計測装置及び方法、並びに培養槽システムの運転装置及び方法
【課題】培養槽内部における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給の影響を含み、かつ、精度高く酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測可能とする。
【解決手段】第１の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化と、第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度の酸素含有流体が培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化とから酸素移動容量係数と呼吸速度との少なくともいずれかを算出する。
【解決手段】第１の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化と、第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度の酸素含有流体が培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化とから酸素移動容量係数と呼吸速度との少なくともいずれかを算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数及び培養槽内部の生物の呼吸速度の少なくともいずれかを計測するための計測装置、計測方法に関し、また計測装置及び計測方法にて計測された酸素移動容量係数及び培養槽内部の生物の呼吸速度の少なくともいずれかを用いる培養槽システムの運転装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微生物や、植物細胞、動物細胞あるいは昆虫細胞等の生物の培養を行う生物培養の分野では、従来から、培養槽内部の酸素移動容量係数や培養槽内部の生物の呼吸速度が計測されている。
そして、培養槽内部の酸素移動容量係数は、例えば、当該培養槽と培養槽内部の培養環境を形成する構成（例えば、通気装置や攪拌装置）とを含む培養槽システムの設計に用いられる。一方、呼吸速度は、例えば、生物の培養中において培養状態の把握を行うために用いられる。
【０００３】
このような酸素移動容量係数及び呼吸速度を実際の培養中あるいは実際の培養系に近い状態で計測するために、従来は、非特許文献１や非特許文献２に記載された、Dynamic Method法や排気ガス分析法が用いられている。
【０００４】
Dynamic Method法は、培養中に培養槽内部への通気を一時的に停止して培養槽内部の溶存酸素濃度の低下速度から呼吸速度を計算し、続いて通気を再開した際の溶存酸素濃度の上昇速度と先に求めた呼吸速度とから酸素移動容量係数を計算する方法である。
【０００５】
排気ガス分析法は、培養槽から排気される排気ガスに含まれる酸素濃度を測定し、培養槽に供給する供給ガスに含まれる酸素濃度と、排気ガスに含まれる酸素濃度との差から呼吸速度及び酸素移動容量係数を計算する方法である。
【非特許文献１】発酵工学の基礎、学会出版センター、ｐ．１７２−ｐ．１７８（１９８８）
【非特許文献２】生物工学実験書、日本生物工学会編、培風館、ｐ．３３６−ｐ．３４０（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Dynamic Method法では、培養槽内部における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面からの液相内への酸素供給が考慮されておらず、正確に酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出することが難しい。
特に、培養する生物が、植物細胞、動物細胞あるいは昆虫細胞である場合には、、植物細胞、動物細胞あるいは昆虫細胞の呼吸速度が微生物等と比較して極めて遅いため、液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面からの液相内への酸素供給の影響が大きくなり、算出された酸素移動容量係数及び呼吸速度の誤差が大きくなる。
【０００７】
また、排気ガス分析法は、液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面からの液相内への酸素供給の影響を含んで酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出することができる方法であるが、生物の呼吸による酸素消費量が微量であることから、供給ガスに含まれる酸素濃度と排気ガスに含まれる酸素濃度とを正確に測定する必要がある。このため、通常の測定精度のセンサを用いた場合には、精度高く酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出することが難しい。
特に培養する生物が、植物細胞、動物細胞あるいは昆虫細胞である場合には、微細物と比較して消費酸素量が極めて少量である（すなわち呼吸速度が遅い）ため、特に精度高く酸素移動容量係数及び呼吸速度を正確に算出することが難しい。
【０００８】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、培養槽内部における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給の影響を含み、かつ、精度高く酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【００１０】
第１の発明は、生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数と、上記培養槽内部の上記生物の呼吸速度との少なくともいずれかを計測可能な計測装置であって、上記培養槽内部の溶存酸素濃度を測定する溶存酸素濃度測定手段と、該溶存酸素濃度測定手段の測定結果から上記酸素移動容量係数と上記呼吸速度との少なくともいずれかを算出して出力する算出手段とを備え、上記算出手段が、第１の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化と、上記第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化とから上記酸素移動容量係数と上記呼吸速度との少なくともいずれかを算出するという構成を採用する。
【００１１】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記算出手段が、上記第１の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第１の関係式を作成し、上記第２の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第２の関係式を作成し、上記第１の関係式と上記第２の関係式とから上記酸素移動容量係数と上記呼吸速度との少なくともいずれかを連立方程式によって算出するという構成を採用する。
【００１２】
第３の発明は、上記第２の発明において、上記算出手段が、上記第１の関係式及び上記第２の関係式を、溶存酸素濃度の時間変化がｄｃ／ｄｔにて示され、酸素移動容量係数がＫＬａで示され、上記培養槽内の溶存酸素濃度がＣで示され、上記培養槽内の飽和溶存酸素濃度がＣ＊で示され、呼吸速度がＱにて示される一般式（１）を用いて算出するという構成を採用する。
ｄｃ／ｄｔ＝ＫＬａ×（Ｃ＊−Ｃ）−Ｑ……（１）
【００１３】
第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記酸素含有流体の酸素濃度を調節可能であると共に上記培養槽内部に上記酸素含有流体を供給する供給手段を備えるという構成を採用する。
【００１４】
第５の発明は、上記第４の発明において、上記供給手段を制御することによって上記酸素含有流体の酸素濃度を制御する制御手段を備え、該制御手段が、上記培養槽内部の溶存酸素濃度が常に上記生物の培養に適した適正範囲に収まるように上記第１の酸素濃度及び上記第２の酸素濃度を設定するという構成を採用する。
【００１５】
第６の発明は、上記第４または第５の発明において、上記制御手段が、上記培養槽内部の溶存酸素濃度が増加するように上記第１の酸素濃度を設定し、上記培養槽内部の溶存酸素濃度が減少するように上記第２の酸素濃度を設定し、先に上記第１の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給され、後に上記第２の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給されるように上記供給手段を制御するという構成を採用する。
【００１６】
第７の発明は、生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数及び上記培養槽内部の上記生物の呼吸速度の少なくともいずれかを計測可能な計測装置と、該計測装置にて計測される酸素移動容量係数及び上記呼吸速度の少なくともいずれかによって上記培養槽を含む培養槽システムの運転状態を制御する運転状態制御手段とを備える培養槽システムの運転装置であって、上記計測装置として、上記第１〜第６いずれかの発明を用いるという構成を採用する。
【００１７】
第８の発明は、上記第７の発明において、上記培養槽システムが上記培養槽内部に酸素含有流体を供給する酸素含有流体供給手段と、上記培養槽内部を攪拌する攪拌手段とを備え、上記運転状態制御手段は、少なくとも上記酸素含有流体供給手段と上記攪拌手段とを制御することによって上記培養槽システムの運転状態を制御するという構成を採用する。
【００１８】
第９の発明は、生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数と、上記培養槽内部の上記生物の呼吸速度との少なくともいずれかを計測可能な計測方法であって、第１の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記培養槽内部の上記溶存酸素濃度の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化と、上記第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記培養槽内部の上記溶存酸素濃度の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化とから上記酸素移動容量係数と上記呼吸速度との少なくともいずれかを算出するという構成を採用する。
【００１９】
第１０の発明は、上記第９の発明において、上記第１の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記培養槽内部の上記溶存酸素濃度の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第１の関係式を作成し、上記第２の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記培養槽内部の上記溶存酸素濃度の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第２の関係式を作成し、上記第１の関係式と上記第２の関係式とから上記酸素移動容量係数と上記呼吸速度との少なくともいずれかを連立方程式によって算出するという構成を採用する。
【００２０】
第１１の発明は、上記第１０の発明において、上記第１の関係式及び上記第２の関係式を、溶存酸素濃度の時間変化がｄｃ／ｄｔにて示され、酸素移動容量係数がＫＬａで示され、上記培養槽内の溶存酸素濃度がＣで示され、上記培養槽内の飽和溶存酸素濃度がＣ＊で示され、呼吸速度がＱにて示される一般式（１）を用いて算出するという構成を採用する。
ｄｃ／ｄｔ＝ＫＬａ×（Ｃ＊−Ｃ）−Ｑ……（１）
【００２１】
第１２の発明は、上記第９〜第１１いずれかの発明において、上記培養槽内部の溶存酸素濃度が常に上記生物の培養に適した適正範囲に収まるように上記第１の酸素濃度及び上記第２の酸素濃度を設定するという構成を採用する。
【００２２】
第１３の発明は、上記第１２の発明において、上記培養槽内部の溶存酸素濃度が増加するように上記第１の酸素濃度を設定し、上記培養槽内部の溶存酸素濃度が減少するように上記第２の酸素濃度を設定し、先に上記第１の酸素濃度の酸素含有流体を上記培養槽内部に供給し、後に上記第２の酸素濃度の酸素含有流体を上記培養槽内部に供給するという構成を採用する。
【００２３】
第１４の発明は、生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数及び上記培養槽内部の上記生物の呼吸速度の少なくともいずれかを計測し、計測された酸素移動容量係数及び上記呼吸速度の少なくともいずれかによって上記培養槽を含む培養槽システムの運転状態を制御する培養槽の運転方法であって、上記第９〜第１３の発明を用いて上記酸素移動容量係数及び上記呼吸速度の少なくともいずれかを計測する
【００２４】
第１５の発明は、上記第１４の発明において、上記培養槽システムが上記培養槽内部に酸素含有流体を供給する酸素含有流体供給手段と、上記培養槽内部を攪拌する攪拌手段とを備え、少なくとも上記酸素含有流体供給手段と上記攪拌手段とを制御することによって上記培養槽システムの運転状態を制御するという構成を採用する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、第１の酸素濃度の酸素含有流体が培養槽内部に供給された場合において培養槽内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化と、第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度の酸素含有流体が培養槽内部に供給された場合において培養槽内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化とから酸素移動容量係数と呼吸速度との少なくともいずれかが算出される。
