特開 2021-170935 細胞培養システム、細胞培養方法

(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2021-170935(P2021-170935A)

(43)【公開日】2021年11月1日

(54)【発明の名称】細胞培養システム、細胞培養方法

(51)【国際特許分類】

   C12M 1/00 20060101AFI20211004BHJP

   C12N 1/00 20060101ALI20211004BHJP

【ＦＩ】

   C12M1/00 C

   C12N1/00 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2020-74205(P2020-74205)

(22)【出願日】2020年4月17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】鈴木 仁也

【テーマコード（参考）】

4B029

4B065

【Ｆターム（参考）】

4B029AA01

4B029BB01

4B029BB02

4B029BB06

4B029BB07

4B029BB11

4B029BB12

4B029DG01

4B029DG06

4B065AA01X

4B065AA57X

4B065AA72X

4B065AA88X

4B065AA90X

4B065BC05

4B065CA44

(57)【要約】

【課題】より生体に近い状態で培養液を送液することのできる細胞培養システムを提供する。
【解決手段】第１配管（２２，２３）に設けられ、供給源（２１）から供給される気体の流量を調節する流量調節部（２４）と、第２配管（２３，２６）に設けられ、排出部（２８）へ排出される気体の流量を制限する絞り部（２７）と、培養液（Ｌ）と細胞（Ｂ）とを収納する培養槽（５０）と、タンク（３４）に貯留された培養液の中と培養槽とを接続している送液配管（４２）と、タンクから送液配管を介して培養液を培養槽へ送液する際に、タンクの内部の圧力を平衡させた状態における供給源から供給される気体の流量とタンクの内部の圧力との所定の相関関係に基づいて、タンクの内部の目標圧力に対応する目標流量の気体が供給されるように流量調節部を制御した状態でタンクの内部の圧力を平衡させる制御部（４５）と、を備える細胞培養システム（１０）。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

培養液を貯留する気密性のタンクと、
気体の供給源と、
前記供給源と前記タンクとを接続している第１配管と、
前記タンクと前記気体の排出部とを接続している第２配管と、
前記第１配管に設けられ、前記供給源から供給される前記気体の流量を調節する流量調節部と、
前記第２配管に設けられ、前記排出部へ排出される前記気体の流量を制限する絞り部と、
前記培養液と細胞とを収納する培養槽と、
前記タンクに貯留された前記培養液の中と前記培養槽とを接続している送液配管と、
前記タンクから前記送液配管を介して前記培養液を前記培養槽へ送液する際に、前記タンクの内部の圧力を平衡させた状態における前記供給源から供給される前記気体の流量と前記タンクの内部の圧力との所定の相関関係に基づいて、前記タンクの内部の目標圧力に対応する目標流量の前記気体が供給されるように前記流量調節部を制御した状態で前記タンクの内部の圧力を平衡させる制御部と、
を備える細胞培養システム。

【請求項2】

培養液を貯留する気密性のタンクと、
気体の供給源と、
前記供給源と前記タンクとを接続している第１配管と、
前記タンクと前記気体の排出部とを接続している第２配管と、
前記第１配管に設けられ、前記供給源から供給される前記気体の流量を調節する流量調節部と、
前記第２配管に設けられ、前記排出部へ排出される前記気体の流量を制限する絞り部と、
前記培養液と細胞とを収納する培養槽と、
前記タンクに貯留された前記培養液の中と前記培養槽とを接続している送液配管と、
前記タンクの内部の圧力を平衡させた状態における前記供給源から供給される前記気体の流量と前記タンクの内部の圧力との所定の相関関係に基づいて、前記タンクの内部の目標圧力に対応する目標流量の前記気体が供給されるように前記流量調節部を制御した状態で前記タンクの内部の圧力を平衡させて、前記タンクから前記送液配管を介して前記培養液を前記培養槽へ送液させる制御部と、
を備える細胞培養システム。

【請求項3】

前記供給源から供給される前記気体の流量をＱ１［Ｌ／ｍｉｎ］とし、前記絞り部の有効断面積をＳ［ｍｍ＾２］とし、大気圧をＰａ［ＭＰａＡ］とし、前記タンクの内部の圧力をＰｖ［ＭＰａＡ］として、
前記所定の相関関係は、Ｑ１＝２２６．４Ｓ√｛Ｐａ（Ｐｖ−Ｐａ）｝である、請求項１又は２に記載の細胞培養システム。

【請求項4】

前記目標圧力は、１０［ｍｍＨｇ］以下であり、
前記供給源から前記気体を供給し始めてから、前記タンクの内部の圧力を平衡させるまでの時間は、５［Ｓ］以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の細胞培養システム。

【請求項5】

複数の前記タンクと、
複数の前記培養槽と、
複数の前記送液配管と、
気密性のバッファタンクと、
各タンクと前記バッファタンクとを接続する第３配管と、を備え、
前記第１配管は、前記バッファタンク及び各第３配管を介して前記供給源と各タンクとを接続している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の細胞培養システム。

【請求項6】

前記バッファタンクは水を貯留し、
前記水を加熱するヒータを備える、請求項５に記載の細胞培養システム。

【請求項7】

水を貯留する気密性のバッファタンクと、
前記タンクと前記バッファタンクとを接続する第３配管と、
前記水を加熱するヒータと、を備え、
前記第１配管は、前記バッファタンク及び前記第３配管を介して前記供給源と前記タンクとを接続している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の細胞培養システム。

