(57)【要約】【課題】本発明は、特にバイオリアクターにおける使用に適した攪拌機を提供することを課題とする。【解決手段】回転軸に対して放射状に整列し、かつ回転軸に対して回転方向に抑え角で傾斜した攪拌翼を少なくとも2個有する攪拌機であって、個々の攪拌翼の抑え角が、攪拌翼の上端で25°〜35°から下端で55°〜65°まで連続的または段階的に変化する攪拌機を提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に対して放射状に整列し、かつ回転軸に対して回転方向に抑え角で傾斜している攪拌翼を少なくとも2個有する攪拌機であって、攪拌翼が等しい大きさのセグメントからなり、かつ個々の攪拌翼のセグメントの抑え角が、攪拌翼の上端で25°〜35°から下端で55°〜65°まで連続的または段階的に変化する攪拌機。
【請求項２】
攪拌翼が固定された攪拌機のシャフトを受けるようにはたらく中空のシリンダーを含む、請求項1記載の攪拌エレメント。
【請求項３】
中空のシリンダーが固定手段によって攪拌シャフトに連結されることを特徴とする、請求項2記載の攪拌機。
【請求項４】
攪拌翼が等しい大きさの3個のセグメントからなり、かつ抑え角が異なることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項記載の攪拌機。
【請求項５】
上方のセグメントの抑え角が30°、中間のセグメントの抑え角が45°、および下方のセグメントの抑え角が60°であることを特徴とする、請求項4記載の攪拌機。
【請求項６】
直径比が0.3〜0.5であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項記載の攪拌機。
【請求項７】
攪拌機の高さ対攪拌機の直径の比が0.1〜0.3であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項記載の攪拌機。
【請求項８】
攪拌翼が2個〜8個であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項記載の攪拌機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にバイオリアクターにおける使用に適した攪拌機に関し、かつまたそのような攪拌機の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオリアクターにおいて、攪拌機は、温度差および様々な成分濃度の差を平均するために本質的に用いられる。攪拌機はサーモスタットエレメントと発酵ブロスとの間の熱交換を増強する。さらに、バイオリアクターにおける攪拌機は、発酵の際に細胞が沈殿すること、およびしたがって不均一に分布することを防止する。バイオリアクターにおける攪拌機のさらなる任務とは、発酵ブロスにおいて気相を分散させることである。
【０００３】
バイオテクノロジーでは、様々なタイプの攪拌機が用いられる。最も頻繁に用いられるタイプの攪拌機は、ディスク攪拌機である。標準的なディスク攪拌機とは、例えば垂直に整列した翼6枚を有するラシュトン（Rushton）タービンである。そのような攪拌機は、攪拌機の軸に対して半径方向に流れを生じる。攪拌機の上下において、流れの渦が形成され、これによって高い分散効果が得られる。さらなる攪拌機の変種は、傾斜翼攪拌機である。これは、（攪拌機の軸に対する）翼の抑え角が可変であるが、通常45°である攪拌機である。傾斜翼攪拌機は主に、半径成分を有する軸輸送方向を含み、したがって非常に効率的な混合が得られる。ディスク攪拌機または傾斜翼攪拌機の短所とは例えば、特に気体の負荷が大きい場合、そのような攪拌機は容易に溢れ、その結果存在する気体を完全に分散させることができなくなる点である。最終的に、細胞発酵の場合にはプロペラ攪拌機が使用されるが、標準的なディスク攪拌機または傾斜翼攪拌機より混合の程度ははるかに低い。プロペラ攪拌機における流れは、好ましくは軸方向を向いている。
【０００４】
バイオリアクターにおける攪拌機技術に関する原理は、例えば、非特許文献1、非特許文献2、および非特許文献3に記載されている。特許文献1において、ディスク攪拌機を備えたバイオリアクターが記載されている。ディスク攪拌機はまた、特許文献2および特許文献3にも記載されている。
