), the ammonia adsorption rate was 20% or more.
- L-type zeolite, ferrierite, ZSM-5-type zeolite, strongly acidic cation exchange resin and Prussian blue-type complex had excellent ammonia adsorption ability.
- the strongly acidic cation exchange resin the H-type strongly acidic cation exchange resin (PK216LH) has a higher ammonia adsorption capacity than the Na-type strongly acidic cation exchange resin (PK216 and SK112L). It was confirmed that.
- L-type zeolite (500KOA), ferrierite (720KOA), ZSM-5-type zeolite (822HOA), H-type strong acidic cation exchange resin (PK216LH), Na Type strongly acidic cation exchange resins (PK216 and SK112L) and Prussian blue type complex (Prussian blue) were added to the aqueous solution of each flask.
- ceramics (SiO 2 ), activated carbon and metal oxide (MgO) were also added to the aqueous solution of the flask. The amount of each adsorbent was 0.5 g. Therefore, the concentration of the adsorbent is 0.025 g / mL. And it shook at 37 degreeC and 150 rpm for 24 hours.
- FIG. 3 is a diagram showing a glucose adsorption rate of an ammonia adsorbent in an aqueous solution of ammonia and glucose.
- Ceramics (SiO 2 ) had a glucose adsorption rate of 0%, but as described above, the ammonia adsorption rate was low, and it was confirmed that the performance was lower than that of the ammonia adsorbent of the present embodiment.
- Ammonium chloride (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to a pluripotent stem cell medium (StemFit AK02N: Ajinomoto Co.) to prepare a medium having a glucose concentration of 250 mg / mL and an ammonia (ammonium ion) concentration of 10 mM. 20 mL of this medium was dispensed into a plurality of 50 mL tubes (ThermoFisher Scientific). In addition, 0.5 g (0.025 g / mL) of various adsorbents was added to the culture medium of each tube.
- the adsorbent includes L-type zeolite (500KOA), ferrierite (720KOA), ZSM-5-type zeolite (822HOA), porous H-type strongly acidic cation exchange resin (PK216LH) and Prussian blue-type complex (Prussian blue) was used. Then, it was shaken at 37 ° C., 60 times / minute for 24 hours.
- the culture solution and the adsorbent were separated with a 0.22 ⁇ m filter.
- the ammonia concentration in the cell culture was measured using Ammonia Assay Kit (Sigma-Aldrich), and the glucose concentration in the cell culture was measured using a blood gas analyzer (ABL800 FLEX: Radiometer). . Further, based on the above formula, the adsorption rate of ammonia and the adsorption rate of glucose in each adsorbent were calculated.
- FIG. 4 shows the results.
- the above-mentioned adsorption test was carried out by changing the amount of addition to the medium, and the ammonia adsorption rate and the glucose adsorption rate were calculated.
- the addition amount (concentration) is 0.01 g (0.0005 g / mL), 0.1 g (0.005 g / mL), 0.5 g (0.025 g / mL), 1.0 g (0.05 g / mL). , 2.0 g (0.1 g / mL) and 4.0 g (0.2 g / mL).
- FIG. 4 shows the results.
- FIG. 4 is a diagram showing the ammonia adsorption rate and the glucose adsorption rate of the ammonia adsorbent in the cell culture solution.
- an adsorbent concentration of 0.025 g / mL although slightly decreased as compared with the case of the aqueous solution, L-type zeolite, ferrierite, ZSM-5-type zeolite, and strongly acidic It was confirmed that the ion-exchange resin and the Prussian blue-type complex could adsorb ammonia. Further, the glucose adsorption rate was 20% or less. From this, it was confirmed that these adsorbents also highly selectively adsorb ammonia to glucose in the cell culture solution.
- ammonia could be adsorbed at any adsorbent concentration.
- a better ammonia adsorption rate was obtained when the adsorbent concentration was more than 0.0005 g / mL, and more preferably 0.005 g / mL or more.
- the ammonia adsorption rate at each adsorbent concentration was higher than the glucose adsorption rate.
- these adsorbents had a maximum glucose adsorption of 32%. From these results, it was confirmed that these adsorbents were suitable for removing ammonia from the culture medium at any concentration of adsorbent.
- the present invention can be used for an ammonia adsorbent and a method for removing ammonia.
- ⁇ 2 ⁇ container ⁇ 4 ⁇ ammonia adsorbent, ⁇ 6 ⁇ adsorption module, ⁇ 8 ⁇ circulation path, ⁇ 10 ⁇ culture vessel, ⁇ 12 ⁇ pump, ⁇ 14 ⁇ culture solution, ⁇ 16 ⁇ cell, ⁇ 18 ⁇ diaphragm.
