特開 2021-154201 培養液調整装置、及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-154201(P2021-154201A)

(43)【公開日】2021年10月7日

(54)【発明の名称】培養液調整装置、及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 19/00 20060101AFI20210910BHJP

   C02F 1/44 20060101ALI20210910BHJP

   B01D 71/36 20060101ALI20210910BHJP

   B01D 69/00 20060101ALI20210910BHJP

   B01D 61/00 20060101ALI20210910BHJP

   C02F 1/20 20060101ALI20210910BHJP

   C12M 1/04 20060101ALI20210910BHJP

【ＦＩ】

   B01D19/00 H

   C02F1/44 A

   B01D71/36

   B01D69/00

   B01D61/00

   C02F1/20 A

   C12M1/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2020-55886(P2020-55886)

(22)【出願日】2020年3月26日

(71)【出願人】

【識別番号】000106760

【氏名又は名称】ＣＫＤ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121821

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 強

(74)【代理人】

【識別番号】100125575

【弁理士】

【氏名又は名称】松田 洋

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 雅

【テーマコード（参考）】

4B029

4D006

4D011

4D037

【Ｆターム（参考）】

4B029AA01

4B029BB01

4B029CC01

4B029DB16

4D006GA32

4D006GA35

4D006KB14

4D006MA03

4D006MA31

4D006MB10

4D006MC30

4D006MC44

4D006PB62

4D006PB64

4D006PC80

4D011AA17

4D011AD06

4D037AA01

4D037BA23

(57)【要約】

【課題】培養液調整装置において、ガス交換部からの培養液の漏れを抑制しつつ、培養液中の気体濃度を調整するのに必要な時間を短縮する。
【解決手段】培養液調整装置では、培養液が流れる第１流路（６４）と気体が流れる第２流路（５５）とが、ガス交換膜（７０）を介して隣接している。培養液調整装置は、培養液の中の気体の濃度を調整する。ガス交換膜は、繊維状の疎水性材料により膜状に形成され、粒子を内部で捕捉することが可能である。培養液調整装置では、第１流路から第２流路へ培養液が漏れ出さない範囲で、第１流路の内部の培養液の圧力が、第２流路の内部の気体の圧力よりも高く設定される。
【選択図】 図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

培養液が流れる第１流路と気体が流れる第２流路とが、ガス交換膜を介して隣接しており、前記培養液の中の前記気体の濃度を調整する培養液調整装置であって、
前記ガス交換膜は、繊維状の疎水性材料により膜状に形成され、粒子を内部で捕捉することが可能であり、
前記第１流路から前記第２流路へ前記培養液が漏れ出さない範囲で、前記第１流路の内部の前記培養液の圧力が、前記第２流路の内部の前記気体の圧力よりも高く設定される、培養液調整装置。

【請求項2】

前記第１流路が形成された第１部材において、前記ガス交換膜と接する部分が前記ガス交換膜の表面の凹凸に食い込むことにより、前記第１部材と前記ガス交換膜とが接合されている、請求項１に記載の培養液調整装置。

【請求項3】

前記第２流路が形成された第２部材において、前記ガス交換膜と接する部分が前記ガス交換膜の表面の凹凸に食い込むことにより、前記第２部材と前記ガス交換膜とが接合されている、請求項１又は２に記載の培養液調整装置。

【請求項4】

前記第１流路において前記ガス交換膜に接する部分は、分岐せずに前記ガス交換膜に沿って複数回屈曲している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の培養液調整装置。

【請求項5】

水を貯留する水容器を備え、
前記水容器の内部の水を通過させた前記気体が前記第２流路に流される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の培養液調整装置。

【請求項6】

前記第１流路が形成された第１部材、前記第２流路が形成された第２部材、及び前記ガス交換膜は、合成樹脂により形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の培養液調整装置。

【請求項7】

前記第１部材及び前記第２部材は、ポリスチレンにより形成され、
前記ガス交換膜は、ＰＴＦＥにより形成されている、請求項６に記載の培養液調整装置。

【請求項8】

前記ガス交換膜の厚さは、０．４［ｍｍ］〜０．６［ｍｍ］である、請求項１から７のいずれか１項に記載の培養液調整装置。

【請求項9】

培養液が流れる第１流路と気体が流れる第２流路とが、ガス交換膜を介して隣接しており、前記培養液の中の前記気体の濃度を調整する培養液調整装置を製造する方法であって、
前記ガス交換膜は、疎水性材料である第１合成樹脂により形成されており、
前記第１流路が形成された第１部材は、前記第１合成樹脂の融点よりも融点の低い第２合成樹脂により形成されており、
前記ガス交換膜は、繊維状の前記第１合成樹脂により膜状に形成され、粒子を内部で捕捉することが可能であり、
前記第１部材において前記ガス交換膜と接する部分を溶融させて前記ガス交換膜の表面の凹凸に侵入させて凝固させることにより、前記第１部材と前記ガス交換膜とを接合する、培養液調整装置の製造方法。

【請求項10】

前記第２流路が形成された第２部材は、前記第２合成樹脂により形成されており、
前記第２部材において前記ガス交換膜と接する部分を溶融させて前記ガス交換膜の表面の凹凸に侵入させて凝固させることにより、前記第２部材と前記ガス交換膜とを接合する、請求項９に記載の培養液調整装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、培養液中の気体濃度を調整する培養液調整装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ガス交換部と接触する第１流路と、ガス交換部と接触し、ガス交換部を介して第１流路と対向する部分をもつ第２流路とを備え、第１流路に二酸化炭素と酸素を含む液体を流し、第２流路に細胞培養液を流し、細胞培養液の酸素と二酸化炭素の濃度を調整する培養液調整装置がある（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４８０７３５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、特許文献１のガス交換部は、液体中の気泡を取り除く手段として、膜を貫通した多数の孔が形成されたメンブレンフィルタを備えている。メンブレンフィルタでは、孔の直径は濃度を調整するガス成分よりも遙かに大きく、液体の送液圧力が表面張力を上回るとメンブレンフィルタの孔に液体が浸入して漏れる。これに対して、特許文献１に記載のガス交換部は、疎水性材料からなるガス透過層を備えている。ガス透過層は、メンブレンフィルタに形成され、メンブレンフィルタの孔を通して液体が移動せずに液体に含まれるガス成分だけが移動できる隙間を形成している。

