JPH0644863B2 - 細胞の高密度連続培養の立ち上げ方法 - Google Patents

細胞の高密度連続培養の立ち上げ方法

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JPH0644863B2
JPH0644863B2 JP62018988A JP1898887A JPH0644863B2 JP H0644863 B2 JPH0644863 B2 JP H0644863B2 JP 62018988 A JP62018988 A JP 62018988A JP 1898887 A JP1898887 A JP 1898887A JP H0644863 B2 JPH0644863 B2 JP H0644863B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は各種の細胞を高密度連続培養するために、新鮮
培地の供給と培養液の濾過を同時に行いつつ、目標とす
る細胞密度まで細胞密度を増加させる立ち上げ方法に関
する。
〔従来の技術〕
培養槽と限外濾過膜あるいは精密濾過膜を組み合わせた
培養装置を用い、細胞を高密度に連続培養する試みは実
験室レベルでは既に試みられている(Biotechnology an
d Bioengineering Vol.28,No.4,p.523〜p.53
3,1986,理研シンポジウム「分離型反応器」予稿
集p.9,1986,および特開昭61−88872)。こ
の種の従来の培養方法は、いずれも目標とする細胞密度
に到達するまで、濾過膜の最大能力で培養液を濾過し、
その濾過量に等しい量の新鮮培地を、液位センサなどの
信号を利用して補給することによって、細胞の高密度連
続培養の立ち上げを計っている。すなわち、培養液の濾
過速度は膜の目詰り、膜面の汚れなどが原因となって時
間の経過とともに減少するため、新鮮培地の供給速度も
時間の経過とともなって減少させる方式の立ち上げ方法
が採用されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来の立ち上げ方法は、培養装置内における細胞の増殖
特性、基質消費特性、代謝産物生産特性を無視し、濾過
膜の最大濾過能力を実現させるという条件だけを考慮し
て、培養液の濾過速度ならびに新鮮培地の供給速度を制
御していたので、細胞密度が低く、培養装置内での細胞
による基質の消費速度、代謝産物の生産速度が低い立ち
上げ初期段階において新鮮培地の供給速度ならびに培養
液の濾過速度が高く、逆に、細胞密度が高く、基質の消
費速度、代謝産物の生産速度が高い立ち上げ最終段階で
新鮮培地の供給速度、濾過速度が低くなるという不合理
な操作方法となっていた。すなわち、立ち上げの初期段
階では、供給した基質が培養装置内で十分に消費されな
いまま培養濾液とともに装置外に排出されて利用効率が
低下したり、不必要に大きな速度で濾過をするために濾
過膜の目詰りを早めるなどの問題点があった。また、立
ち上げの最終段階では、細胞の基質消費量に見合うだけ
の基質を供給できなくなったり、装置内に細胞の増殖を
阻害する代謝産物が蓄積するなどして、細胞の増殖速度
が低下するなどの欠点があった。
〔問題点を解決するための手段〕
上記の問題点を解決するために本発明は、培養装置内に
細胞密度を直接オンライン計測するためのセンサを配置
して細胞密度の経時変化をモニタリングし、培養液中の
細胞密度が目標値に到達する時点まで細胞密度の増加に
合わせて新鮮培地供給ポンプを自動制御して新鮮培地の
供給速度を増加させ、かつ培養濾液の排出速度を、培養
装置内に配置した培養液液位センサの信号に基づいて制
御し、新鮮培地の供給速度とほぼ等しく保ち、細胞密度
が目標値に到達した後培養液排出用ポンプにより細胞培
養装置から培養液を連続的に排出して高密度連続培養に
切り替えることを特徴とする。
〔作用〕
本発明では、培養装置内に細胞密度をオンライン計測す
るためのセンサを配置して細胞密度の経時変化をモニタ
リングし、培養液中の細胞密度が目標値に到達する時点
まで細胞密度の増加に合わせて新鮮培地の供給速度を増
加させ、かつ培養濾液の排出速度も同様に増加させるこ
とにより、立ち上げの全期間を通じて、適正量の基質の
供給ならびに増殖阻害性代謝産物の除去が行える。
〔発明の効果〕
本発明によれば、立ち上げの全期間を通じて、細胞の増
殖に必要な適正量の基質が供給され、かつ増殖阻害性代
謝産物の除去が行えるので、供給した基質の利用効率が
高まり、代謝産物の蓄積による細胞の増殖速度の低下が
防げ、また不必要に大きな速度で濾過を行わないため、
濾過膜の目詰りが起りにくいなどの効果があり、その結
果立ち上げ期間の短縮による生産性の向上、使用基質当
りの細胞収量の向上が可能となる。
〔実施例〕
第1図は、本発明の一実施例として後述する乳酸菌の高