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Abstract
アンモニア吸着剤4は、L型ゼオライト、フェリエライト、ZSM-5型ゼオライト、強酸性陽イオン交換樹脂およびプルシアンブルー型錯体からなる群から選択される少なくとも1種の物質を含む。
Description
本発明は、アンモニア吸着剤およびアンモニアの除去方法に関する。
近年、医薬品製造や再生医療などの分野において、細胞や微生物を人工的に効率よく大量培養することが求められている。大量培養が求められる細胞としては、チャイニーズハムスター卵巣細胞(CHO細胞)等の抗体産生細胞、胚性幹細胞(ES細胞)や人工多能性幹細胞(iPS細胞)等の多能性幹細胞等が挙げられる。これらの細胞等を長期間安定的に大量培養できれば、モノクローナル抗体等の生体物質や多能性幹細胞由来の分化誘導組織を効率よく生産することができる。
細胞等を工業的に大量培養する方法としては、スピナーフラスコ等の培養槽を用いた浮遊攪拌培養が考えられる。一方、浮遊攪拌培養では設備規模が大きくなる傾向がある。したがって、コストの削減を図るために、細胞等の培養密度を高めることが有効である。しかしながら、培養密度を高めていくと、細胞等の増殖が抑えられることが知られている。これは、細胞等の高密度化によって培養液(液体培地)中の老廃物(代謝物)の濃度が上昇し、これにより細胞等の増殖活性が低下するためである。細胞等に影響を与える老廃物の代表的なものとしては、アンモニアが知られている。
したがって、細胞等を高密度状態で安定的に増殖させるためには、培養液中に蓄積するアンモニアを除去することが望ましい。これに対し、例えば特許文献1には、濃度差に依存して成分を透過させる培養液成分調整膜を設けた送液ラインによって、細胞培養槽と成分調整液槽とを接続した細胞培養装置が開示されている。この細胞培養装置では、培養液中に蓄積した老廃物は、成分調整液側に移動することで培養液中での濃度が低下する。同時に、培養中に濃度が低下した栄養分は、成分調整液から培養液へ移動して補充される。これにより、培養液中の環境が細胞培養に適した状態に維持される。なお、成分調整液には、培養液そのものが用いられていた。
特許文献1に開示される細胞培養装置は、透析の原理を利用して培養液から老廃物を除去していた。したがって、十分な老廃物の除去を実現するために、成分調整液槽の容積を細胞培養槽の容積の10倍以上に設定していた。このため、必要な液量が莫大でコストがかかるという課題があった。特に、成分調整液に培養液そのものを用いる場合には、高価な培地を大量に消費することになり、より一層のコストがかかってしまう。また、透析技術を利用して老廃物を除去する場合、培養装置の構造が複雑になるという課題もあった。
また、アンモニアは、細胞等の培養液に限らず、他の溶液系においても除去が望まれることが多い。このため、透析技術以外の手法を用いた新規なアンモニア除去技術が強く望まれる。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的の1つは、新規なアンモニア除去技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様はアンモニア吸着剤である。このアンモニア吸着剤は、L型ゼオライト、フェリエライト、ZSM-5型ゼオライト、強酸性陽イオン交換樹脂およびプルシアンブルー型錯体からなる群から選択される少なくとも1種の物質を含む。この態様によれば、新規なアンモニア除去技術を提供することができる。
上記態様において、アンモニア吸着剤は、アンモニアを含有する溶液に接触して、溶液中のアンモニアを吸着してもよい。また、溶液は、グルコースを含有する、細胞または微生物の培養液であってもよい。また、アンモニア吸着剤の溶液への添加量は、0.0005g/mL超0.2g/mL未満であってもよい。また、強酸性陽イオン交換樹脂は、H型強酸性陽イオン交換樹脂であってもよい。
本発明の別の態様は、アンモニアの除去方法である。当該除去方法は、上記いずれかの態様のアンモニア吸着剤を、アンモニアに接触させることを含む。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、新規なアンモニア除去技術を提供することができる。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一又は同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に「第1」、「第2」等の用語が用いられる場合には、この用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
