(57)【要約】【課題】細胞培養の培地中で測定に適切な流速が必要なセンサにおいて、細胞に過剰なストレスを与えることなく、測定に必要な流速を確保できるようにする。【解決手段】細胞培養の培地中で測定を行なうセンサであって、測定の際に前記培地と接する接液部と、接液部が外周部分に露出したケースと、測定結果を外部に出力する通信部とを備える。ケースを前記培地中で回転または移動させるための移動機構を備えるようにしてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
細胞培養の培地中で測定を行なうセンサであって、
測定の際に前記培地と接する接液部と、
前記接液部が外周部分に露出したケースと、
測定結果を外部に出力する通信部と、を備えたことを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記ケースを前記培地中で回転または移動させるための移動機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記接液部近傍において、測定対象物質が消費されることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記移動機構は、磁石または強磁性体であることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項５】
前記移動機構は、浮力を調整する機構であることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項６】
測定の際に細胞培養の培地と接する接液部と、前記接液部が外周部分に露出したケースと、前記ケースを前記培地中で回転または移動させるための移動機構と、測定結果を外部に出力する通信部とを備えたセンサを、前記培地中を回転または移動させながら、前記培地における測定を行なうことを特徴とする測定方法。
【請求項７】
測定の際に細胞培養の培地と接する接液部と、前記接液部が外周部分に露出したケースと、前記ケースを前記培地中で上下方向に移動させるための浮力調整機構と、測定結果を外部に出力する通信部とを備えたセンサを、前記培地中を上下移動させることで、前記培地における測定値の垂直方向の分布を取得することを特徴とする測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細胞培養の培地中で測定を行なうセンサに係り、特に、測定に適切な流速が必要なセンサおよびこのようなセンサを用いた測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医薬製造等における細胞培養工程においては、培地中の溶存酸素濃度、ｐＨ、栄養成分濃度、培地温度等を、細胞の育成に最適な条件に維持することが重要である。細胞培養における培地の環境制御について、溶存酸素濃度を例に図１２を参照して説明する。
【０００３】
図１２において、培養容器５００中に液体の培地５１０が収容されている。培地５１０の溶存酸素濃度は、溶存酸素センサ５２０、制御部５３０、酸素供給源からの酸素流入量を調節する電磁弁５４０からなる制御ループによって制御されている。
【０００４】
電磁弁５４０の培地側出口にはスパージャ５５０が設置されており、培地５１０を曝気している。この際、培養容器５００内の培地５１０の酸素濃度分布を均一にするために、撹拌翼５６０等が用いられている。撹拌翼５６０は、モータ５７０により所定の回転速度で回転し、培地５１０を撹拌するようになっている。
【０００５】
溶存酸素センサ５２０としては、電極式、試薬利用方式、光学式等いくつかの方式が実用化されているが、一般に、電極式の溶存酸素センサ５２０が広く使用されている。電極式の溶存酸素センサ５２０は、電解液中に配置された２つの電極間に電圧をかけると酸素量に応じた電流が流れることを利用して溶存酸素濃度を測定するものであり、ポーラログラフ式とガルバニ電池式の２方式が知られている。
【０００６】
図１３は、ポーラログラフ式溶存酸素センサ５２０の概要を示す図である。ポーラログラフ式溶存酸素センサ５２０は、センサ内の電解液５１１中に配置された作用電極５２１と対極５２２との間に電池５２３により電位差を与え、流れる電流を電流計５２４で測定する構造となっている。
【０００７】
一般に、作用電極５２１はＰｔまたはＡｕが用いられ、対極５２２はＡｇ−ＡｇＣｌが用いられ、電解液５１１はＫＣｌまたはＫＯＨが用いられる。このとき、酸素透過性の高いポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等を用いた隔膜５２５を用いて、培地５１０と電解液５１１とを隔てている。
【０００８】
