(57)【要約】【課題】  温度や、混合度の様なプロセス条件を容易に制御することのできる小規模なバイオリアクター装置を提供することである。【解決手段】  バイオリアクター１０に、フィルター２１と、バイオリアクター１０の下方周囲部分に沿って伸延する有孔通路２２とを有し、ガス源に接続した入口２０を介してガスを導入する。内側容積部分２６の、バイオリアクター１０の周囲部分に沿った断面は一定であり、有効容積部分の高さは、添加される反応体又は取り出される生成物によって本来一定に維持され、かくして、容積が増大した後でも、矢印３２及び３４で示すような攪拌状況がバイオリアクター１０の周囲部分全体を通して本来一定化される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオリアクターであって、該バイオリアクターの周囲部分を伸延する第１の閉じた壁にして、バイオリアクターの外面を形成する第１の閉じた壁と、該バイオリアクターの内側周囲部分を伸延し且つ第１の閉じた壁とは離間する第２の閉じた壁と、バイオリアクター内にガスを導入するための手段と、バイオリアクターからガスを除去するための手段と、を含み、第１の閉じた壁の高さの少なくとも一部分が、バイオリアクター内に導入したガスが、該バイオリアクターの上面と接触する前に前記第１の閉じた壁部分と接触するよう、バイオリアクターの中心方向に伸延するバイオリアクター。
【請求項２】
第１の閉じた壁全体がバイオリアクターの中心方向に伸延する請求項１のバイオリアクター。
【請求項３】
第２の閉じた壁の外面に隣り合う外側容積部分を含む請求項１のバイオリアクター。
【請求項４】
第２の閉じた壁の外面に隣り合う外側容積部分を含む請求項２のバイオリアクター。
【請求項５】
内側周囲部分の壁の少なくとも一部分と、外側周囲部分の壁の少なくとも一部分とが収斂する請求項１のバイオリアクター。
【請求項６】
内側周囲部分の壁の少なくとも一部分と、外側周囲部分の壁の少なくとも一部分とが収斂し、該収斂の度合いが、反応体をしてバイオリアクター内で螺旋方向に移動せしめるようなものである請求項１のバイオリアクター。
【請求項７】
内側容積部分の、バイオリアクターの周囲部分に沿った断面が一定である請求項１のバイオリアクター。
【請求項８】
内側容積部分の、バイオリアクターの周囲部分と、有効容積部分の高さとに沿った各断面が、添加される栄養物と、除去される生成物との各量によって本来一定に維持される請求項１のバイオリアクター。
【請求項９】
内側容積部分の、バイオリアクターの周囲部分に沿った断面が一定であり、バイオリアクターの周囲部分全体における混合状況が、有効容積部分が増大した後でさえ本来一定である請求項１のバイオリアクター。
【請求項１０】
ガスを導入するための手段が、１つ以上の多孔質材料から形成した有孔通路である請求項１のバイオリアクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件出願は２００６年１１月１６日付で提出した米国仮特許出願番号第６０／８５９，４４５号の利益を主張するものである。本発明は、バイオ反応プロセスの最適条件を確立し得る、小規模な細胞培養用の、廃棄性のバイオリアクターに関し、詳しくは、反応温度及び反応体混合を容易に制御し得るそうしたバイオリアクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
微生物細胞の培養（発酵）又は、動植物の細胞培養（組織培養）は商業上重要な化学的及び生化学的製法である。こうしたプロセスでは、モノクロナール抗体又は酵素のようなタンパク質、ワクチン又はアルコール飲料を含む商業価値のある化学物質を、一般に入手の容易な出発材料を用いて経済的に合成できることから生細胞が使用される。商業的に行う培養プロセスでは、その条件を最適化するために、一般に、試験反応条件を正確に制御することのできる小規模な培養シェーカーフラスコ又はロールボトル内でバイオ反応を行う。
発酵には、栄養液媒中での生細胞の成長又は管理が含まれる。代表的な発酵バッチプロセスでは、所望の微生物又は真核細胞を、水、栄養物質、溶解ガスからなる培地に配置して所望の培養密度に成長（又は増殖）させる。栄養液媒は、生細胞の生存上必要な且つ成長及び又は複製し続けるための環境条件を最適化する全ての化学物質を含むべきである。現在、代表的な微生物細胞培養プロセスでは、微生物群を、攪拌層型か又は気体流動床型の連続リアクター内で循環する栄養液媒中に懸濁させている。同様に、哺乳動物細胞の試験管培養では細胞をロールフラスコ内で浮遊培養し、又は、表面付着を必要とする細胞の場合は、付着細胞上に栄養媒体を収納させた組織培養フラスコ内で細胞を密集培養させている。そうして維持された生細胞は、栄養物質の混合物中に導入した前駆体物質から単数又は複数の所望の製品を代謝生成する。単数又は複数の所望の生成物は、培養液から精製するか、又は細胞自体から抽出する。
