JPH0813268B2 - 細胞培養方法及び装置 - Google Patents
細胞培養方法及び装置Info
- Publication number
- JPH0813268B2 JPH0813268B2 JP2242352A JP24235290A JPH0813268B2 JP H0813268 B2 JPH0813268 B2 JP H0813268B2 JP 2242352 A JP2242352 A JP 2242352A JP 24235290 A JP24235290 A JP 24235290A JP H0813268 B2 JPH0813268 B2 JP H0813268B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cell
- medium
- cells
- rate
- culture
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- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は動物細胞、植物細胞、微生物等の培養方法及
び装置に関する。
び装置に関する。
培養装置の運転においては培養細胞の増殖、栄養成分
の消費、老廃成分の蓄積等により培養装置内部の状態は
変化し続け、通常はある一定期間で細胞の増殖や生産物
の蓄積は終りをむかえる。これに対し、培養槽内に新鮮
培地を供給すると共に培地を同流量で抜き出してやるこ
とにより培養槽内の状態を常に一定に保つことができ、
連続培養が可能になる。この連続培養方法としてはバイ
オケミカルエンジニアリングファンダメンタルズ（1986
年）第380頁から第383頁（Biochemical Engineering Fu
ndamentals（1986）P380−383）において論じられてい
るようにケモスタット（Chemostat）と呼ばれる手法が
ある。この手法は培養装置に連続的に新鮮培地を供給し
てやり、それと同流量の培地及び細胞の混合液を培養装
置から抜出してやる手法で、培養装置内で増殖する細胞
の数と抜出口から流出する細胞の数とをバランスさせる
ことにより培養装置内の細胞密度を一定に保つことがで
きる。この関係は次式で表わされる。
の消費、老廃成分の蓄積等により培養装置内部の状態は
変化し続け、通常はある一定期間で細胞の増殖や生産物
の蓄積は終りをむかえる。これに対し、培養槽内に新鮮
培地を供給すると共に培地を同流量で抜き出してやるこ
とにより培養槽内の状態を常に一定に保つことができ、
連続培養が可能になる。この連続培養方法としてはバイ
オケミカルエンジニアリングファンダメンタルズ（1986
年）第380頁から第383頁（Biochemical Engineering Fu
ndamentals（1986）P380−383）において論じられてい
るようにケモスタット（Chemostat）と呼ばれる手法が
ある。この手法は培養装置に連続的に新鮮培地を供給し
てやり、それと同流量の培地及び細胞の混合液を培養装
置から抜出してやる手法で、培養装置内で増殖する細胞
の数と抜出口から流出する細胞の数とをバランスさせる
ことにより培養装置内の細胞密度を一定に保つことがで
きる。この関係は次式で表わされる。
Ｄ＝F/V ……（２） ただし x:細胞密度（cells/l） t:時間（ｈ） D:交換率（h-1） μ：細胞の増殖率（h-1） F:培地供給及び抜出流量（l/h） V:培養装置容量（ｌ） 式（１）において培養装置内の細胞密度ｘが一定であ
る、すなわちdx/dt＝０とすると次式の関係が成立す
る。
る、すなわちdx/dt＝０とすると次式の関係が成立す
る。
Ｄ＝μ ……（３） すなわち、交換率Ｄと増殖率μとは等しくなければな
らない。これは換言すれば培養する細胞の増殖率によっ
て希釈率が決定されてしまい、それ以上の希釈率が得ら
れないということである。例えば、動物細胞の場合、増
殖率μは0.01〜0.02（h-1）でありこれと同じ交換率Ｄ
で培養した場合、１日に培養装置全容量の半分弱の培地
を供給することができるだけとなり、維持できる細胞密
度はせいぜい１×109（cells/l）程度である。
らない。これは換言すれば培養する細胞の増殖率によっ
て希釈率が決定されてしまい、それ以上の希釈率が得ら
れないということである。例えば、動物細胞の場合、増
殖率μは0.01〜0.02（h-1）でありこれと同じ交換率Ｄ
で培養した場合、１日に培養装置全容量の半分弱の培地
を供給することができるだけとなり、維持できる細胞密
度はせいぜい１×109（cells/l）程度である。
これに対し培養装置からの細胞の流出を防止して細胞
の増殖率よりも高い割合で培養装置内の培養地を交換し