密度連続培養の立ち上げに用いた細胞培養装置である。
培養槽(1)内の細胞密度は細胞密度センサ(5)によ
ってオンライン計測され、コンピューター(3)に伝送
される。コンピューターは、この細胞密度から後述の方
法によって新鮮培地の供給速度を算出し、新鮮培地供給
ポンプ(7)の流量を制御する。新鮮培地は、新鮮培地
用タンク(2)から新鮮培地供給ライン(12)を経て
培養槽に供給される。また培養槽内の培養液は、培養液
供給ポンプ(8)により培養液供給ライン(15)から
培養液供給流量制御バルブ(18)を経て培養液濾過モ
ジュール(4)に供給され、培養液帰環流量制御バルブ
(19)、培養液帰環ライン(16)を経て培養槽に戻
るようになっている。2本の濾過モジュールは、培養液
循環ライン(17)によって接続され、この閉回路には
常時培養液が培養液循環用ポンプ(9)によって循環さ
れている。なお、濾過モジュール内の培養液流速は、培
養液循環流量制御バルブ(20)によって調節される。
新鮮培地の供給による培地槽内の液面上昇を液位センサ
(6)で検出し、この信号で培養濾液排出用電磁弁(1
1)を開けることによって培養液は濾過され培養濾液排
出ライン(13)から排出される。このように、細胞密
度の増加に合わせて新鮮培地の供給速度および培養濾液
の排出速度を増加させ、培養装置内の細胞密度が目標値
に到達した時点で、培養液排出用ポンプ(10)を作動
させ、培養液を連続的に培養液排出ラインから抜き出す
ことにより、高密度連続培養に切り替えることができ
る。
以下乳酸菌の高密度連続培養の立ち上げの実施例につい
て説明する。
容積30の培養槽にグルコース40g/、コーンス
ティープリカー150g/、K2HPO4 1g/,KH
2 PO4 1g/,MnSO4 0.06g/からなる組成の
培地を仕込み、あらかじめ前培養を行ったLactobacillu
s casei の種菌を150ml接種し、35℃±0.5
℃、pH6.5±0.3の範囲で温度、pHを定値制御しつ
つ回分培養を行った。
培養16時間後には、L−乳酸濃度が25g/に到達
し、これを越えると次第に細胞の増殖速度が低下するの
で、この時期から、本発明で明示した立ち上げ方法で新
鮮培地を供給しつつ培養液を濾過し細胞密度を高めた。
供給する新鮮培地は、グルコース25g/、コーンス
ティープリカー100g/、K2 HPO4 1g/、
KH2 PO4 1g/、MnSO4 0.06g/の組成
のものを使用した。また実験に使用した膜は住友機械エ
ンバイロテック(株)製のカーボセップSV7モジュール
(ジルコニア膜、分画分子量15000 、膜面積0.16
m2、操作温度<150℃、操作pH0〜14)2本であ
る。細胞密度センサは、理化学研究所技術部製のレーザ
濁度計(光源He−Neレーザ5mW、波長632.8n
m、光路長2mm、検出器フォトマル)を用いた。
細胞密度のオンライン計測結果から培地供給速度を算出
する方法を以下に述べる。乳酸菌を新鮮培地を供給しつ
つ培養すると、増殖制限基質であるグルコース濃度が0
g/付近では、グルコース比消費速度νと比増殖速度
μとの間には、第2図に示すような直線関係が得られ
る。このような関係をあらかじめ実験的に求めコンピュ
ーター内に記憶させておく。さらに、オンライン計測し
た細胞密度Xc から、(1)式に従って比増殖速度μc
算出し、さらに好ましくは、特開昭59−11390 の方法で
ノイズの影響を除去して比増殖速度μc を算出し、第4
図の関係からこれに対応するグルコース比消費速度νc
を求める。
μc =(△X/△t)/Xc (1) ここで△Xは単位時間当りの細胞密度の増加量、△tは
単位時間である。
この培養装置内でのグルコースSの物質収支式は(2)式
で与えられる。
ds/dt=(Fin Sf−Fout S)/V−νX (2) ここでFin 、Sfはそれぞれ新鮮培地の供給速度、新鮮培
地中のグルコース濃度、Foutは培養濾液の排出速度、V
は培養液量を表わしている。さて、本発明の立ち上げ方
法では、新鮮培地の供給速度と培養濾液の排出速度を等
しく保つことを特徴としており、さらに本実施例では供
給した培地の利用効率を高めるために、培養濾液中のグ
ルコース濃度すなわち培養液中のグルコース濃度Sを0
g/付近に調節するようにしたので、それぞれ(3)、
(4)式の関係が成立する。
Fin =Fout (3) SO, ds/dtO (4) これら(3),(4)式の関係を(2)式に代入し、Fin につい
て解くと(5)式が得られる。
Fin =νXV/Sf (5) (5)式の培養液量V、新鮮培地中のグルコース濃度Sfに
培養条件で決まる一定値を、またグルコース比消費速度
νには目標とする比増殖速度μc に対応する一定値νc
を、さらに細胞密度Xには細胞密度センサから伝送され
てくる信号から求めた細胞密度をそれぞれ代入して、細
胞密度の増加に合わせた新鮮培地の供給速度Fin を求め
