WO2020101041A1 - 培養容器及び培養装置 - Google Patents

Abstract

培養液中への気体の溶解速度や物質の拡散速度が高く、かつ、機構が単純で取扱いが容易な培養容器及び培養装置を提供する。　培養容器１００は、容器本体１０と、容器本体１０の底部に取り付けられた回転軸２２と、回転軸２２に回転可能に取り付けられた回転体３０と、回転体３０に取り付けられた多孔質体４０と、多孔質体４０に吸気する、一端が多孔質体に固定され、他端が容器本体に対して固定された可撓性の吸気チューブ５０とを有する。多孔質体４０は、回転体３０に対して回転可能に取り付けられており、吸気チューブ５０は、回転体３０の回転に伴って、多孔質体４０を回転体３０に対して回転させる。

Description

培養容器及び培養装置

　本発明は、培養容器及び培養装置に関する。

　創薬や食品などの分野では、細胞を培養液（液状の培地）に分散させて培養し、目的物の生産を行う技術が利用されることがある。目的物の収率を高めるためには、細胞の培養効率を高める必要があるが、培養液中の溶存気体の量（例えば溶存酸素量）が培養効率の律速になることがあった。そのため、培養液に供給された気体が培養液に溶け込む速度（溶解速度）を高めるために、種々の工夫がされている。

特開昭６１−５６０７０号公報 特開２００４−８１１３９号公報 特開２０１４−１５０７８４号公報

　気体の溶解速度を高めるためには、気体を、微細な気泡にして供給することが好ましい。しかしながら、微細な気泡は浮力が小さく、気体の放出部から離脱しにくいことから、気泡が小さい状態で気体を液中に放出させることは困難であった。
　また、培養工程では、培養液に種々の物質を添加する必要があるところ、これらの物質を、すばやく培養液中に拡散させることができれば、培養液の制御が容易になり、培養効率を高めることが可能になる。
　本発明の目的の一つは、培養液中への気体の溶解速度や物質の拡散速度が高く、かつ、機構が単純で取扱いが容易な培養容器及び培養装置を提供することにある。

　本発明に係る培養容器は、培養液に分散された細胞の培養に使用される培養容器であって、容器本体と、前記容器本体の底部に取り付けられた回転軸と、前記回転軸に回転可能に取り付けられた回転体と、前記回転体に取り付けられた多孔質体と、前記多孔質体に給気する、一端が前記多孔質体に固定され、他端が前記容器本体に対して固定された可撓性の給気チューブと、を有し、前記多孔質体は、前記回転体に対して回転可能に取り付けられており、前記給気チューブは、前記回転体の回転に伴って、前記多孔質体を前記回転体に対して回転させるように構成されている。
　この培養容器において、前記回転体には撹拌羽根が取り付けられていてもよい。また、この培養容器において、前記給気チューブの前記他端は、前記容器本体の上端近傍に固定されていてもよい。
　さらに、この培養容器において、前記容器本体は可撓性を有し、支持体に支持されて利用されるように構成されていてもよい。
　本発明に係る培養容器は、培養液に分散された細胞を培養する培養容器であって、容器本体と、前記容器本体の底部に取り付けられた回転軸と、前記回転軸に回転可能に取り付けられた回転体と、一端が前記回転体に取り付けられ、他端が前記容器本体に対して固定された可撓性チューブと、を有し、前記可撓性チューブは、前記一端が前記回転体に対して回転可能に保持されるとともに、前記回転体の回転に伴って、前記一端を回転体に対して回転させるように構成されている。なお、本発明に係る培養装置は、上記いずれかの培養容器を有する。

　培養液への気体の溶解速度が高く、かつ、構造がシンプルな培養容器を提供することができる。培養液へ種々の物質を添加することが可能で、かつ、添加物の培養液への拡散速度が高い培養容器を提供することができる。