【０００５】
特許文献4には、その角度が攪拌翼に対して16°から変化する、反った攪拌翼を有する傾斜翼攪拌機が記載されている。攪拌翼の先端の角度は16°〜32°である。
【０００６】
特許文献5には、ねじれた攪拌翼を有する傾斜翼攪拌機が記載されており、ねじれは約8°〜12°である。攪拌翼の先端の角度は18°〜34°である。
【０００７】
特許文献6には、中心部で一度曲がった攪拌翼を有する攪拌機が記載されており、攪拌翼の二つの部分の間の角度は20°または30°である。特許文献7には、その角度が7.5°〜22.5°である、曲がった攪拌翼を有する攪拌機が同様に記載されている。
【０００８】
特許文献8には、かぎ型の断面を有する攪拌機を記載している。特許文献9には、ねじれた攪拌翼を有する攪拌機が記載されており、攪拌翼の角度は22°〜45°である。
【０００９】
特許文献10には、攪拌翼が半円状または半楕円状の断面を有する攪拌機が記載されている。
【００１０】
特許文献11には、攪拌翼が主に三角形の断面を有する攪拌機が記載されている。
【００１１】
特許文献12には、攪拌翼が、外側の翼に接続された内側の主翼を有する、攪拌機が開示されている。
【００１２】
【特許文献１】欧州特許第0 745 666号
【特許文献２】独国特許第23 49 106号
【特許文献３】独国特許第23 51 763号
【特許文献４】米国特許第4,468,130号
【特許文献５】米国特許第4,896,971号
【特許文献６】米国特許第5,052,892号
【特許文献７】米国特許第5,297,938号
【特許文献８】米国特許第5,316,443号
【特許文献９】米国特許第5,326,226号
【特許文献１０】米国特許第5,791,780号
【特許文献１１】仏国特許第1 600 744号
【特許文献１２】独国特許第94 00 938 U号
【非特許文献１】Riet, van't, Tramper, J.、Basic Bioreactor Design、第4章：Kinetics、Marcel Dekker Inc.、1991
【非特許文献２】Tatterson, G.B.、Fluid Mixing and Gas Dispersion in Agitated Tanks、McGraw-Hill, Inc.、1991
【非特許文献３】Bailey, J.E.およびOllis, D.F.、Biochemical Engineering Fundamentals、第二版、McGraw-Hill, Inc.、1986
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、特にバイオリアクターにおける使用に適した攪拌機を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、回転軸（2）に対して放射状に整列し、かつ回転軸（2）に対して回転方向に抑え角で傾斜した、本質的に長方形の攪拌翼（1）を少なくとも2個有する攪拌機に関し、個々の攪拌翼の抑え角は、攪拌翼の上端で25°〜35°から下端で55°〜65°へと連続的または段階的に変化する（好ましくは30°〜60°）攪拌機に関する。
【００１５】
本発明（１）は、回転軸に対して放射状に整列し、かつ回転軸に対して回転方向に抑え角で傾斜している攪拌翼を少なくとも2個有する攪拌機であって、攪拌翼が等しい大きさのセグメントからなり、かつ個々の攪拌翼のセグメントの抑え角が、攪拌翼の上端で25°〜35°から下端で55°〜65°まで連続的または段階的に変化する攪拌機である。
本発明（２）は、攪拌翼が固定された攪拌機のシャフトを受けるようにはたらく中空のシリンダーを含む、本発明(1)の攪拌エレメントである。
本発明（３）は、中空のシリンダーが固定手段によって攪拌シャフトに連結されることを特徴とする、本発明(2)の攪拌機である。
本発明（４）は、攪拌翼が等しい大きさの3個のセグメントからなり、かつ抑え角が異なることを特徴とする、本発明(1)〜(3)のいずれか一発明の攪拌機である。
本発明（５）は、上方のセグメントの抑え角が30°、中間のセグメントの抑え角が45°、および下方のセグメントの抑え角が60°であることを特徴とする、本発明（4）の攪拌機である。