作用電極５２１と対極５２２とにおいては、培地５１０に接液する隔膜５２５を透過した酸素により、以下の電気化学反応式に示す酸化還元反応が起きる。
【０００９】
作用電極：Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−
対  極  ：４Ｃｌ−＋４Ａｇ＋→４ＡｇＣｌ＋４ｅ−
この反応の際に流れる電流は酸素の量に比例し、隔膜５２５を透過する酸素の量は培地５１０中の酸素の分圧に比例するため、電流計５２４の測定結果に基づいて培地５１０の溶存酸素濃度を求めることができる。
【００１０】
なお、ガルバニ電池式溶存酸素センサは、作用電極５２１と対極５２２の材質と電解液５１１を、電池が構成される組み合わせとすることで、独立した電池５２３を不要としたものである。例えば、作用電極５２１はＡｇが用いられ、対極５２２はＰｂが用いられ、電解液５１１はＫＯＨが用いられる。その他の構成や測定原理については、ポーラログラフ式溶存酸素センサ５２０と同様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平８−２１１０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の電気化学反応式が示すように、電極式の溶存酸素センサ５２０では、溶存酸素濃度の測定に際し、作用電極５２１において酸素が消費され、局所的に酸素濃度が減少していく。このため、電極式溶存酸素センサ５２０付近の培地５１０が停滞した状態だと、酸素の供給が滞って作用電極５２１で上記の電気化学反応が起こらなくなり、培地５１０の溶存酸素測定が継続できなくなってしまう。
【００１３】
このような事態を防ぐために、電極式溶存酸素センサ５２０では、一般に、隔膜５２５付近の培地５１０に２０ｃｍ／ｓｅｃ以上の流速を与えることが必要であるとされている。
【００１４】
従来、この測定に必要な流速は、撹拌翼５６０の回転による培地５１０の流れで確保するようにしている。しかしながら、撹拌翼５６０の大きさや効率、培養容器５００の大きさ等は様々であるため、撹拌に最適な撹拌翼５６０の回転速度と、測定に適した流速を得るための撹拌翼５６０の回転速度とは必ずしも一致しない。
【００１５】
例えば、測定に必要な流速を確実に確保するために撹拌翼５６０の回転速度をむやみに上げると、培地５１０中の細胞に過剰なストレスを与えてしまい、細胞の生存に悪影響を与えかねない。一方で、細胞にストレスを与えないような回転速度で撹拌翼５６０を回転させると、測定に必要な流速が確保できず、測定不能になったり測定精度が低下するおそれがある。
【００１６】
そこで、本発明は、細胞培養の培地中で測定に適切な流速が必要なセンサにおいて、細胞に過剰なストレスを与えることなく、測定に必要な流速を確保できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様であるセンサは、細胞培養の培地中で測定を行なうセンサであって、測定の際に前記培地と接する接液部と、前記接液部が外周部分に露出したケースと、測定結果を外部に出力する通信部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記ケースを前記培地中で回転または移動させるための移動機構を備えるようにしてもよい。
また、前記接液部近傍において、測定対象物質が消費されるものであってもよい。
また、前記移動機構は、磁石または強磁性体とすることができる。
あるいは、前記移動機構は、浮力を調整する機構であってもよい。
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様である測定方法は、測定の際に細胞培養の培地と接する接液部と、前記接液部が外周部分に露出したケースと、前記ケースを前記培地中で回転または移動させるための移動機構と、測定結果を外部に出力する通信部とを備えたセンサを、前記培地中を回転または移動させながら、前記培地における測定を行なうことを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第３の態様である測定方法は、測定の際に細胞培養の培地と接する接液部と、前記接液部が外周部分に露出したケースと、前記ケースを前記培地中で上下方向に移動させるための浮力調整機構と、測定結果を外部に出力する通信部とを備えたセンサを、前記培地中を上下移動させることで、前記培地における測定値の垂直方向の分布を取得することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、細胞培養の培地中で測定に適切な流速が必要なセンサにおいて、細胞に過剰なストレスを与えることなく、測定に必要な流速を確保できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る溶存酸素センサの測定態様を説明する図である。