【０００３】
バイオリアクター用のあるシステムでは、バイオリアクターバッグをその上部に配置したモーター又は油圧機器を備える大型テーブルを使用している。モーター/油圧機器はバイオリアクターバッグを錠止して細胞を一定動作させる。また、バイオリアクターバッグはガス及び栄養物質供給チューブと、廃棄ガス及び廃棄物チューブとを有し、好気性有機物のための空気のようなガスや栄養物質を供給し、呼気ガス、二酸化炭素その他のような廃棄物を除去することができる。これらのチューブは、バイオリアクターバッグの動きに合わせてガスや流体/固体が一様に動けるように作用する。米国特許第６，１９０，９１３を参照されたい。そうしたシステムでは、資本集約的な設備を損耗しやすい構成部品と共に使用する必要がある他、テーブルと共に使用することのできるバイオリアクターバッグの寸法には、テーブルの寸法と、このテーブルに備わるモーター/油圧機器のリフト能力とによる制限がある。
【０００４】
別のシステムでは、両端を可動アームに取り付けた可撓性の長いチューブ状バッグを使用し、充填したバッグを可動アームからＵ字形に吊り下げ、次いで各アームを互いに交互に上下に動かすことで、バッグ内の流体を揺動させ且つ移動させている。所望であればバッグの中央セクションに制限部を設け、混合動作をより均一化させることができる。このシステムでは、特殊形状のバッグが必要であり、液体を移動させるための油圧機器その他のリフティング装置が必要であるし、その重さから、バッグの寸法及び容積には設備のリフティング能力とバッグ強度による制限がある。
【０００５】
選択的に加圧及び収縮させ得る１つ以上のバッグを、発酵層、混合バッグ、貯蔵バッグその他、のような廃棄性のバイオバッグと組み合わせて使用することで改善が見られた。バッグの外側選択部分の周囲に単数又は複数の圧力バッグを配置し又は、そうした単数又は複数の圧力バッグをバッグの小部分内に収納し得る。単数又は複数の圧力バッグを選択的に加圧及び収縮させることでバッグ内で流体を移動させ、かくして、ダメージを伴う剪断力又はフォームを生じさせることなく、バッグ内で細胞を確実に浮遊させ、混合及び又はガス及び又は栄養物質/排泄物を移動させることができる。
あるいは、ガスをバッグ内に導入するスパージャーその他のデバイスを収納した静止（移動しない）バッグを選択しても良い。この場合、ガスがバッグ内の流体を移動させ、ガス、栄養物質、廃棄物を混合及び移動させる。
【０００６】
米国特許第５，５６５，０１５号では、プラスチック容器内にシールした、平坦な、膨張性の、多孔質チューブが使用される。このチューブはガス圧力下に膨張してバッグ内にガスを流入させる。ガスを付加しない場合はチューブは潰れて各孔を実質的に閉じてバッグからの液漏れを防止する。
米国特許第６，４３２，６９８号では、チューブをバッグ内のガスディフューザーに挿通し且つシールしている。この場合、逆流防止用の弁その他手段が無いので、バッグ内の液体が、ディフューザーからガスラインを経て結局はエアポンプに入るのを防止するためにガスを一定の正圧下に維持する必要があると思われる。
これらの２つの米国特許に開示される構造は何れも、容器内の液体が漏出する可能性があり、漏液が、ガス供給システムのようなシステムの上流側構成部品のバッグの内容物を汚染する恐れがある。更には、何れの発明でも、ガス分与のための別個の構成部品が導入されている。
【０００７】
【特許文献１】米国仮特許出願番号第６０／８５９４４５号明細書
【特許文献２】米国特許第６１９０９１３号明細書
【特許文献３】米国特許第５５６５０１５号明細書
【特許文献４】米国特許第６４３２６９８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
解決しようとする課題は、温度や、混合度の様なプロセス条件を容易に制御することのできる小規模なバイオリアクター装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、廃棄性のバイオリアクターであって、液状反応体がバイオリアクターの外壁の内面に沿って上昇し、次いで反応容積部分内をこの内面から離間する方向に降下するように形状付けされたバイオリアクターが提供される。
バイオリアクターは、外壁の第１内面にして、バイオリアクターの内壁の第２内面と共に閉じた容積部分を形成する第１内面を含む。第１内面及び第２内面は、相互に収斂又は拡開して、バイオリアクター内の液状反応体を本来螺旋方向に移動させる少なくとも一部分を有する。
本発明のバイオリアクターは、ガス導入手段及びガス排除手段とを含み、また、反応体添加手段と、単数又は複数の所望の生成物を取り出す手段をも含む。
本発明のバイオリアクターは反応体又は生成物を汚染しない、ガラス又は高分子組生物の様な材料から形成される。
【発明の効果】
【００１０】