つまり、本発明によれば、培養槽内部に供給される酸素含有流体の酸素濃度条件を変えて、各々の条件で得られる溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数と呼吸速度との少なくともいずれかが算出される。
【００２６】
培養槽内部の溶存酸素濃度の時間変化は、培養槽内部への酸素含有流体の供給によって生じる気泡と培養液との気液界面から液相への酸素供給及び培養槽内部における培養液上面における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給によって変化する値である。このため、本発明によれば、上記両者の酸素供給の影響を含んで酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することができる。
したがって、本発明によれば、培養槽内部における培養液上面の液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給の影響を含み、かつ、精度高く酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明に係る計測装置及び方法、並びに培養槽システムの運転装置及び方法の一実施形態について説明する。
なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００２８】
図１は、本実施形態の培養装置の概略構成を示すシステムブロック図である。この図に示すように、培養装置１００は、培養槽システム１と、培養槽システム運転装置２と、計測装置３とを備えている。
【００２９】
培養槽システム１は、生物培養を行うと共に生物培養の環境を形成するものであり、培養槽１ａと、通気装置１ｂ（酸素含有流体供給手段、供給手段）と、攪拌装置１ｃとを備えている。
【００３０】
培養槽１ａは、内部に培養液を貯留すると共に、該培養液中において生物を培養するための容器である。
【００３１】
通気装置１ｂは、培養槽１ａ内部に挿通された配管１ｂ１を介して培養槽１ａに酸素を含むガス（以下、供給ガスＧと称する）を供給するものであり、供給ガスＧの培養槽１ａへの供給量を調節可能とされている。また、本実施形態において培養槽１ａは、外部より供給される純酸素ガスと空気とを任意の割合で混合して供給ガスＧとして培養槽１ａの内部に供給可能に構成されており、供給ガスＧの酸素濃度を調節可能とされている。なお、通気装置１ｂにおいて混合されるガスは、純酸素ガスと空気とに限定されるものではなく、供給ガスＧの酸素濃度を調節可能な複数種類のガスであれば良く、例えば純酸素ガスと生物に対して不活性なガス（例えば窒素ガス）とであっても良い。
この通気装置１ｂは、後述する培養槽システム運転装置２の運転状態制御部２ａによって、供給ガスＧに含まれる酸素濃度を調節、及び、培養槽１ａ内部への供給ガスＧの供給あるいは停止を行う。
【００３２】
攪拌装置１ｃは、培養槽１ａ内部の培養液を攪拌するためのものであり、培養液中に配置される攪拌翼１ｃ１と、該攪拌翼１ｃ１を回転駆動されるモータ１ｃ２とを備えている。
この攪拌装置１ｃは、培養槽システム運転装置２の運転状態制御部２ａによって、攪拌翼１ｃ１の回転数が調節される。
【００３３】
なお、培養槽システム１は、上記構成（培養槽１ａ、通気装置１ｂ、攪拌装置１ｃ）に限らず、必要に応じて他の構成（例えば、培地供給装置、液面上への通気装置、排気装置等）を備えることができる。
【００３４】
培養槽システム運転装置２は、上述した培養槽システム１の運転状態を制御するものであり、運転状態制御部２ａと、主制御部２ｂと、記憶部２ｃと、表示部２ｄとを備えている。
【００３５】
運転状態制御部２ａは、培養槽システム１の通気装置１ｂ及び攪拌装置１ｃに対して電気的に接続されており、通気装置１ｂを制御することによって培養槽１ａ内部に供給する供給ガスＧの流量を制御したり、攪拌装置１ｃを制御することによって攪拌翼１ｃ１の回転数を制御したりする。
【００３６】
主制御部２ｂは、本実施形態の培養装置１００全体の動作を制御するものであり、運転状態制御部２ａ、記憶部２ｃ及び表示部２ｄ等と電気的に接続されている。
そして、当該主制御部２ｂは、運転状態制御部２ａを介して通気装置１ｂを制御可能とされており、通気装置１ｂから培養槽１ａに供給される供給ガスの酸素濃度の設定等を行う。なお、供給ガスの酸素濃度は、通気装置１ｂにおける純酸素ガスと空気との混合割合を調節することによって制御される。
【００３７】
また、主制御部２ｂは、通気装置１ｂを制御することによって、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収まるように供給ガスの酸素濃度を設定する。
後に詳説するが、本実施形態の培養装置１００においては、培養槽１ａ内部の酸素移動容量係数及び培養槽１ａ内部の生物の呼吸速度を算出する場合に、異なる濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給する。この際、主制御部２ｂは、供給ガスＧの酸素濃度を、第１の酸素濃度と、該第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度とに時間を変えて設定することとなるが、第１の酸素濃度に設定された供給ガスＧが供給される場合及び第２の酸素濃度に設定された供給ガスＧが供給される場合の両方の場合において、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収まるように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定する。
【００３８】
さらに、主制御部２ｂは、培養槽１ａ内部の酸素移動容量係数及び培養槽１ａ内部の生物の呼吸速度を算出する場合に、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が徐々に増加するように第１の酸素濃度を設定し、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が徐々に減少するように第２の酸素濃度を設定し、先に第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａに供給され、後に第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給されるように通気装置１ｂを制御する。
【００３９】
記憶部２ｃは、主制御部２ｂや、後述する計測装置３が備える算出部３ｂの演算処理部３ｂ１が動作するための各種データやプログラム等を記憶したり、後述する計測装置３が備える溶存酸素センサ３ａから演算処理部３ｂ１に入力されたデータを一時的に記憶するものである。なお、本記憶部２ｃに記憶されるプログラムについては、後に詳説する。
【００４０】
表示部２ｄは、主制御部２ｂから入力された各種データを可視化して表示するものであり、本実施形態においては、例えば、計測装置３が備える算出部３ｂにて算出された値（酸素移動容量係数及び呼吸速度）を表示する。
なお、表示部２ｄは、必須の構成ではなく、培養装置１００の構成から省くことも可能である。
【００４１】
計測装置３は、培養槽１ａ内部の酸素移動容量係数及び培養槽１ａ内部の生物の呼吸速度を計測するものであり、溶存酸素センサ３ａ（溶存酸素濃度測定手段）と、算出部３ｂ（算出手段）と、通気装置１ｂとを備えている。
なお、通気装置１ｂは、本実施形態において計測装置３と、上述した培養槽システム１とによって兼用されている。すなわち、本実施形態において通気装置１ｂは、本発明の供給手段として機能すると共に、本発明の酸素含有流体供給手段として機能する。ただし、計測装置３と培養槽システム１との各々が別に通気装置を備えていても良い。
【００４２】
溶存酸素センサ３ａは、培養槽１ａの内部に挿入されており、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度を測定して、当該測定結果を示す信号を出力するものである。そして、この溶存酸素センサ３ａは、算出部３ｂが備える演算処理部３ｂ１に接続されている。
【００４３】
算出部３ｂは、溶存酸素センサ３ａから得られる測定結果から、培養槽１ａ内部の酸素移動容量係数（以下、単に酸素移動容量係数と称する）と、培養槽１ａ内部の生物の呼吸速度（以下、単に呼吸速度と称する）とを算出するものである。
なお、本実施形態において算出部３ｂは、酸素移動容量係数と呼吸速度との両方を算出するが、必ずしも酸素移動容量係数と呼吸速度との両方を算出する必要はなく、いずれか一方のみを算出しても良い。
【００４４】
この算出部３ｂは、演算処理部３ｂ１と記憶部２ｃとを備えている。なお、記憶部２ｃは、本実施形態において算出部３ｂと、上述の培養槽システム運転装置２とによって兼用されている。すなわち、本実施形態において記憶部２ｃは、本発明の算出手段の一部として機能すると共に、本発明の培養槽システム運転装置の一部として機能する。
演算処理部３ｂ１は、溶存酸素センサ３ａから時系列的に入力される溶存酸素濃度を示すデータを記憶部２ｃに一旦記憶させて蓄積させると共に、記憶部２ｃに記憶された各種データ及びプログラムを用いて酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出する。
【００４５】
このような算出部３ｂは、第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合に溶存酸素センサ３ａの測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化と、第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合に溶存酸素センサ３ａの測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化とから酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出する。
【００４６】
具体的には、算出部３ｂは、主制御部２ｂの制御の下、第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合に、溶存酸素センサ３ａの測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化から、任意の溶存酸素濃度における溶存酸素濃度の時間変化を算出する。そして、算出部３ｂは、下に記載する溶存酸素濃度の時間変化、供給ガスＧ中の酸素濃度変化（下記Ｃ＊の計算に使用）、酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする一般式（１）に、上述のように算出した任意の溶存酸素濃度における溶存酸素濃度の時間変化及び供給ガスＧ中の酸素濃度を代入することによって、酸素移動容量係数及び呼吸速度がパラメータとなる第１の関係式を作成する。
なお、一般式（１）においては、溶存酸素濃度の時間変化がｄｃ／ｄｔにて示され、酸素移動容量係数がＫＬａで示され、酸素移動のドライビングフォースがＣ＊−Ｃにて示され、呼吸速度がＱにて示されている。なお、酸素移動のドライビングフォースを示すＣ＊−Ｃに含まれるＣ＊は、培養槽１ａに貯留する供給ガスＧの酸素分圧と平衡な飽和溶存酸素濃度であり、供給ガスＧの酸素濃度及び培養槽１ａ内の温度に依存して一義的に決定される値である。また、Ｃは培養槽１ａ内の溶存酸素濃度の実測値である。
【００４７】
ｄｃ／ｄｔ＝ＫＬａ×（Ｃ＊−Ｃ）−Ｑ……（１）
【００４８】
また、算出部３ｂは、主制御部２ｂの制御の下、第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合に、溶存酸素センサ３ａの測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化から、任意の溶存酸素濃度における溶存酸素濃度の時間変化を算出する。そして、算出部３ｂは、一般式（１）に、算出した溶存酸素濃度の時間変化及び供給ガスＧ中の酸素濃度変化を代入することによって、酸素移動容量係数及び呼吸速度がパラメータとなる第２の関係式を作成する。
【００４９】
そして、このようにして第１の関係式及び第２の関係式を作成すると、算出部３ｂは、第１の関係式と第２の関係式とから酸素移動容量係数と呼吸速度とを連立方程式によって算出する。
【００５０】
また、本実施形態の培養装置１００においては、運転状態制御部２ａ、主制御部２ｂ、記憶部２ｃ、表示部２ｄ及び演算処理部３ｂ１がコンピュータ１０によって具現化されている。
つまり、運転状態制御部２ａ、主制御部２ｂ及び演算処理部３ｂ１はコンピュータ１０が備えるＣＰＵ（Central Processing Unit）によって具現化されている。また、表示部２ｄはコンピュータ１０が備えるディスプレイによって具現化されている。また、記憶部２ｃはコンピュータ１０が備えるＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びハードディスク等によって具現化されている。
【００５１】
また、本実施形態の培養装置１００においては、例えばＲＯＭ（すなわち記憶部２ｃ）に、コンピュータ１０に、上述の酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測させるための計測プログラムが格納されている。
【００５２】
そして、計測プログラムは、コンピュータ１０を、上述の運転状態制御部２ａ、主制御部２ｂ、算出部３ｂとして機能させる。
より具体的には、計測プログラムは、コンピュータ１０を、第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化と、第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化とから酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出する算出部３ｂとして機能させる。