【請求項8】

前記培養液を圧送するポンプと、
前記タンクと前記ポンプとを接続している供給配管と、
前記供給配管に設けられ、前記ポンプから前記タンクへの前記培養液の流通を許容し、前記タンクから前記ポンプへの前記培養液の流通を禁止する逆止弁と、を備え、
前記供給配管は、前記タンクにおいて前記培養液の液面よりも低く、且つ前記送液配管の下端よりも高い位置に接続されている、請求項１〜４，７のいずれか１項に記載の細胞培養システム。

【請求項9】

培養液を貯留する気密性のタンクと、
気体の供給源と、
前記供給源と前記タンクとを接続している第１配管と、
前記タンクと前記気体の排出部とを接続している第２配管と、
前記第１配管に設けられ、前記供給源から供給される前記気体の流量を調節する流量調節部と、
前記第２配管に設けられ、前記排出部へ排出される前記気体の流量を制限する絞り部と、
前記培養液と細胞とを収納する培養槽と、
前記タンクに貯留された前記培養液の中と前記培養槽とを接続している送液配管と、
前記流量調節部を制御する制御部と、
を備える細胞培養システムによる細胞培養方法であって、
前記制御部は、前記タンクから前記送液配管を介して前記培養液を前記培養槽へ送液する際に、前記タンクの内部の圧力を平衡させた状態における前記供給源から供給される前記気体の流量と前記タンクの内部の圧力との所定の相関関係に基づいて、前記タンクの内部の目標圧力に対応する目標流量の前記気体が供給されるように前記流量調節部を制御した状態で前記タンクの内部の圧力を平衡させる、細胞培養方法。

【請求項10】

培養液を貯留する気密性のタンクと、
気体の供給源と、
前記供給源と前記タンクとを接続している第１配管と、
前記タンクと前記気体の排出部とを接続している第２配管と、
前記第１配管に設けられ、前記供給源から供給される前記気体の流量を調節する流量調節部と、
前記第２配管に設けられ、前記排出部へ排出される前記気体の流量を制限する絞り部と、
前記培養液と細胞とを収納する培養槽と、
前記タンクに貯留された前記培養液の中と前記培養槽とを接続している送液配管と、
前記流量調節部を制御する制御部と、
を備える細胞培養システムによる細胞培養方法であって、
前記制御部は、前記タンクの内部の圧力を平衡させた状態における前記供給源から供給される前記気体の流量と前記タンクの内部の圧力との所定の相関関係に基づいて、前記タンクの内部の目標圧力に対応する目標流量の前記気体が供給されるように前記流量調節部を制御した状態で前記タンクの内部の圧力を平衡させて、前記タンクから前記送液配管を介して前記培養液を前記培養槽へ送液させる、細胞培養方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、細胞を培養するシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、培養液が入ったタンク内に加圧手段により加圧気体を供給し、タンクと培養装置との間に設けた流量計の流量が所定流量になるように加圧手段を制御する細胞培養システムがある（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５−１６８４３６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に記載の細胞培養システムは、培養液の流量が所定流量（目標流量）になるように加圧気体による加圧圧力を制御している。しかし、血管を有する組織培養等では、血管の耐圧性や生体機能の発現性の点から、より生体に近い状態で培養液を送液することが望ましい。

【0005】

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、より生体に近い状態で培養液を送液することのできる細胞培養システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するための第１の手段は、細胞培養システムであって、
培養液を貯留する気密性のタンクと、
気体の供給源と、
前記供給源と前記タンクとを接続している第１配管と、
前記タンクと前記気体の排出部とを接続している第２配管と、
前記第１配管に設けられ、前記供給源から供給される前記気体の流量を調節する流量調節部と、
前記第２配管に設けられ、前記排出部へ排出される前記気体の流量を制限する絞り部と、
前記培養液と細胞とを収納する培養槽と、
前記タンクに貯留された前記培養液の中と前記培養槽とを接続している送液配管と、
前記タンクから前記送液配管を介して前記培養液を前記培養槽へ送液する際に、前記タンクの内部の圧力を平衡させた状態における前記供給源から供給される前記気体の流量と前記タンクの内部の圧力との所定の相関関係に基づいて、前記タンクの内部の目標圧力に対応する目標流量の前記気体が供給されるように前記流量調節部を制御した状態で前記タンクの内部の圧力を平衡させる制御部と、
を備える。

【0007】

上記構成によれば、気密性のタンクは培養液を貯留する。第１配管は、気体の供給源とタンクとを接続している。第２配管は、タンクと気体の排出部とを接続している。流量調節部は、第１配管に設けられ、気体の供給源から供給される気体の流量を調節する。絞り部は、第２配管に設けられ、排出部へ排出される気体の流量を制限する。このため、流量調節部により気体の供給源から供給される気体の流量を調節し、絞り部により排出部へ排出される気体の流量を制限することにより、気密性のタンクの内部の圧力を制御することができる。そして、培養槽は、培養液と細胞とを収納する。送液配管は、タンクに貯留された培養液の中と培養槽とを接続している。このため、タンクに気体を供給してタンクの内部の圧力を上昇させることにより、タンクから送液配管を介して培養液を培養槽の細胞へ送液することができる。

【0008】

ここで、制御部は、タンクから送液配管を介して培養液を培養槽へ送液する際に、タンクの内部の圧力を平衡させた状態における供給源から供給される気体の流量とタンクの内部の圧力との所定の相関関係に基づいて、タンクの内部の目標圧力に対応する目標流量の気体が供給されるように流量調節部を制御した状態でタンクの内部の圧力を平衡させる。このため、タンクの内部の圧力を目標圧力に平衡させた状態で培養液を培養槽へ送液することができ、目標流量の培養液を送液する場合と比較して、より生体に近い状態で培養液を培養槽の細胞へ送液することができる。さらに、タンクの内部の圧力を平衡させた状態では、後述するように、タンクの内部の圧力と供給源から供給される気体の流量とは、温度の影響が小さい相関関係を有している。したがって、培養液の送液状態が周囲温度による外乱の影響を受けることを抑制することができる。