【図２】溶存酸素センサの内部構造を示す図である。
【図３】溶存酸素センサに撹拌機能を備えさせ、撹拌翼を省略した測定態様を説明する図である。
【図４】複数のセンサを搭載した溶存酸素センサの内部構造を示す図である。
【図５】上下方向に移動する溶存酸素センサの測定態様を説明する図である。
【図６】浮力調整機能を備えた溶存酸素センサの内部構造を示す図である。
【図７】浮力調整機能を備えた溶存酸素センサの測定態様を説明する図である。
【図８】浮力調整機能を備えた溶存酸素センサの内部構造の別例を示す図である。
【図９】浮力調整機能を備えた溶存酸素センサの測定態様の別例を説明する図である。
【図１０】浮力調整機能を備えた溶存酸素センサの内部構造の別例を示す図である。
【図１１】浮力調整機能を備えた溶存酸素センサの測定態様の別例を説明する図である。
【図１２】細胞培養における培地の環境制御について、溶存酸素濃度を例に説明する図である。
【図１３】ポーラログラフ式溶存酸素センサの概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明のセンサを主として電極式の溶存酸素センサに適用した場合について説明するが、本発明のセンサは、電極式溶存酸素センサに限られず、細胞培養の培地中で測定に適切な流速が必要なセンサ全般に用いることができる。なお、流速は、センサと培地との相対速度であり、測定に適切な流速が必要であるとは、所定の流速が得られないと測定不能になる場合に加え、流速により測定精度や測定感度が変化する場合も含む概念である。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る溶存酸素センサ１００の測定態様を説明する図である。本図において、培養容器２００中に液体の培地２１０が収容されている。培地２１０の溶存酸素濃度は、溶存酸素センサ１００、溶存酸素センサと通信を行なう通信部２２０、制御部２３０、酸素供給源からの酸素流入量を調節する電磁弁２４０からなる制御ループによって制御されている。
【００２２】
電磁弁２４０の培地側出口にはスパージャ２５０が設置されており、培地２１０を曝気している。この際、培養容器２００内の培地２１０の酸素濃度分布を均一にするために、撹拌翼２６０等が用いられている。撹拌翼２６０は、モータ２７０により所定の回転速度で回転し、培地２１０を撹拌するようになっている。ただし、後述するように、撹拌翼２６０は省略することもできる。
【００２３】
溶存酸素センサ１００は、樹脂等のケースに覆われており、電極式溶存酸素センサ部１２０（図２参照）の接液部位である隔膜が露出したセンサ開口部１０１と、通信部２２０と無線通信を行なうセンサ通信部１０２とを備えている。センサ開口部１０１は、ケースの外周部に形成されている。センサ通信部１０２は、外部に露出していなくてもよい。
【００２４】
溶存酸素センサ１００は、培地２１０内で沈む程度の比重である。ケースは底の中央が膨らんだ形状をしており、例えば、卵形や球形、扁平球形等とすることができる。この底の膨らんだ部分が培養容器２００の底に接して、接した部分が軸となって円滑に回転できるようになっている。また、溶存酸素センサ１００の内部に従動用磁石１１０が配置されている（図２参照）。
【００２５】
培養容器２００の下部には、モータ２９０により回転する回転子２８０が配置される。回転子２８０上面には、駆動用磁石２８１が回転軸以外の２箇所に取り付けられている。このため、回転子２８０が回転すると、駆動用磁石２８１と従動用磁石１１０との引き合う力により溶存酸素センサ１００が回転する。なお、駆動用磁石２８１と従動用磁石１１０の一方を鉄等の強磁性体に換えてもよい。また、磁石は永久磁石、電磁石のどちらでもよく、個数は任意である。
【００２６】
図２は、溶存酸素センサ１００の内部構造を示す図である。本図に示すように溶存酸素センサ１００は、センサ通信部１０２と、２つの従動用磁石１１０と、センサ開口部１０１に隔膜が露出した電極式溶存酸素センサ部１２０と、信号処理部１３０と、電池１４０とを備えている。２つの従動用磁石１１０は、回転軸を挟んで、回転子２８０の駆動用磁石２８１に対応した間隔で配置する。
【００２７】
電極式溶存酸素センサ部１２０は、ポーラログラフ式、ガルバニ電池式のいずれであってもよい。ポーラログラフ式の場合は、電池１４０の電圧を電極における酸化還元反応に利用することができる。
【００２８】
センサ通信部１０２と通信部２２０との通信は、非接触の無線方式が好ましく、赤外線、電波、音波等のいずれであってもよい。有線方式であってもよいが、無線通信とすることで通信経路の滅菌処理が不要になる。
【００２９】