ようとする種々の試みがなされてきた。この培養装置か
らの細胞の流出を防止するためには細胞と培地を分離す
る手段が必要であり、重力沈降型、遠心分離型、過等
の方法がある。これらの手法を用いることにより１×10
10（cells/l）以上の細胞密度が得られるようになって
きた。
の増殖率よりも高い割合で培養装置内の培養地を交換し
ようとする種々の試みがなされてきた。この培養装置か
らの細胞の流出を防止するためには細胞と培地を分離す
る手段が必要であり、重力沈降型、遠心分離型、過等
の方法がある。これらの手法を用いることにより１×10
10（cells/l）以上の細胞密度が得られるようになって
きた。
この細胞分離装置を用いた培養では、式（１）の交換
率Ｄを除外した場合であるから、常にdx/dt＞０とな
り、細胞密度は無限に大きくなるはずであるが、実際に
はそうはならず、大きくてもせいぜい１×1011（cells/
l）までである。これは細胞が何らかの要因で阻害され
たり、死滅する細胞の数が増大するためであり、通常は
栄養成分の不足による飢餓状態になるものや老廃成分の
蓄積による阻害であることが多い。細胞や生産物の種類
によってはこの飢餓状態にあるときの方が生産物を多く
分泌する場合もあるが、逆に細胞の代謝系路が好ましく
ない方向に変化したり、死細胞の分解による酵素等の培
地中への流出が生産物の回収に悪影響を与えることがあ
る。この悪影響を防止するためには細胞当りの培地交換
率α（1/h・cell）を一定以上の値に保持してやる必要
があり、これは次式で表わされる。
率Ｄを除外した場合であるから、常にdx/dt＞０とな
り、細胞密度は無限に大きくなるはずであるが、実際に
はそうはならず、大きくてもせいぜい１×1011（cells/
l）までである。これは細胞が何らかの要因で阻害され
たり、死滅する細胞の数が増大するためであり、通常は
栄養成分の不足による飢餓状態になるものや老廃成分の
蓄積による阻害であることが多い。細胞や生産物の種類
によってはこの飢餓状態にあるときの方が生産物を多く
分泌する場合もあるが、逆に細胞の代謝系路が好ましく
ない方向に変化したり、死細胞の分解による酵素等の培
地中への流出が生産物の回収に悪影響を与えることがあ
る。この悪影響を防止するためには細胞当りの培地交換
率α（1/h・cell）を一定以上の値に保持してやる必要
があり、これは次式で表わされる。
α＝D/x＝α０ ……（４） しかしながら、前記のように無限に増加を続けようと
する細胞密度ｘに対して交換率Ｄは有限であるためある
時点においてどうしても式（４）を満たせなくなり、そ
の手前で細胞密度ｘの増加を止める手段がなかった。
する細胞密度ｘに対して交換率Ｄは有限であるためある
時点においてどうしても式（４）を満たせなくなり、そ
の手前で細胞密度ｘの増加を止める手段がなかった。
本発明は与えられた交換率Ｄにおいて、式（４）の条
件を満たして細胞への阻害が発生しない状態で細胞密度
ｘを一定に保持することにより高い生産性を得ることの
できる細胞培養方法及び装置を提供することを目的とす
る。
件を満たして細胞への阻害が発生しない状態で細胞密度
ｘを一定に保持することにより高い生産性を得ることの
できる細胞培養方法及び装置を提供することを目的とす
る。
上記目的を達成するために、目的の値以上に細胞密度
が増加しないようある一定の割合で細胞を培養装置外に
抜出すようにしたものである。この抜出す細胞の量はケ
モスタットのように交換率Ｄによって一義的に決定され
てしまうものでなく、任意にコントロールできるもので
なければならない。このために培養装置（槽）に細胞分
離装置からの培地抜出口と、培地と細胞の混合液の抜出
口を別々に設け、両抜出口からの抜出量の比率を制御す
るようにしたものである。
が増加しないようある一定の割合で細胞を培養装置外に
抜出すようにしたものである。この抜出す細胞の量はケ
モスタットのように交換率Ｄによって一義的に決定され
てしまうものでなく、任意にコントロールできるもので
なければならない。このために培養装置（槽）に細胞分
離装置からの培地抜出口と、培地と細胞の混合液の抜出
口を別々に設け、両抜出口からの抜出量の比率を制御す
るようにしたものである。
細胞分離装置からの抜出流量をF1（l/h）、培養装置
内からの直接抜出流量をF2（l/h）としたとき、培養装
置内において次の関係が成立する。
内からの直接抜出流量をF2（l/h）としたとき、培養装
置内において次の関係が成立する。
Ｄ＝（F1＋F2）/V ……（６） η＝F2/（F1＋F2） ……（７） 式（５）〜（７）においてF1＝０となった場合がケモ
スタットの場合であり、F2＝０が従来の細胞分離装置の
みを使った場合に相当する。ここで交換率Ｄと細胞当り