　図１は、第一の実施の形態に係る培養装置について説明するための図である。
　図２は、第一の実施の形態に係る培養装置について説明するための図である。
　図３は、第一の実施の形態に係る培養装置について説明するための図である。
　図４は、変形例に係る培養装置について説明するための図である。
　図５は、第二の実施の形態に係る培養装置について説明するための図である。

　以下、本発明を適用した実施の形態について説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。すなわち、以下の実施の形態で説明するすべての構成が本発明にとって必須であるとは限らない。また、本発明は、以下の内容を自由に組み合わせたものを含む。
　はじめに、図１~図３を参照して、本発明を適用した第一の実施形態に係る培養装置１の構成について説明する。
　培養装置１は、培養液中で、種々の細胞（例えば、動物、昆虫、植物等の細胞、微生物、細菌等）を培養する装置として構成される。
　培養装置１は、培養対象となる細胞が分散された培養液Ｗを保持し、培養液Ｗを所望の状態に維持するための種々の機構を備える。
　培養装置１で培養液Ｗの状態を調整することにより、培養液Ｗ内で細胞が適切に培養され、目的物の生成が可能になる。本実施の形態に係る培養装置１は、培養容器１００を有する。培養容器１００は、培養液Ｗを保持する役割を果たす。そのため、培養容器１００は、特に培養液Ｗと接触する領域において、細胞に対する毒性のない（少ない）材料で構成されることが好ましい。
　培養容器１００は、容器本体１０を有する。容器本体１０は、可撓性を有する培養バッグとして構成される。容器本体１０は、例えばポリエチレンなどの樹脂材料を利用して構成することができる。
　そして、図１及び図２に示すように、容器本体１０（培養容器１００）は、支持体２００に支持された状態で使用される。ただしこれとは別に、培養容器１００（容器本体１０）を、ステンレスやガラスなどの剛性材料で構成することも可能である（図示せず）。
　培養容器１００は、図１及び図２に示すように、プレート２０を有する。プレート２０は、容器本体１０の底部に固定される部材である。
　プレート２０は、回転軸２２を有する。回転軸２２は、後述する回転体３０を回転可能に保持する役割を果たす。本実施の形態では、回転体３０は、ベアリング２６を介して回転軸２２に取り付けられることにより、回転軸２２を中心に回転することが可能になる（図２参照）。
　なお、本実施の形態では、プレート２０は、容器本体１０の底部の中央部を避けて周縁部に取り付けられている。ただし、これとは別に、プレート２０は、容器本体１０の底部の中央部に取り付けることも可能である（図示せず）。
　培養容器１００は、回転体３０を有する。回転体３０は、回転軸２２に回転可能に取り付けられる。すなわち、回転体３０は、回転軸２２（回転軸２２に沿って延びる仮想直線Ｌ）を中心に回転可能に構成される。本実施の形態では、回転体３０は、撹拌羽根３２を有する。これによると、回転体３０の回転に伴って撹拌羽根３２が回転することから、培養容器１００内で培養液Ｗが撹拌され、培養液Ｗの成分分布のばらつきを小さくすることができる。
　なお、本実施の形態に係る培養装置１は、回転体３０を回転させる回転駆動機構２１０を有する。回転駆動機構２１０は、回転体３０に内蔵された磁石３４と対向する駆動磁石２１２と、駆動磁石２１２を保持する保持体２１４とを有する。そして、回転駆動機構２１０は、モータ２１６を有する。モータ２１６は、保持体２１４を、仮想直線Ｌを中心に回転させる。回転駆動機構２１０によると、保持体２１４を回転させることにより、駆動磁石２１２及び磁石３４の作用によって、回転体３０を回転させることができる。
　培養容器１００は多孔質体４０を有する。多孔質体４０は、培養液Ｗ中に気体を拡散させる役割を果たす。多孔質体４０は、内部に供給された気体を、微細な孔を通して外部に排出させることにより、培養液Ｗ中に、径の小さい気泡を放出させる部材である。多孔質体４０は、既に公知となっているいずれかの部材を適用することができる。多孔質体４０は、例えば、焼結金属や焼結セラミック、ガラス系の多孔質素材など、種々のものを適用することが可能である。また、多孔質体４０の外形も特に限定されるものではないが、円柱形や角柱形など、種々のものを適用することができる。本実施の形態では、図３に示すように、多孔質体４０には、給気具４２が取り付けられており、給気具４２を介して、多孔質体４０内部に気体が供給される。給気具４２は、円筒状の筒部４４と、筒部４４よりも径が大きいつば部４６とを有する。
　そして、給気具４２は、つば部４６が多孔質体４０と所定の間隔をあけるように（筒部４４の一部が多孔質体４０から露出するように）、多孔質体４０に取り付けられる。
　多孔質体４０は、回転体３０の中心から所定の間隔をあけた位置に配置され、回転体３０の回転に伴って公転する。また、多孔質体４０は、回転体３０に対して回転可能に保持される。本実施の形態では、図２に示すように、多孔質体４０（多孔質体４０及び給気具４２）は、保持具４８に保持される。保持具４８には筒部４４よりも径が大きい開口が設けられており、当該開口に筒部４４を挿入するとともに、つば部４６を開口の周縁部で支持することにより、多孔質体４０を回転可能に保持することができる。
　そして、保持具４８を回転体３０に取り付けることにより、多孔質体４０を、回転体３０の回転に伴って公転させることが可能になる。なお、本実施の形態では、保持具４８は、多孔質体４０を、回転体３０よりも外側で保持している。