細胞培養工程においては、無菌環境の維持が重要である。従来は、図１２に示したように、溶存酸素センサ５２０が培養容器５００に形成された貫通孔に取り付けられているが、この貫通孔による培地５１０の漏洩や、雑菌の侵入に対して細心の注意を払う必要があった。
【００３０】
これに対して、本実施形態の溶存酸素センサ１００では、非接触の無線方式を用いることで、溶存酸素センサ１００と外部との接触経路がなくなり、従来注意しなければならなかった溶存酸素センサ取り付け箇所からの培地の漏洩や雑菌侵入のおそれが排除される。この観点から、通信部２２０は、培地容器２００外に配置することが望ましい。
【００３１】
信号処理部１３０は、電極式溶存酸素センサ部１２０の測定結果を符号化して、センサ通信部１０２を介して通信部２２０に送信する。測定の際には、センサ通信部１０２を介して通信部２２０から測定開始指示を受け付けるようにしてもよい。電池１４０は、信号処理部１３０、センサ通信部１０２の動作電源として用いられる。
【００３２】
このように、本実施形態の溶存酸素センサ１００は、自身が回転するため、撹拌翼２６０の撹拌速度と独立させて測定に最適な流速を確保することができる。このため、細胞に過剰なストレスを与えることなく、測定に必要な流速を確保できるようになる。
【００３３】
このとき、電極式溶存酸素センサ部１２０は、溶存酸素センサ１００の外周部に配置されているため、培地２１０に対する大きな速度が得やすくなっている。なお、外周部の配置したセンサ開口部１０１の向きは、回転方向の向きであっても、反対の向きであっても、外周方向の向きであってもよく、電極式溶存酸素センサ部１２０や培地２１０の特性等に応じて設計することができる。
【００３４】
溶存酸素センサ１００は、撹拌翼２６０の撹拌方向と同じ方向に回転させることで培地２１０の撹拌の補助として利用することができる。あるいは、撹拌翼２６０の撹拌方向と反対方向に回転させることで、培地２１０に対する速度をより大きくするようにしてもよい。
【００３５】
また、溶存酸素センサ１００は、自身が回転して得られる流れにより、気泡や細胞の代謝物などの汚れの隔膜への付着も防止できるようになっている。これにより、気泡や汚れが隔膜の酸素透過率に悪影響を及ぼしてセンサ感度が低下することを防いでいる。
【００３６】
なお、上記の実施形態では、撹拌翼２６０を回転させることで培地２１０内の溶存酸素濃度を均一化させるようにしていたが、溶存酸素センサ１００を測定に必要な流速を確保できる程度の回転速度で回転させたときに、撹拌効果を十分に得られる流れを培地２１０に与えることができる場合には、図３に示すように、撹拌翼２６０を省くようにしてもよい。例えば、羽根部分を形成するなど、溶存酸素センサ１００のケースを、撹拌効果を高める形状としてもよい。
【００３７】
図４に示すように、溶存酸素センサ１００には、複数のセンサを搭載することができる。本図の例では、電極式溶存酸素センサ部１２０に加え、グルコース濃度センサ部１２１を搭載している。この場合、例えば、センサの接液部位毎にセンサ開口部１０１を形成するようにする。
【００３８】
グルコース濃度センサ部１２１は、例えば、隔膜内面に塗布された酵素により発生した過酸化水素を電極での電気分解の際に流れる電流で検出する構成とすることができるが、測定精度が流速の影響を受けるため、電極式溶存酸素センサ部１２０と同様に、本発明を効果的に適用することができる。
【００３９】
また、グルコース濃度センサに限られず、培地２１０中のアンモニア濃度、グルタミン濃度、乳酸濃度、ｐＨ、二酸化炭素濃度等を測定するセンサを搭載するようにしてもよい。
【００４０】
ところで、上記の実施形態では、溶存酸素センサ１００に対して水平方向の速度を与えるようにしていたが、図５に示すように垂直方向の速度を与えるようにしてもよい。
【００４１】
この場合、センサ開口部１５１、センサ通信部１５２を有する溶存酸素センサ１５０内に従動用磁石１５３を備えさせる。そして、上下方向に伸びたタイミングベルト３１０に駆動用磁石３１１を取り付けて、培養容器２００の側面に配置する。この状態で、タイミングベルト３１０を回転させて駆動用磁石３１１を上下方向に移動させると、溶存酸素センサ１５０が培養容器２００内で上下方向に移動することになる。
【００４２】
この上下方向の移動により、溶存酸素センサ１５０は、撹拌翼２６０の撹拌速度と独立して測定に最適な流速を確保することができる。このため、細胞に過剰なストレスを与えることなく、測定に必要な流速を確保できるようになる。この場合、溶存酸素センサ１５０に培地２１０の上下方向の撹拌動作を行なわせてもよい。細胞の生命活動によって二酸化炭素やアンモニアが培地２１０中に排出されるが、ガスの最大溶解度は圧力に比例するため、これらのガス濃度は底面で高くなる。また、これらのガスは水素イオン濃度にも影響するため、溶存酸素センサ１５０による上下方向の撹拌動作は、培地２１０の濃度分布の均一化にも有効である。