【0009】

第２の手段は、細胞培養システムであって、
培養液を貯留する気密性のタンクと、
気体の供給源と、
前記供給源と前記タンクとを接続している第１配管と、
前記タンクと前記気体の排出部とを接続している第２配管と、
前記第１配管に設けられ、前記供給源から供給される前記気体の流量を調節する流量調節部と、
前記第２配管に設けられ、前記排出部へ排出される前記気体の流量を制限する絞り部と、
前記培養液と細胞とを収納する培養槽と、
前記タンクに貯留された前記培養液の中と前記培養槽とを接続している送液配管と、
前記タンクの内部の圧力を平衡させた状態における前記供給源から供給される前記気体の流量と前記タンクの内部の圧力との所定の相関関係に基づいて、前記タンクの内部の目標圧力に対応する目標流量の前記気体が供給されるように前記流量調節部を制御した状態で前記タンクの内部の圧力を平衡させて、前記タンクから前記送液配管を介して前記培養液を前記培養槽へ送液させる制御部と、
を備える。

【0010】

上記構成によっても、タンクの内部の圧力を目標圧力に平衡させた状態で培養液を培養槽へ送液することができ、目標流量の培養液を送液する場合と比較して、より生体に近い状態で培養液を培養槽の細胞へ送液することができる。さらに、培養液の送液状態が周囲温度による外乱の影響を受けることを抑制することができる。

【0011】

一般に、Ｐｖ≦１．８９Ｐａである亜音速の圧力条件では、以下の式（１）が成立する。

【0012】

Ｑｒ＝２２６．４Ｓ√｛Ｐａ（Ｐｖ−Ｐａ）｝・√（２７３／Ｔ） ・・・（１）
上記式（１）において、Ｑｒ［Ｌ／ｍｉｎ］は排出部へ排出される気体の流量、Ｓ［ｍｍ＾２］は絞り部の有効断面積、Ｐａ［ＭＰａＡ］は大気の絶対圧力、Ｐｖ［ＭＰａＡ］はタンクの内部の絶対圧力、Ｔ［Ｋ］は気体の絶対温度である。なお、「ｍｍ＾２」は「ｍｍ」の２乗を表す。ここで、気体の絶対温度Ｔ［Ｋ］は、通常の環境において２９８［Ｋ］程度であり、その場合に√（２７３／Ｔ）＝０．９５７となり、略１としても影響は小さい。また、気体の供給源から供給される気体の流量をＱ１［Ｌ／ｍｉｎ］として、タンクの内部の圧力を平衡させた状態では、Ｑｒ＝Ｑ１となる。このため、√（２７３／Ｔ）＝１、Ｑｒ＝Ｑ１として、式（１）から以下の式（２）を導くことができる。

【0013】

Ｑ１＝２２６．４Ｓ√｛Ｐａ（Ｐｖ−Ｐａ）｝ ・・・（２）
そこで、第２の手段のように、前記供給源から供給される前記気体の流量をＱ１［Ｌ／ｍｉｎ］とし、前記絞り部の有効断面積をＳ［ｍｍ＾２］とし、大気圧をＰａ［ＭＰａＡ］とし、前記タンクの内部の圧力をＰｖ［ＭＰａＡ］として、前記所定の相関関係は、Ｑ１＝２２６．４Ｓ√｛Ｐａ（Ｐｖ−Ｐａ）｝である、といった構成を採用することができる。

【0014】

上記構成によれば、タンクの内部の圧力Ｐｖ［ＭＰａＡ］に目標圧力を当てはめることにより、気体の供給源から供給される気体の流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］としての目標流量を、容易に算出することができる。さらに、タンクの内部の圧力Ｐｖ［ＭＰａＡ］と供給源から供給される気体の流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］とは、温度の影響を受けにくく、式（２）の相関関係を有している。したがって、培養液の送液状態が周囲温度による外乱の影響を受けることを抑制することができる。

【0015】

気体の供給源から気体を供給し始めてから、タンクの内部の圧力を平衡させるまでの時間は、タンクの容積が大きいほど、絞り部の有効断面積が大きいほど、タンクの内部の目標圧力が高いほど、長くなる。この点、血管を有する組織培養等では、１０［ｍｍＨｇ］以下の微圧で培養槽へ培養液を送液する必要があるため、タンクの内部の目標圧力を非常に低く設定することができる。なお、圧力の単位において、絶対圧力と表記しない場合は、ゲージ圧力を表すものとする。

【0016】

したがって、第４の手段のように、前記目標圧力は、１０［ｍｍＨｇ］以下であり、前記供給源から前記気体を供給し始めてから、前記タンクの内部の圧力を平衡させるまでの時間は、５［Ｓ］以下である、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、５［Ｓ］以下の短時間でタンクの内部の圧力を平衡させることができ、培養液を目標圧力で速やかに培養槽へ送液することができる。なお、目標圧力が１０［ｍｍＨｇ］以下であれば、気体の供給源から気体を供給し始めてから、タンクの内部の圧力を平衡させるまでの時間を、３［Ｓ］以下や、１［Ｓ］以下にすることもできる。

【0017】

第５の手段では、複数の前記タンクと、複数の前記培養槽と、複数の前記送液配管と、気密性のバッファタンクと、各タンクと前記バッファタンクとを接続する第３配管と、を備え、前記第１配管は、前記バッファタンク及び各第３配管を介して前記供給源と各タンクとを接続している。