ることができる。
(実施例1) 第3図は、培養過程における細胞密度、グルコース濃
度、L−乳酸濃度、新鮮培地の供給速度および積算供給
量の経時変化を示したものである。16時間目の立ち上
げ直後からL−乳酸濃度は25g/以下に、またグル
コース濃度も20時間目以降はほぼ0g/に維持するこ
とができた。その結果、立ち上げ14時間後の30時間
目には、細胞密度は目標値である40g−dry −cell/
胃に到達し、その時点で培養液を2.54/hで連
続的に排出することにより、培養装置内での細胞の増殖
速度と排出速度がほぼ釣り合い、細胞密度40g−dry
−cell/を維持して連続培養することができた。また
立ち上げ期間の細胞の比増殖速度μは0.169(h-1)
に保つことができた。
なお、立ち上げ期間に供給した新鮮培地量は、123
であった。
(実施例2) 第4図は、新鮮培地の供給速度を一定とするような立ち
上げ方法を採用した場合の実施例であり、新鮮培地の供
給速度は5.06/hとした。その他の培養条件は、
実施例1の場合と同様である。この場合とも16時間目
の立ち上げ直後からL−乳酸濃度、グルコース濃度は減
少し、20時間目以降はL−乳酸濃度は25g/以下
に、またグルコース濃度も0g/に維持することがで
きた。しかし、細胞密度が目標とした40g−dry −ce
ll/に到達するのに32時間を要し、立ち上げ期間に
供給した新鮮培地量は162であった。
このように、新鮮培地を一定速度で供給した場合には、
細胞密度の増加に従ってグルコース比消費速度νが低下
し、その結果、第2図の関係からも明らかなように細胞
の比増殖速度μおよび細胞の対グルコース収率Yx/s
低下するため、実施例1と比較して立ち上げ期間が2、
3倍、使用新鮮培地量が1.3倍となった。
以上の2つの実施例からも明らかなように、細胞の増殖
速度を高く維持して立ち上げ期間を短縮したり、新鮮培
地の使用量を削減するためには、単にL−乳酸濃度を低
く維持したり、グルコース濃度を低く維持するだけでは
不十分であり、本発明の立ち上げ方法に従った実施例1
のように、細胞密度の増加に合わせて新鮮培地の供給速
度および培養濾液の排出速度を増加させることによっ
て、立ち上げ期間の短縮化、新鮮培地使用量の削減が可
能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の実施に用いた高密度細胞培養装置の
構成図、 第2図は、グルコース比消費速度と細胞の比増殖速度お
よび対グルコース収率の関係図、 第3図は、新鮮培地を細胞密度の増加に合わせて供給し
た場合の培養のタイムコース図、 第4図は、新鮮培地を一定速度で供給した場合のタイム
コース図。 1……培養槽、 2……新鮮培地用タンク、 3……コンピューター、 4……培養液濾過モジュール、 5……細胞密度センサ、 6……液位センサ、 7……新鮮培地供給用ポンプ、 11……培養濾液排出用電磁弁。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三沢 宏 東京都港区東新橋1丁目1番19号 株式会 社ヤクルト本社内 (72)発明者 寺島 経男 東京都港区東新橋1丁目1番19号 株式会 社ヤクルト本社内 (72)発明者 務台 方彦 東京都港区東新橋1丁目1番19号 株式会 社ヤクルト本社内 (56)参考文献 特公 昭60−15307(JP,B2) 特公 昭54−11392(JP,B2) Biotechnology and Beoengineering(28)P. 523−533(1986)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】新鮮培地供給口、培養濾液排出口および培
    養液排出口を備えてなる細胞培養装置で細胞を高密度連
    続培養するにあたり、培養装置内に細胞密度を直接オン
    ライン計測するためのセンサを配置して細胞密度の経時
    変化をモニタリングし、培養液中の細胞密度が目標値に
    到達する時点まで細胞密度の増加に合わせて新鮮培地供
    給ポンプを自動制御して新鮮培地の供給速度を増加さ
    せ、かつ培養濾液の排出速度を、培養装置内に配置した
    培養液液位センサの信号に基づいて制御し、新鮮培地の
    供給速度とほぼ等しく保ち、細胞密度が目標値に到達し
    た後培養液排出用ポンプにより細胞培養装置から培養液
    を連続的に排出して高密度連続培養に切り替えることを
    特徴とする細胞の高密度連続培養の立ち上げ方法。
JP62018988A 1987-01-29 1987-01-29 細胞の高密度連続培養の立ち上げ方法 Expired - Lifetime JPH0644863B2 (ja)

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