温度や、混合度の様なプロセス条件を容易に制御することのできる小規模なバイオリアクター装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明によれば、相互に離間してバイオ反応を実施する容積部分を形成する閉じた内壁及び外壁を有する廃棄性のバイオリアクターが提供される。内壁の少なくとも一部分と、外壁の一部分とが収斂する。収斂の度合いは、反応体がバイオリアクター内で螺旋方向に移動せしめられるようなものである。培養細胞、栄養物質、１つ以上のガスをバイオリアクターに導入し、バイオリアクター内でバイオ反応を生じさせる。ここで、“有効容積”とは、バイオリアクターの、反応が生じる容積部分を意味するものとする。バイオリアクターの容積の一部分には、有効容積部分の上方に位置決めしたガス含有容積部分が含まれる。ガスを、反応体がそれによって混合され、反応体の上面が破壊される前に外壁の内面と接触するようにしてバイオリアクター内に導入する。ガスをこのように動作させることにより、反応体混合物はバイオリアクターの全円周方向に渡り、本来螺旋状の通路を移動する。
バイオリアクターの内側容積部分は、反応体が有効容積内の全ての部分で相互に十分に混合されるような形状とされる。かくして、混合が殆ど又は全く生じないデッドゾーンの発生が回避される。バイオリアクターには、その内部温度を制御するヒーターを格納する外部容積部分を設ける。バイオリアクター内に反応体を導入する又はバイオリアクターから生成物を取り出すための１つ以上の入口を設ける。
【００１２】
バイオリアクターの長さ方向に沿ってバイオリアクターに付着させるなどしてバイオリアクターと一体係止し得る少なくとも１つの有孔通路によって、バイオリアクターの有効容積内にガスを導入する、或いは、単数又は複数の有孔通路を、スパージャーチューブのようにバイオリアクターから分離形成し得、バイオリアクターの有効容積が増大した場合にバイオリアクター内に漸次挿通させ得る。バイオリアクターの、有孔通路を挿通する部分からの漏出防止用の従来のシール手段を設け得る。有孔通路は、反応体又は生成物を汚染しない高分子組生物の様な可撓性材料、又はセラミック、グラスマットまたは焼結ガラス材料のようなガラス、又は、反応体又は生成物を汚染しない焼結ステンレス鋼から形成され得る。
【００１３】
好適なプラスチックは親水性又は疎水性のものであり得る。しかしながら、親水性のものである場合は、有孔通路内の空気圧を液体侵入圧力に一定化するか又はそれ以上として液体を有孔通路の外側に維持させる、又は弁または疎水性フィルターの如きを設けて上流側を遮断し、有孔通路及び又はガス供給源の上流側からの液体横溢が生じないことが保証されるべきである。プラスチックは生来、親水性又は疎水性のものであり得、又は所望の特性を持たせるように表面処理され得る。プラスチックは単層又は所望であれば複層化され得る。複層化通路の１実施例のものは、多孔質のプラスチック層を、デブリを捕捉し得且つ捕捉したデブリを有孔通路を詰まらせないようにする、開口度の高いプレフィルター又は深さフィルターで覆った多孔質プラスチック層を有する。孔寸法は、ガスの所望の泡沫寸法に基づいて選択されるが、ミクロ孔（０．１〜１０μｍ）のものからマクロ孔（１０μｍ以上）の範囲のものであり得、微孔質フィルター、織った繊維又はフィルター、多孔質の織らない材料、例えばTyvek（商標）シート材、水槽用フィルタでよく見かけるモノリス又はパッドその他に夜如き膜又はフィルターから形成され得る。選択するプラスチックはその内部で成長する細胞に悪影響が及ばないよう、バイオリアクター環境との共存性を有するべきである。好適なプラスチックには、これに限定しないが、ポリエチレン又はポリプロピレンのようなポリオレフィン、ポリスルフォン、又はポリエーテルスルフォンのようなポリスルフォン（polysulfones）、ナイロン、ＰＴＦＥ樹脂、ＰＥＦ、ＰＶＤＦ、ＰＥＴその他が含まれる。
【００１４】
導入されるガスは、反応体として、また反応体攪拌手段として機能する。
図１及び図２を参照するに、バイオリアクター１０は２つの脚部１２及び１４を含み、これらの脚部はその上方に位置決めしたセクション１６によって連結される。セクション１６の上方にガス容積部分１８を設け、ここに未反応のガスを収集する。フィルター２１と、バイオリアクター１０の下方周囲部分に沿って伸延する有孔通路２２とを有する入口２０を介してバイオリアクター１０にガスを導入する。入口２０はガス源（図示せず）に接続される。外側容積部分２４は、バイオリアクター１０内の温度制御用のヒーター（図示せず）を格納する形状とされる。フィルター２７を有するガス出口２３も設ける。非ガス状の反応体を導入するための隔壁２５を設ける。
図３に示すように、内側容積部分２６の、バイオリアクター１０の周囲部分に沿った断面は一定である。有効容積部分の高さは、添加される反応体又は取り出される生成物によって本来一定に維持される。かくして、容積が増大した後でも、矢印３２及び３４で示すような攪拌状況がバイオリアクター１０の周囲部分全体を通して本来一定化される。