の培地交換率α０が与えられたとき、式（４）により目
標とする細胞密度x0が求まる。実際の細胞密度ｘがx0よ
りも小さいときはη＜μ/Dとなるように抜出流量分配比
ηを設定してやれば式（５）に示すようにdx/dt＞０と
なり細胞密度が増加する。又、逆に細胞密度ｘがx0より
も大きいとはη＞μ/Dとなるようにすればdx/dt＜０と
なり細胞密度が減少する。ここで抜出流量分配比ηは交
換率Ｄや細胞密度ｘに独立に制御可能であるのでｘ＝x0
となるように容易に制御可能である。
スタットの場合であり、F2＝０が従来の細胞分離装置の
みを使った場合に相当する。ここで交換率Ｄと細胞当り
の培地交換率α０が与えられたとき、式（４）により目
標とする細胞密度x0が求まる。実際の細胞密度ｘがx0よ
りも小さいときはη＜μ/Dとなるように抜出流量分配比
ηを設定してやれば式（５）に示すようにdx/dt＞０と
なり細胞密度が増加する。又、逆に細胞密度ｘがx0より
も大きいとはη＞μ/Dとなるようにすればdx/dt＜０と
なり細胞密度が減少する。ここで抜出流量分配比ηは交
換率Ｄや細胞密度ｘに独立に制御可能であるのでｘ＝x0
となるように容易に制御可能である。
以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。図
において、培養装置１において培養中の細胞にポンプ３
により新鮮培地を供給する。液面が上限レベルセンサ６
に達すると新鮮培地の供給を停止し、ポンプ４により細
胞分離装置２を経由して培地のみを抜出すと同時にポン
プ５により細胞と培地の混合液を抜出す。このときポン
プ５の流量をポンプ４よりも十分大きく設定しておけ
ば、培養装置１から抜出されるのはポンプ５からのもの
がほとんどを占める。液面がポンプ５の抜出ノズル８よ
りも下がると、ポンプ５からは気相部のガスのみが抜出
される。ポンプ４から抜出される培地のみによって液面
が降下する。液面が下限レベルセンサ７に達するとポン
プ４及びポンプ５を停止し、ポンプ３を起動することに
より新鮮培地の供給を再開する。
において、培養装置１において培養中の細胞にポンプ３
により新鮮培地を供給する。液面が上限レベルセンサ６
に達すると新鮮培地の供給を停止し、ポンプ４により細
胞分離装置２を経由して培地のみを抜出すと同時にポン
プ５により細胞と培地の混合液を抜出す。このときポン
プ５の流量をポンプ４よりも十分大きく設定しておけ
ば、培養装置１から抜出されるのはポンプ５からのもの
がほとんどを占める。液面がポンプ５の抜出ノズル８よ
りも下がると、ポンプ５からは気相部のガスのみが抜出
される。ポンプ４から抜出される培地のみによって液面
が降下する。液面が下限レベルセンサ７に達するとポン
プ４及びポンプ５を停止し、ポンプ３を起動することに
より新鮮培地の供給を再開する。
本実施例によれば、ポンプ５の抜出ノズル８の高さに
よって抜出量分配比ηを変えることができる。
よって抜出量分配比ηを変えることができる。
η＝h2/（h1＋h2） ……（８） 次に、本発明の他の一実施例を第２図により説明す
る。
る。
図において、培養装置１において培養中の細胞にあら
かじめ設定した交換率Ｄになるように一定流量F0（l/
h）でポンプ３により新鮮培地を供給する。ポンプ５は
ポンプ３より十分大きな流量F2′（l/h）で一定にして
おくことにより、液面がポンプ５の抜出ノズル８よりも
高くなった分だけの細胞と培地の混合液を抜出す。ポン
プ４からの培地の抜出流量F1（l/h）は次式により演算
し、制御装置９よりポンプ４に速度指令信号を出力す
る。
かじめ設定した交換率Ｄになるように一定流量F0（l/
h）でポンプ３により新鮮培地を供給する。ポンプ５は
ポンプ３より十分大きな流量F2′（l/h）で一定にして
おくことにより、液面がポンプ５の抜出ノズル８よりも
高くなった分だけの細胞と培地の混合液を抜出す。ポン
プ４からの培地の抜出流量F1（l/h）は次式により演算
し、制御装置９よりポンプ４に速度指令信号を出力す
る。
F1＝（１−η）F0 ……（９） このときの抜出量分配比ηはη＝μ/Dとなるように設
定するが、細胞密度計10により測定された細胞密度ｘの
制御目標値x0からの偏差に応じて増減させてやることに
より偏差を小さくし、制御目標値x0に近づけることがで
きる。
定するが、細胞密度計10により測定された細胞密度ｘの
制御目標値x0からの偏差に応じて増減させてやることに
より偏差を小さくし、制御目標値x0に近づけることがで
きる。
本発明によれば、抜出量分配比ηを変えることにより
細胞当りの培地交換率αを一定に保つことができるの
で、細胞の状態を増殖期、定常期等の任意の値に保持す
ることができ、生産性の向上、培養の再現性の向上を図
ることができる。
細胞当りの培地交換率αを一定に保つことができるの