本発明（６）は、直径比が0.3〜0.5であることを特徴とする、本発明(1)〜(5)のいずれか一発明の攪拌機である。
本発明（７）は、攪拌機の高さ対攪拌機の直径の比が0.1〜0.3であることを特徴とする、本発明(1)〜(6)のいずれか一発明の攪拌機である。
本発明（８）は、攪拌翼が2個〜8個であることを特徴とする、本発明(1)〜(7)のいずれか一発明の攪拌機である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、特にバイオリアクターにおける使用に適した攪拌機が提供された。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
個々の攪拌翼（1）の抑え角は好ましくは同一である。好ましくは、攪拌機は、一平面上に攪拌翼（1）を2個〜8個、特に好ましくは4個有する。バイオリアクターの大きさに応じて、攪拌翼（1）を、互いに上下に存在する複数の平面において整列させることができる。1平面〜6平面が適切である。
【００１８】
好ましくは、攪拌翼（1）は、攪拌機のシャフト（4）を受けるようにはたらく中空のシリンダー（3）に固定される。適当ならば、中空のシリンダー（3）は、固定手段によって攪拌機のシャフトに連結される。攪拌翼（1）が固定されたそのような中空のシリンダー（3）を、以降、攪拌エレメントと呼ぶ。したがって、好ましくは、攪拌エレメントは、攪拌機のシャフト（4）を封入する放射状の内部中空環状領域を有し、その環状領域に対して2個〜8個の攪拌翼が互いに一定間隔で連結する。
【００１９】
好ましくは攪拌翼（1）は、その抑え角が異なるいくつかのセグメント（5）からなる。
【００２０】
より好ましくは、攪拌翼（1）は、その抑え角が異なる、等しい大きさのセグメント（5）からなり、特に好ましくは、上方のセグメントの抑え角が25°〜35°であり、下方のセグメントの抑え角が55°〜65°である。
【００２１】
とりわけ好ましくは、攪拌翼（1）は、その抑え角が異なる、等しい大きさの3個のセグメント（5）からなり、特に好ましくは、上方のセグメントの抑え角が30°であり、中間のセグメントの抑え角が45°であり、および下方のセグメントの抑え角が60°である。
【００２２】
一枚の攪拌翼の直径比は、好ましくは0.3〜0.5の範囲であり、特に好ましくは0.35〜0.45の範囲であり（独国工業基準（DIN） 28131に準拠。比d/Dは、攪拌機の直径／リアクターの内径。）、攪拌翼の高さ対攪拌機の直径の比（d/h）は、好ましくは0.1〜0.3であり、特に好ましくは0.1〜0.15である（図1を参照されたい）。
【００２３】
好ましい攪拌機の寸法は例えば以下の通りである。
2005305431.tif 000002
【００２４】
本発明の攪拌翼の形状は、端部と角を丸くすることができる長方形である。さらに好ましくは、攪拌翼は、円柱断面（cylindrical section）形状を有し、かつ／または本発明の抑え角を得るために1回または数回曲げられている。
【００２５】
バイオリアクターの形状は重要ではない。通常は、円柱形容器が用いられる。
【００２６】
攪拌機の効率および性能を評価するための本質的なパラメータは、入力[W/m3]、酸素輸送係数[kLa（l/h）]、混合時間[S]、および細胞増殖[細胞濃度および生存率]のパラメータである。
【００２７】
酸素輸送係数kLaは、以下の式に従って決定される。
2005305431.tif 000003
kLa：酸素輸送係数
OTR：酸素輸送速度[モル/(l.h)]
C*O2：境界相での酸素の平衡濃度
CO2：懸濁液内部の酸素濃度[モル/l]
【００２８】
kLa値は、様々な方法によって決定することができる。測定範囲が方法依存的であることは、何度も見いだされている。本発明では、「動的方法（dynamic method）」を用いてkLaを決定した（Zlokarnik, M.、Ruhrtechnik-Theorie und Praxis、Springer Verlag、Heidelberg、New York、1999）。
【００２９】
下記の実施例、および添付の図面は、本発明をより詳細に説明するが、その保護される範囲は、添付の特許請求の範囲によって示されるものである。記載の方法は、改変後であっても、本発明の主題をさらに説明する例と見なされるべきである。