【００５３】
また、計測プログラムは、コンピュータ１０を算出部３ｂとして機能させる場合に、第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第１の関係式を作成させ、第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第２の関係式を作成させ、第１の関係式と第２の関係式とから酸素移動容量係数及び呼吸速度を連立方程式によって算出させる。
【００５４】
また、計測プログラムは、コンピュータ１０を算出部３ｂとして機能させる場合に、第１の関係式及び第２の関係式を、溶存酸素濃度の時間変化がｄｃ／ｄｔにて示され、酸素移動容量係数がＫＬａで示され、溶存酸素濃度変化がＣにて示され、飽和溶存酸素濃度がＣ＊にて示され、呼吸速度がＱにて示される、上述の一般式（１）を用いて算出させる。
【００５５】
また、計測プログラムは、コンピュータ１０を、供給ガスＧの酸素濃度を調節可能であると共に培養槽１ａ内部に供給ガスＧを供給する通気装置１ｂを制御することによって供給ガスＧの酸素濃度を制御する主制御部２ｂとして機能させる。そして、コンピュータ１０を主制御部２ｂとして機能させる場合に、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収まるように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定させる。
【００５６】
また、計測プログラムは、コンピュータ１０を主制御部２ｂとして機能させる場合に、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が増加するように第１の酸素濃度を設定させ、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が減少するように第２の酸素濃度を設定させ、先に第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給され、後に第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給されるように通気装置１ｂを制御させる。
【００５７】
なお、本実施形態においては、上述のように計測プログラムがコンピュータ１０のＲＯＭに格納されている構成を採用しているが、計測プログラムは必ずしもＲＯＭに格納されている必要はなく、ネットワーク回線を介して培養装置１００に入力され、ハードディスク、ＲＡＭあるいは他のメモリーに格納されるようにしても良い。
【００５８】
次に、培養装置１００の動作として、上記計測プログラムを用いた酸素移動容量係数及び呼吸速度の計測方法について、図２のフローチャートを参照して説明する。
【００５９】
酸素移動容量係数及び呼吸速度の計測にあたり、まず最初に主制御部２ｂは、培養槽１ａ内部に供給する供給ガスＧの第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度の設定を行う（ステップＳ１）。
ここで本実施形態において主制御部２ｂは、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が時間の経過に伴って徐々に増加するように第１の酸素濃度を設定する。つまり、培養槽１ａ内部の生物によって消費される酸素量よりも多量の酸素が培養液に供給されるように第１の酸素濃度を設定する。
また、主制御部２ｂは、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が時間の経過に伴って徐々に減少するように第２の酸素濃度を設定する。つまり、培養槽１ａ内部の生物によって消費される酸素量よりも少量の酸素が培養液に供給されるように第２の酸素濃度を設定する。
【００６０】
また、主制御部２ｂは、ステップＳ１において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収まるように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定する。
具体的には、培養槽１ａにて培養する生物が好適に培養可能な溶存酸素濃度の下限及び上限を予め記憶部２ｃに記憶させておき、供給ガスＧを連続して供給した場合に溶存酸素濃度が上記下限及び上限を超えないように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定する。
なお、供給ガスＧを連続して供給した場合の溶存酸素濃度の変化量は、酸素移動容量係数及び呼吸速度が算出されていない状態では正確に算出することができない。このため、溶存酸素濃度の変化範囲が上記下限及び上限に対して十分に余裕を有するように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定する。
ただし、一般的に生物が好適に培養可能な溶存酸素濃度の上限は、存在しないかあるいは存在しても極めて高い場合が多い。このため、生物が好適に培養可能な溶存酸素濃度の上限については、考慮せずに第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定しても良い。
【００６１】
続いて、主制御部２ｂは、ステップＳ１にて設定した第１の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給する（ステップＳ２）。
具体的には、主制御部２ｂが、供給ガスＧの酸素濃度がステップＳ１にて設定した第１の酸素濃度となるように純酸素ガスと空気との混合割合とを算出し、この算出値に基づいて通気装置１ｂを制御する。
【００６２】
このように第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給されると、算出部３ｂは、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の時間変化を取得する（ステップＳ３）。
具体的には、算出部３ｂは、溶存酸素センサ３ａから演算処理部３ｂ１に入力されるデータを予め決められた時間で連続的に取得して記憶部２ｃに記憶し、蓄積されたデータから培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の時間変化を取得する。
【００６３】
第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合における溶存酸素濃度の時間変化が取得されると算出部３ｂは、この溶存酸素濃度の時間変化から任意の溶存酸素濃度における溶存酸素濃度の時間変化を算出し、予め記憶部２ｃに記憶された一般式（１）に代入することによって、酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第１の関係式を作成する（ステップＳ４）。なお、作成した第１の関係式は、一旦記憶部２ｃに記憶される。
【００６４】
第１の関係式の算出が完了すると、主制御部２ｂは、ステップＳ１にて設定した第２の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給する（ステップＳ５）。
具体的には、主制御部２ｂが、供給ガスＧの酸素濃度がステップＳ１にて設定した第２の酸素濃度となるように純酸素ガスと空気との混合割合とを算出し、この算出値に基づいて通気装置１ｂを制御する。
【００６５】
このように第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給されると、算出部３ｂは、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の時間変化を取得する（ステップＳ６）。
具体的には、算出部３ｂは、溶存酸素センサ３ａから演算処理部３ｂ１に入力されるデータを予め決められた時間で連続的に取得して記憶部２ｃに記憶し、蓄積されたデータから培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の時間変化を取得する。
【００６６】
第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合における溶存酸素濃度の時間変化が取得されると算出部３ｂは、この溶存酸素濃度の時間変化から任意の溶存酸素濃度における溶存酸素濃度の時間変化を算出し、予め記憶部２ｃに記憶された一般式（１）に代入することによって、酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第２の関係式を作成する（ステップＳ７）。なお、算出した第２の関係式は、一旦記憶部２ｃに記憶される。
【００６７】
続いて、算出部３ｂは、ステップＳ４で算出した第１の関係式と、ステップＳ７で算出した第２の関係式とから酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出する（ステップＳ８）。
具体的には、算出部３ｂは、連立方程式によって第１の関係式と第２の関係式とから酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出する。
なお、酸素移動容量係数のみを算出する場合には、第１の関係式と第２の関係式とを酸素移動容量係数のみについて解けば良い。また、呼吸速度のみを算出する場合には、第
１の関係式と第２の関係式とを呼吸速度のみについて解けば良い。
【００６８】
また、培養槽システム１の運転（培養槽システムの運転方法）は、上述のようにして計測された酸素移動容量係数や呼吸速度を用いて制御することができる。
つまり、酸素移動容量係数及び呼吸速度の少なくともいずれかを計測し、計測された酸素移動容量係数及び呼吸速度の少なくともいずれかによって培養槽１ａを含む培養槽システム１の運転状態を制御することができる。
例えば、計測された呼吸速度を用いて培養槽１ａにおける生物の培養状態を推定し、この推定結果に基づいて通気装置１ｂから培養槽１ａ内部への供給ガスＧの供給量や攪拌装置１ｃが備える攪拌翼１ｃ１の回転数を制御することによって培養槽システム１の運転状態を制御することができる。
【００６９】
また、本実施形態の培養装置１００にて、生物を培養する場合には、上述のようにして計測された酸素移動容量係数や呼吸速度を用いて培養槽システム１を制御しながら培養槽１ａにて生物の培養を行う。
【００７０】
さらに、上述のようにして計測された酸素移動容量係数を用いて培養槽システム１の設計を行うこともできる。
具体的には、計測された酸素移動容量係数を満たすように、通気装置１ｂの供給ガスＧの単位時間あたりにおける最大供給量、攪拌装置１ｃが備える攪拌翼１ｃ１の形状、及び攪拌装置１ｃが備えるモータ１ｃ２の最大出力等を設定して培養槽システム１の設計を行う。
なお、培養槽システム１の設計を行うために酸素移動容量係数を計測する場合には、例えば酸素移動容量係数の計測の際には攪拌装置１ｃを設置していなくても良い。
【００７１】
以上のような本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法によれば、第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化と、第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化とから酸素移動容量係数及び呼吸速度が算出される。
つまり、本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法によれば、培養槽１ａ内部に供給される供給ガスＧの酸素濃度条件を変えて、各々の条件で得られる溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度が算出される。
【００７２】
ここで、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の時間変化は、培養槽１ａ内部への供給ガスＧの供給量及び培養槽１ａ内部における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給によって変化する値である。このため、本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法によれば、培養槽１ａ内部における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給の影響を含んで酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することができる。
したがって、本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法によれば、培養槽１ａ内部における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給の影響を含み、かつ、精度高く酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することが可能となる。
【００７３】
このように培養槽１ａ内部における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給の影響を含み、かつ、精度高く酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することが可能な本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法は、呼吸速度が遅い植物細胞、動物細胞あるいは昆虫細胞を培養する場合に特に好適に用いることができる。
【００７４】
また、本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法によれば、培養槽１ａ内部に挿入された溶存酸素センサ３ａにて取得されるデータによって酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することができる。このため、サンプルの抽出のために培養槽１ａを開放する必要がなく、培養槽１ａにて生物を培養しながら酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することができる。
