JPH0644857B2 - 細胞培養装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、微生物、特にカビや放線菌などの糸状菌、ま
たは動物細胞、植物細胞などを増殖させ、各種抗生物
質、各種酵素、蛋白質、多糖類、生理活性物質、動・植
物ホルモンなどの有用物質を生産させる細胞の培養方法
に適する細胞培養装置に関する。

（従来技術） 従来、糸状菌などの培養には、液体培養法と固体培養某
が用いられており、菌の種類や目的生産物の種類によ
り、液体もしくは固体培養法が選択されている。

固体培養法の場合、米、ふすまなどの天然物が培地とし
て使用され、主に静置培養で行なわれている。近年、天
然物を培地として用いる固体培養法に代わるものとし
て、スポンジ状物質に培養液を含浸させて静置培養する
方法も報告されている。

本出願人は特願昭６１−１０６３９３号において新規な
細胞培養法を提案した。この細胞培養法は、ウレタンフ
ォームをはじめとする合成高分子材料、複合高分子材料
を発泡させたもの、あるいは海綿をはじめとする天然ス
ポンジなどの多孔質物体、さらにホリエステルをはじめ
とする合成繊維、綿をはじめとする天然繊維などの糸
状、レース状、布状、立毛状に加工したものなどの高分
子多孔質物体に、培養液を含浸させ、細胞を接種し、し
かる後、この高分子多孔質物体を振盪、振動、混合など
の操作によって動かすことによって、細胞と培養液およ
び空気（酸素）との接触を高め、細胞を多孔質物体表層
内に一様な生物膜として形成させることによって、細胞
の増殖率を高め、諸酵素の細胞内活性を高め、かつ細胞
外への分泌作用の促進や、また、目的生産物の生産性を
高めること可能とした方法として微生物、生化学分野か
ら注目をあびている。

（発明が解決しようとする問題点） 固体培養法の場合には、固体天然培地のロットによって
培地成分組成が異なるため、増殖菌体量や目的性産物の
収量が大きく変動したり、また、目的生産物が固体培地
中に蓄積されるため、その分離・精製が煩雑となるなど
の欠点を有している。スポンジ状物体に培養液を含浸さ
て静置培養する方法では液体培地中に目的生産物が蓄積
されるためその分離・精製は容易であるが、菌体と培地
および空気との接触が不十分であり、また、物質の移動
が主に拡散によるためその効率が悪く、かつ菌体の生育
が不均一となるため増殖率が低下し、目的生産物の生産
性が押さえられるという問題がある。

上記特願昭記載の発明は新規な細胞培養方法であり、上
記従来法と異なり高分子多孔質物体に液体培地を均一に
含浸させ、細胞を接種し、この高分子多孔質物体を振
盪、振動、混合などの操作によって動かすことによっ
て、細胞と培養液および空気（酸素）との接触を高め、
高分子多孔質物体表層内で細胞の増殖率を高め、目的生
産物の生産を高めることを可能とする特徴を有するがこ
れに適する装置が存在しないという問題点がある。即
ち、本発明の目的は、上記特願昭記載の発明のこの特徴
をさらに生かすものとして細胞と培養液を含む高分子多
孔質物体を連続して混練培養し、かつ、連続して細胞と
目的生産物を含む培養液を分離し、それぞれ細胞を含む
高分子多孔質物体と培養液を回収する培養装置を提供す
ることにある。

（問題点を解決するための手段） 上述した問題点は本発明の細胞培養装置即ち、圧搾され
ることによつて容積だけが縮小し細かく破砕されない強
度を有する高分子多孔質物体を投入する投入口を一端に
有し、他端に前記高分子多孔質物体を排出する排出口を
有する多孔質物体収容部と、この多孔質物体収容部内に
位置して増殖させようとする細胞と培養液とを含む前記
高分子多孔質物体の混練混合しつつ前記投入口から前記
排出口まで移動させるスクリュー混練翼とを有する細胞
培養装置本体、および 前記排出口から排出された前記高分子多孔質物体を圧搾
してこの高分子多孔質物体に含浸する液体を絞り出す圧
搾装置を備えてなる細胞培養装置によって解決される。