本発明者らは、アンモニアの除去技術について鋭意検討を重ね、アンモニアを高選択的に吸着することができる吸着剤を見出した。具体的には、本実施の形態に係るアンモニア吸着剤は、L型ゼオライト、フェリエライト、ZSM-5型ゼオライト、強酸性陽イオン交換樹脂およびプルシアンブルー型錯体からなる群から選択される少なくとも1種の物質を含む。これらの物質を含むアンモニア吸着剤をアンモニアに接触させることで、アンモニアを吸着させることができる。
特に、本実施の形態のアンモニア吸着剤は、溶液中のアンモニアを吸着除去する場合に、好適に用いることができる。この場合、アンモニア吸着剤をアンモニア含有溶液に接触させることで、溶液中のアンモニアを吸着させることができる。これにより、アンモニアを除去することができる。構成する物質が異なる複数種のアンモニア吸着剤を混合して用いてもよい。
L型ゼオライトとしては、500KOA(東ソー社)、HS-500(富士フィルム和光純薬社)等の合成ゼオライトを用いることができる。これらのL型ゼオライトが保持する陽イオンはK(カリウム)である。保持イオンはKが好ましいが、Na、Li、Rb、Ce、Ba、Ca、Mg、Sr、La、Al、Fe等のアルカリ金属、アルカリ土類金属またはランタノイドであってもよい。
フェリエライトとしては、720KOA(東ソー社)、HS-720(富士フィルム和光純薬社)等の合成ゼオライトを用いることができる。これらのフェリエライトが保持する陽イオンはK(カリウム)である。保持イオンはKが好ましいが、Na(770NAA)、Li、Rb、Ce、Ba、Ca、Mg、Sr、La、Al、Fe等のアルカリ金属、アルカリ土類金属またはランタノイドであってもよい。
ZSM-5型ゼオライトとしては、822HOA、840HOA、890HOA、891HOA(いずれも東ソー社)等の合成ゼオライトを用いることができる。これらのZSM-5型ゼオライトが保持する陽イオンはH(水素)である。
これらのゼオライト(L型ゼオライト、フェリエライトおよびZSM-5型ゼオライト)は、酸化ケイ素からなる基本骨格を有し、基本骨格中の一部のケイ素がアルミニウムに置換されている。このため、結晶全体が負に帯電している。ゼオライトは、電気的中性を保つために、ゼオライト細孔中に陽イオンを保持する。陽イオンは、可逆的に交換可能である。ゼオライトの保持イオンがKまたはHである場合に、より良好にアンモニア(アンモニウムイオン)を吸着することができる。
強酸性陽イオン交換樹脂としては、PK216LH、PK216、SK112L(いずれも三菱化学社)、C150(ピュロライト社)等を用いることができる。強酸性陽イオン交換樹脂には、スチレンとジビニルベンゼンとが重合した基本骨格に、イオン交換基として-SO3Hが結合したH型強酸性陽イオン交換樹脂と、イオン交換基として-SO3Naが結合したNa型強酸性陽イオン交換樹脂とが含まれる。上述のPL216LHはH型であり、PK216、SK112LおよびC150はNa型である。交換基のH+またはNa+とアンモニウムイオンとがイオン交換することで、アンモニアが吸着される。好ましくは、強酸性陽イオン交換樹脂は、H型強酸性陽イオン交換樹脂である。
また、本実施の形態のアンモニア吸着剤は、溶液が、グルコースを含有する細胞または微生物の培養液であった場合に、培養液中に残すべきグルコースに比べて除去対象であるアンモニアを高選択的に吸着することができる。また、アンモニア吸着剤は、細胞や微生物に対する毒性が低いものを選択することが好ましい。なお、培養液の種類は特に限定されない。
また、溶液へのアンモニア吸着剤の添加量、言い換えれば溶液中のアンモニア吸着剤の濃度は、好ましくは0.0005mg/mL超であり、より好ましくは0.005g/mL以上である。また、当該添加量は、好ましくは0.2g/mL未満であり、より好ましくは0.1g/mL以下である。アンモニア吸着剤の添加量を0.0005mg/mL超とすることで、アンモニア吸着率をより確実に高めることができる。また、添加量を0.005g/mL以上とすることで、培養液中で10%以上のアンモニア吸着率を得ることができる。これにより、より確実に溶液中のアンモニア量を低減させることができる。アンモニア吸着率は、溶液中の全アンモニア量に対する吸着したアンモニア量の割合である。