で、細胞の状態を増殖期、定常期等の任意の値に保持す
ることができ、生産性の向上、培養の再現性の向上を図
ることができる。
第１図は本発明の一実施例の培養装置の説明図、第２図
は本発明の他の実施例の培養装置の説明図である。 １……培養装置、２……細胞分離装置、３……ポンプ、
４……ポンプ、５……ポンプ、６……上限レベルセン
サ、７……下限レベルセンサ、８……抜出ノズル、９…
…制御装置、10……細胞濃度計
は本発明の他の実施例の培養装置の説明図である。 １……培養装置、２……細胞分離装置、３……ポンプ、
４……ポンプ、５……ポンプ、６……上限レベルセン
サ、７……下限レベルセンサ、８……抜出ノズル、９…
…制御装置、10……細胞濃度計
Claims (5)
- 【請求項１】細胞を液中培養する細胞培養方法におい
て、 培養槽から細胞を含まない培地を抜出す手段（Ａ）と細
胞と培地の混合液を抜出す手段（Ｂ）とを備え、 該２つの手段（Ａ）（Ｂ）により抜出される流量の流量
分配比を変えて培養装置内の細胞密度を制御する ことを特徴とする細胞培養方法。 - 【請求項２】前記細胞を含まない培地を抜出す手段が、
重力沈降、遠心分離、およびろ過のいずれかであること
を特徴とする請求項１記載の細胞培養方法。 - 【請求項３】前記流量分配比は、式η＝μ/Dを満たすよ
うに決定されることを特徴とする請求項１または２記載
の細胞培養方法。 ただし η＝F2/（F1＋F2） Ｄ＝（F1＋F2）Ｖ ここで η：抜出流量分配比 μ：細胞増殖率（h-1） D:交換率（h-1） F1:細胞分離装置を経由した培地のみの抜出流量（l/h） F2:培養装置内からの細胞及び培地混合液の直接抜出流
量（l/h） V:培養装置容量（ｌ） - 【請求項４】細胞分離装置を経て細胞を含まない培地を
抜出すための抜出口（Ｃ）と細胞と培地の混合液を抜出
すための抜出口（Ｄ）とを設けた動物細胞、植物細胞、
微生物等を液中培養する細胞培養装置において、 前記抜出口（Ｃ）と抜出口（Ｄ）の流量比を任意に設定
する設定手段を設けたことを特徴とする細胞培養装置。 - 【請求項５】前記設定手段は、 培養槽内の細胞密度を測定する測定手段と、 この測定手段により測定された細胞密度と制御目標細胞
密度との偏差を用いて前記流量比を制御する制御手段と からなることを特徴とする請求項４記載の細胞培養装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2242352A JPH0813268B2 (ja) | 1990-09-14 | 1990-09-14 | 細胞培養方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2242352A JPH0813268B2 (ja) | 1990-09-14 | 1990-09-14 | 細胞培養方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04126072A JPH04126072A (ja) | 1992-04-27 |
| JPH0813268B2 true JPH0813268B2 (ja) | 1996-02-14 |
Family
ID=17087918
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2242352A Expired - Lifetime JPH0813268B2 (ja) | 1990-09-14 | 1990-09-14 | 細胞培養方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0813268B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100432828B1 (ko) * | 2001-03-19 | 2004-05-24 | 라파즈 한라 시멘트 주식회사 | 반연속식 공정과 직렬식 공정을 이용한 생물학적이산화탄소 고정화 방법 |
| JP7375487B2 (ja) * | 2019-11-20 | 2023-11-08 | 株式会社Ihi | 微生物製造装置 |
-
1990
- 1990-09-14 JP JP2242352A patent/JPH0813268B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04126072A (ja) | 1992-04-27 |
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Legal Events
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