【0005】

しかし、ガス交換部がメンブレンフィルタに加えて上記ガス透過層を備える場合、酸素及び二酸化炭素（気体）がガス交換部を透過する速度が低くなり、細胞培養液（培養液）の酸素及び二酸化炭素の濃度を調整するのに必要な時間が長くなる。

【0006】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、培養液調整装置において、ガス交換部からの培養液の漏れを抑制しつつ、培養液中の気体濃度を調整するのに必要な時間を短縮することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するための第１の手段は、
培養液が流れる第１流路と気体が流れる第２流路とが、ガス交換膜を介して隣接しており、前記培養液の中の前記気体の濃度を調整する培養液調整装置であって、
前記ガス交換膜は、繊維状の疎水性材料により膜状に形成され、粒子を内部で捕捉することが可能であり、
前記第１流路から前記第２流路へ前記培養液が漏れ出さない範囲で、前記第１流路の内部の前記培養液の圧力が、前記第２流路の内部の前記気体の圧力よりも高く設定される。

【0008】

上記構成によれば、培養液が流れる第１流路と気体が流れる第２流路とが、ガス交換膜を介して隣接している。このため、第２流路からガス交換膜を介して第１流路へ気体を透過させることができ、培養液の中の気体の濃度を調整することができる。

【0009】

ここで、ガス交換膜は、繊維状の疎水性材料により膜状に形成され、粒子を内部で捕捉することが可能である。すなわち、メンブレンフィルタがフィルタの表面で粒子を捕捉する表面捕捉（完全捕捉）の特性を有するのに対して、上記ガス交換膜は粒子を内部で捕捉する内部捕捉の特性を有する。

【0010】

表面捕捉の特性を有するメンブレンフィルタでは、孔の一方の開口から侵入した培養液が、孔の他方の開口から漏れ出しやすい。このため、メンブレンフィルタでは、孔の直径を大きくすることができず、培養液中の気体の濃度を調整するのに必要な時間が長くなる。メンブレンフィルタが特許文献１のガス透過層を備える場合は、培養液中の気体の濃度を調整するのに必要な時間がさらに長くなる。

【0011】

これに対して、内部捕捉の特性を有する上記ガス交換膜では、膜の表面だけでなく膜の内部でも培養液の侵入を抑制することができる。このため、繊維状の疎水性材料同士の隙間を大きくすることができ、培養液中の気体の濃度を調整するのに必要な時間を短縮することができる。そして、ガス交換膜は、繊維状の疎水性材料により形成されているため、培養液を弾きやすい。したがって、繊維状の疎水性材料同士の隙間を大きくしたとしても、培養液がガス交換膜の内部へ浸入すること、ひいては培養液がガス交換膜から漏れ出すことを抑制することができる。よって、ガス交換膜からの培養液の漏れを抑制しつつ、培養液中の気体濃度を調整するのに必要な時間を短縮することができる。

【0012】

さらに、第１流路から第２流路へ培養液が漏れ出さない範囲で、第１流路の内部の培養液の圧力が、第２流路の内部の気体の圧力よりも高く設定される。このため、培養液中の気泡を、ガス交換膜を介して第２流路へ排出することができる。

【0013】

第２の手段では、前記第１流路が形成された第１部材において、前記ガス交換膜と接する部分が前記ガス交換膜の表面の凹凸に食い込むことにより、前記第１部材と前記ガス交換膜とが接合されている。こうした構成によれば、第１部材とガス交換膜との接合に接着剤を使用する必要がないため、培養液が接着剤により汚染されることを抑制することができる。なお、こうした構成は、ガス交換膜の融点よりも融点の低い材料により第１部材を形成し、第１部材においてガス交換膜と接する部分を溶融させてガス交換膜の表面の凹凸に侵入させて凝固させることにより実現することができる。

【0014】

第３の手段では、前記第２流路が形成された第２部材において、前記ガス交換膜と接する部分が前記ガス交換膜の表面の凹凸に食い込むことにより、前記第２部材と前記ガス交換膜とが接合されている。こうした構成によれば、第２部材とガス交換膜との接合に接着剤を使用する必要がないため、第２流路を流れる気体、ひいては培養液が接着剤により汚染されることを抑制することができる。なお、こうした構成は、ガス交換膜の融点よりも融点の低い材料により第２部材を形成し、第２部材においてガス交換膜と接する部分を溶融させてガス交換膜の表面の凹凸に侵入させて凝固させることにより実現することができる。

【0015】

第４の手段では、前記第１流路において前記ガス交換膜に接する部分は、分岐せずに前記ガス交換膜に沿って複数回屈曲している。こうした構成によれば、培養液調整装置が大型化することを抑制しつつ、第１流路においてガス交換膜に接する部分の長さを長くすることができ、培養液がガス交換膜を介して第２流路内の気体に接する時間を長くすることができる。さらに、第１流路においてガス交換膜に接する部分は、ガス交換膜に沿って複数回屈曲しているため、第１流路内で培養液が撹拌され、培養液中に気体を溶解させやすくなる。したがって、第１流路を培養液が流れる間に、培養液中の気体濃度を上昇させやすくなる。

【0016】

第２流路を流れる気体が乾燥している場合、培養液の水分がガス交換膜を介して第２流路へ蒸発するおそれがある。

【0017】

この点、第５の手段では、水を貯留する水容器を備え、前記水容器の内部の水を通過させた前記気体が前記第２流路に流される。こうした構成によれば、簡易な構成により、第２流路を流れる気体に加湿することができ、培養液の水分が蒸発することを抑制することができる。

【0018】

ガスによる滅菌方法は、比較的低コストで実施することができるとともに、ガス交換膜の内部まで滅菌することができる。しかし、滅菌に用いるガスは、金属を腐食する性質を有することが多く、金属部材に対して用いることが制限される。