【００７５】
また、本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法によれば、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収まるように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度が設定される。
このため、酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測するにあたり、生物の培養環境を壊すことがない。したがって、生物培養に対する影響を抑制しながら酸素移動容量係数及び呼吸速度を正確に計測することができる。
【００７６】
さらに、本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法によれば、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が時間の経過に伴って徐々に増加するように第１の酸素濃度が設定され、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が時間の経過に伴って徐々に減少するように第２の酸素濃度が設定され、さらに第１の酸素濃度の供給ガスＧが先に供給され、第２の酸素濃度の供給ガスＧが後に供給される。つまり、酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測するにあたり、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が時間の経過に伴って先に増加し、その後減少する。
上述のように一般的に生物が好適に培養可能な溶存酸素濃度の上限は、存在しないかあるいは存在しても極めて高い場合が多い。このため、先に溶存酸素濃度が増加し、後に溶存酸素濃度が減少するように第１の酸素濃度と第２の酸素濃度とを設定することによって、溶存酸素濃度が、適正範囲を超えることをより確実に抑制することが可能となる。
【００７７】
また、本実施形態の培養装置における培養槽システムの運転装置及び方法によれば、上述の計測装置及び方法を用いて酸素移動容量係数及び呼吸速度の少なくともいずれかを計測し、計測された酸素移動容量係数及び呼吸速度の少なくともいずれかによって培養槽１ａを含む培養槽システム１の運転状態を制御する。
つまり、本実施形態の培養装置における培養槽システムの運転装置及び方法によれば、精度高く計測された酸素移動容量係数及び呼吸速度に基づいて培養槽システムを制御することができる。したがって、より正確な培養槽システムの制御を行うことができる。
【００７８】
また、本実施形態の培養装置及び培養方法によれば、培養槽システムの正確な制御を行える培養槽システムの運転装置及び方法を用いて培養槽における生物培養を行うため、生物培養の環境をより好適に作り出し、例えば産生物の取得効率を向上させることが可能となる。
【００７９】
図３は、本実施形態の培養装置において、第１の酸素濃度の供給ガスＧとして酸素濃度６０．５％（純酸素５０％、空気５０％）のガスを培養槽１ａ内部に供給し、第２の酸素濃度の供給ガスＧとして酸素濃度５２．６％（純酸素４０％、空気６０％）のガスを培養槽１ａ内部に供給し、この結果、溶存酸素センサ３ａによって取得されたデータを、横軸が時間で縦軸が溶存酸素濃度の座標上にプロットしたものである。なお、本データを取得する際の温度は３０℃（空気の溶存酸素濃度が７．５３ｍｇ／Ｌ）である。
なお、座標上において、第１の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給した際に取得されたデータを黒三角にてプロットし、第２の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給した際に取得されたデータを黒丸にてプロットしている。
なお、実際には、第１の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給した後に第２の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給しているが、図３においては、各酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給開始したタイミングを時間０としている。
【００８０】
そして、図３に示すように取得されたデータから、上記第１の関係式を作成すると、下式（２）となる。また、上記第２の関係式を作成すると、下式（３）となる。これらの式（２）及び式（３）を連立方程式によって解くと、酸素移動容量係数が１７．６（１／ｈ）、呼吸速度が２６０ｍｇ／ｈ・Ｌと算出される。
【００８１】
３３．６＝ＫＬａ×（２１．７−５）−Ｑ……（２）
【００８２】
−１５．６＝ＫＬａ×（１８．９−５）−Ｑ……（３）
【００８３】
なお、上式（２），（３）において、３３．６と−１５．６とが図３において溶存酸素濃度５ｍｇ／Ｌでの勾配（溶存酸素濃度の時間変化）、２１．７と１８．９とが各供給ガスにおける飽和溶存酸素濃度、５が上記勾配を求めた時に用いた溶存酸素濃度である。
【００８４】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る計測装置及び方法、並びに培養槽システムの運転装置及び方法の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００８５】
例えば、上記実施形態においては、酸素移動容量係数や呼吸速度を計測する際に、第１の酸素濃度に対して異なる第２の酸素濃度の供給ガスＧを１種類とした。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、濃度の異なる複数の第２の酸素濃度の供給ガスＧを異なるタイミングで培養槽１ａ内部に供給し、各第２の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給した場合における溶存酸素濃度の時間変化を取得し、さらにこれらの溶存酸素濃度の時間変化と第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合の溶存酸素濃度の時間変化とから酸素移動容量係数や呼吸速度を計測しても良い。
すなわち、酸素濃度の異なる３種以上の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給し、この結果得られる溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数や呼吸速度を計測しても良い。
このような構成を採用することによって、より正確に酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することが可能となる。
【００８６】
また、上記実施形態においては、第１の関係式及び第２の関係式を作成する場合に、上述の一般式（１）を用いる構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、測定される溶存酸素濃度に基づいて酸素移動容量係数と呼吸速度とをパラメータとする第１の関係式及び第２の関係式を作成可能な式であれば、上述の一般式（１）の代わりとすることが可能である。
【００８７】
また、上記実施形態においては、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収まるように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、溶存酸素濃度が上記適正範囲を超えることによる培養への影響が許容できる場合あるいは溶存酸素濃度が上記適正範囲を超えるまでに十分なデータ量を取得できる場合には、必ずしも第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を、溶存酸素濃度が適正範囲に収まるように設定しなくても良い。
なお、この場合には、上記実施形態のように、先に第１の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給し、後に第２の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給しても良い。
また、実際には、溶存酸素濃度が適正範囲を超えないように設定することが困難な場合が考えられる。このため、仮に溶存酸素濃度が適正範囲を超えてしまう場合であっても、それまでに十分なデータ量を取得できるように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定することが重要となる。
【００８８】
また、上記実施形態においては、第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度の制御を行うことによって、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収める構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば第１の酸素濃度の供給ガスＧの供給時間と第２の酸素濃度の供給ガスＧの供給時間を制御することによって、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収まるようにしても良い。
なお、この場合であっても、供給ガスＧの供給時間が酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出するのに十分な時間とされることは言うまでもない。
【００８９】
また、上記実施形態においては、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が増加するように第１の酸素濃度を設定し、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が減少するように第２の酸素濃度を設定する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が共に増加するように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定する構成や、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が共に減少するように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定する構成を採用しても良い。
また、第１の酸素濃度あるいは第２の酸素濃度を培養槽１ａの内部の溶存酸素濃度が変化しないように設定しても良い。
【００９０】
また、例えば、上記実施形態において説明したステップＳ２〜ステップＳ８の工程を繰り返し、酸素移動容量係数及び呼吸速度を繰り返し複数算出しても良い。
このような構成を採用することによって、より正確に酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することが可能となる。
【００９１】
また、上記実施形態においては、本発明の酸素含有流体として、酸素を含む気体を用いる構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、予め酸素が溶存する液体を酸素含有流体として用いることもできる。
【００９２】
また、上記実施形態においては、本発明の攪拌手段として攪拌装置１ｃを備える構成について説明した。
しかしながら、通気装置１ｂから供給ガスＧを供給することによっても培養槽１ａ内部は攪拌される。このため、本発明の攪拌手段として通気装置１ｂを用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の一実施形態である培養装置の概略構成を示すシステムブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態である培養装置における酸素移動容量係数及び呼吸速度の計測方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態である培養装置における実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９４】
１００……培養装置、１……培養槽システム、１ａ……培養槽、１ｂ……通気装置（供給手段、酸素含有流体供給手段）、１ｃ……攪拌装置（攪拌手段）、２……培養槽システム運転装置、２ａ……運転状態制御部（運転状態制御手段）、２ｂ……主制御部（制御手段）、２ｃ……記憶部、２ｄ……表示部、３……計測装置、３ａ……溶存酸素センサ（溶存酸素濃度測定手段）、３ｂ……算出部（算出手段）、３ｂ１……演算処理部、１０……コンピュータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数及び培養槽内部の生物の呼吸速度の少なくともいずれかを計測するための計測装置、計測方法に関し、また計測装置及び計測方法にて計測された酸素移動容量係数及び培養槽内部の生物の呼吸速度の少なくともいずれかを用いる培養槽システムの運転装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微生物や、植物細胞、動物細胞あるいは昆虫細胞等の生物の培養を行う生物培養の分野では、従来から、培養槽内部の酸素移動容量係数や培養槽内部の生物の呼吸速度が計測されている。
そして、培養槽内部の酸素移動容量係数は、例えば、当該培養槽と培養槽内部の培養環境を形成する構成（例えば、通気装置や攪拌装置）とを含む培養槽システムの設計に用いられる。一方、呼吸速度は、例えば、生物の培養中において培養状態の把握を行うために用いられる。