　培養容器１００は、可撓性を有する給気チューブ５０を有する。給気チューブ５０は、多孔質体４０内に気体を供給する役割を果たす。給気チューブ５０は、一端（第１端部５２）が多孔質体４０に固定され、他端（第２端部５４）が容器本体１０に対して固定されている。すなわち、給気チューブ５０は、第１端部５２が容器本体１０内で移動可能に保持され、第２端部５４が容器本体１０に対して移動しないように保持される。
　具体的には、給気チューブ５０の第１端部５２は、多孔質体４０の給気具４２に取り付けられ、給気具４２を介して、多孔質体４０の内部に気体（空気）を供給する。また、給気チューブ５０の第２端部５４は、容器本体１０の上端近傍に固定されている。第２端部５４は、容器本体１０の培養液Ｗと接触しない領域に固定することができる。また、第２端部５４は、仮想軸線Ｌ上に固定することも可能である（図示せず）。給気チューブ５０の第２端部５４は、容器本体１０の外部に設けられた気体供給手段（図示せず）に接続される。これにより、給気チューブ５０を介して、多孔質体４０に気体を供給することが可能になる。
　給気チューブ５０は、気体供給手段に直接接続されていてもよく、気体供給手段に接続された別のチューブを介して接続されていてもよい。なお、気体供給手段は、空気や酸素、二酸化炭素、窒素ガスやこれらの混合ガスなど、培養に必要な気体を供給可能に構成することができる。
　給気チューブ５０は、回転体３０の回転に伴って、多孔質体４０を回転体３０に対して回転させるように構成されている。言い換えると、給気チューブ５０は、自身がねじれないように多孔質体４０を回転させるに足るねじれ剛性を有する。具体的には、給気チューブ５０の径や、材質や厚み、長さを調整することにより、給気チューブ５０のねじれ剛性を調整することが可能である。これにより、回転体３０の回転に伴って、給気チューブ５０がねじれることを防止することが可能になり、長期間安定して、多孔質体４０に気体を供給することが可能になる。給気チューブ５０は、例えば、シリコンチューブを適用することができる。
　培養装置１は、培養液Ｗを所望の状態に維持するための種々の機構をさらに備えた構成とすることができる。培養装置１は、例えば、培養液Ｗの状態（溶存酸素やｐＨ、温度など）を計測する計測装置や、培養の進捗度を計測する計測装置（細胞密度やグルコース濃度などの計測装置）、培養液Ｗの状態を調整するための調整機構、培養液Ｗに栄養素などを供給する供給機構、培養液Ｗを抜き出すサンプリング機構を備えた構成とすることができる。
　次に、培養装置１の動作及び作用効果について説明する。
　培養装置１では、培養容器１００に保持された培養液Ｗを所望の状態に維持することにより、培養液Ｗに分散された細胞を培養し、種々の目的物を取得する。培養工程は、撹拌羽根３２（回転体３０を回転させて培養液Ｗを撹拌しながら進められる。
　ところで、本実施の形態では、回転体３０が回転すると、多孔質体４０は仮想直線Ｌを中心に公転しながら、回転体３０に対して回転（自転）する。すなわち、多孔質体４０には給気チューブ５０の第１端部５２が固定されており、給気チューブ５０の第２端部５４が容器本体１０に固定されることから、多孔質体４０の挙動は給気チューブ５０に規制される。そして、多孔質体４０は、回転体３０に対して回転可能に取り付けられていることから、多孔質体４０は、回転体３０の回転に伴って、回転体３０に対して回転（自転）することになる。具体的には、例えば図２に示すように、回転体３０を矢印ＹＡの方向に回転させると、多孔質体４０は、矢印ＹＢの方向（回転体３０の回転方向とは反対方向）に回転することになる。
　そして、多孔質体４０は、培養液Ｗ内で公転及び自転しながら、給気チューブ５０（給気チューブ５０及び給気具４２）を介して内部に導入された気体を、その表面から放出する。多孔質体４０の表面から放出された気体は、培養液Ｗの抵抗を受けるため、気泡が小さい状態で多孔質体４０の表面から離脱し、培養液Ｗ中に拡散する。
　すなわち、培養装置１によると、気泡の小さい気体を培養液Ｗ中に放出することが可能になる。
　また、培養装置１によると、回転体３０には撹拌羽根３２が取り付けられている。これによると、撹拌羽根３２の周辺で乱流が発生することから、乱流の影響を受けて、多孔質体４０の表面から、さらに気泡が離脱しやすくなる。
　すなわち、培養装置１によると、培養液Ｗ中に、気泡が小さい状態の気体を放出することが可能になるため、培養液Ｗへの気体の溶存速度を高めることが可能になる。
　また、培養装置１によると、培養期間中、多孔質体４０が移動（公転及び自転）し続けるため、多孔質体４０に細胞などが付着しにくくなり、長期間安定した培養が可能になる。
　なお、培養装置１では、多孔質体４０から空気を吐出させるための吐出圧により、給気チューブ５０の内圧を高めることができる。
　多孔質体４０及び給気チューブ５０の選定を通じて、給気チューブ５０の内圧を適正な値にすることで、培養工程中に給気チューブ５０がねじれることを防止することが可能になる。具体的には、多孔質体４０として孔径が４μｍ以下のものを利用する場合、ラプラス圧が０．５気圧以上となるため、大気圧より０．５気圧程度高い内圧を給気チューブ５０に与えることができ、給気チューブ５０のねじれを有効に防止することができる。