【００１５】
図４及び図５を参照するに、本発明の別態様でのバイオリアクター１１が例示される。バイオリアクター１１は、底面３８に直交して位置決めした外壁３６が、セクション４４によって連結される脚部４０及び４２を形成するような構成のものである。導入されるガスが反応体の表面５４を破る前に矢印５０及び５２で示す方向に移動するよう、表面４６が液体及びガスの界面４８に向けて収斂される。ガスは、フィルター５８を有する入口５６を通して有孔通路５９に導入される。ガスはフィルター６０を有する出口６２から除去される。ヒーター（図示せず）を格納する外側容積部分６４を設ける。反応体をバイオリアクター１１内に導入するための隔壁６６を設ける。
本発明のバイオリアクターは、剛性のプラスチック又はガラスから形成され得る。好ましいプラスチックは、熱可塑性を有し且つこれに限定しないが、ポリエチレンやポリプロピレンのようなポリオレフィンホモポリマー、ポリオレフィンコポリマー、ポリカーボネート、ポリスチレンその他を含む。プラスチックは、その内部の作用を目視検査により監視し得るよう、透明であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のバイオリアクターの側面図である。
【図２】図１に示す本発明のバイオリアクターの断面図である。
【図３】本発明のバイオリアクター内での液状反応体の動きを示す側面図である。
【図４】本発明の別態様のバイオリアクターの側面図である。
【図５】図４のバイオリアクターの他の実施例における断面図である。
【符号の説明】
【００１７】
１０、１１  バイオリアクター
１２、１４、４０、４２  脚部
１６、４４  セクション
１８  ガス容積部分
２０  入口
２１、２７、６０  フィルター
２２  有孔通路
２５、５９、６６  隔壁
２６  内側容積部分
３６  外壁
３８  底面
５４  反応体の表面
４８  液体及びガスの界面
５９  入口
６２  出口
６４  外側容積部分
【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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【手続補正書】
【提出日】平成20年1月17日(2008.1.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部と上部とを有するバイオリアクターであって、該バイオリアクターの外側周囲部分を画定し且つバイオリアクターの外面を形成する第１の閉じた壁と、第１の閉じた壁から離間され、バイオリアクターの内側周囲部分を画定する第２の閉じた壁と、バイオリアクター内にガスを導入するための手段と、バイオリアクターからガスを除去するための手段と、を含み、第１の閉じた壁の高さの少なくとも一部分が、バイオリアクター内に導入したガスが、該バイオリアクターの上面と接触する前に前記第１の閉じた壁部分と接触するよう、バイオリアクターの底部から上部に向けてバイオリアクターの中心方向に収斂するバイオリアクター。
【請求項２】
第１の閉じた壁全体がバイオリアクターの中心方向に伸延する請求項１のバイオリアクター。
【請求項３】
内側周囲部分の壁の少なくとも一部分と、外側周囲部分の壁の少なくとも一部分とが、夫々、バイオリアクターの底部から上部に向けてバイオリアクターの中心方向に収斂する請求項１のバイオリアクター。
【請求項４】
第２の閉じた壁の外面に隣り合う外側容積部分を含む請求項２のバイオリアクター。
【請求項５】
内側周囲部分の壁の少なくとも一部分と、外側周囲部分の壁の少なくとも一部分とが収斂する請求項１のバイオリアクター。
【請求項６】
内側周囲部分の壁の少なくとも一部分と、外側周囲部分の壁の少なくとも一部分とが収斂し、該収斂の度合いが、反応体をしてバイオリアクター内で螺旋方向に移動せしめるようなものである請求項１のバイオリアクター。
【請求項７】
内側容積部分の、バイオリアクターの周囲部分に沿った断面が一定である請求項１のバイオリアクター。
【請求項８】
内側容積部分の、バイオリアクターの周囲部分と、有効容積部分の高さとに沿った各断面が、添加される栄養物と、除去される生成物との各量によって本来一定に維持される請求項１のバイオリアクター。
【請求項９】
内側容積部分の、バイオリアクターの周囲部分に沿った断面が一定であり、バイオリアクターの周囲部分全体における混合状況が、有効容積部分が増大した後でさえ本来一定である請求項１のバイオリアクター。
【請求項１０】
ガスを導入するための手段が、１つ以上の多孔質材料から形成した有孔通路である請求項１のバイオリアクター。
【外国語明細書】
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