【０００３】
このような酸素移動容量係数及び呼吸速度を実際の培養中あるいは実際の培養系に近い状態で計測するために、従来は、非特許文献１や非特許文献２に記載された、Dynamic Method法や排気ガス分析法が用いられている。
【０００４】
Dynamic Method法は、培養中に培養槽内部への通気を一時的に停止して培養槽内部の溶存酸素濃度の低下速度から呼吸速度を計算し、続いて通気を再開した際の溶存酸素濃度の上昇速度と先に求めた呼吸速度とから酸素移動容量係数を計算する方法である。
【０００５】
排気ガス分析法は、培養槽から排気される排気ガスに含まれる酸素濃度を測定し、培養槽に供給する供給ガスに含まれる酸素濃度と、排気ガスに含まれる酸素濃度との差から呼吸速度及び酸素移動容量係数を計算する方法である。
【非特許文献１】発酵工学の基礎、学会出版センター、ｐ．１７２−ｐ．１７８（１９８８）
【非特許文献２】生物工学実験書、日本生物工学会編、培風館、ｐ．３３６−ｐ．３４０（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Dynamic Method法では、培養槽内部における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面からの液相内への酸素供給が考慮されておらず、正確に酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出することが難しい。
特に、培養する生物が、植物細胞、動物細胞あるいは昆虫細胞である場合には、、植物細胞、動物細胞あるいは昆虫細胞の呼吸速度が微生物等と比較して極めて遅いため、液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面からの液相内への酸素供給の影響が大きくなり、算出された酸素移動容量係数及び呼吸速度の誤差が大きくなる。
【０００７】
また、排気ガス分析法は、液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面からの液相内への酸素供給の影響を含んで酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出することができる方法であるが、生物の呼吸による酸素消費量が微量であることから、供給ガスに含まれる酸素濃度と排気ガスに含まれる酸素濃度とを正確に測定する必要がある。このため、通常の測定精度のセンサを用いた場合には、精度高く酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出することが難しい。
特に培養する生物が、植物細胞、動物細胞あるいは昆虫細胞である場合には、微細物と比較して消費酸素量が極めて少量である（すなわち呼吸速度が遅い）ため、特に精度高く酸素移動容量係数及び呼吸速度を正確に算出することが難しい。
【０００８】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、培養槽内部における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給の影響を含み、かつ、精度高く酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【００１０】
第１の発明は、生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数と、上記培養槽内部の上記生物の呼吸速度との少なくともいずれかを計測可能な計測装置であって、上記培養槽内部の溶存酸素濃度を測定する溶存酸素濃度測定手段と、該溶存酸素濃度測定手段の測定結果から上記酸素移動容量係数と上記呼吸速度との少なくともいずれかを算出して出力する算出手段とを備え、上記算出手段が、第１の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化と、上記第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化とから上記酸素移動容量係数と上記呼吸速度との少なくともいずれかを算出するという構成を採用する。
【００１１】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記算出手段が、上記第１の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第１の関係式を作成し、上記第２の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第２の関係式を作成し、上記第１の関係式と上記第２の関係式とから上記酸素移動容量係数と上記呼吸速度との少なくともいずれかを連立方程式によって算出するという構成を採用する。
【００１２】
第３の発明は、上記第２の発明において、上記算出手段が、上記第１の関係式及び上記第２の関係式を、溶存酸素濃度の時間変化がｄｃ／ｄｔにて示され、酸素移動容量係数がＫＬａで示され、上記培養槽内の溶存酸素濃度がＣで示され、上記培養槽内の飽和溶存酸素濃度がＣ＊で示され、呼吸速度がＱにて示される一般式（１）を用いて算出するという構成を採用する。
ｄｃ／ｄｔ＝ＫＬａ×（Ｃ＊−Ｃ）−Ｑ……（１）
【００１３】
第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記酸素含有流体の酸素濃度を調節可能であると共に上記培養槽内部に上記酸素含有流体を供給する供給手段を備えるという構成を採用する。
【００１４】
第５の発明は、上記第４の発明において、上記供給手段を制御することによって上記酸素含有流体の酸素濃度を制御する制御手段を備え、該制御手段が、上記培養槽内部の溶存酸素濃度が常に上記生物の培養に適した適正範囲に収まるように上記第１の酸素濃度及び上記第２の酸素濃度を設定するという構成を採用する。
【００１５】
第６の発明は、上記第４または第５の発明において、上記制御手段が、上記培養槽内部の溶存酸素濃度が増加するように上記第１の酸素濃度を設定し、上記培養槽内部の溶存酸素濃度が減少するように上記第２の酸素濃度を設定し、先に上記第１の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給され、後に上記第２の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給されるように上記供給手段を制御するという構成を採用する。
【００１６】
第７の発明は、生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数及び上記培養槽内部の上記生物の呼吸速度の少なくともいずれかを計測可能な計測装置と、該計測装置にて計測される酸素移動容量係数及び上記呼吸速度の少なくともいずれかによって上記培養槽を含む培養槽システムの運転状態を制御する運転状態制御手段とを備える培養槽システムの運転装置であって、上記計測装置として、上記第１〜第６いずれかの発明を用いるという構成を採用する。
【００１７】
第８の発明は、上記第７の発明において、上記培養槽システムが上記培養槽内部に酸素含有流体を供給する酸素含有流体供給手段と、上記培養槽内部を攪拌する攪拌手段とを備え、上記運転状態制御手段は、少なくとも上記酸素含有流体供給手段と上記攪拌手段とを制御することによって上記培養槽システムの運転状態を制御するという構成を採用する。
【００１８】
第９の発明は、生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数と、上記培養槽内部の上記生物の呼吸速度との少なくともいずれかを計測可能な計測方法であって、第１の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記培養槽内部の上記溶存酸素濃度の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化と、上記第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記培養槽内部の上記溶存酸素濃度の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化とから上記酸素移動容量係数と上記呼吸速度との少なくともいずれかを算出するという構成を採用する。
【００１９】
第１０の発明は、上記第９の発明において、上記第１の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記培養槽内部の上記溶存酸素濃度の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第１の関係式を作成し、上記第２の酸素濃度の酸素含有流体が上記培養槽内部に供給された場合において上記培養槽内部の上記溶存酸素濃度の測定結果から得られる上記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第２の関係式を作成し、上記第１の関係式と上記第２の関係式とから上記酸素移動容量係数と上記呼吸速度との少なくともいずれかを連立方程式によって算出するという構成を採用する。
【００２０】
第１１の発明は、上記第１０の発明において、上記第１の関係式及び上記第２の関係式を、溶存酸素濃度の時間変化がｄｃ／ｄｔにて示され、酸素移動容量係数がＫＬａで示され、上記培養槽内の溶存酸素濃度がＣで示され、上記培養槽内の飽和溶存酸素濃度がＣ＊で示され、呼吸速度がＱにて示される一般式（１）を用いて算出するという構成を採用する。
ｄｃ／ｄｔ＝ＫＬａ×（Ｃ＊−Ｃ）−Ｑ……（１）
【００２１】
第１２の発明は、上記第９〜第１１いずれかの発明において、上記培養槽内部の溶存酸素濃度が常に上記生物の培養に適した適正範囲に収まるように上記第１の酸素濃度及び上記第２の酸素濃度を設定するという構成を採用する。
【００２２】
第１３の発明は、上記第１２の発明において、上記培養槽内部の溶存酸素濃度が増加するように上記第１の酸素濃度を設定し、上記培養槽内部の溶存酸素濃度が減少するように上記第２の酸素濃度を設定し、先に上記第１の酸素濃度の酸素含有流体を上記培養槽内部に供給し、後に上記第２の酸素濃度の酸素含有流体を上記培養槽内部に供給するという構成を採用する。
【００２３】
第１４の発明は、生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数及び上記培養槽内部の上記生物の呼吸速度の少なくともいずれかを計測し、計測された酸素移動容量係数及び上記呼吸速度の少なくともいずれかによって上記培養槽を含む培養槽システムの運転状態を制御する培養槽の運転方法であって、上記第９〜第１３の発明を用いて上記酸素移動容量係数及び上記呼吸速度の少なくともいずれかを計測する
【００２４】
第１５の発明は、上記第１４の発明において、上記培養槽システムが上記培養槽内部に酸素含有流体を供給する酸素含有流体供給手段と、上記培養槽内部を攪拌する攪拌手段とを備え、少なくとも上記酸素含有流体供給手段と上記攪拌手段とを制御することによって上記培養槽システムの運転状態を制御するという構成を採用する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、第１の酸素濃度の酸素含有流体が培養槽内部に供給された場合において培養槽内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化と、第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度の酸素含有流体が培養槽内部に供給された場合において培養槽内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化とから酸素移動容量係数と呼吸速度との少なくともいずれかが算出される。
つまり、本発明によれば、培養槽内部に供給される酸素含有流体の酸素濃度条件を変えて、各々の条件で得られる溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数と呼吸速度との少なくともいずれかが算出される。
【００２６】
培養槽内部の溶存酸素濃度の時間変化は、培養槽内部への酸素含有流体の供給によって生じる気泡と培養液との気液界面から液相への酸素供給及び培養槽内部における培養液上面における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給によって変化する値である。このため、本発明によれば、上記両者の酸素供給の影響を含んで酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することができる。
したがって、本発明によれば、培養槽内部における培養液上面の液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給の影響を含み、かつ、精度高く酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明に係る計測装置及び方法、並びに培養槽システムの運転装置及び方法の一実施形態について説明する。
なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００２８】
図１は、本実施形態の培養装置の概略構成を示すシステムブロック図である。この図に示すように、培養装置１００は、培養槽システム１と、培養槽システム運転装置２と、計測装置３とを備えている。
【００２９】
培養槽システム１は、生物培養を行うと共に生物培養の環境を形成するものであり、培養槽１ａと、通気装置１ｂ（酸素含有流体供給手段、供給手段）と、攪拌装置１ｃとを備えている。
【００３０】
培養槽１ａは、内部に培養液を貯留すると共に、該培養液中において生物を培養するための容器である。
【００３１】