　次に、図４を参照して、本発明を適用した変形例に係る実施形態について説明する。本実施の形態では、培養装置は、ガイド部材６０を有する。ガイド部材６０は、培養容器１００内で、給気チューブ５０をガイドする役割を果たす。本実施の形態では、ガイド部材６０は、回転体３０の中央付近に取り付けられ、給気チューブ５０を回転体３０近傍までガイドする。ガイド部材６０には貫通穴が形成されており、給気チューブ５０は、貫通穴を通るように設けられている。なお、ガイド部材６０の貫通穴は、給気チューブ５０の外形よりも大きくなっており、給気チューブ５０は、貫通穴内で貫通穴に対して回転可能に支持される。なお、本実施の形態では、ガイド部材６０は、回転体３０に取り付けられているが、変形例として、ガイド部材を培養容器１００（容器本体１０）に取り付けることも可能である（図示せず）。また、ガイド部材６０は、給気チューブ５０の一箇所のみをガイドするように構成することも可能であるが、複数の場所をガイド（規制）するように構成することも可能である。
　本実施の形態では、培養装置は、多孔質体７０を有する。多孔質体７０は、柱状（円柱状や角柱状）の外形をなし、上端から凹部が形成されている。そして、多孔質体７０（凹部）には、給気パイプ７２が挿入され、両者は固定具７４を介して固定されている。また、給気パイプ７２は、保持具４９の貫通穴を通るとともに、止め具７６によって保持具４９に保持される。なお、保持具４９の貫通穴の内径を給気パイプ７２よりも大きくすることで、給気パイプ７２を、保持具４９に対して回転可能とすることができる。
　そして、本実施の形態では、給気チューブ５０は給気パイプ７２に取り付けられ、給気パイプ７２を介して、多孔質体７０の内部に気体が導入される。本実施の形態では、上記の通り、培養装置はガイド部材６０を有する。これにより、給気チューブ５０は回転体３０の近傍までガイドされるため、培養容器１００内で給気チューブ５０の挙動が規制され、培養ごとの給気チューブ５０の挙動のばらつきを小さくすることが可能になる。また、給気チューブ５０を、仮想直線Ｌに沿うようにガイドすれば、培養工程中に、給気チューブ５０が大きく移動することを防止することができるため、給気チューブ５０に大きなストレスがかかることを防止することが可能になる。
　以下、図５を参照して、本発明を適用した第二の実施形態に係る培養装置について説明する。
　本実施の形態に係る培養装置は、可撓性チューブ８０を有する。本実施の形態では、可撓性チューブ８０は、図５に示すように、複数のチューブ（チューブ８２及びチューブ８４）を含んで構成されている。このとき、チューブ８２及びチューブ８４は、互いに固定されて一体的に挙動するように構成されていてもよく、別個に挙動するように構成されていても良い。また、可撓性チューブ８０は、チューブ８２及びチューブ８４は、先端がずれて配置された構成とすることが可能である。ただし、可撓性チューブ８０は、可撓性を有する一本のチューブであってもよく、三本以上の複数のチューブを備えたものを適用してもよい（図示せず）。
　可撓性チューブ８０（チューブ８２及びチューブ８４）は、一端が、回転体３０（保持具８６）に回転可能に保持される。具体的には、可撓性チューブ８０は、保持具８６の貫通穴を通るとともに、保持具８６の両側に設けられた止め具８８により、保持具８６に保持される。保持具８６の貫通穴を、可撓性チューブ８０（チューブ８２及びチューブ８４）の外形よりも大きくすることで、可撓性チューブ８０を回転体３０（保持具８６）に対して回転可能に保持することができる。なお、複数の可撓性チューブが保持具８６に保持される場合、すべてのチューブは、同じ貫通穴を通るように設けられる。これにより、複数のチューブがお互いにねじれることを防止することができる。なお、本実施の形態では、図５に示すように、可撓性チューブ８０（チューブ８２及びチューブ８４）を、その先端が直接培養液Ｗ内に配置されるように設けてもよいが、その先端に多孔質体などが取り付けられた構成とすることも可能である。また、可撓性チューブ８０が複数のチューブを備えている場合、すべてのチューブが保持具８６に保持される必要はなく、少なくとも一本を、保持具８６に至らない長さとすることも可能である（図示せず）。
　可撓性チューブ８０は、回転体３０の回転に伴って、上記一端（先端）を、回転体３０（保持具８６）に対して回転させるように構成されている。すなわち、可撓性チューブ８０は、回転体３０の回転に伴って、保持具８６の貫通穴の内部で回転（自転）するように構成されている。
　また、可撓性チューブ８０の他端は、容器本体１０に対して固定されて（相対的に移動しないように保持されて）、容器本体１０の外部に設けられた供給手段に接続される（図示せず）。本実施の形態に適用可能な供給手段は特に限られず、例えば、消泡剤や、基質、酵素、培養液、栄養素、気体などを供給する供給手段を適用することが可能である。
　この培養装置によると、可撓性チューブ８０（その先端）は、回転体３０の回転に伴って仮想直線Ｌを中心に回転する。ここで、可撓性チューブ８０は回転体３０（保持具８６）に対して回転可能に構成されていることから、回転体３０が回転しても、可撓性チューブ８０がねじれることを防止することができる。そのため、可撓性チューブ８０を介して、培養液Ｗに種々の物質を供給することが可能になる。また、本実施の形態では、可撓性チューブ８０は、回転体３０の回転に伴って仮想直線Ｌを中心に回転しながら、培養液Ｗ中に物質を供給する。そのため、供給された物質を、培養液Ｗ中に効率よく拡散させることが可能になる。