【0019】

この点、第６の手段では、前記第１流路が形成された第１部材、前記第２流路が形成された第２部材、及び前記ガス交換膜は、合成樹脂により形成されている。合成樹脂は、滅菌に用いるガスにより腐食されにくい。したがって、第１流路、第２流路、及びガス交換膜を、ガスにより低コストで滅菌することができるとともに、ガス交換膜の内部まで滅菌することができる。

【0020】

具体的には、第７の手段のように、前記第１部材及び前記第２部材は、ポリスチレンにより形成され、前記ガス交換膜は、ＰＴＦＥにより形成されている、といった構成を採用することができる。こうした構成によれば、ガス交換膜を形成するＰＴＦＥの融点よりも、融点の低いポリスチレンにより第１部材及び第２部材を形成することができる。

【0021】

具体的には、第８の手段のように、前記ガス交換膜の厚さは、０．４［ｍｍ］〜０．６［ｍｍ］である、といった構成を採用することができる。こうした構成によれば、厚さが最大で０．１［ｍｍ］程度のメンブレンフィルタと比べて、ガス交換膜の厚さが十分に厚い。このため、繊維状の疎水性材料同士の隙間を大きくしたとしても、培養液がガス交換膜の内部へ浸入すること、ひいては培養液がガス交換膜から漏れ出すことを抑制することができる。

【0022】

第９の手段は、
培養液が流れる第１流路と気体が流れる第２流路とが、ガス交換膜を介して隣接しており、前記培養液の中の前記気体の濃度を調整する培養液調整装置を製造する方法であって、
前記ガス交換膜は、疎水性材料である第１合成樹脂により形成されており、
前記第１流路が形成された第１部材は、前記第１合成樹脂の融点よりも融点の低い第２合成樹脂により形成されており、
前記ガス交換膜は、繊維状の前記第１合成樹脂により膜状に形成され、粒子を内部で捕捉することが可能であり、
前記第１部材において前記ガス交換膜と接する部分を溶融させて前記ガス交換膜の表面の凹凸に侵入させて凝固させることにより、前記第１部材と前記ガス交換膜とを接合する。

【0023】

一般に、疎水性材料により形成されたガス交換膜は、極性が低く、他の部材と接合しにくい。

【0024】

この点、上記工程によれば、ガス交換膜は、疎水性材料である第１合成樹脂により形成されており、第１流路が形成された第１部材は、第１合成樹脂の融点よりも融点の低い第２合成樹脂により形成されている。そして、第１部材においてガス交換膜と接する部分を溶融させてガス交換膜の表面の凹凸に侵入させて凝固させることにより、第１部材とガス交換膜とを接合する。したがって、第１部材とガス交換膜とを、物理的構造により接合することができるため、疎水性材料である第１合成樹脂により形成されたガス交換膜を、第１部材と接合することができる。さらに、第１部材とガス交換膜との接合に接着剤を使用する必要がないため、培養液が接着剤により汚染されることを抑制することができる。

【0025】

第１０の手段では、前記第２流路が形成された第２部材は、前記第２合成樹脂により形成されており、前記第２部材において前記ガス交換膜と接する部分を溶融させて前記ガス交換膜の表面の凹凸に侵入させて凝固させることにより、前記第２部材と前記ガス交換膜とを接合する。

【0026】

上記工程によれば、第２流路が形成された第２部材は、上記第２合成樹脂により形成されている。そして、第２部材においてガス交換膜と接する部分を溶融させてガス交換膜の表面の凹凸に侵入させて凝固させることにより、第２部材とガス交換膜とを接合する。したがって、第２部材とガス交換膜とを、物理的構造により接合することができるため、疎水性材料である第１合成樹脂により形成されたガス交換膜を、第２部材と接合することができる。さらに、第２部材とガス交換膜との接合に接着剤を使用する必要がないため、第２流路を流れる気体、ひいては培養液が接着剤により汚染されることを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】培養液調整装置を示す模式図。

【図2】平衡状態における酸素体積比と溶存酸素濃度と温度との関係を示すグラフ。

【図3】平衡状態における二酸化炭素体積比の自然対数値とｐＨと温度との関係を示すグラフ。

【図4】酸素流量テーブルを示す図。

【図5】二酸化炭素流量テーブルを示す図。

【図6】図１のＶＩ−ＶＩ線断面図。

【図7】第１部材の平面図。

【図8】第１部材の下部斜視図。

【図9】第２部材の上部斜視図。

【図10】第２部材の下部斜視図。

【図11】目標ＤＯを変化させた場合のＤＯ比を示すタイムチャート。

【図12】酸素流量、開始ＤＯ、終了ＤＯ、及び目標ＤＯを示す表。

【図13】培養液流量と実測ＤＯとの関係を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、細胞を培養する培養液中の気体濃度を調整する培養液調整装置に具現化した一実施形態について、図面を参照して説明する。

【0029】

図１に示すように、培養液調整装置１０は、制御ユニット１１、水容器２０、ガス交換ユニット５０、培養容器３０、ポンプ３１，３２等を備えている。

【0030】

制御ユニット１１は、マスフロコントローラ（ＭＦＣ）１２，１３，１４、継手１５、操作部１６、表示部１７、マイクロコンピュータ（ＭＣ）１８等を備えている。

【0031】

ＭＦＣ１２（第１流量調整部）には、酸素ボンベ４１からの酸素が、レギュレータ（調圧弁）４５により所定圧力に調整されて供給される。ＭＦＣ１３（第２流量調整部）には、二酸化炭素ボンベ４２からの二酸化炭素が、レギュレータ４６により所定圧力に調整されて供給される。ＭＦＣ１４（第３流量調整部）には、窒素ボンベ４３からの窒素（不活性ガス）が、レギュレータ４７により所定圧力に調整されて供給される。すなわち、ＭＦＣ１２，１３，１４には、互いに等しい所定圧力の酸素，二酸化炭素，窒素がそれぞれ供給される。ＭＦＣ１２，１３，１４は、それぞれ酸素，二酸化炭素，窒素の流量を調整する。ＭＦＣ１２，１３，１４によるガス流量の調整状態は、ＭＣ１８により制御される。