通気装置１ｂは、培養槽１ａ内部に挿通された配管１ｂ１を介して培養槽１ａに酸素を含むガス（以下、供給ガスＧと称する）を供給するものであり、供給ガスＧの培養槽１ａへの供給量を調節可能とされている。また、本実施形態において培養槽１ａは、外部より供給される純酸素ガスと空気とを任意の割合で混合して供給ガスＧとして培養槽１ａの内部に供給可能に構成されており、供給ガスＧの酸素濃度を調節可能とされている。なお、通気装置１ｂにおいて混合されるガスは、純酸素ガスと空気とに限定されるものではなく、供給ガスＧの酸素濃度を調節可能な複数種類のガスであれば良く、例えば純酸素ガスと生物に対して不活性なガス（例えば窒素ガス）とであっても良い。
この通気装置１ｂは、後述する培養槽システム運転装置２の運転状態制御部２ａによって、供給ガスＧに含まれる酸素濃度を調節、及び、培養槽１ａ内部への供給ガスＧの供給あるいは停止を行う。
【００３２】
攪拌装置１ｃは、培養槽１ａ内部の培養液を攪拌するためのものであり、培養液中に配置される攪拌翼１ｃ１と、該攪拌翼１ｃ１を回転駆動されるモータ１ｃ２とを備えている。
この攪拌装置１ｃは、培養槽システム運転装置２の運転状態制御部２ａによって、攪拌翼１ｃ１の回転数が調節される。
【００３３】
なお、培養槽システム１は、上記構成（培養槽１ａ、通気装置１ｂ、攪拌装置１ｃ）に限らず、必要に応じて他の構成（例えば、培地供給装置、液面上への通気装置、排気装置等）を備えることができる。
【００３４】
培養槽システム運転装置２は、上述した培養槽システム１の運転状態を制御するものであり、運転状態制御部２ａと、主制御部２ｂと、記憶部２ｃと、表示部２ｄとを備えている。
【００３５】
運転状態制御部２ａは、培養槽システム１の通気装置１ｂ及び攪拌装置１ｃに対して電気的に接続されており、通気装置１ｂを制御することによって培養槽１ａ内部に供給する供給ガスＧの流量を制御したり、攪拌装置１ｃを制御することによって攪拌翼１ｃ１の回転数を制御したりする。
【００３６】
主制御部２ｂは、本実施形態の培養装置１００全体の動作を制御するものであり、運転状態制御部２ａ、記憶部２ｃ及び表示部２ｄ等と電気的に接続されている。
そして、当該主制御部２ｂは、運転状態制御部２ａを介して通気装置１ｂを制御可能とされており、通気装置１ｂから培養槽１ａに供給される供給ガスの酸素濃度の設定等を行う。なお、供給ガスの酸素濃度は、通気装置１ｂにおける純酸素ガスと空気との混合割合を調節することによって制御される。
【００３７】
また、主制御部２ｂは、通気装置１ｂを制御することによって、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収まるように供給ガスの酸素濃度を設定する。
後に詳説するが、本実施形態の培養装置１００においては、培養槽１ａ内部の酸素移動容量係数及び培養槽１ａ内部の生物の呼吸速度を算出する場合に、異なる濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給する。この際、主制御部２ｂは、供給ガスＧの酸素濃度を、第１の酸素濃度と、該第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度とに時間を変えて設定することとなるが、第１の酸素濃度に設定された供給ガスＧが供給される場合及び第２の酸素濃度に設定された供給ガスＧが供給される場合の両方の場合において、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収まるように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定する。
【００３８】
さらに、主制御部２ｂは、培養槽１ａ内部の酸素移動容量係数及び培養槽１ａ内部の生物の呼吸速度を算出する場合に、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が徐々に増加するように第１の酸素濃度を設定し、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が徐々に減少するように第２の酸素濃度を設定し、先に第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａに供給され、後に第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給されるように通気装置１ｂを制御する。
【００３９】
記憶部２ｃは、主制御部２ｂや、後述する計測装置３が備える算出部３ｂの演算処理部３ｂ１が動作するための各種データやプログラム等を記憶したり、後述する計測装置３が備える溶存酸素センサ３ａから演算処理部３ｂ１に入力されたデータを一時的に記憶するものである。なお、本記憶部２ｃに記憶されるプログラムについては、後に詳説する。
【００４０】
表示部２ｄは、主制御部２ｂから入力された各種データを可視化して表示するものであり、本実施形態においては、例えば、計測装置３が備える算出部３ｂにて算出された値（酸素移動容量係数及び呼吸速度）を表示する。
なお、表示部２ｄは、必須の構成ではなく、培養装置１００の構成から省くことも可能である。
【００４１】
計測装置３は、培養槽１ａ内部の酸素移動容量係数及び培養槽１ａ内部の生物の呼吸速度を計測するものであり、溶存酸素センサ３ａ（溶存酸素濃度測定手段）と、算出部３ｂ（算出手段）と、通気装置１ｂとを備えている。
なお、通気装置１ｂは、本実施形態において計測装置３と、上述した培養槽システム１とによって兼用されている。すなわち、本実施形態において通気装置１ｂは、本発明の供給手段として機能すると共に、本発明の酸素含有流体供給手段として機能する。ただし、計測装置３と培養槽システム１との各々が別に通気装置を備えていても良い。
【００４２】
溶存酸素センサ３ａは、培養槽１ａの内部に挿入されており、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度を測定して、当該測定結果を示す信号を出力するものである。そして、この溶存酸素センサ３ａは、算出部３ｂが備える演算処理部３ｂ１に接続されている。
【００４３】
算出部３ｂは、溶存酸素センサ３ａから得られる測定結果から、培養槽１ａ内部の酸素移動容量係数（以下、単に酸素移動容量係数と称する）と、培養槽１ａ内部の生物の呼吸速度（以下、単に呼吸速度と称する）とを算出するものである。
なお、本実施形態において算出部３ｂは、酸素移動容量係数と呼吸速度との両方を算出するが、必ずしも酸素移動容量係数と呼吸速度との両方を算出する必要はなく、いずれか一方のみを算出しても良い。
【００４４】
この算出部３ｂは、演算処理部３ｂ１と記憶部２ｃとを備えている。なお、記憶部２ｃは、本実施形態において算出部３ｂと、上述の培養槽システム運転装置２とによって兼用されている。すなわち、本実施形態において記憶部２ｃは、本発明の算出手段の一部として機能すると共に、本発明の培養槽システム運転装置の一部として機能する。
演算処理部３ｂ１は、溶存酸素センサ３ａから時系列的に入力される溶存酸素濃度を示すデータを記憶部２ｃに一旦記憶させて蓄積させると共に、記憶部２ｃに記憶された各種データ及びプログラムを用いて酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出する。
【００４５】
このような算出部３ｂは、第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合に溶存酸素センサ３ａの測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化と、第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合に溶存酸素センサ３ａの測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化とから酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出する。
【００４６】
具体的には、算出部３ｂは、主制御部２ｂの制御の下、第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合に、溶存酸素センサ３ａの測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化から、任意の溶存酸素濃度における溶存酸素濃度の時間変化を算出する。そして、算出部３ｂは、下に記載する溶存酸素濃度の時間変化、供給ガスＧ中の酸素濃度変化（下記Ｃ＊の計算に使用）、酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする一般式（１）に、上述のように算出した任意の溶存酸素濃度における溶存酸素濃度の時間変化及び供給ガスＧ中の酸素濃度を代入することによって、酸素移動容量係数及び呼吸速度がパラメータとなる第１の関係式を作成する。
なお、一般式（１）においては、溶存酸素濃度の時間変化がｄｃ／ｄｔにて示され、酸素移動容量係数がＫＬａで示され、酸素移動のドライビングフォースがＣ＊−Ｃにて示され、呼吸速度がＱにて示されている。なお、酸素移動のドライビングフォースを示すＣ＊−Ｃに含まれるＣ＊は、培養槽１ａに貯留する供給ガスＧの酸素分圧と平衡な飽和溶存酸素濃度であり、供給ガスＧの酸素濃度及び培養槽１ａ内の温度に依存して一義的に決定される値である。また、Ｃは培養槽１ａ内の溶存酸素濃度の実測値である。
【００４７】
ｄｃ／ｄｔ＝ＫＬａ×（Ｃ＊−Ｃ）−Ｑ……（１）
【００４８】
また、算出部３ｂは、主制御部２ｂの制御の下、第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合に、溶存酸素センサ３ａの測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化から、任意の溶存酸素濃度における溶存酸素濃度の時間変化を算出する。そして、算出部３ｂは、一般式（１）に、算出した溶存酸素濃度の時間変化及び供給ガスＧ中の酸素濃度変化を代入することによって、酸素移動容量係数及び呼吸速度がパラメータとなる第２の関係式を作成する。
【００４９】
そして、このようにして第１の関係式及び第２の関係式を作成すると、算出部３ｂは、第１の関係式と第２の関係式とから酸素移動容量係数と呼吸速度とを連立方程式によって算出する。
【００５０】
また、本実施形態の培養装置１００においては、運転状態制御部２ａ、主制御部２ｂ、記憶部２ｃ、表示部２ｄ及び演算処理部３ｂ１がコンピュータ１０によって具現化されている。
つまり、運転状態制御部２ａ、主制御部２ｂ及び演算処理部３ｂ１はコンピュータ１０が備えるＣＰＵ（Central Processing Unit）によって具現化されている。また、表示部２ｄはコンピュータ１０が備えるディスプレイによって具現化されている。また、記憶部２ｃはコンピュータ１０が備えるＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びハードディスク等によって具現化されている。
【００５１】
また、本実施形態の培養装置１００においては、例えばＲＯＭ（すなわち記憶部２ｃ）に、コンピュータ１０に、上述の酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測させるための計測プログラムが格納されている。
【００５２】
そして、計測プログラムは、コンピュータ１０を、上述の運転状態制御部２ａ、主制御部２ｂ、算出部３ｂとして機能させる。
より具体的には、計測プログラムは、コンピュータ１０を、第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化と、第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化とから酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出する算出部３ｂとして機能させる。
【００５３】
また、計測プログラムは、コンピュータ１０を算出部３ｂとして機能させる場合に、第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第１の関係式を作成させ、第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第２の関係式を作成させ、第１の関係式と第２の関係式とから酸素移動容量係数及び呼吸速度を連立方程式によって算出させる。
【００５４】
また、計測プログラムは、コンピュータ１０を算出部３ｂとして機能させる場合に、第１の関係式及び第２の関係式を、溶存酸素濃度の時間変化がｄｃ／ｄｔにて示され、酸素移動容量係数がＫＬａで示され、溶存酸素濃度変化がＣにて示され、飽和溶存酸素濃度がＣ＊にて示され、呼吸速度がＱにて示される、上述の一般式（１）を用いて算出させる。
【００５５】
また、計測プログラムは、コンピュータ１０を、供給ガスＧの酸素濃度を調節可能であると共に培養槽１ａ内部に供給ガスＧを供給する通気装置１ｂを制御することによって供給ガスＧの酸素濃度を制御する主制御部２ｂとして機能させる。そして、コンピュータ１０を主制御部２ｂとして機能させる場合に、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収まるように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定させる。
【００５６】
また、計測プログラムは、コンピュータ１０を主制御部２ｂとして機能させる場合に、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が増加するように第１の酸素濃度を設定させ、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が減少するように第２の酸素濃度を設定させ、先に第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給され、後に第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給されるように通気装置１ｂを制御させる。
【００５７】