【0018】

上記構成によれば、細胞培養システムは、複数の培養液のタンクと、複数の培養槽と、複数の送液配管と、を備えている。そして、第１配管は、気密性のバッファタンク及び各第３配管を介して、気体の供給源と各タンクとを接続している。このため、バッファタンクに気体を供給して、バッファタンクの内部の圧力を制御することにより、複数のタンクの内部の圧力を等しい目標圧力に制御することができる。したがって、複数のタンクから複数の培養槽へ、等しい目標圧力で培養液を容易に送液することができる。

【0019】

供給源から供給される気体が乾燥していると、タンク内の培養液の蒸発を助長するおそれがある。

【0020】

この点、第６の手段では、前記バッファタンクは水を貯留し、前記水を加熱するヒータを備える。したがって、バッファタンクの内部において、気体に水分を加える（加湿する）ことができ、タンク内の培養液の蒸発を抑制することができる。さらに、複数のタンクへ供給される気体に、バッファタンクにおいてまとめて水分を加えることができる。

【0021】

第７の手段では、水を貯留する気密性のバッファタンクと、前記タンクと前記バッファタンクとを接続する第３配管と、前記水を加熱するヒータと、を備え、前記第１配管は、前記バッファタンク及び前記第３配管を介して前記供給源と前記タンクとを接続している。

【0022】

上記構成によっても、バッファタンクの内部において、気体に水分を加えることができ、タンク内の培養液の蒸発を抑制することができる。

【0023】

第８の手段では、前記培養液を圧送するポンプと、前記タンクと前記ポンプとを接続している供給配管と、前記供給配管に設けられ、前記ポンプから前記タンクへの前記培養液の流通を許容し、前記タンクから前記ポンプへの前記培養液の流通を禁止する逆止弁と、を備え、前記供給配管は、前記タンクにおいて前記培養液の液面よりも低く、且つ前記送液配管の下端よりも高い位置に接続されている。

【0024】

上記構成によれば、細胞培養システムは、培養液を圧送するポンプと、タンクとポンプとを接続している供給配管とを備えている。このため、供給配管を介して、タンクに培養液を補充することができる。そして、供給配管は、タンクにおいて培養液の液面よりも低く、且つ送液配管の下端よりも高い位置に接続されている。このため、供給配管がタンクにおいて培養液の液面よりも高い位置に接続されている場合と比較して、培養液が液面に落下して気泡が発生することを抑制することができる。また、供給配管がタンクにおいて送液配管の下端よりも低い位置に接続されている場合と比較して、培養液に混入した気泡が送液配管に取り込まれることを抑制することができる。さらに、ポンプからタンクへの培養液の流通を許容し、タンクからポンプへの培養液の流通を禁止する逆止弁が、供給配管に設けられている。したがって、供給配管がタンクにおいて培養液の液面よりも低い位置に接続されることで供給配管に培養液の圧力がかかっても、タンクからポンプへ培養液が逆流することを抑制することができる。

【0025】

第９の手段は、細胞培養方法であって、
培養液を貯留する気密性のタンクと、
気体の供給源と、
前記供給源と前記タンクとを接続している第１配管と、
前記タンクと前記気体の排出部とを接続している第２配管と、
前記第１配管に設けられ、前記供給源から供給される前記気体の流量を調節する流量調節部と、
前記第２配管に設けられ、前記排出部へ排出される前記気体の流量を制限する絞り部と、
前記培養液と細胞とを収納する培養槽と、
前記タンクに貯留された前記培養液の中と前記培養槽とを接続している送液配管と、
前記流量調節部を制御する制御部と、
を備える細胞培養システムによる細胞培養方法であって、
前記制御部は、前記タンクから前記送液配管を介して前記培養液を前記培養槽へ送液する際に、前記タンクの内部の圧力を平衡させた状態における前記供給源から供給される前記気体の流量と前記タンクの内部の圧力との所定の相関関係に基づいて、前記タンクの内部の目標圧力に対応する目標流量の前記気体が供給されるように前記流量調節部を制御した状態で前記タンクの内部の圧力を平衡させる。

【0026】

第１０の手段は、細胞培養方法であって、
培養液を貯留する気密性のタンクと、
気体の供給源と、
前記供給源と前記タンクとを接続している第１配管と、
前記タンクと前記気体の排出部とを接続している第２配管と、
前記第１配管に設けられ、前記供給源から供給される前記気体の流量を調節する流量調節部と、
前記第２配管に設けられ、前記排出部へ排出される前記気体の流量を制限する絞り部と、
前記培養液と細胞とを収納する培養槽と、
前記タンクに貯留された前記培養液の中と前記培養槽とを接続している送液配管と、
前記流量調節部を制御する制御部と、
を備える細胞培養システムによる細胞培養方法であって、
前記制御部は、前記タンクの内部の圧力を平衡させた状態における前記供給源から供給される前記気体の流量と前記タンクの内部の圧力との所定の相関関係に基づいて、前記タンクの内部の目標圧力に対応する目標流量の前記気体が供給されるように前記流量調節部を制御した状態で前記タンクの内部の圧力を平衡させて、前記タンクから前記送液配管を介して前記培養液を前記培養槽へ送液させる。

【0027】

上記方法によれば、第１，第２の手段と同様の作用効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】細胞培養システムを示す模式図。