【0032】

ＭＦＣ１２，１３，１４により、それぞれ流量の調整された酸素，二酸化炭素，窒素は継手１５で合流する。継手１５は、ＭＦＣ１２，１３，１４にそれぞれ接続された配管１２ａ，１３ａ，１４ａを配管１５ａに接続している。すなわち、継手１５（混合部）により、ＭＦＣ１２，１３，１４からそれぞれ供給される酸素，二酸化炭素，窒素が混合されて、それらの混合ガス（気体）が配管１５ａへ供給される。

【0033】

配管１５ａは、０．２〜０．５［μｍ］の孔径を有する滅菌ろ過フィルタ１５ｂに接続されている。混合ガスは、滅菌ろ過フィルタ１５ｂを通過することでクリーンな状態になる。滅菌ろ過フィルタ１５ｂと、滅菌水（水）を貯留する水容器２０とは、配管１５ｃで接続されている。詳しくは、配管１５ｃの下端は、水容器２０に貯留された水の水面よりも下に位置している。すなわち、配管１５ｃは、水容器２０に貯留された水の中に混合ガスを供給するように、水容器２０に接続されている。また、水容器２０には、配管２１の第１端（一端）が接続されている。詳しくは、配管２１の下端は、水容器２０に貯留された水の水面よりも上に位置している。すなわち、配管２１の第１端は、水容器２０において水よりも上の部分の混合ガスを排出するように、水容器２０に接続されている。これにより、水容器２０の内部の水を通過させた混合ガスが、ガス交換ユニット５０のガス流路（第２流路）に流される。

【0034】

配管２１の第２端（他端）は、ガス交換ユニット５０のガス導入部５２に接続されている。ガス導入部５２からガス交換ユニット５０の内部へ導入された混合ガスは、ガス交換ユニット５０の内部を流れる培養液Ｌ１とガス交換を行う。ガス交換後の混合ガスは、ガス導出部５３からガス交換ユニット５０の外部へ排出される。ガス導出部５３には、配管２２が接続されている。ガス導入部５２及びガス導出部５３は、ルアースリップ式（テーパ状）になっており、それぞれ配管２１，２２を容易に接続及び取り外し可能になっている。配管２２を介して、培養液調整装置１０の外部へ混合ガスを排出してもよい。又は、培養容器３０の気密性が低い場合は、配管２２を介して培養容器３０の気相部へ混合ガスを供給してもよい。その場合、混合ガスは培養容器３０の隙間を通って外部へ排出される。なお、ガス交換ユニット５０の詳細については後述する。

【0035】

ガス交換ユニット５０の内部には、緩衝溶液である培養液Ｌ１が流れている。培養液Ｌ１に添加する試薬としては、例えば重炭酸塩等、ｐＨ６〜８の範囲において遊離してｐＨ緩衝機能を有するものを採用することができる。重炭酸塩としては、重炭酸ナトリウム（炭酸水素ナトリウム）、炭酸水素カリウム、炭酸水素カルシウム等を採用することができる。その他、培養液Ｌ１には、細胞が活動するために必要な養分として、血清、アミノ酸、ビタミン、糖類等が添加されている。なお、培養液Ｌ１には、ｐＨを目視で確認するためにフェノールレッド等の指示薬が添加されている。

【0036】

ガス交換ユニット５０の培養液導出部６３には、配管２５を介してポンプ３１が接続されている。ポンプ３１（第１送出部）には、配管２６を介して培養容器３０（培養部）が接続されている。ポンプ３１は、配管２５を通じてガス交換ユニット５０内の培養液Ｌ１を吸入し、培養液Ｌ１を配管２６を通じて培養容器３０へ吐出する。すなわち、ポンプ３１は、ガス交換ユニット５０から培養容器３０へ培養液Ｌ１を送出する。

【0037】

培養容器３０内には、培養液Ｌ２が貯留されている。培養液Ｌ２（培地）は、培養する細胞を含んでいる。この細胞としては、動物細胞、植物細胞、昆虫細胞、細菌、酵母、真菌等を採用することができる。また、細胞は、複数個の細胞からなる組織や、複数種の細胞からなる組織であってもよい。そして、培養容器３０において培養液Ｌ２により細胞が培養され、細胞の活動により培養液Ｌ２の溶存酸素濃度ＤＯ及びｐＨが変化する。

【0038】

培養容器３０には、配管２７を介してポンプ３２が接続されている。ポンプ３２（第２送出部）には、配管２８を介してガス交換ユニット５０の培養液導入部６２が接続されている。培養液導入部６２及び培養液導出部６３は、ルアースリップ式（テーパ状）になっており、それぞれ配管２８，２５を容易に接続及び取り外し可能になっている。ポンプ３２は、配管２７を通じて培養容器３０内の培養液Ｌ２を吸入し、培養液Ｌ２を配管２８を通じてガス交換ユニット５０へ吐出する。すなわち、ポンプ３２は、培養容器３０からガス交換ユニット５０へ培養液Ｌ２を送出する。培養液導入部６２からガス交換ユニット５０の内部へ導入された培養液Ｌ２（Ｌ１）は、ガス交換ユニット５０の内部を流れる混合ガスとガス交換を行う。

【0039】

配管２６には、培養容器３０に供給される培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯを検出する酸素濃度センサ９１、培養液Ｌ１のｐＨを検出するｐＨセンサ９２、及び培養液Ｌ１の温度を検出する温度センサ９３が取り付けられている。

【0040】

制御ユニット１１の操作部１６は、ダイヤルやスイッチ等により構成されている。操作部１６は、培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯの目標値及びｐＨの目標値をユーザが入力する際に操作される。操作部１６の操作により入力された溶存酸素濃度ＤＯの目標値及びｐＨの目標値は、ＭＣ１８へ出力される。