【実施例】
【００３０】
実施例1
発酵器：
発酵に関しては、CHO細胞株を培養するための作業容積10 Lの攪拌タンク発酵器を用いた。培地を作製するために、滅菌した補給容器中の加熱した精製水（タイプ2）に個々の成分を加える。培地の浸透圧（0.29 Osmol/kg）を、NaClによるkLa値の実験的決定の場合と同様に設定する。補正剤を加えることによってpH 7.1に設定することができる。
【００３１】
動力ユニットは、つり下げ型（suspended）電動モーターを有するベンチ構造からなる。これは、回転速度が0 rpm〜1500 rpmの範囲の0.75 kW直流モーターである。供給ユニットを形成するために、蒸気、冷却水、廃水、圧縮空気、二酸化炭素、窒素および補正剤を提供および除去するために必要な全ての装置、接続および付属品を組み合わせる。これらには、加熱システム、ガス混合ステーション、および圧制御弁が含まれる。さらに、電気エネルギー供給が供給ユニットに含まれる。
【００３２】
用いられるバイオリアクターは、高さ対直径比（H/D）が2.0である。リアクターは、皿状の基部、平坦な蓋、および縦長の監視ガラスで構成される。加熱は、被覆熱交換器（V＝3 L）を通して行われる。容器中には、幅0.1×Dの4個のバッフルが存在する。
【００３３】
3個の25 mm Ingoldポートおよび2個の19 mm Ingoldポートが容器の壁の側方に設けられている。発酵の測定制御機器の要件によって、ここで、pO2電極、pH電極、温度センサー（PT 100）、サンプリング弁（CV25）、混濁度探針、およびpCO2電極を用いることができる。
【００３４】
用いられる攪拌エレメント：
攪拌エレメントはステンレス鋼からなり、発酵器の中心に位置する攪拌機のシャフト上に、2個のグラブねじによって固定される。その回転方向としては反時計回りを選択した。発酵器あたりの攪拌エレメントの数は、標準的なディスク攪拌機の場合は3個、傾斜翼攪拌機の場合は2個であった。
【００３５】
標準的なディスク攪拌機（SSR）：
放射方向輸送用の標準的なディスク攪拌機は、水平方向に整列したディスクからなり、それに対して垂直方向のディスク6個が左右対称に固定される（DIN 28 131）。直径比（D/d）が0.4の攪拌機を用いた。
【００３６】
傾斜翼攪拌機タイプ1（SBRタイプ1）（図2）：
パドルの抑え角は可変であった。45°（SBRタイプ1）および60°（SBRタイプ1_ 60°）の場合について酸素投入量を試験した。
寸法：
d：            118 cm
翼の幅dB：      40 cm
翼の長さ：     95 cm
直径の比（d/D＝0.55）
【００３７】
傾斜翼攪拌機タイプ2（SBRタイプ2）（図3）：
傾斜翼攪拌機タイプ1とは対照的に、傾斜翼攪拌機タイプ2は、より狭く長いパドル表面を有するように設計された。パドルは、端部がわずかに曲がっている。曲がった末端の位置は向かい合っている（Z型）。
寸法：
d：            118 cm
翼の幅dB：      16/29 cm
翼の長さ：     115 cm
末端が曲がっていない翼の長さ：  93 cm
直径の比（d/D＝0.55）
【００３８】
本発明の傾斜翼攪拌機（SBRタイプ3）（図4および図5）：
本発明の傾斜翼攪拌機SBRタイプ3は、大きさが等しい3個のセグメントに細分される（長さがそれぞれ32 cm）。傾斜翼攪拌機タイプ2とは対照的に、外側のセグメントは、同じ方向に曲げられていた（C型）。外側のセグメント2個は、中心セグメントに対して回転方向に15°傾斜していた。
寸法：
d/D：      0.335
d：        350 mm
h/d：      0.139
【００３９】
プロセスパラメータの測定：
酸素測定：
溶存酸素濃度は、Clark酸素電極（Metler Toledo、InPro（登録商標）6000）を用いて決定した。
【００４０】
温度、圧力、およびpH測定：
pHおよび温度は、探針リングに備えられた探針を介した発酵システムにおいて測定した。温度測定のために、PT 100抵抗温度計を用いた。その精度は、接触温度計（タイプCS 20）によって、滅菌の際に、および既定の間隔で発酵の際に試験される。pHは、Ingold製の複合pH電極を介して決定した。設置前、この電極を、pH 4.01およびpH 7.0の緩衝液を用いて較正した。圧力の測定のために、圧ペースト電極を用いた。