また、アンモニア吸着剤の添加量を0.2g/mL未満とすることで、グルコース吸着率をより確実に抑制することができる。また、添加量を0.1g/mL以下とすることで、培養液中で20%以下のグルコース吸着率を得ることができる。これにより、アンモニア吸着剤に起因するグルコース量の低減をより確実に抑制することができる。よって、より効率よく細胞等を培養することができる。グルコース吸着率は、溶液中の全グルコース量に対する吸着したグルコース量の割合である。
培養液で培養される細胞および微生物は、特に限定されない。例えば培養細胞は、ヒトiPS細胞、ヒトES細胞、ヒトMuse細胞等の多能性幹細胞;間葉系幹細胞(MSC細胞)、ネフロン前駆細胞等の体性幹細胞;ヒト近位尿細管上皮細胞、ヒト遠位尿細管上皮細胞、ヒト集合管上皮細胞等の組織細胞;ヒト胎児腎細胞(HEK293細胞)等の抗体産生細胞株;チャイニーズハムスター卵巣細胞(CHO細胞)、昆虫細胞(SF9細胞)等のヒト以外の動物由来の抗体産生細胞株等が挙げられる。これらの細胞は、大量培養が特に望まれる細胞であるため、本実施の形態に係るアンモニア吸着剤の使用対象としてより好ましい。
(アンモニアの除去方法)
本実施の形態に係るアンモニアの除去方法は、上述したアンモニア吸着剤をアンモニア(アンモニウムイオン)に接触させることを含む。好ましくは、アンモニアを含有する溶液にアンモニア吸着剤を接触させることを含む。アンモニア吸着剤をアンモニアに接触させる方法は特に限定されないが、以下の態様が例示される。図1(A)~図1(D)は、実施の形態に係るアンモニアの除去方法を説明するための模式図である。以下では、培養液からのアンモニア除去を例に挙げて説明するが、他の溶液からのアンモニア除去についても同様に実施することができる。
本実施の形態に係るアンモニアの除去方法は、上述したアンモニア吸着剤をアンモニア(アンモニウムイオン)に接触させることを含む。好ましくは、アンモニアを含有する溶液にアンモニア吸着剤を接触させることを含む。アンモニア吸着剤をアンモニアに接触させる方法は特に限定されないが、以下の態様が例示される。図1(A)~図1(D)は、実施の形態に係るアンモニアの除去方法を説明するための模式図である。以下では、培養液からのアンモニア除去を例に挙げて説明するが、他の溶液からのアンモニア除去についても同様に実施することができる。
図1(A)に示すように、第1の態様では、カラム等の容器2にアンモニア吸着剤4が充填された吸着モジュール6が用意される。容器2は、容器2の内外を連通する入口2aと出口2bとを有する。アンモニア吸着剤4は、例えば粒子状である。吸着モジュール6は、循環路8を介して、スピナーフラスコ等の培養容器10に接続される。循環路8は、培養容器10と容器2の入口2aとを接続する往路8aと、容器2の出口2bと培養容器10とを接続する復路8bとを含む。往路8aの途中には、ポンプ12が接続される。培養容器10中には、培養液14と、細胞16とが収容される。なお、ポンプ12は復路8bに配置されてもよい。
ポンプ12が駆動すると、培養液14は培養容器10から吸引され、往路8aを介して吸着モジュール6の容器2内に送られる。容器2内に送り込まれた培養液14は、復路8bを介して培養容器10内に戻される。培養液14は、培養容器10と吸着モジュール6との間を循環する過程で、容器2に充填されたアンモニア吸着剤4と接触する。このとき、培養液14中のアンモニアは、アンモニア吸着剤4に吸着される。この結果、培養液14中のアンモニアが除去される。往路8aにおける培養容器10に接続される側の端部には、図示しないフィルタが設けられる。これにより、細胞16が吸着モジュール6側に流れることが抑制される。なお、培養容器10と吸着モジュール6との間で培養液14を循環させる過程で、細胞16の培養に必要なグルコースやタンパク質等の培地成分が培養液14に補充されてもよい。
つまり、第1の態様では、アンモニア吸着剤4を有する吸着モジュール6と、細胞または微生物、および培養液14が収容される培養容器10と、吸着モジュール6と培養容器10とをつなぎ培養液14を循環させる循環路8と、を備える培養装置を用いることで、培養液14中のアンモニアが除去される。
図1(B)に示すように、第2の態様では、培養容器10の内壁面にアンモニア吸着剤4が支持されている。培養容器10中には、培養液14と、細胞16とが収容されている。したがって、培養液14は、培養容器10の内壁面において露出するアンモニア吸着剤4に接触する。これにより、培養液14中のアンモニアをアンモニア吸着剤4に吸着させることができる。培養容器10としては、スピナーフラスコ、シャーレ、ウェルプレート、セルカルチャーインサート、マイクロスフェア等が例示される。