【0041】

表示部１７は、液晶ディスプレイ等により構成されており、溶存酸素濃度ＤＯの目標値［ｐｐｍ］、溶存酸素濃度ＤＯの検出値［ｐｐｍ］、ｐＨの目標値、ｐＨの検出値、温度の検出値［℃］、酸素の流量［ｍＬ／ｍｉｎ］、二酸化炭素の流量［ｍＬ／ｍｉｎ］、混合ガスの全体流量［ｍＬ／ｍｉｎ］等を表示する。表示部１７の表示状態は、ＭＣ１８により制御される。

【0042】

制御ユニット１１は、ＳＤカード１９（記憶媒体）を挿入する挿入部を備えている。ＭＣ１８は、挿入部に挿入されたＳＤカード１９にデータを書き込んだり、ＳＤカード１９に書き込まれたデータを読み込んだりする。詳しくは、ＭＣ１８は、溶存酸素濃度ＤＯの目標値、酸素濃度センサ９１により逐次検出される溶存酸素濃度ＤＯ、ｐＨの目標値、ｐＨセンサ９２により逐次検出されるｐＨ、温度センサ９３により逐次検出される温度Ｔ等を、所定の周期でＳＤカード１９に書き込む。

【0043】

ＭＣ１８（流量設定部）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータである。ＭＣ１８は、培養容器３０に供給される培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯ及びｐＨを目標値に制御すべく、ＭＦＣ１２，１３，１４を制御する。

【0044】

図２は、培養液Ｌ１と混合ガスとでガス交換が行われて平衡した状態において、混合ガスにおける酸素体積比と、培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯと、培養液Ｌ１の温度Ｔとの関係を示すグラフである。培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯは、混合ガスの酸素分圧に応じて変化する。そして、混合ガスにおける各ガスの圧力が所定圧力で等しく且つ混合ガスの全体体積（全体流量）が一定であれば、各ガスの分圧は各ガスの体積（流量）に比例する。このため、混合ガスにおける酸素体積比が大きくなるほど、溶存酸素濃度ＤＯが高くなっている。詳しくは、溶存酸素濃度ＤＯは、混合ガスにおける酸素体積比に比例している。また、培養液Ｌ１に対する酸素の溶解量は、温度Ｔに応じて変化する。詳しくは、温度Ｔが高くなるほど、培養液Ｌ１に対する酸素の溶解量が少なくなり、溶存酸素濃度ＤＯが低くなっている。

【0045】

図３は、培養液Ｌ１と混合ガスとでガス交換が行われて平衡した状態において、混合ガスにおける二酸化炭素体積比の自然対数値と、培養液Ｌ１のｐＨと、培養液Ｌ１の温度Ｔとの関係を示すグラフである。二酸化炭素が培養液Ｌ１に溶解することで水素イオンが発生するため、培養液Ｌ１のｐＨは混合ガスの二酸化炭素分圧に応じて変化する。そして、混合ガスにおける各ガスの圧力が所定圧力で等しく且つ混合ガスの全体体積（全体流量）が一定であれば、各ガスの分圧は各ガスの体積（流量）に比例する。このため、混合ガスにおける二酸化炭素体積比が大きくなるほど、ｐＨが小さくなっている。詳しくは、ｐＨの減少量は、混合ガスにおける二酸化炭素体積比の自然対数値の増加量に比例している。また、培養液Ｌ１に対する二酸化炭素の溶解量は、温度Ｔに応じて変化する。詳しくは、温度Ｔが高くなるほど、培養液Ｌ１に対する二酸化炭素の溶解量が少なくなり、ｐＨが大きくなっている。

【0046】

図４は、図２のグラフに基づいて、培養液Ｌ１の溶存酸素濃度ＤＯが平衡した場合の各溶存酸素濃度ＤＯと混合ガスにおける酸素の各流量と各温度Ｔとの関係を規定した酸素流量テーブルを示す図である。例えば、温度Ｔ１において溶存酸素濃度ＤＯ１（例えば１ｐｐｍ）で平衡する場合の酸素流量は流量ＲＯ１１であり、温度Ｔｍにおいて溶存酸素濃度ＤＯｎ（例えば２０ｐｐｍ）で平衡する場合の酸素流量は流量ＲＯｎｍである。流量ＲＯ１１から流量ＲＯｎ１へ順に大きくなっており、流量ＲＯ１１から流量ＲＯ１ｍへ順に大きくなっている。そして、流量ＲＯｎｍが最も大きくなっている。なお、図２の３つのグラフに含まれていない条件の流量ＲＯは、それらのグラフの間を比例補間することにより算出されている。

【0047】

図５は、図３のグラフに基づいて、培養液Ｌ１のｐＨが平衡した場合の各ｐＨと混合ガスにおける二酸化炭素の各流量と各温度Ｔとの関係を規定した二酸化炭素流量テーブルを示す図である。例えば、温度Ｔ１においてｐＨ１（所定のｐＨ値、例えば６．９）で平衡する場合の二酸化炭素流量は流量ＲＣ１１であり、温度ＴｍにおいてｐＨｎ（所定のｐＨ値、例えば７．９）で平衡する場合の二酸化炭素流量は流量ＲＣｎｍである。流量ＲＣ１１から流量ＲＣｎ１へ順に小さくなっており、流量ＲＣ１１から流量ＲＣ１ｍへ順に大きくなっている。そして、流量ＲＣ１ｍが最も大きくなっている。なお、図３の３つのグラフに含まれていない条件の流量ＲＣは、それらのグラフの間を比例補間することにより算出されている。

【0048】

そして、ＭＣ１８は、溶存酸素濃度ＤＯの目標値及び温度Ｔに基づいて、酸素の流量を設定する。例えば、溶存酸素濃度ＤＯの目標値ＤＯｎ及び温度Ｔｍであれば、温度Ｔｍにおいて溶存酸素濃度ＤＯｎが平衡する場合の酸素の流量ＲＯｎｍに酸素の流量を設定する。

【0049】

同様に、ＭＣ１８は、ｐＨの目標値及び温度Ｔに基づいて、二酸化炭素の流量を設定する。例えば、ｐＨの目標値ｐＨｎ及び温度Ｔｍであれば、温度ＴｍにおいてｐＨｎが平衡する場合の二酸化炭素の流量ＲＣｎｍに二酸化炭素の流量を設定する。