【図2】タンクに対して空気を供給及び排出するモデルを示す模式図。

【図3】タンク及び周囲環境のモデルを示す模式図。

【図4】図３のモデルにおける試験結果を示すグラフ。

【図5】図３のモデルにおける試験結果を示すグラフ。

【図6】空気を供給する配管及び排出する配管の変更例を示す模式図。

【図7】空気に加湿する構成を示す模式図。

【図8】複数のタンク、バッファタンク、複数の送液配管、及び複数の培養槽を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、細胞を培養する細胞培養システム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。

【0030】

図１に示すように、細胞培養システム１０は、圧力制御送液部２０、培養槽５０、ポンプ７０等を備えている。

【0031】

圧力制御送液部２０は、空気供給源２１、流量比例弁２４、絞り弁２７、滅菌フィルタ３１、タンク３４、圧力センサ３７、液面センサ４１、制御部４５等を備えている。

【0032】

空気供給源２１（気体の供給源）は、所定圧力の空気（気体）を供給する。空気供給源２１は、配管２２，２３によりタンク３４に接続されている。配管２２には、流量比例弁２４が設けられている。流量比例弁２４（流量調節部）は、入力信号に比例して開度を調節可能であり、空気供給源２１から供給される空気の流量を調節する。流量比例弁２４は制御部４５によって制御される。

【0033】

配管２２と配管２３とは、接続部２５において接続されている。配管２３には、滅菌フィルタ３１が設けられている。滅菌フィルタ３１は、配管２３を介してタンク３４へ流れる空気を滅菌する。タンク３４は、有底円筒状に形成されており、気密性であり、培養液Ｌを貯留している。配管２３は、タンク３４の上部に接続されている。すなわち、配管２３は、タンク３４において培養液Ｌの液面よりも高い位置に接続されており、培養液Ｌと接していない。なお、配管２２，２３によって、第１配管が構成されている。タンク３４の形状は、有底円筒状に限らず、任意である。

【0034】

培養液Ｌには、例えば重炭酸塩等、ｐＨ６〜８の範囲において遊離してｐＨ緩衝機能を有する試薬が添加されている。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Ｌには、血管を有する細胞組織Ｂ（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Ｌ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。

【0035】

圧力センサ３７は、タンク３４の下部における培養液Ｌの圧力を検出する。液面センサ４１は、培養液Ｌの液面の位置を検出する。

【0036】

接続部２５には、配管２６が接続されている。接続部２５は、配管２６により空気の排出部２８に接続されている。配管２６には、絞り弁２７が設けられている。絞り弁２７（絞り部）は、例えば微少な流量を調節するニードル弁であり、排出部２８へ排出される空気の流量を制限（調節）する。絞り弁２７の開度は、タンク３４内の空気の圧力（タンク３４内の圧力）を目標圧力にすべく、所定開度に設定されている。タンク３４内の空気の目標圧力に応じて、絞り弁２７の開度を変更してもよい。排出部２８へ流れた空気は圧力制御送液部２０の外部（大気）へ排出される。なお、配管２３，２６によって、第２配管が構成されている。

【0037】

送液配管４２は、タンク３４に貯留された培養液Ｌの中と培養槽５０とを接続している。すなわち、送液配管４２は培養液Ｌの中に挿入されており、送液配管４２の下端は培養液Ｌの液面よりも低い位置にある。

【0038】

培養槽５０は、培養液Ｌと細胞組織Ｂとを収納している。培養槽５０には、タンク３４から送液配管４２を介して培養液Ｌが送液される。細胞組織Ｂ（細胞）は、例えば血管を有する動物細胞組織である。細胞組織Ｂは、培養液Ｌにより培養され、所定の生体機能を発現する。その際に、細胞の活動により培養槽５０内の培養液Ｌの溶存酸素濃度ＤＯ及びｐＨが変化する。

【0039】

細胞組織Ｂの血管を損傷しないように、培養液Ｌは１０［ｍｍＨｇ］以下の圧力（加圧）で培養槽５０へ送液される。また、細胞組織Ｂが所定の生体機能を発現するためには、目標流量の培養液Ｌを送液する流量制御送液ではなく、目標圧力で培養液Ｌを送液する圧力制御送液とすることが望ましい。この理由は、実際の動物の動物細胞組織では、心臓により血液が送液されており、流量制御送液よりも圧力制御送液に近いためである。なお、培養液Ｌを１０［ｍｍＨｇ］以下の圧力（加圧）で培養槽５０へ送液する場合、培養液Ｌの流量は１［ｍＬ／ｍｉｎ］以下となる。

【0040】

培養槽５０は、返液配管４３によりタンク３４に接続されている。返液配管４３（供給配管）には、ポンプ７０及びチェック弁７２が設けられている。ポンプ７０は、液面センサ４１により検出された液面の位置が所定位置よりも下がった場合に、培養液Ｌを圧送する。そして、ポンプ７０は、液面センサ４１により検出された液面の位置が所定位置よりも上がった場合に、培養液Ｌの圧送を停止する。チェック弁７２（逆止弁）は、ポンプ７０からタンク３４への培養液Ｌの流通を許容し、タンク３４からポンプ７０への培養液Ｌの流通を禁止する。返液配管４３は、タンク３４において培養液Ｌの液面よりも低く、且つ送液配管４２の下端よりも高い位置に接続されている。

【0041】

制御部４５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。制御部４５は、目標圧力で培養液Ｌを培養槽５０へ送液すべく、流量比例弁２４を制御する。