培養容器10の内壁面にアンモニア吸着剤4を支持させる方法としては、例えば、アンモニア吸着剤4を培養容器10の内壁面に接着させる方法や、培養容器10が樹脂製である場合には、予めアンモニア吸着剤4を混合した樹脂で培養容器10を成形する方法が挙げられる。つまり、第2の態様では、培養容器10と、培養容器10の内壁面に支持されるアンモニア吸着剤4と、を備える培養装置を用いることで、培養液14中のアンモニアが除去される。
図1(C)に示すように、第3の態様では、培養容器10は、多孔質膜等の隔膜18によって容器内部が上段10aと下段10bに区切られた構造を有する。このような培養容器10としては、セルカルチャーインサートが例示される。上段10aには培養液14と細胞16が収容され、下段10bには培養液14とアンモニア吸着剤4が収容される。培養液14は、隔膜18を通過して上段10aと下段10bとの間を行き来することができる。一方、細胞16およびアンモニア吸着剤4は、隔膜18を通過することができない。
このような構造において、培養液14は、下段10bに収容されたアンモニア吸着剤4に接触する。これにより、培養液14中のアンモニアをアンモニア吸着剤4に吸着させることができる。つまり、第3の態様では、培養容器10と、アンモニア吸着剤4と、培養容器10内をアンモニア吸着剤4が収容される第1空間と細胞16が収容される第2空間とに区画する隔膜18と、を備える培養装置を用いることで、培養液14中のアンモニアが除去される。
図1(D)に示すように、第4の態様では、粒子状のアンモニア吸着剤4を培養液14中に分散、沈降あるいは浮遊させる。これにより、培養液14中のアンモニアをアンモニア吸着剤4に吸着させることができる。なお、アンモニア吸着剤4は、細胞16に貪食されることを防ぐために、所定サイズ以上、例えば10μm以上の大きさであることが好ましい。つまり、第4の態様では、培養容器10と、培養容器10内の培養液14に添加されるアンモニア吸着剤4と、を備える培養装置を用いることで、培養液14中のアンモニアが除去される。
好ましくは、アンモニア吸着剤は、ポリビニルアルコールやアルギン酸等の樹脂、コラーゲンやゼラチン等の生体由来ゲル等で被覆される。これにより、細胞等に影響を与え得る微粒子がアンモニア吸着剤から培養液中に流出することを抑制することができる。あるいは、アンモニア吸着剤は、セラミックスバインダー、樹脂バインダー、生体由来ゲル等と、L型ゼオライト等とを混練して成形される。これによっても、微粒子の流出を抑制することができる。セラミックスバインダーとしては、アルミナバインダー、コロイダルシリカ等が例示される。樹脂バインダーとしては、アルギン酸、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース等が例示される。生体由来ゲルとしては、コラーゲン、ゼラチン等が例示される。
溶液中のアンモニア濃度を検出する場合、その検出方法は特に限定されないが、培地成分アナライザーを使用することが好ましい。また、所定の測定試薬を用いた比色法、酵素の基質特異性を利用する酵素電極法、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)等を利用して、アンモニア濃度を検出することができる。
以上説明したように、本実施の形態に係るアンモニア吸着剤は、L型ゼオライト、フェリエライト、ZSM-5型ゼオライト、強酸性陽イオン交換樹脂およびプルシアンブルー型錯体からなる群から選択される少なくとも1種の物質を含む。また、本実施の形態に係るアンモニアの除去方法は、このアンモニア吸着剤を、アンモニアに接触させることを含む。これにより、従来の透析技術を用いてアンモニアを除去する場合とは異なり、莫大な量の溶液を使用せずにアンモニアを除去することができる。したがって、本実施の形態によれば、低コストにアンモニアを除去できる新規なアンモニア除去技術を提供することができる。また、アンモニア吸着剤をアンモニア含有溶液に接触させるだけでアンモニアを除去できるため、本実施の形態によれば培養装置の構造の簡略化を図ることができる。
また、溶液が細胞等の培養液である場合には、従来の透析技術に比べて培養液の使用量を減らすことができる。一般的に培養液は高価であるため、より一層の低コスト化が可能である。また、アンモニアの除去により細胞等を高密度に大量培養することができる。さらに、細胞が多能性幹細胞である場合には、アンモニアの除去によって細胞の高密度大量培養が可能となることに加え、細胞が未分化の状態、つまり細胞の多分化能(分化多能性)を維持することができる。したがって、生体物質生産や分化誘導組織作製に好適な細胞を大量に得ることができる。これにより、医薬品製造や再生医療に要するコストを削減することができる。