【0050】

ＭＣ１８は、上記に基づいて酸素の流量及び二酸化炭素の流量を設定し、所定流量（例えば２００［ｍＬ／ｍｉｎ］）から、設定された酸素の流量及び設定された二酸化炭素の流量を引いて、窒素の流量を設定する。そして、ＭＣ１８は、設定された酸素の流量、二酸化炭素の流量、及び不活性ガスの流量になるように、ＭＦＣ１２，１３，１４をそれぞれ制御する。

【0051】

その後、ＭＣ１８は、溶存酸素濃度ＤＯ及びｐＨが平衡してそれぞれ目標値ＤＯｎ及び目標値ｐＨｎになるまで、その状態を所定時間ｔ維持する。所定時間ｔは、例えば３０［ｍｉｎ］である。

【0052】

図６は、図１のガス交換ユニット５０のＶＩ−ＶＩ線断面図である。ガス交換ユニット５０は、第１部材６１、第２部材５１、及びガス交換膜７０を備えている。

【0053】

第１部材６１は、ポリスチレン（熱可塑性樹脂、合成樹脂）により、矩形板状（板状）に形成されている。ポリスチレンの耐熱温度は７０〜９０［℃］であり、ポリスチレンの融点は１００［℃］である。第１部材６１の上面には、培養液流路６４が形成されている。培養液流路６４（第１流路）において、幅：深さ＝４：１である。培養液流路６４は、ガス交換膜７０の下面に接している。培養液流路６４は、図７の平面図に示すように、分岐せずにガス交換膜７０に沿って複数回屈曲している。すなわち、培養液流路６４は、ガス交換膜７０に沿って蛇行している。培養液流路６４は、対向して平行に延びる複数の平行部６４ａを備えている。隣り合う平行部６４ａは、壁部６５によって区画されている。壁部６５は、直線状に延びながら屈曲する突条（突出部）として設けられている。壁部６５の上部には、他の部分よりも突出する上部突部６５ａが設けられている。上部突部６５ａは、壁部６５の上部の中央に沿って、他の部分よりも狭い幅で上方に突出している。また、図８の下部斜視図及び図６に示すように、第１部材６１の下部には、格子状のリブ６７（突起部分）が形成されている。

【0054】

ガス交換膜７０は、繊維状のＰＴＦＥ（Poly Tetra Fluoro Ethylene、合成樹脂、疎水性材料）により、第１部材６１の形状に対応した矩形膜状（膜状）に形成されている。ＰＴＦＥの耐熱温度は−１００［℃］〜２６０［℃］であり、ＰＴＦＥの融点は３２７［℃］である。ガス交換膜７０は、繊維状のＰＴＦＥを膜状に成形することで形成されている。ガス交換膜７０の厚さは、０．２［ｍｍ］〜０．８［ｍｍ］であり、望ましくは０．４［ｍｍ］〜０．６［ｍｍ］であり、本実施形態では０．５［ｍｍ］である。ガス交換膜７０は、フィルタの機能を有しており、粒子を内部で捕捉することが可能である。すなわち、メンブレンフィルタがフィルタの表面で粒子を捕捉する表面捕捉（完全捕捉）の特性を有するのに対して、ガス交換膜７０は粒子を内部で捕捉する内部捕捉の特性を有する。ガス交換膜７０が捕捉可能な粒子の径（最小径）は、２［μｍ］である。なお、メンブレンフィルタの厚さは、一般的に０．１［ｍｍ］以下である。

【0055】

第１部材６１とガス交換膜７０とは、熱溶着により接合されている。詳しくは、板状のヒータの上にガス交換膜７０を置いて、ガス交換膜７０を２５０［℃］（ＰＴＦＥの耐熱温度上限よりも低い所定温度）まで加熱する。ガス交換膜７０の周囲にスペーサ（冶具）を配置する。ガス交換膜７０に位置を合わせて、ガス交換膜７０に第１部材６１の壁部６５の上部突部６５ａを押し当てる。これにより、上部突部６５ａを溶融させる。スペーサは、上部突部６５ａが溶融する一方、壁部６５の上部において上部突部６５ａ以外の部分がガス交換膜７０に当たる前に、スペーサが第１部材６１の外縁部（所定部）に当たる厚さで形成されている。第１部材６１の外縁部をスペーサに当てた後、上部突部６５ａを凝固させる。その結果、第１部材６１において、上部突部６５ａがガス交換膜７０の表面の凹凸に食い込むことにより、第１部材６１とガス交換膜７０とが接合される。すなわち、第１部材６１においてガス交換膜７０と接する部分を溶融させてガス交換膜７０の表面の凹凸に侵入させて凝固させることにより、第１部材６１とガス交換膜７０とを接合する。

【0056】

第２部材５１は、ポリスチレンにより、第１部材６１の形状に対応した直方体状に形成されている。第２部材５１の最も大きい面（一面）は開口している。第２部材５１の内部は、混合ガスが流れるガス流路５５になっている。図９の上部斜視図に示すように、上記ガス導入部５２と上記ガス導出部５３とは、対角に配置されている。また、図１０の下部斜視図及び図６に示すように、第２部材５１の下部には、格子状のリブ５７（突起部分）が形成されている。

【0057】

第１部材６１と第２部材５１とは、超音波溶着（振動溶着）により接合されている。詳しくは、図６に示すように、第１部材６１の外縁部６１ａと第２部材５１の外縁部５１ａとを当接させて加圧した状態で、超音波振動を加えて摩擦熱により外縁部６１ａ，５１ａを溶融させて接合する。