【００４３】
また、溶存酸素センサ１５０が上下に移動することで、培地２１０内の垂直方向の溶存酸素濃度分布を測定することができるようになる。この場合、溶存酸素濃度分布に応じて溶存酸素センサ１５０の上下方向の移動速度を変化させるようにしてもよい。具体的には、溶存酸素濃度分布の垂直方向の偏りが大きい場合には、溶存酸素センサ１５０の上下方向の移動速度を速めて、撹拌効果を高めるようにする。
【００４４】
なお、溶存酸素センサ内部に上下移動機能を備えさせ、タイミングベルト３１０を省くようにしてもよい。この場合、例えば、図６に示すように、浮力調整機構１６６を溶存酸素センサ１６０内に備えさせるようにする。センサ開口部１６１、電極式溶存酸素センサ部１６２、センサ通信部１６３、電池１６５については、上述の溶存酸素センサ１００と同様とすることができる。
【００４５】
浮力調整機構１６６は、例えば、圧電素子を利用して容積を変化させる構成とすることができる。浮力の調整は信号処理部１６４からの指示に基づいて行なうようにする。
【００４６】
このような溶存酸素センサ１６０を用いることで、図７に示すように、外部からの操作を行なうことなく、溶存酸素センサ１６０を上下方向に移動させることができる。この場合も溶存酸素センサ１６０に上下方向の撹拌動作を行なわせてもよい。また、溶存酸素センサ１６０に垂直方向の溶存酸素濃度分布を測定させてもよい。
【００４７】
さらに、図８に示すように浮力調整機構１６６を備えた溶存酸素センサ１６０に従動用磁石１６７を備えさせるようにしてもよい。この場合、培養容器２００の下部に配置された回転子２８０の回転により、溶存酸素センサ１６０は水平方向の移動を行ない、浮力調整機構１６６により上下方向の移動を行なうことができるようになる。ここで、浮力調整機構１６６は、磁石の引き合う力に打ち勝つ程度の浮力を発生させるものとする。
【００４８】
図９に示すように、このような溶存酸素センサ１６０を培養容器２００に複数個投入してもよい。例えば、通常は培養容器２００の底部で水平方向の回転移動を行ない、所定の間隔で上下方向に移動するという制御を溶存酸素センサ１６０に行なわせたり、培養容器２００の底部で水平方向の回転移動を行なう溶存酸素センサ１６０と上下方向に移動する溶存酸素センサ１６０とを用いて役割を分担させるようにしてもよい。
【００４９】
なお、浮力調整機構を外部から調整し、上下移動の精度をより高めるようにしてもよい。この場合、例えば、図１０に示すように、チューブ１７８が接続された浮力調整機構１７６を溶存酸素センサ１７０内に備えさせるようにする。センサ開口部１７１、電極式溶存酸素センサ部１７２、センサ通信部１７３、信号処理部１７４、電池１７５については上述の溶存酸素センサ１００と同様とすることができる。
【００５０】
浮力調整機構１７６は、例えば、チューブ１７８を介して入出力される空気により容積を変化させる構成とすることができる。
【００５１】
このような溶存酸素センサ１７０を用いることで、図１１に示すように、浮力制御部３４０が、チューブ１７８に接続された通気バルブ３２０と排気バルブ３３０とを制御することにより、溶存酸素センサ１７０を上下方向に移動させることができる。この場合も溶存酸素センサ１７０に上下方向の撹拌動作を行なわせてもよい。また、溶存酸素センサ１７０に垂直方向の溶存酸素濃度分布を測定させてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１００…溶存酸素センサ、１０１…センサ開口部、１０２…センサ通信部、１１０…従動用磁石、１２０…電極式溶存酸素センサ部、１２１…グルコース濃度センサ部、１３０…信号処理部、１４０…電池、１５０…溶存酸素センサ、１５１…センサ開口部、１５２…センサ通信部、１５３…従動用磁石、１６０…溶存酸素センサ、１６１…センサ開口部、１６２…電極式溶存酸素センサ部、１６３…センサ通信部、１６４…信号処理部、１６５…電池、１６６…浮力調整機構、１６７…従動用磁石、１７０…溶存酸素センサ、１７１…センサ開口部、１７２…電極式溶存酸素センサ部、１７３…センサ通信部、１７４…信号処理部、１７５…電池、１７６…浮力調整機構、１７８…チューブ、２００…培養容器、２１０…培地、２２０…通信部、２３０…制御部、２４０…電磁弁、２５０…スパージャ、２６０…撹拌翼、２７０…モータ、２８０…回転子、２８１…駆動用磁石、２９０…モータ、３１０…タイミングベルト、３１１…駆動用磁石、３２０…通気バルブ、３３０…排気バルブ、３４０…浮力制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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