また、本実施の形態のアンモニア吸着剤は、有用成分であるグルコースに対してアンモニアを高選択的に吸着することができる。このため、より効率的な細胞培養が可能となる。よって、本実施の形態のアンモニア吸着剤は、グルコースを含有する培養液におけるアンモニアの除去に特に有用である。なお、本実施の形態のアンモニア吸着剤は、他の細胞老廃物の吸着剤と併用してもよい。
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明した。前述した実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施の形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。設計変更が加えられた新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形それぞれの効果をあわせもつ。前述の実施の形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「本実施の形態の」、「本実施の形態では」等の表記を付して強調しているが、そのような表記のない内容でも設計変更が許容される。以上の構成要素の任意の組み合わせも、本発明の態様として有効である。
以下、本発明の実施例を説明するが、実施例は本発明を好適に説明するための例示に過ぎず、なんら本発明を限定するものではない。
[アンモニア水溶液(水系溶液)における吸着剤性能の解析]
塩化アンモニウム(富士フイルム和光純薬社)を純水に添加し、アンモニア(アンモニウムイオン)濃度10mMの水溶液を作製した。この水溶液のpHは7.2であった。そして、水溶液20mLを複数の50mL三角フラスコに分注した。また、各種の吸着剤0.5gを各フラスコの水溶液に添加した。したがって、吸着剤の濃度は0.025g/mLである。そして、37℃、150rpmで24時間振とうした。
塩化アンモニウム(富士フイルム和光純薬社)を純水に添加し、アンモニア(アンモニウムイオン)濃度10mMの水溶液を作製した。この水溶液のpHは7.2であった。そして、水溶液20mLを複数の50mL三角フラスコに分注した。また、各種の吸着剤0.5gを各フラスコの水溶液に添加した。したがって、吸着剤の濃度は0.025g/mLである。そして、37℃、150rpmで24時間振とうした。
使用した吸着剤は、以下の通りである。
セラミックス(SiO2:関東化学社)
活性炭(富士フィルム和光純薬社)
酸化金属(MgO:関東化学社)
L型ゼオライト(500KOA:東ソー社)
フェリエライト(720KOA:東ソー社)
モルデナイト(642NAA:東ソー社)
Y型ゼオライト(320NAA:東ソー社)
ZSM-5型ゼオライト(822HOA:東ソー社)
ポーラス型のH型強酸性陽イオン交換樹脂(PK216LH:三菱化学社)
ポーラス型のNa型強酸性陽イオン交換樹脂(PK216:三菱化学社)
ゲル型のNa型強酸性陽イオン交換樹脂(SK112L:三菱化学社)
プルシアンブルー型錯体(プルシアンブルー:関東化学社)
なお、モルデナイトおよびY型ゼオライトが保持する陽イオンはNaである。また、強酸性陽イオン交換樹脂におけるゲル型は、スチレンとジビニルベンゼンの重合体の三次元構造で構成される。ポーラス型は、ゲル型の三次元構造に物理的に孔を設けた多孔質構造で構成される。
セラミックス(SiO2:関東化学社)
活性炭(富士フィルム和光純薬社)
酸化金属(MgO:関東化学社)
L型ゼオライト(500KOA:東ソー社)
フェリエライト(720KOA:東ソー社)
モルデナイト(642NAA:東ソー社)
Y型ゼオライト(320NAA:東ソー社)
ZSM-5型ゼオライト(822HOA:東ソー社)
ポーラス型のH型強酸性陽イオン交換樹脂(PK216LH:三菱化学社)
ポーラス型のNa型強酸性陽イオン交換樹脂(PK216:三菱化学社)
ゲル型のNa型強酸性陽イオン交換樹脂(SK112L:三菱化学社)
プルシアンブルー型錯体(プルシアンブルー:関東化学社)
なお、モルデナイトおよびY型ゼオライトが保持する陽イオンはNaである。また、強酸性陽イオン交換樹脂におけるゲル型は、スチレンとジビニルベンゼンの重合体の三次元構造で構成される。ポーラス型は、ゲル型の三次元構造に物理的に孔を設けた多孔質構造で構成される。
24時間経過後、0.1μmフィルタで水溶液と吸着剤とを分離した。そして、HPLC(日本分光社)を用いて水溶液中のアンモニア濃度を測定した。また、以下の数式に基づいて、各吸着剤におけるアンモニアの吸着率を算出した。
吸着率(%)=[吸着前濃度-吸着後濃度]/吸着前濃度×100