（作 用） 従来の、細胞培養法、とりわけ、固体培養法にみられる
固体培地に増殖させようとする細胞を接種し、固体培地
を静置させて培養する培養装置と、本発明である高分子
多孔質物体に培養液を含浸させ、増殖させようとする細
胞を接種し、かつ、動かしながら連続して培養する培養
装置との違いは、高分子多孔質物体を動かすことによ
り、含浸培養液を多孔質物体内に均一に分散させると同
時に、高分子多孔質物体表層を空気酸素）と常に接触さ
せることを可能にし、細胞への酸素と培養液の物質移動
を積極的に促進させることによって、連続して細胞を多
孔質物体の表層内に一様な生物膜として増殖させるため
の手段が設けられていることである。すなわち、培養液
と増殖させようとする細胞とを含んだ高分子多孔質物体
を多孔質物体収容部の一端から連続してあるいは回分的
に投入し、この多孔質物体収容部内に設けられたスクリ
ュー混練翼で高分子多孔質物体個々を適度に混練混合さ
せ、温度、湿度が調整された注入気体と常に接触させ細
胞への酸素移動を促進するとともに、培養過程で生じる
発酵熱や炭酸ガスなどを排除し、適切な培養温度維持さ
せ細胞の増殖を促進させることができる。多孔質物体収
容部での細胞の培養期間の設定はスクリュー混練翼のピ
ッチ、ピッチ数およびスクリュー混練軸の回転数を適切
に配置し、制御することにより、多孔質物体収容部の長
さに対する高分子多孔質物体の移動速度を規定すること
により所定の培養期間を与えることができ、高分子多孔
質物体の移動量に合わせて細胞と培養液を含む新しい高
分子多孔質物体を連続して投入することによって連続培
養を行うことができる。

目的生産物収穫の際には増殖した細胞と目的生産物を含
む培養液を保持した高分子多孔質物体を圧搾装置によっ
て圧搾して培養液を絞り出すことによって細胞と培養液
を連続して分離回収することができる。

（発明の効果） 本発明に従い、液体培地を含浸させたウレタンフォーム
をはじめとする高分子多孔質物体に細胞を接種し、この
多孔質物体をスクリュー混練翼によって適切に混練培養
を行うことにより従来の固体培養法のように細胞への酸
素や培地の物質移動過程を律速とせずに培養することが
でき、細胞の増殖率を高め、諸酵素の細胞内活性を高
め、かつ細胞外への分泌作用も促進し、目的生産物の生
産活性を高めることができ、かつ、高分子多孔質物体を
連続してまたは半回分的に細胞培養装置内で移動させ、
連続して圧搾分離することができるので、目的生産物の
生産効率を高めることができる。

その結果、 １）本発明の細胞培養装置を用いれば各種細胞の細胞増
殖特性に適した培養条件を容易に設定することができ、
特に、従来法に見られる回分操作による固体培養法を連
続して培養させることを可能とし、かつ、目的生産物と
細胞を連続して分離回収することを可能とし工業生産に
多大な効果を与えることができる。

２）物質移動過程の改善により、少量の培地で大量の細
胞を増殖させ、工業的に有用な種々の酵素を大量に分泌
させ、有用な目的生産物の生産性を高め、かつ、高濃度
の目的生産物を連続的に培養液から直接分離回収でき、
生産プロセス全体の効率を向上させることが可能とな
る。すなわち、各種細胞による各種抗生物質、各種酵
素、蛋白質、多糖類、生理活性物質、動・植物ホルモン
などの有用物質の生産性を高め、かつ、連続、大量に生
産、分離回収することを容易にした機能集約型バイオリ
アクターということができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図は本発明の細胞培養装置による培養プロセスの好
ましい実施例の構成およびフローシートを示す図であ
る。