【００４１】
混濁度測定：
混合時間を決定するために、Aquasant Messtechnik AG（AF44を備えたAS81）製の混濁度測定システムを用いた。
【００４２】
kLa値の実験的決定：
酸素輸送係数は、飽和法によって決定した。
【００４３】
ガス導入エレメントおよび被験攪拌エレメントの設置後、発酵システムに脱イオン水10 Lを添加する。全ての内容物（探針、バッフル、および立ち上がり（riser）パイプ）およびプロセスパラメータ（p＝1 bar、T＝37℃、浸透圧＝0.3 Osmol/kg）は、発酵の際のものと対応する。浸透圧を設定し、かつNaClを用いてチェックする。pO2電極を加熱して較正した後、窒素ガス導入によって全ての溶存酸素を培地から除去することができる（ガス1＝0.5 l/分、回転速度＝250 rpm）。
【００４４】
t＝0時点で、純粋な圧縮空気導入を開始し、それぞれの回転速度を設定する。溶存酸素濃度を約6.6 g/Lの飽和濃度まで増加させる。3回の実験毎に、pO2電極を再度較正し、同様に、同じ培地を比較的長期間使用する場合には、浸透圧を毎日チェックした。
【００４５】
kLa値は、以下の等式によって計算した。
2005305431.tif 000004
【００４６】
これは回転速度と供給ガス容積測定流速（ガス1）の関数として決定されたものである。これらのパラメータに関して、発酵のものに対応する範囲および段階を選択した。
【００４７】
実験で用いられる被験液体は、0.15 モル濃度のNaCl溶液（8.7 g/L）であった。これは、培地と類似した流体力学特性（凝結挙動、酸素飽和濃度）を有する。
【００４８】
本発明の傾斜翼攪拌機タイプ3を用いることによって、用いた他の全ての攪拌システムと比較して、kLa値の著しく高い増加を得ることができ、同時に、回転速度が増加しただけでなく、ガス導入速度も増加した。傾斜翼攪拌機タイプ1を用いた場合に回転速度200 rpmで起こるkLa値の低下は、この攪拌機では増加量の減少という形でしか起こらなかった。標準的なディスク攪拌機によって250 rpmで得られる酸素輸送係数が、傾斜翼攪拌機では既に、回転速度100 rpm〜150 rpmで得ることができた（図6）。
【００４９】
混合時間の決定：
混合時間は、追跡物質として牛乳を用いた混濁度測定システムを用いて決定した（他の全ての条件は、kLa値決定時と類似している）。追跡物質の濃度が5 mg/Lである場合、最大測定値の85％の測定シグナルが確立された。混濁度の変化を、探針リングに設置された混濁度探針によって追跡し、補償記録計によって表示した。この実験の終了条件は、85％の一定測定シグナルであった。95％という所望の混合品質を得るまでの時間が混合時間である。
【００５０】
傾斜翼攪拌機を用いることによって、混合時間を、70％まで減少させることができた。傾斜翼攪拌機タイプ3を用ると、混合時間を、他の傾斜翼攪拌機と比較して約40％減少させることができた（図7）。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】攪拌機の略図である。hは攪拌機の高さ（垂直方向に突出。図2を参照されたい）を示す。
【図２】傾斜翼攪拌機（SBRタイプ1）を示す。
【図３】傾斜翼攪拌機（SBRタイプ2）を示す。
【図４】本発明のパドル型の攪拌機（SBRタイプ3）を示す。
【図５】本発明の翼型の攪拌機を示す。
【図６】回転速度の関数としての酸素輸送係数を示す。
【図７】回転速度の関数としての混合時間を示す。
【符合の説明】
【００５２】
1  翼、2  回転軸、3  中空のシリンダー、4  シャフト、5  セグメント。
【図１】
2005305431.tif 000005
【図２】
2005305431.tif 000006
【図３】
2005305431.tif 000007
【図４】
2005305431.tif 000008
【図５】
2005305431.tif 000009
【図６】
2005305431.tif 000010
【図７】
2005305431.tif 000011