吸着率(%)=[吸着前濃度-吸着後濃度]/吸着前濃度×100
結果を図2に示す。図2は、アンモニア水溶液におけるアンモニア吸着剤のアンモニア吸着率を示す図である。図2に示すように、吸着剤濃度0.025g/mLにおいて、L型ゼオライト(500KOA)、フェリエライト(720KOA)、ZSM-5型ゼオライト(822HOA)、H型強酸性陽イオン交換樹脂(PK216LH)、Na型強酸性陽イオン交換樹脂(PK216およびSK112L)、およびプルシアンブルー型錯体(プルシアンブルー)では、アンモニア吸着率が20%以上であった。一方、セラミックス(SiO2)、活性炭、酸化金属(MgO)、モルデナイト(642NAA)およびY型ゼオライト(320NAA)では、アンモニア吸着率が15%以下であった。
また、アンモニア吸着率が高かった吸着剤群のうち、アンモニア吸着率が最も低いNa型強酸性陽イオン交換樹脂(PK216)でも、そのアンモニア吸着率は、アンモニア吸着率が低かった吸着剤群の中でアンモニア吸着率が最も高いセラミックス(SiO2)の2倍近い値であった。
このことから、L型ゼオライト、フェリエライト、ZSM-5型ゼオライト、強酸性陽イオン交換樹脂およびプルシアンブルー型錯体が優れたアンモニア吸着能を有することが確認された。また、強酸性陽イオン交換樹脂については、Na型強酸性陽イオン交換樹脂(PK216およびSK112L)に比べて、H型強酸性陽イオン交換樹脂(PK216LH)の方が、より高いアンモニア吸着能を有することが確認された。
[アンモニアおよびグルコースの水溶液(水系溶液)における吸着剤性能の解析]
塩化アンモニウム(関東化学社)とグルコース(関東化学社)とを純水に添加し、グルコース濃度1000ppm、アンモニア(アンモニウムイオン)濃度10mMの水溶液を作製した。この水溶液のpHは7.2であった。そして、水溶液20mLを複数の50mL三角フラスコに分注した。
塩化アンモニウム(関東化学社)とグルコース(関東化学社)とを純水に添加し、グルコース濃度1000ppm、アンモニア(アンモニウムイオン)濃度10mMの水溶液を作製した。この水溶液のpHは7.2であった。そして、水溶液20mLを複数の50mL三角フラスコに分注した。
また、上述の吸着試験で良好なアンモニア吸着能を示したL型ゼオライト(500KOA)、フェリエライト(720KOA)、ZSM-5型ゼオライト(822HOA)、H型強酸性陽イオン交換樹脂(PK216LH)、Na型強酸性陽イオン交換樹脂(PK216およびSK112L)およびプルシアンブルー型錯体(プルシアンブルー)を各フラスコの水溶液に添加した。さらに、参考としてセラミックス(SiO2)、活性炭および酸化金属(MgO)もフラスコの水溶液に添加した。各吸着剤の添加量は0.5gとした。したがって、吸着剤の濃度は0.025g/mLである。そして、37℃、150rpmで24時間振とうした。
24時間経過後、0.1μmフィルタで水溶液と吸着剤とを分離した。そして、HPLC(日本分光社)を用いて水溶液中のグルコース濃度を測定し、上記数式に基づいて各吸着剤におけるグルコースの吸着率を算出した。結果を図3に示す。図3は、アンモニアおよびグルコースの水溶液におけるアンモニア吸着剤のグルコース吸着率を示す図である。
図3に示すように、L型ゼオライト、フェリエライト、ZSM-5型ゼオライト、強酸性陽イオン交換樹脂およびプルシアンブルー型錯体では、グルコース吸着率が20%以下であった。一方、活性炭および酸化金属(MgO)では、グルコース吸着率が30%以上であった。このことから、L型ゼオライト、フェリエライト、ZSM-5型ゼオライト、強酸性陽イオン交換樹脂およびプルシアンブルー型錯体がグルコースに対してアンモニアを高選択的に吸着することが確認された。セラミックス(SiO2)は、グルコース吸着率は0%であったが、上述の通りアンモニア吸着率が低く、本実施の形態のアンモニア吸着剤に比べて性能が低いことが確認された。
[細胞培養液における吸着剤性能の解析]
多能性幹細胞用培地(StemFit AK02N:味の素社)に塩化アンモニウム(富士フイルム和光純薬社)を添加し、グルコース濃度250mg/mL、アンモニア(アンモニウムイオン)濃度10mMの培地を作製した。この培地20mLを複数の50mLチューブ(ThermoFisher Scientific社)に分注した。また、各種の吸着剤0.5g(0.025g/mL)を各チューブの培地に添加した。吸着剤には、L型ゼオライト(500KOA)、フェリエライト(720KOA)、ZSM-5型ゼオライト(822HOA)、ポーラス型のH型強酸性陽イオン交換樹脂(PK216LH)およびプルシアンブルー型錯体(プルシアンブルー)を用いた。そして、37℃、60回/分で24時間振とうした。