【0042】

図２は、タンク３４に対して空気を供給及び排出するモデルを示す模式図である。タンク３４の容積のうち、培養液Ｌの部分を除いた空気の部分の容積を容積Ｖとしている。

【0043】

流量比例弁２４を流れる空気の単位時間当たりの流量をＱ１とし、絞り弁２７を流れる空気の単位時間当たりの流量をＱｒとする。容積Ｖに空気を供給する前においては、容積Ｖの空気の圧力は大気圧Ｐａであり、空気の温度はＴ１である。そして、容積Ｖに、Ｑｍ＝Ｑ１−Ｑｒの流量で時間ｔだけ空気を供給した後、容積Ｖの空気の圧力がＰｖとなり、容積Ｖの空気の温度がＴ２になったとする。この場合、ボイル・シャルルの法則により、以下の式（３）が成立する。

【0044】

Ｐａ（Ｖ＋Ｑｍ・ｔ）／Ｔ１＝Ｐｖ・Ｖ／Ｔ２ ・・・（３）
式（３）をＰｖについて解くと、以下の式（４）が導かれる。

【0045】

Ｐｖ＝Ｐａ・Ｔ２（Ｖ＋Ｑｍ・ｔ）／（Ｔ１・Ｖ） ・・・（４）
圧力Ｐｖを時間ｔの関数Ｐｖ（ｔ）と考えると、圧力Ｐｖを平衡させる条件は、圧力Ｐｖを時間ｔで微分したＰｖ（ｔ）’＝０となることである。このため、以下の式（５）が導かれる。

【0046】

Ｐｖ（ｔ）’＝Ｐａ・Ｔ２・Ｑｍ／（Ｔ１・Ｖ）＝０ ・・・（５）
上記式（５）から、Ｑｍ＝Ｑ１−Ｑｒ＝０、すなわちＱ１＝Ｑｒとなる。このことは、圧力Ｐｖを平衡させた状態では、流量比例弁２４を流れる空気の流量Ｑ１と、絞り弁２７を流れる空気の流量Ｑｒとが等しいことを表している。

【0047】

また、１０［ｍｍＨｇ］以下の圧力で培養液Ｌを培養槽５０へ送液する場合、絞り弁２７を流れる空気の流量は以下のようになる。この場合、タンク３４内の空気の絶対圧力をＰｖ［ＭＰａＡ］とし、大気の絶対圧力をＰａ［ＭＰａＡ］として、Ｐｖ≦１．８９Ｐａとなる。このため、絞り弁２７を流れる空気の流量は、亜音速の圧力条件を満たす。なお、圧力の単位において、絶対圧力［ＭＰａＡ］と表記しない場合は、ゲージ圧力を表すものとする。

【0048】

一般に、Ｐｖ≦１．８９Ｐａである亜音速の圧力条件では、上述した式（１）が成立する。そして、式（１）は、Ｑ１＝Ｑｒの場合に、上記式（２）のように近似することができる。

【0049】

そこで、制御部４５は、式（２）において、タンク３４の内部の圧力Ｐｖ［ＭＰａＡ］に目標圧力を当てはめることにより、空気供給源２１から供給すべき空気の流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］としての目標流量を算出する。そして、制御部４５は、タンク３４から送液配管４２を介して培養液Ｌを培養槽５０へ送液する際に、算出した目標流量の空気が供給されるように流量比例弁２４を制御する。制御部４５は、圧力Ｐｖが平衡するまで、その状態を５［Ｓ］以下の所定時間（例えば３［Ｓ］）維持する。本実施形態では、略１［Ｓ］で、圧力Ｐｖが平衡する。その結果、培養液Ｌが目標圧力で培養槽５０へ送液される。

【0050】

空気供給源２１から空気を供給し始めてから、タンク３４の内部の圧力Ｐｖを平衡させるまでの時間は、タンク３４の容積が大きいほど、絞り弁２７の有効断面積Ｓが大きいほど、タンク３４の内部の目標圧力が高いほど、長くなる。この点、血管を有する細胞組織Ｂの培養では、１０［ｍｍＨｇ］以下の微圧で培養槽５０へ培養液Ｌを送液する必要があるため、タンク３４の内部の目標圧力を非常に低く設定している。したがって、圧力Ｐｖが平衡するまでの時間は非常に短くなる。

【0051】

このように、制御部４５は、タンク３４から送液配管４２を介して培養液Ｌを培養槽５０へ送液する際に、タンク３４の内部の圧力を平衡させた状態における空気供給源２１から供給される空気の流量とタンク３４の内部の圧力との所定の相関関係（式（２））に基づいて、タンク３４の内部の目標圧力に対応する目標流量の空気が供給されるように流量比例弁２４を制御した状態でタンク３４の内部の圧力を平衡させる。換言すれば、制御部４５は、タンク３４の内部の圧力を平衡させた状態における空気供給源２１から供給される空気の流量とタンク３４の内部の圧力との所定の相関関係（式（２））に基づいて、タンク３４の内部の目標圧力に対応する目標流量の空気が供給されるように流量比例弁２４を制御した状態でタンク３４の内部の圧力を平衡させて、タンク３４から送液配管４２を介して培養液Ｌを培養槽５０へ送液させる。

【0052】

図３は、タンク３４及び周囲環境のモデルを示す模式図である。ここでは、流量比例弁２４を流れる空気の流量Ｑ１、絞り弁２７を流れる空気の流量Ｑｒで、培養液Ｌの液圧Ｐｗを平衡させた状態において、冷却水温度Ｔｗを意図的に上昇させている。冷却水温度Ｔｗが上昇する状態は、周囲温度Ｔが上昇（変化）する状態を擬似的に再現している。