細胞培養装置本体Ｄは基本的に多孔質物体収容部Ｄ５と
スクリュー混練翼Ｄ２とから成る。多孔質物体収容部Ｄ
５には高分子多孔質物体に培養液を無菌的に含浸させ所
定量を供給する多孔質物体供給タンクＡより供給ロータ
リーバルブＡ１及び投入口Ｄ３を介して連続的にあるい
はバッチ的に培養液含浸多孔質物体が供給され、また、
増殖させる細胞を多孔質物体に無菌的に接種する細胞供
給タンクＢより供給弁Ｂ１及び投入口Ｄ３を介して培養
液を含んだ高分子多孔質物体が供給されると並行して細
胞が供給され、送風機Ｃ１から空調装置Ｃ及び投入口Ｄ
３を介して温度、湿度が調整された加圧空気が連続して
供給される。供給された細胞と培養液を含む多孔質物体
は多孔質物立収容部Ｄ５内で可変速モータＤ１によって
駆動されるスクリュー混練翼Ｄ２により適切に混練混合
され培養が促進される。細胞の増殖後あるいは目的生産
物の生産終了後の高分子多孔質物体は、排出口Ｄ４から
円錐型圧搾装置Ｅ内へ移送される。そして、この高分子
多孔質物体は、円錐型圧搾装置Ｅ内で可変速モータＥ１
によって駆動される圧搾スクリュー翼Ｅ２により培養液
と細胞とに圧搾分離され、培養液は培養液回収タンクＦ
に、また細胞を含む脱水された高分子多孔質物体は多孔
質物体回収タンクＧにそれぞれ分離回収される。細胞培
養装置本体Ｄの出口に設けられた調圧弁を有する調圧排
気ノズルＨおよび培養液回収タンクＦに設けられた調圧
排気ノズルＦ１により細胞培養装置本体Ｄおよび円錐型
圧搾装置Ｅ内の圧力が装置外部より高い圧力に維持され
る。また、目的生産物が細胞内生産物の場合、細胞培養
装置本体Ｄの出口に配置された無菌洗浄水供給管Ｉによ
り洗浄水が注入され、細胞を洗浄、圧搾脱水後、高分子
多孔質物体と共に多孔質物体回収タンクＧに回収するこ
とができる。

第２図は本発明の細胞培養装置の好ましい実施例の詳細
側面図で、第３図はこの細胞培養装置を傾斜させて用い
る場合の実施例の側面図である。

細胞培養装置本体１は片端に細胞と培養液を含んだ高分
子多孔質物体８ａが投入され、温度、湿度が調整された
無菌加圧空気が注入される投入口３ａと、細胞培養後の
高分子多孔質物体を排出する排出口３ｂとを有する細胞
を培養する多孔質物体収容部１ａ、その下端の排出口３
ｂに接続して設けられ培養終了の細胞を含む高分子多孔
質物体８ｂを排出する導入管１ｂ、この導入管１ｂに調
圧排気ノズル１ｄおよび細胞洗浄水を注入する注入ノズ
ル１ｃを設けた中空円筒状のものからなる。多孔質物体
収容部１ａ内に注入された細胞と培養液を含む高分子多
孔質物体８ａは、多孔質物体収容部１ａ片端および導入
管１ｂに設けられた軸受け１ｅ、１ｆによって支持され
たスクリュー混練軸２に配列されたスクリュー混練翼２
ａが回転することによって適切に混練混合され、投入口
３ａから注入される空気と一様に接触し細胞の増殖が促
進され、かつ、多孔質物体収容部１ａ下流に移動させら
れる。スクリュー混練翼２ａに高分子多孔質物体８ａ、
８ｂの大きさより小さい目開きの多孔２ｂを設け多孔翼
とし注入気体の流通を容易とすることができる。また、
スクリュー混練翼２ａ間に撹拌板２ｄを設け高分子多孔
質物体の混合をさらに高めることができる。高分子多孔
質物体がスクリュー混練翼２ａによって移動させられる
移動量と等量の新しい細胞と培養液を含んだ高分子多孔
質物体８ａを投入口３ａより連続またはバッチ操作にて
投入することによって、多孔質物体収容部１ａ内で連続
して細胞を増殖させることができる。細胞の培養期間は
スクリュー混練軸２の回転数とスクリュー混練翼２ａ間
の混練翼ピッチ２ｃによって与えられるピッチ速度と多
孔質物体収容部１ａの長さによって規定される。したが
って、培養期間の短い細胞の場合は混練翼ピッチ２ｃを
大きく、また、スクリュー混練軸２の回転数を速くで
き、あるいは、多孔質物体収容部１ａの長さを短くする
ことができる。逆に、培養期間の比較的長い細胞の場合
は混練翼ピッチ２ｃを小さく、また、スクリュー混練軸
２の回転数を遅く、あるいは、多孔質物体収容部１ａの
長さを長くすることによって培養期間を長くすることが
できる。さらに、培養期間が長い細胞を培養する場合に
は、多孔質物体収容部１ａの投入口３ａ側を低く傾斜さ
せて配置することにより、高分子多孔質物体８ａの自重
を利用し多孔質物体８ａをスクリュー混練翼２ａよって
移動する方向と逆の方向に移動させスクリュー混練翼２
ａ間に滞留させ、投入口３ａから注入された高分子多孔
質物体８ａによる投入口側からの押し出しにより投入量
だけを多孔質物体収容部１ａの排出口３ｂ導入管１ｂに
排出することができる。この場合の培養期間は多孔質物
体収容部１ａに保有される高分子多孔質物体８ａ，８ｂ
の量と投入量から規定される。また、スクリュー混練軸
２の回転数を一時的に速くし、培養終了細胞を含む高分
子多孔質物体８ｂの一部、望ましくは導入管１ｂおよび
円錐型圧搾装置４における多孔質物体８ｂの保有容量に
等しい量を排出し、これと等量の新しい細胞と培養液を
含む高分子多孔質物体８ａを投入口３ａよりバッチ操作
にて投入することにより半回分培養することができる
（図３参照）。さらに、多孔質物体収容部１ａを積層
し、Ｕ字形状を有する多孔質物体導入管１ｂを接続させ
ることによって多孔質物体収容部１ａの長さを長くして
培養期間を長くすることもできる（図面省略）。多孔質
物体収容部１ａの周囲には恒温ジャケット７が設けられ
ており、下方の入口７ａから上方の出口７ｂへ恒温水を
流すことにより多孔質物体収容部１ａ内部が一定の温度
に保持されて最適の温度で培養が促進されるようになっ
ている。