多能性幹細胞用培地(StemFit AK02N:味の素社)に塩化アンモニウム(富士フイルム和光純薬社)を添加し、グルコース濃度250mg/mL、アンモニア(アンモニウムイオン)濃度10mMの培地を作製した。この培地20mLを複数の50mLチューブ(ThermoFisher Scientific社)に分注した。また、各種の吸着剤0.5g(0.025g/mL)を各チューブの培地に添加した。吸着剤には、L型ゼオライト(500KOA)、フェリエライト(720KOA)、ZSM-5型ゼオライト(822HOA)、ポーラス型のH型強酸性陽イオン交換樹脂(PK216LH)およびプルシアンブルー型錯体(プルシアンブルー)を用いた。そして、37℃、60回/分で24時間振とうした。
24時間経過後、0.22μmフィルタで培養液と吸着剤とを分離した。そして、Ammonia Assay Kit(シグマ-アルドリッチ社)を用いて細胞培養液中のアンモニア濃度を測定し、血液ガス分析装置(ABL800 FLEX:ラジオメーター社)を用いて細胞培養液中のグルコース濃度を測定した。また、上記数式に基づいて、各吸着剤におけるアンモニアの吸着率およびグルコースの吸着率を算出した。結果を図4に示す。
また、フェリエライト(720KOA)を除く吸着剤について、培地への添加量を異ならせて上記の吸着試験を実施し、アンモニア吸着率とグルコース吸着率を算出した。添加量(濃度)は、0.01g(0.0005g/mL)、0.1g(0.005g/mL)、0.5g(0.025g/mL)、1.0g(0.05g/mL)、2.0g(0.1g/mL)、4.0g(0.2g/mL)とした。結果を図4に示す。
図4は、細胞培養液におけるアンモニア吸着剤のアンモニア吸着率およびグルコース吸着率を示す図である。図4に示すように、吸着剤濃度0.025g/mLにおいて、水系溶液の場合に比べて多少は減少するものの、細胞培養液中でもL型ゼオライト、フェリエライト、ZSM-5型ゼオライト、強酸性陽イオン交換樹脂およびプルシアンブルー型錯体がアンモニアを吸着できることが確認された。また、グルコース吸着率は20%以下であった。このことから、細胞培養液中においても、これらの吸着剤がグルコースに対してアンモニアを高選択的に吸着することが確認された。
また、いずれの吸着剤濃度においてもアンモニアを吸着できることが確認された。特に、吸着剤濃度が0.0005g/mL超、さらには0.005g/mL以上のときに、より良好なアンモニア吸着率が得られることが確認された。また、各吸着剤濃度におけるアンモニア吸着率は、グルコース吸着率よりも高い値であった。加えて、これらの吸着剤ではグルコース吸着率が最大でも32%であった。このことから、いずれの吸着剤濃度においても、これらの吸着剤が培地中のアンモニア除去に好適であることが確認された。
また、吸着剤の濃度が増加するにつれてアンモニア吸着率は上昇するが、同時にグルコース吸着率も上昇することが確認された。これに対し、吸着剤濃度が0.2g/mL未満、さらには0.1g/mL以下のときに、グルコース吸着率をより良好に低減できることが確認された。
本発明は、アンモニア吸着剤およびアンモニアの除去方法に利用することができる。
2 容器、 4 アンモニア吸着剤、 6 吸着モジュール、 8 循環路、 10 培養容器、 12 ポンプ、 14 培養液、 16 細胞、 18 隔膜。
Claims (6)
- L型ゼオライト、フェリエライト、ZSM-5型ゼオライト、強酸性陽イオン交換樹脂およびプルシアンブルー型錯体からなる群から選択される少なくとも1種の物質を含むことを特徴とするアンモニア吸着剤。
- アンモニアを含有する溶液に接触して、前記溶液中のアンモニアを吸着する請求項1に記載のアンモニア吸着剤。
- 前記溶液は、グルコースを含有する、細胞または微生物の培養液である請求項2に記載のアンモニア吸着剤。
- 前記溶液への添加量は、0.0005g/mL超0.200g/mL未満である請求項2または3に記載のアンモニア吸着剤。
- 前記強酸性陽イオン交換樹脂は、H型強酸性陽イオン交換樹脂である請求項1乃至4のいずれか1項に記載のアンモニア吸着剤。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載のアンモニア吸着剤を、アンモニアに接触させることを含むことを特徴とするアンモニアの除去方法。
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