【0053】

図４，５は、図３のモデルにおける試験結果を示すグラフである。図４は培養液Ｌの液圧Ｐｗ＝５［ｍｍＨｇ］の場合の試験結果であり、図５は培養液Ｌの液圧Ｐｗ＝３［ｍｍＨｇ］の場合の試験結果である。図４，５において、冷却水温度Ｔｗが上昇し、それに遅れてタンク内温度Ｔｔが上昇している。しかし、培養液Ｌの液圧Ｐｗが５［ｍｍＨｇ］及び３［ｍｍＨｇ］のいずれであっても、培養液Ｌの液圧Ｐｗは略一定に維持されており、冷却水温度Ｔｗ、すなわち周囲温度Ｔが変化しても、培養液Ｌの液圧Ｐｗに対する影響が小さいことを示している。また、空気の流量Ｑ１に応じて、培養液Ｌの液圧Ｐｗが変化している。なお、空気の流量Ｑ１も、略一定に維持されている。

【0054】

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

【0055】

・流量比例弁２４により空気供給源２１から供給される空気の流量Ｑ１を調節し、絞り弁２７により排出部２８へ排出される空気の流量Ｑｒを制限することにより、気密性のタンク３４の内部の圧力Ｐｖを制御することができる。そして、培養槽５０は、培養液Ｌと細胞組織Ｂとを収納する。送液配管４２は、タンク３４に貯留された培養液Ｌの中と培養槽５０とを接続している。このため、タンク３４に空気を供給してタンク３４の内部の圧力Ｐｖを上昇させることにより、タンク３４から送液配管４２を介して培養液Ｌを培養槽５０の細胞組織Ｂへ送液することができる。

【0056】

・制御部４５は、タンク３４から送液配管４２を介して培養液Ｌを培養槽５０へ送液する際に、タンク３４の内部の圧力Ｐｖを平衡させた状態における空気供給源２１から供給される空気の流量Ｑ１とタンク３４の内部の圧力Ｐｖとの所定の相関関係に基づいて、タンク３４の内部の目標圧力に対応する目標流量の空気が供給されるように流量比例弁２４を制御した状態でタンク３４の内部の圧力Ｐｖを平衡させる。このため、タンク３４の内部の圧力Ｐｖを目標圧力に平衡させた状態で培養液Ｌを培養槽５０へ送液することができ、目標流量の培養液Ｌを送液する場合と比較して、より生体に近い状態で培養液Ｌを培養槽５０の細胞組織Ｂへ送液することができる。

【0057】

・タンク３４の内部の圧力Ｐｖを平衡させた状態では、タンク３４の内部の圧力Ｐｖと空気供給源２１から供給される空気の流量Ｑ１とは、温度の影響が小さい相関関係を有している。したがって、培養液Ｌの送液状態が周囲温度Ｔによる外乱の影響を受けることを抑制することができる。

【0058】

・式（２）において、タンク３４の内部の圧力Ｐｖ［ＭＰａＡ］に目標圧力を当てはめることにより、空気供給源２１から供給される空気の流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］としての目標流量を、容易に算出することができる。さらに、タンク３４の内部の圧力Ｐｖ［ＭＰａＡ］と空気供給源２１から供給される空気の流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］とは、温度の影響を受けにくく、式（２）の相関関係を有している。したがって、図４，５に示すように、培養液Ｌの送液状態が周囲温度Ｔによる外乱の影響を受けることを抑制することができる。さらに、培養液Ｌの送液状態が周囲温度Ｔによる外乱の影響を受けにくいため、圧力制御送液部２０全体の温度を管理する必要がなく、圧力制御送液部２０を温度管理された環境の外に配置することができる。

【0059】

・目標圧力は、１０［ｍｍＨｇ］以下であり、空気供給源２１から空気を供給し始めてから、タンク３４の内部の圧力Ｐｖを平衡させるまでの時間は、５［Ｓ］以下である。こうした構成によれば、５［Ｓ］以下の短時間でタンク３４の内部の圧力Ｐｖを平衡させることができ、培養液Ｌを目標圧力で速やかに培養槽５０へ送液することができる。

【0060】

・細胞培養システム１０は、培養液Ｌを圧送するポンプ７０と、タンク３４とポンプ７０とを接続している返液配管４３とを備えている。このため、返液配管４３を介して、タンク３４に培養液Ｌを補充することができる。

【0061】

・返液配管４３は、タンク３４において培養液Ｌの液面よりも低く、且つ送液配管４２の下端よりも高い位置に接続されている。このため、返液配管４３がタンク３４において培養液Ｌの液面よりも高い位置に接続されている場合と比較して、培養液Ｌが液面に落下して気泡が発生することを抑制することができる。

【0062】

・返液配管４３がタンク３４において送液配管４２の下端よりも低い位置に接続されている場合と比較して、培養液Ｌに混入した気泡が送液配管４２に取り込まれることを抑制することができる。

【0063】

・ポンプ７０からタンク３４への培養液Ｌの流通を許容し、タンク３４からポンプ７０への培養液Ｌの流通を禁止するチェック弁７２が、返液配管４３に設けられている。したがって、返液配管４３がタンク３４において培養液Ｌの液面よりも低い位置に接続されることで返液配管４３に培養液Ｌの圧力がかかっても、タンク３４からポンプ７０へ培養液Ｌが逆流することを抑制することができる。

【0064】

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。

【0065】

・流量比例弁２４に代えて、開閉式の電磁弁を採用し、制御部４５は、所定期間における電磁弁の開弁割合をＤＵＴＹ制御することで、空気の流量を調節させることもできる。

【0066】

・絞り弁２７（絞り部）は、ニードル弁に限らず、固定のオリフィスであってもよい。

【0067】

・返液配管４３を、タンク３４において培養液Ｌの液面よりも低く、且つ送液配管４２の下端よりも低い位置に接続することもできる。また、返液配管４３を、タンク３４において培養液Ｌの液面よりも高い位置に接続することもできる。