目的生産物収穫の際には、導入管１ｂに接続された円錐
型圧搾装置４に培養期間の終了した細胞と目的生産物を
含む多孔質物体８ｂが導入され、細胞と培養液に圧搾分
離される。

円錐型圧搾装置４は多孔質物体導入開口部および下端部
多孔質物体排出管４ｃに設けられた軸受け４ｅ、４ｄに
よって支持された圧縮スクリュー軸５に配置された全体
の形状がテーパ形状を有する圧搾スクリュー翼５ａ、こ
の圧搾スクリュー翼５ａの先端に接するように配置され
た多孔４ｂを有する円錐型多孔管４ａ、この円錐型多孔
管４ａの外周に設けられた培養液回収部６からなる。圧
搾スクリュー翼５のスクリュー翼の径は、高分子多孔質
物体の移送方向に従って小さくなっており、圧搾スクリ
ュー翼５は円錐型多孔管４ａ内に勘合して配置されてい
る。圧搾スクリュー翼５ａのピッチ間は下端方向に行く
にしがって小さく、導入された高分子多孔質物体８ｂは
下端に行くにしたがって容積が圧搾縮小され、含浸して
いた培養液は円錐型多孔管４ａに設けられた多孔４ｂか
ら絞り出され、培養液回収部６に集合し培養液排出ノズ
ル６ａから排出される。細胞を含む圧搾脱水された高分
子多孔質物体８ｃは下端に設けられた排出管４ｃから排
出される。目的生産物が細胞内生産物の場合導入管１ｂ
に設けられた注入ノズル１ｃより連続または半連続的に
無菌洗浄水を注入し、細胞を洗浄しつつ洗浄水と培養液
を圧搾脱水し、脱水された細胞を含む高分子多孔質物体
８ｃを下端排出管４ｃより連続または半連続的に分離回
収させることができる。円錐型圧搾装置４で圧搾脱水さ
れる高分子多孔質物体８ｂの量は、圧搾スクリュー軸５
の回転速度を変えることによって調節することができ
る。

また、培養期間の比較的短い細胞を培養するときには、
第４図にしめすようにスクリュー混練軸２にスクリュー
混練翼２ａおよび圧搾スクリュー翼５ａを同軸上に配置
し、細胞培養装置本体１と円錐圧搾装置を一体化させる
ことができる。この場合、細胞の培養期間はスクリュー
混練翼２の回転数と混練翼ピッチ２ｃで与えられるピッ
チ速度と多孔質物体収容部１ａの長さによって規定され
る。また、円錐型圧搾装置への導入部上部に調圧排気ノ
ズル１ｄおよび洗浄水注入ノズル１ｃが配置される。