なお、本実施形態においては、上述のように計測プログラムがコンピュータ１０のＲＯＭに格納されている構成を採用しているが、計測プログラムは必ずしもＲＯＭに格納されている必要はなく、ネットワーク回線を介して培養装置１００に入力され、ハードディスク、ＲＡＭあるいは他のメモリーに格納されるようにしても良い。
【００５８】
次に、培養装置１００の動作として、上記計測プログラムを用いた酸素移動容量係数及び呼吸速度の計測方法について、図２のフローチャートを参照して説明する。
【００５９】
酸素移動容量係数及び呼吸速度の計測にあたり、まず最初に主制御部２ｂは、培養槽１ａ内部に供給する供給ガスＧの第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度の設定を行う（ステップＳ１）。
ここで本実施形態において主制御部２ｂは、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が時間の経過に伴って徐々に増加するように第１の酸素濃度を設定する。つまり、培養槽１ａ内部の生物によって消費される酸素量よりも多量の酸素が培養液に供給されるように第１の酸素濃度を設定する。
また、主制御部２ｂは、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が時間の経過に伴って徐々に減少するように第２の酸素濃度を設定する。つまり、培養槽１ａ内部の生物によって消費される酸素量よりも少量の酸素が培養液に供給されるように第２の酸素濃度を設定する。
【００６０】
また、主制御部２ｂは、ステップＳ１において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収まるように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定する。
具体的には、培養槽１ａにて培養する生物が好適に培養可能な溶存酸素濃度の下限及び上限を予め記憶部２ｃに記憶させておき、供給ガスＧを連続して供給した場合に溶存酸素濃度が上記下限及び上限を超えないように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定する。
なお、供給ガスＧを連続して供給した場合の溶存酸素濃度の変化量は、酸素移動容量係数及び呼吸速度が算出されていない状態では正確に算出することができない。このため、溶存酸素濃度の変化範囲が上記下限及び上限に対して十分に余裕を有するように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定する。
ただし、一般的に生物が好適に培養可能な溶存酸素濃度の上限は、存在しないかあるいは存在しても極めて高い場合が多い。このため、生物が好適に培養可能な溶存酸素濃度の上限については、考慮せずに第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定しても良い。
【００６１】
続いて、主制御部２ｂは、ステップＳ１にて設定した第１の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給する（ステップＳ２）。
具体的には、主制御部２ｂが、供給ガスＧの酸素濃度がステップＳ１にて設定した第１の酸素濃度となるように純酸素ガスと空気との混合割合とを算出し、この算出値に基づいて通気装置１ｂを制御する。
【００６２】
このように第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給されると、算出部３ｂは、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の時間変化を取得する（ステップＳ３）。
具体的には、算出部３ｂは、溶存酸素センサ３ａから演算処理部３ｂ１に入力されるデータを予め決められた時間で連続的に取得して記憶部２ｃに記憶し、蓄積されたデータから培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の時間変化を取得する。
【００６３】
第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合における溶存酸素濃度の時間変化が取得されると算出部３ｂは、この溶存酸素濃度の時間変化から任意の溶存酸素濃度における溶存酸素濃度の時間変化を算出し、予め記憶部２ｃに記憶された一般式（１）に代入することによって、酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第１の関係式を作成する（ステップＳ４）。なお、作成した第１の関係式は、一旦記憶部２ｃに記憶される。
【００６４】
第１の関係式の算出が完了すると、主制御部２ｂは、ステップＳ１にて設定した第２の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給する（ステップＳ５）。
具体的には、主制御部２ｂが、供給ガスＧの酸素濃度がステップＳ１にて設定した第２の酸素濃度となるように純酸素ガスと空気との混合割合とを算出し、この算出値に基づいて通気装置１ｂを制御する。
【００６５】
このように第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給されると、算出部３ｂは、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の時間変化を取得する（ステップＳ６）。
具体的には、算出部３ｂは、溶存酸素センサ３ａから演算処理部３ｂ１に入力されるデータを予め決められた時間で連続的に取得して記憶部２ｃに記憶し、蓄積されたデータから培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の時間変化を取得する。
【００６６】
第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合における溶存酸素濃度の時間変化が取得されると算出部３ｂは、この溶存酸素濃度の時間変化から任意の溶存酸素濃度における溶存酸素濃度の時間変化を算出し、予め記憶部２ｃに記憶された一般式（１）に代入することによって、酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第２の関係式を作成する（ステップＳ７）。なお、算出した第２の関係式は、一旦記憶部２ｃに記憶される。
【００６７】
続いて、算出部３ｂは、ステップＳ４で算出した第１の関係式と、ステップＳ７で算出した第２の関係式とから酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出する（ステップＳ８）。
具体的には、算出部３ｂは、連立方程式によって第１の関係式と第２の関係式とから酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出する。
なお、酸素移動容量係数のみを算出する場合には、第１の関係式と第２の関係式とを酸素移動容量係数のみについて解けば良い。また、呼吸速度のみを算出する場合には、第
１の関係式と第２の関係式とを呼吸速度のみについて解けば良い。
【００６８】
また、培養槽システム１の運転（培養槽システムの運転方法）は、上述のようにして計測された酸素移動容量係数や呼吸速度を用いて制御することができる。
つまり、酸素移動容量係数及び呼吸速度の少なくともいずれかを計測し、計測された酸素移動容量係数及び呼吸速度の少なくともいずれかによって培養槽１ａを含む培養槽システム１の運転状態を制御することができる。
例えば、計測された呼吸速度を用いて培養槽１ａにおける生物の培養状態を推定し、この推定結果に基づいて通気装置１ｂから培養槽１ａ内部への供給ガスＧの供給量や攪拌装置１ｃが備える攪拌翼１ｃ１の回転数を制御することによって培養槽システム１の運転状態を制御することができる。
【００６９】
また、本実施形態の培養装置１００にて、生物を培養する場合には、上述のようにして計測された酸素移動容量係数や呼吸速度を用いて培養槽システム１を制御しながら培養槽１ａにて生物の培養を行う。
【００７０】
さらに、上述のようにして計測された酸素移動容量係数を用いて培養槽システム１の設計を行うこともできる。
具体的には、計測された酸素移動容量係数を満たすように、通気装置１ｂの供給ガスＧの単位時間あたりにおける最大供給量、攪拌装置１ｃが備える攪拌翼１ｃ１の形状、及び攪拌装置１ｃが備えるモータ１ｃ２の最大出力等を設定して培養槽システム１の設計を行う。
なお、培養槽システム１の設計を行うために酸素移動容量係数を計測する場合には、例えば酸素移動容量係数の計測の際には攪拌装置１ｃを設置していなくても良い。
【００７１】
以上のような本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法によれば、第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化と、第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合において培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の測定結果から得られる溶存酸素濃度の時間変化とから酸素移動容量係数及び呼吸速度が算出される。
つまり、本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法によれば、培養槽１ａ内部に供給される供給ガスＧの酸素濃度条件を変えて、各々の条件で得られる溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度が算出される。
【００７２】
ここで、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度の時間変化は、培養槽１ａ内部への供給ガスＧの供給量及び培養槽１ａ内部における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給によって変化する値である。このため、本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法によれば、培養槽１ａ内部における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給の影響を含んで酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することができる。
したがって、本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法によれば、培養槽１ａ内部における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給の影響を含み、かつ、精度高く酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することが可能となる。
【００７３】
このように培養槽１ａ内部における液相領域と該液相領域の上の気相領域との界面から液相内への酸素供給の影響を含み、かつ、精度高く酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することが可能な本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法は、呼吸速度が遅い植物細胞、動物細胞あるいは昆虫細胞を培養する場合に特に好適に用いることができる。
【００７４】
また、本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法によれば、培養槽１ａ内部に挿入された溶存酸素センサ３ａにて取得されるデータによって酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することができる。このため、サンプルの抽出のために培養槽１ａを開放する必要がなく、培養槽１ａにて生物を培養しながら酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することができる。
【００７５】
また、本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法によれば、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収まるように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度が設定される。
このため、酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測するにあたり、生物の培養環境を壊すことがない。したがって、生物培養に対する影響を抑制しながら酸素移動容量係数及び呼吸速度を正確に計測することができる。
【００７６】
さらに、本実施形態の培養装置における計測装置及び計測方法によれば、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が時間の経過に伴って徐々に増加するように第１の酸素濃度が設定され、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が時間の経過に伴って徐々に減少するように第２の酸素濃度が設定され、さらに第１の酸素濃度の供給ガスＧが先に供給され、第２の酸素濃度の供給ガスＧが後に供給される。つまり、酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測するにあたり、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が時間の経過に伴って先に増加し、その後減少する。
上述のように一般的に生物が好適に培養可能な溶存酸素濃度の上限は、存在しないかあるいは存在しても極めて高い場合が多い。このため、先に溶存酸素濃度が増加し、後に溶存酸素濃度が減少するように第１の酸素濃度と第２の酸素濃度とを設定することによって、溶存酸素濃度が、適正範囲を超えることをより確実に抑制することが可能となる。