　創薬や食品などの分野では、細胞を培養液（液状の培地）に分散させて培養し、目的物の生産を行う技術が利用されることがある。
　本発明の培養装置１は、培養液中で、種々の細胞を培養する装置として構成されており、培養対象となる細胞が分散された培養液Ｗを保持し、培養液Ｗを所望の状態に維持するための種々の機構を備える。
　本発明の培養装置１で培養液Ｗの状態を調整することにより、培養液Ｗ内で細胞が適切に培養され、目的物の生成が可能になることから、創薬や食品等の分野で利用可能である。

　１　　　培養装置
　１０　　容器本体
　２０　　プレート
　２２　　回転軸
　２６　　ベアリング
　３０　　回転体
　３２　　撹拌羽根
　３４　　磁石
　４０　　多孔質体
　４２　　給気具
　４４　　筒部
　４６　　つば部
　４８　　保持具
　４９　　保持具
　５０　　給気チューブ
　５２　　第１端部
　５４　　第２端部
　６０　　ガイド部材
　７０　　多孔質体
　７２　　給気パイプ
　７４　　固定具
　７６　　止め具
　８０　　可撓性チューブ
　８２　　チューブ
　８４　　チューブ
　８６　　保持具
　８８　　止め具
　１００　培養容器
　２００　支持体
　２１０　回転駆動機構
　２１２　駆動磁石
　２１４　保持体
　２１６　モータ
　Ｗ　　　培養液