【0058】

このようにして製造されたガス交換ユニット５０において、培養液が流れる培養液流路６４と混合ガスが流れるガス流路５５とは、ガス交換膜７０を介して隣接している。

【0059】

ガス交換ユニット５０は、培養液調整装置１０に組み付けられる前に滅菌される。ガスによる滅菌方法（ガス滅菌）は、比較的低コストで実施することができるとともに、ガス交換膜７０の内部まで滅菌することができる。しかし、滅菌に用いるガスは、金属を腐食する性質を有することが多く、金属部材に対して用いることが制限される。例えば、過酸化水素ガスは、鋳鉄や黄銅を腐食する。この点、第１部材６１、第２部材５１、及びガス交換膜７０は、ポリスチレン及びＰＴＦＥにより形成されている。ポリスチレン及びＰＴＦＥ（合成樹脂）は、滅菌に用いるガスにより腐食されにくい。そこで、ガス交換ユニット５０を過酸化水素ガスにより滅菌する。

【0060】

図１１は、目標ＤＯ（溶存酸素濃度）を変化させた場合のＤＯ比＝実測ＤＯ／目標ＤＯを示すタイムチャートである。図４のテーブル及び各目標ＤＯに基づいて、図１２（１）〜（４）に示すように、酸素の流量を設定している。ここでは、二酸化炭素の流量を１０［ｍＬ／ｍｉｎ］で一定とし、酸素、二酸化炭素、及び窒素の合計流量を２００［ｍＬ／ｍｉｎ］で一定としている。培養液の流量は、数［ｍＬ／ｍｉｎ］以下であり、例えば０．１４［ｍＬ／ｍｉｎ］である。培養液の圧力は、数十［ｋＰａ］以下であり、例えば６．０［ｋＰａ］である。酸素、二酸化炭素、及び窒素の混合ガスの圧力は、培養液の圧力６．０［ｋＰａ］よりも低く設定されている。換言すれば、培養液流路６４からガス流路５５へ培養液が漏れ出さない範囲で、培養液流路６４の内部の培養液の圧力が、ガス流路５５の内部の混合ガスの圧力よりも高く設定されている。

【0061】

図１２（１）では、開始ＤＯが４．４９［ｐｐｍ］であり、目標ＤＯを７．００［ｐｐｍ］に設定した後、３０分でＤＯ比が０．９６になった後、ＤＯ比が０．９８になっている。図１２（２）では、開始ＤＯが６．８６［ｐｐｍ］であり、目標ＤＯを４．７０［ｐｐｍ］に設定した後、８．２分でＤＯ比が１．０４になった後、ＤＯ比が１．００になっている。図１２（３）では、開始ＤＯが４．７２［ｐｐｍ］であり、目標ＤＯを３．７０［ｐｐｍ］に設定した後、６．７分でＤＯ比が１．０４になった後、ＤＯ比が１．０１になっている。図１２（４）では、開始ＤＯが３．７５［ｐｐｍ］であり、目標ＤＯを２．３５［ｐｐｍ］に設定した後、１３．３分でＤＯ比が１．０４になっている。このように、目標ＤＯをいずれに変化させた場合においても、３０分以内で実測ＤＯが目標ＤＯに略到達（ＤＯ比が０．９６〜１．０４に到達）している。

【0062】

図１３は、図１２（２）の条件において、培養液流量を増加させて平衡状態になった場合の実測ＤＯを示している。培養液流量を０．２６［ｍＬ／ｍｉｎ］まで増加させても、実測ＤＯは４．６０［ｐｐｍ］〜４．７０［ｐｐｍ］で略一定となっている。

【0063】

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

【0064】

・内部捕捉の特性を有するガス交換膜７０では、膜の表面だけでなく膜の内部でも培養液の侵入を抑制することができる。このため、繊維状の疎水性材料（ＰＴＦＥ）同士の隙間を大きくすることができ、培養液中の酸素の濃度を調整するのに必要な時間を短縮することができる。そして、ガス交換膜７０は、繊維状の疎水性材料により形成されているため、培養液を弾きやすい。したがって、繊維状の疎水性材料同士の隙間を大きくしたとしても、培養液がガス交換膜７０の内部へ浸入すること、ひいては培養液がガス交換膜７０から漏れ出すことを抑制することができる。よって、ガス交換膜７０からの培養液の漏れを抑制しつつ、培養液中の酸素濃度（二酸化炭素濃度）を調整するのに必要な時間を短縮することができる。

【0065】

・培養液流路６４からガス流路５５へ培養液が漏れ出さない範囲で、培養液流路６４の内部の培養液の圧力が、ガス流路５５の内部の混合ガスの圧力よりも高く設定されている。このため、培養液中の気泡を、ガス交換膜７０を介してガス流路５５へ排出することができる。

【0066】

・培養液流路６４が形成された第１部材６１において、ガス交換膜７０と接する部分（上部突部６５ａ）がガス交換膜７０の表面の凹凸に食い込むことにより、第１部材６１とガス交換膜７０とが接合されている。こうした構成によれば、第１部材６１とガス交換膜７０との接合に接着剤を使用する必要がないため、培養液が接着剤により汚染されることを抑制することができる。

【0067】

・培養液流路６４は、分岐せずにガス交換膜７０に沿って複数回屈曲している。こうした構成によれば、培養液調整装置１０が大型化することを抑制しつつ、培養液流路６４においてガス交換膜７０に接する部分の長さを長くすることができ、培養液がガス交換膜７０を介してガス流路５５内の混合ガスに接する時間を長くすることができる。さらに、培養液流路６４は、ガス交換膜７０に沿って複数回屈曲しているため、培養液流路６４内で培養液が撹拌され、培養液中に酸素（二酸化炭素）を溶解させやすくなる。したがって、培養液流路６４を培養液が流れる間に、培養液中の酸素濃度（ｐＨ）を上昇（低下）させやすくなる。

【0068】

・ガス流路５５を流れる混合ガスが乾燥している場合、培養液の水分がガス交換膜７０を介してガス流路５５へ蒸発するおそれがある。この点、培養液調整装置１０は、水を貯留する水容器２０を備え、水容器２０の内部の水を通過させた混合ガスがガス流路５５に流される。こうした構成によれば、簡易な構成により、ガス流路５５を流れる混合ガスに加湿することができ、培養液の水分が蒸発することを抑制することができる。