【0068】

・上記式（２）に代えて、タンク３４の内部の絶対圧力Ｐｖ［ＭＰａＡ］と、空気供給源２１から供給される空気の流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］との所定の相関関係を規定したテーブルを採用することもできる。また、所定の相関関係として、式（２）に代えて、式（１）を採用することもできる。なお、式（１）に代えて、タンク３４の内部の絶対圧力Ｐｖ［ＭＰａＡ］と、空気供給源２１から供給される空気の流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］と、空気の絶対温度Ｔ［Ｋ］との所定の相関関係を規定したマップを採用することもできる。

【0069】

・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。

【0070】

・細胞の種類に応じて、目標圧力は、１０［ｍｍＨｇ］よりも高く且つ２０［ｍｍＨｇ］以下であり、空気供給源２１から空気を供給し始めてから、タンク３４の内部の圧力Ｐｖを平衡させるまでの時間は、５［Ｓ］よりも長く且つ１０［Ｓ］よりも短い、といった構成を採用することもできる。また、目標圧力は、２０［ｍｍＨｇ］よりも高く、空気供給源２１から空気を供給し始めてから、タンク３４の内部の圧力Ｐｖを平衡させるまでの時間は、１０［Ｓ］よりも長い、といった構成を採用することもできる。

【0071】

・図６に示すように、空気供給源２１とタンク３４とを接続する配管１２２と、タンク３４と排出部２８とを接続する配管１２６とを、互いに独立して設けることもできる。なお、配管１２２が第１配管に相当し、配管１２６が第２配管に相当する。また、滅菌フィルタ３１を省略することもできる。また、返液配管４３、ポンプ７０、及びチェック弁７２を省略することもできる。その場合、培養液Ｌは、タンク３４及び培養槽５０を循環せず、培養槽５０で使用された後に廃棄される。しかし、タンク３４内の培養液Ｌが減少した場合に、培養液Ｌを補充すればよい。

【0072】

・空気供給源２１から供給される空気が乾燥していると、タンク３４内の培養液Ｌの蒸発を助長するおそれがある。そこで、図７に示すように、細胞培養システム１０は、水Ｗを貯留する気密性のバッファタンク３５と、タンク３４とバッファタンク３５とを接続する配管３８（第３配管）と、水Ｗを加熱するヒータ３９と、を備え、配管２２，２３（第１配管）は、バッファタンク３５及び配管３８を介して空気供給源２１とタンク３４とを接続している、といった構成を採用することもできる。こうした構成によれば、バッファタンク３５の内部において、空気に水分を加える（加湿する）ことができ、タンク３４内の培養液Ｌの蒸発を抑制することができる。

【0073】

・図８に示すように、細胞培養システム１０は、タンク３４Ａ，３４Ｂ（複数のタンク）と、培養槽５０Ａ，５０Ｂ（複数の培養槽）と、送液配管４２Ａ，４２Ｂ（複数の送液配管）と、気密性のバッファタンク３５と、各タンク３４Ａ，３４Ｂとバッファタンク３５とを接続する配管３８Ａ，３８Ｂ（第３配管）と、を備え、配管２２，２３（第１配管）は、バッファタンク３５及び各配管３８Ａ，３８Ｂを介して空気供給源２１と各タンク３４Ａ，３４Ｂとを接続している、といった構成を採用することもできる。

【0074】

上記構成によれば、バッファタンク３５に空気を供給して、バッファタンク３５の内部の圧力Ｐｖを制御することにより、タンク３４Ａ，３４Ｂの内部の圧力を等しい目標圧力に制御することができる。したがって、タンク３４Ａ，３４Ｂから培養槽５０Ａ，５０Ｂへ、等しい目標圧力で培養液Ｌａ，Ｌｂを容易に送液することができる。なお、培養液Ｌａと培養液Ｌｂとは、同一の培養液であってもよいし、異なる培養液であってもよい。

【0075】

また、バッファタンク３５に水を貯留し、バッファタンク３５に水を加熱するヒータを設けてもよい。こうした構成によっても、バッファタンク３５の内部において、空気に水分を加えることができ、タンク３４Ａ，３４Ｂ内の培養液Ｌａ，Ｌｂの蒸発を抑制することができる。さらに、タンク３４Ａ，３４Ｂへ供給される空気に、バッファタンク３５においてまとめて水分を加えることができる。

【0076】

・空気供給源２１に代えて、窒素（気体）を供給する供給源を採用することもできる。また、タンク３４，３４Ａ，３４Ｂ、バッファタンク３５、及び培養槽５０，５０Ａ，５０Ｂの少なくとも１つに二酸化炭素を供給することにより、培養液ＬのｐＨを調節することもできる。

【符号の説明】

【0077】

１０…細胞培養システム、２０…圧力制御送液部、２１…空気供給源（供給源）、２２…配管、２３…配管、２４…流量比例弁（流量調節部）、２６…配管、２７…絞り弁（絞り部）、２８…排出部、３４…タンク、３４Ａ…タンク、３４Ｂ…タンク、３５…バッファタンク、３８…配管（第３配管）、３８Ａ…配管（第３配管）、３８Ｂ…配管（第３配管）、４２…送液配管、４２Ａ…送液配管、４２Ｂ…送液配管、４３…返液配管（供給配管）、４５…制御部、５０…培養槽、５０Ａ…培養槽、５０Ｂ…培養槽、７０…ポンプ、１２２…配管（第１配管）、１２６…配管（第２配管）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】