Claims (6)

1. 　培養液に分散された細胞の培養に使用される培養容器であって、
   　容器本体と、
   　前記容器本体の底部に取り付けられた回転軸と、
   　前記回転軸に回転可能に取り付けられた回転体と、
   　前記回転体に取り付けられた多孔質体と、
   　前記多孔質体に給気する、一端が前記多孔質体に固定され、他端が前記容器本体に対して固定された可撓性の給気チューブと、
   　を有し、
   　前記多孔質体は、前記回転体に対して回転可能に取り付けられており、
   　前記給気チューブは、前記回転体の回転に伴って、前記多孔質体を前記回転体に対して回転させるように構成されている培養容器。
2. 　請求項１に記載の培養容器において、
   前記回転体には撹拌羽根が取り付けられている培養容器。
3. 　請求項１又は請求項２に記載の培養容器において、
   　前記給気チューブの前記他端は、前記容器本体の上端近傍に固定されている培養容器。
4. 　請求項１から請求項３のいずれかに記載の培養容器において、
   前記容器本体は可撓性を有し、支持体に支持されて利用されるように構成されている培養容器。
5. 　培養液に分散された細胞を培養する培養容器であって、
   　容器本体と、
   　前記容器本体の底部に取り付けられた回転軸と、
   　前記回転軸に回転可能に取り付けられた回転体と、
   　一端が前記回転体に取り付けられ、他端が前記容器本体に対して固定された可撓性チューブと、
   　を有し、
   　前記可撓性チューブは、前記一端が前記回転体に対して回転可能に保持されるとともに、前記回転体の回転に伴って、前記一端を回転体に対して回転させるように構成されている培養容器。
6. 　請求項１から請求項５のいずれかに記載の培養容器を有する培養装置。

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