【0069】

・培養液流路６４が形成された第１部材６１、ガス流路５５が形成された第２部材５１、及びガス交換膜７０は、合成樹脂により形成されている。合成樹脂は、滅菌に用いるガスにより腐食されにくい。したがって、培養液流路６４、ガス流路５５、及びガス交換膜７０を、ガスにより低コストで滅菌することができるとともに、ガス交換膜７０の内部まで滅菌することができる。

【0070】

・ガス交換膜７０の厚さは、０．４［ｍｍ］〜０．６［ｍｍ］である。こうした構成によれば、厚さが最大で０．１［ｍｍ］程度のメンブレンフィルタと比べて、ガス交換膜７０の厚さが十分に厚い。このため、繊維状の疎水性材料同士の隙間を大きくしたとしても、培養液がガス交換膜７０の内部へ浸入すること、ひいては培養液がガス交換膜７０から漏れ出すことを抑制することができる。

【0071】

・一般に、疎水性材料により形成されたガス交換膜７０は、極性が低く、他の部材と接合しにくい。この点、ガス交換膜７０は、疎水性材料であるＰＴＦＥ（第１合成樹脂）により形成されており、培養液流路６４が形成された第１部材６１は、ＰＴＦＥの融点よりも融点の低いポリスチレン（第２合成樹脂）により形成されている。そして、第１部材６１において上部突部６５ａを溶融させてガス交換膜７０の表面の凹凸に侵入させて凝固させることにより、第１部材６１とガス交換膜７０とを接合している。したがって、第１部材６１とガス交換膜７０とを、物理的構造により接合することができるため、疎水性材料であるＰＴＦＥにより形成されたガス交換膜７０を、ポリスチレンにより形成された第１部材６１と接合することができる。

【0072】

・第１部材６１の壁部６５とガス交換膜７０とを熱溶着すると、壁部６５が凝固した後に応力が残留して第１部材６１及びガス交換膜７０が反りやすくなる。この点、第１部材６１の下部には、格子状のリブ６７が形成されている。したがって、第１部材６１の剛性を高くすることができ、第１部材６１及びガス交換膜７０が反ることを抑制することができる。

【0073】

・ユーザは、操作部１６を操作することで、溶存酸素濃度ＤＯの目標値及びｐＨの目標値を入力することができる。そして、ＭＣ１８により、溶存酸素濃度ＤＯを目標値にするための酸素の流量、ｐＨを目標値にするための二酸化炭素の流量、及び窒素の流量が設定される。このため、ユーザは、操作部１６を操作して溶存酸素濃度ＤＯの目標値及びｐＨの目標値を入力するだけで、培養液Ｌ１の性質を自動的に目標値に調整することができる。

【0074】

・図１３に示すように、培養液流量を増加させた場合であっても、実測ＤＯが略目標ＤＯで一定となるように制御することができる。なお、ガス交換膜７０に代えて、メンブレンフィルタを用いた場合は、酸素がメンブレンフィルタを透過する速度が低くなるため、培養液流量を増加させるほど、実測ＤＯが目標ＤＯよりも低くなる。メンブレンフィルタが特許文献１のガス透過層を備える場合は、酸素がメンブレンフィルタを透過する速度がさらに低くなる。

【0075】

・ガス交換ユニット５０は、安価で製造することができるため、使い捨てにすることができる。

【0076】

・培養液調整装置１０は、複数のガス交換ユニット５０、及び複数の培養容器３０を備えていてもよい。その場合であっても、ガス交換ユニット５０を低コストにすることができるため、培養液調整装置１０のコストを抑制することができる。

【0077】

なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。上記実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

【0078】

・第２部材５１とガス交換膜７０とが接する構成とし、第２部材５１においてガス交換膜７０と接する部分を溶融させてガス交換膜７０の表面の凹凸に侵入させて凝固させることにより、第２部材５１とガス交換膜７０とを接合してもよい。これにより、第２部材５１において、ガス交換膜７０と接する部分がガス交換膜７０の表面の凹凸に食い込むことにより、第２部材５１とガス交換膜７０とが接合される。こうした工程によれば、第２部材５１とガス交換膜７０とを、物理的構造により接合することができるため、疎水性材料であるＰＴＦＥ（第１合成樹脂）により形成されたガス交換膜７０を、ポリスチレン（第２合成樹脂）により形成された第２部材５１と接合することができる。さらに、第２部材５１とガス交換膜７０との接合に接着剤を使用する必要がないため、ガス流路５５を流れる混合ガス、ひいては培養液が接着剤により汚染されることを抑制することができる。

【0079】

・第１部材６１及び第２部材５１を金属により形成し、第１部材６１と第２部材５１とを接着剤により接合することもできる。また、第１部材６１と第２部材５１とを、ねじ等により締結することもできる。

【0080】

・混合ガスの全体流量である所定流量は、２００ｍｌに限らず任意に設定することができる。その場合、所定流量に応じて、図４の酸素流量テーブル、及び図５の二酸化炭素流量テーブルを作成し、所定流量から、設定された酸素の流量及び設定された二酸化炭素の流量を引いて、窒素の流量を設定すればよい。

【0081】

・不活性ガスとして、窒素に代えてアルゴンやヘリウムを用いることもできる。

【0082】

・第１部材６１及び第２部材５１を形成する第２合成樹脂として、ＰＣ（polycarbonate）や、ＰＭＭＡ（polymethyl methacrylate）を採用することもできる。また、第１部材６１と第２部材５１とを、異なる材料により形成することもできる。

【0083】

・ガス交換膜７０を形成する疎水性材料（第１合成樹脂）として、ＰＦＡ（四フッ化エチレンとパーフルオロアルコキシエチレンとの共重合体）や、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体）を採用することもできる。

【0084】

・培養液流路６４を、分岐する形状にしたり、屈曲しない形状にしたりすることもできる。

【0085】

・水容器２０を省略することもできる。

【符号の説明】

【0086】

１０…培養液調整装置、２０…水容器、３０…培養容器、５０…ガス交換ユニット、５１…第２部材、５５…ガス流路（第２流路）、６１…第１部材、６４…培養液流路（第１流路）、７０…ガス交換膜。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】