本発明で用いられる高分子多孔質物体は、圧搾されるこ
とによって容積だけが縮小し細かく破砕されない強度を
有するものであれば足り、例えばウレタンフォームのよ
うな材質であれば良いが、特に限定されない。高分子多
孔質物体の大きさは一辺の長さ或いは直径が２．５mm〜
20mmのものが好ましい。

上述された各実施例においては、高分子多孔質物体に含
浸する培養液を絞り出す圧搾装置として、円錐多孔管と
テーパー形の圧搾スクリュー翼とから成る円錐型圧搾装
置が用いられたが、一対の円柱状ロールが対向して配置
され、このロール間に多孔質物体を通過させてこれを圧
搾する様にした別の圧搾装置を使用できることは言うま
でもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の細胞培養装置による培養プロセスの好
ましい実施例の構成およびフローシートを示す図、 第２図は本発明の細胞培養装置の好ましい実施例の詳細
側面図、 第３図は第２図の細胞培養装置を傾斜させて用いる場合
の実施側の側面図、および 第４図は本発明の細胞培養装置の別の実施例の詳細側面
図である。 Ａ……多孔質物体供給タンク Ｂ……細胞供給タンク Ｃ……空調装置、Ｃ１……送風機 Ｄ……細胞培養装置本体 Ｄ１……可変速モータ Ｄ２……スクリュー混練翼 Ｄ３……投入口 Ｄ４……排出口 Ｄ５……多孔物質収容部 Ｅ……円錐型圧搾装置 Ｅ１……可変速モータ Ｅ２……圧搾スクリュー翼 Ｆ……培養液回収タンク Ｆ１……調圧排気ノズル Ｇ……多孔質物体回収タンク Ｈ……調圧排気ノズル Ｉ……洗浄水注入ノズル １……細胞培養装置本体 １ａ……多孔質物体収容部 １ｂ……導入管 １ｃ……洗浄水注入ノズル １ｄ……調圧排気ノズル ２……スクリュー混練軸 ２ａ……スクリュー混練翼、２ｂ……多孔 ２ｃ……混練翼ピッチ ２ｄ……撹拌板、３ａ……投入口、３ｂ……排出口 ４……円錐圧搾装置 ４ａ……円錐型多孔管 ４ｂ……多孔、４ｃ……排出管 ５……圧搾スクリュー軸 ５ａ……圧搾スクリュー翼 ６……培養液回収部 ７……恒温ジャケット ８ａ……新しい細胞と培養液含有高分子多孔質物体 ８ｂ……培養終了高分子多孔質物体 ８ｃ……圧搾脱水後の細胞含有高分子多孔質物体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧搾されることによって容積だけが縮小し
   細かく破砕されない強度を有する高分子多孔質物体を投
   入する投入口を一端に有し、他端に前記高分子多孔質物
   体を排出する排出口を有する多孔質物体収容部と、この
   多孔質物体収容部内に位置して増殖させようとする細胞
   と培養液とを含む前記高分子多孔質物体を混練混合しつ
   つ前記投入口から前記排出口まで移動させるスクリュー
   混練翼とを有する細胞培養装置本体、および 前記排出口から排出された前記高分子多孔質物体を圧搾
   してこの高分子多孔質物体に含浸する液体を絞り出す圧
   搾装置を備えてなる細胞培養装置。
2. 【請求項２】前記圧搾装置が、円錐型多孔管と、この多
   孔管内に嵌合して位置し、前記高分子多孔質物体の移送
   方向に従って翼の径が小さくなる全体としてテーパー型
   の圧搾スクリュー翼とから成る円錐型圧搾装置である特
   許請求の範囲第(1)項記載の細胞培養装置。
3. 【請求項３】前記スクリュー混練翼が前記高分子多孔質
   物体の大きさより小さい目開きの多孔翼で、かつ翼間に
   撹拌板を備えた特許請求の範囲第(1)項または第(2)項記
   載の細胞培養装置。
4. 【請求項４】前記多孔質物体収容部の前記投入口側が低
   くなるように傾斜して配置されている特許請求の範囲第
   (1)項ないし第(3)項いずれか１項記載の細胞培養装置。