【００７７】
また、本実施形態の培養装置における培養槽システムの運転装置及び方法によれば、上述の計測装置及び方法を用いて酸素移動容量係数及び呼吸速度の少なくともいずれかを計測し、計測された酸素移動容量係数及び呼吸速度の少なくともいずれかによって培養槽１ａを含む培養槽システム１の運転状態を制御する。
つまり、本実施形態の培養装置における培養槽システムの運転装置及び方法によれば、精度高く計測された酸素移動容量係数及び呼吸速度に基づいて培養槽システムを制御することができる。したがって、より正確な培養槽システムの制御を行うことができる。
【００７８】
また、本実施形態の培養装置及び培養方法によれば、培養槽システムの正確な制御を行える培養槽システムの運転装置及び方法を用いて培養槽における生物培養を行うため、生物培養の環境をより好適に作り出し、例えば産生物の取得効率を向上させることが可能となる。
【００７９】
図３は、本実施形態の培養装置において、第１の酸素濃度の供給ガスＧとして酸素濃度６０．５％（純酸素５０％、空気５０％）のガスを培養槽１ａ内部に供給し、第２の酸素濃度の供給ガスＧとして酸素濃度５２．６％（純酸素４０％、空気６０％）のガスを培養槽１ａ内部に供給し、この結果、溶存酸素センサ３ａによって取得されたデータを、横軸が時間で縦軸が溶存酸素濃度の座標上にプロットしたものである。なお、本データを取得する際の温度は３０℃（空気の溶存酸素濃度が７．５３ｍｇ／Ｌ）である。
なお、座標上において、第１の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給した際に取得されたデータを黒三角にてプロットし、第２の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給した際に取得されたデータを黒丸にてプロットしている。
なお、実際には、第１の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給した後に第２の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給しているが、図３においては、各酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給開始したタイミングを時間０としている。
【００８０】
そして、図３に示すように取得されたデータから、上記第１の関係式を作成すると、下式（２）となる。また、上記第２の関係式を作成すると、下式（３）となる。これらの式（２）及び式（３）を連立方程式によって解くと、酸素移動容量係数が１７．６（１／ｈ）、呼吸速度が２６０ｍｇ／ｈ・Ｌと算出される。
【００８１】
３３．６＝ＫＬａ×（２１．７−５）−Ｑ……（２）
【００８２】
−１５．６＝ＫＬａ×（１８．９−５）−Ｑ……（３）
【００８３】
なお、上式（２），（３）において、３３．６と−１５．６とが図３において溶存酸素濃度５ｍｇ／Ｌでの勾配（溶存酸素濃度の時間変化）、２１．７と１８．９とが各供給ガスにおける飽和溶存酸素濃度、５が上記勾配を求めた時に用いた溶存酸素濃度である。
【００８４】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る計測装置及び方法、並びに培養槽システムの運転装置及び方法の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００８５】
例えば、上記実施形態においては、酸素移動容量係数や呼吸速度を計測する際に、第１の酸素濃度に対して異なる第２の酸素濃度の供給ガスＧを１種類とした。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、濃度の異なる複数の第２の酸素濃度の供給ガスＧを異なるタイミングで培養槽１ａ内部に供給し、各第２の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給した場合における溶存酸素濃度の時間変化を取得し、さらにこれらの溶存酸素濃度の時間変化と第１の酸素濃度の供給ガスＧが培養槽１ａ内部に供給された場合の溶存酸素濃度の時間変化とから酸素移動容量係数や呼吸速度を計測しても良い。
すなわち、酸素濃度の異なる３種以上の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給し、この結果得られる溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数や呼吸速度を計測しても良い。
このような構成を採用することによって、より正確に酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することが可能となる。
【００８６】
また、上記実施形態においては、第１の関係式及び第２の関係式を作成する場合に、上述の一般式（１）を用いる構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、測定される溶存酸素濃度に基づいて酸素移動容量係数と呼吸速度とをパラメータとする第１の関係式及び第２の関係式を作成可能な式であれば、上述の一般式（１）の代わりとすることが可能である。
【００８７】
また、上記実施形態においては、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収まるように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、溶存酸素濃度が上記適正範囲を超えることによる培養への影響が許容できる場合あるいは溶存酸素濃度が上記適正範囲を超えるまでに十分なデータ量を取得できる場合には、必ずしも第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を、溶存酸素濃度が適正範囲に収まるように設定しなくても良い。
なお、この場合には、上記実施形態のように、先に第１の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給し、後に第２の酸素濃度の供給ガスＧを培養槽１ａ内部に供給しても良い。
また、実際には、溶存酸素濃度が適正範囲を超えないように設定することが困難な場合が考えられる。このため、仮に溶存酸素濃度が適正範囲を超えてしまう場合であっても、それまでに十分なデータ量を取得できるように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定することが重要となる。
【００８８】
また、上記実施形態においては、第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度の制御を行うことによって、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収める構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば第１の酸素濃度の供給ガスＧの供給時間と第２の酸素濃度の供給ガスＧの供給時間を制御することによって、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が常に生物の培養に適した適正範囲に収まるようにしても良い。
なお、この場合であっても、供給ガスＧの供給時間が酸素移動容量係数及び呼吸速度を算出するのに十分な時間とされることは言うまでもない。
【００８９】
また、上記実施形態においては、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が増加するように第１の酸素濃度を設定し、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が減少するように第２の酸素濃度を設定する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が共に増加するように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定する構成や、培養槽１ａ内部の溶存酸素濃度が共に減少するように第１の酸素濃度及び第２の酸素濃度を設定する構成を採用しても良い。
また、第１の酸素濃度あるいは第２の酸素濃度を培養槽１ａの内部の溶存酸素濃度が変化しないように設定しても良い。
【００９０】
また、例えば、上記実施形態において説明したステップＳ２〜ステップＳ８の工程を繰り返し、酸素移動容量係数及び呼吸速度を繰り返し複数算出しても良い。
このような構成を採用することによって、より正確に酸素移動容量係数及び呼吸速度を計測することが可能となる。
【００９１】
また、上記実施形態においては、本発明の酸素含有流体として、酸素を含む気体を用いる構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、予め酸素が溶存する液体を酸素含有流体として用いることもできる。
【００９２】
また、上記実施形態においては、本発明の攪拌手段として攪拌装置１ｃを備える構成について説明した。
しかしながら、通気装置１ｂから供給ガスＧを供給することによっても培養槽１ａ内部は攪拌される。このため、本発明の攪拌手段として通気装置１ｂを用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の一実施形態である培養装置の概略構成を示すシステムブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態である培養装置における酸素移動容量係数及び呼吸速度の計測方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態である培養装置における実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９４】
１００……培養装置、１……培養槽システム、１ａ……培養槽、１ｂ……通気装置（供給手段、酸素含有流体供給手段）、１ｃ……攪拌装置（攪拌手段）、２……培養槽システム運転装置、２ａ……運転状態制御部（運転状態制御手段）、２ｂ……主制御部（制御手段）、２ｃ……記憶部、２ｄ……表示部、３……計測装置、３ａ……溶存酸素センサ（溶存酸素濃度測定手段）、３ｂ……算出部（算出手段）、３ｂ１……演算処理部、１０……コンピュータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数と、前記培養槽内部の前記生物の呼吸速度との少なくともいずれかを計測可能な計測装置であって、
前記培養槽内部の溶存酸素濃度を測定する溶存酸素濃度測定手段と、
該溶存酸素濃度測定手段の測定結果から前記酸素移動容量係数と前記呼吸速度との少なくともいずれかを算出して出力する算出手段と
を備え、
前記算出手段は、第１の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化と、前記第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化とから前記酸素移動容量係数と前記呼吸速度との少なくともいずれかを算出する
ことを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記算出手段は、
前記第１の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第１の関係式を作成し、
前記第２の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第２の関係式を作成し、
前記第１の関係式と前記第２の関係式とから前記酸素移動容量係数と前記呼吸速度との少なくともいずれかを連立方程式によって算出する
ことを特徴とする請求項１記載の計測装置。
【請求項３】
前記算出手段は、前記第１の関係式及び前記第２の関係式を、溶存酸素濃度の時間変化がｄｃ／ｄｔにて示され、酸素移動容量係数がＫＬａで示され、前記培養槽内の溶存酸素濃度がＣで示され、前記培養槽内の飽和溶存酸素濃度がＣ＊で示され、呼吸速度がＱにて示される一般式（１）を用いて算出することを特徴とする請求項２記載の計測装置。
ｄｃ／ｄｔ＝ＫＬａ×（Ｃ＊−Ｃ）−Ｑ……（１）
【請求項４】
前記酸素含有流体の酸素濃度を調節可能であると共に前記培養槽内部に前記酸素含有流体を供給する供給手段を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の計測装置。
【請求項５】
前記供給手段を制御することによって前記酸素含有流体の酸素濃度を制御する制御手段を備え、
該制御手段は、前記培養槽内部の溶存酸素濃度が常に前記生物の培養に適した適正範囲に収まるように前記第１の酸素濃度及び前記第２の酸素濃度を設定する
ことを特徴とする請求項４記載の計測装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記培養槽内部の溶存酸素濃度が増加するように前記第１の酸素濃度を設定し、前記培養槽内部の溶存酸素濃度が減少するように前記第２の酸素濃度を設定し、先に前記第１の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給され、後に前記第２の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給されるように前記供給手段を制御することを特徴とする請求項４または５記載の計測装置。
【請求項７】
生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数及び前記培養槽内部の前記生物の呼吸速度の少なくともいずれかを計測可能な計測装置と、該計測装置にて計測される酸素移動容量係数及び前記呼吸速度の少なくともいずれかによって前記培養槽を含む培養槽システムの運転状態を制御する運転状態制御手段とを備える培養槽システムの運転装置であって、
前記計測装置として、請求項１〜６いずれかに記載の計測装置を用いることを特徴とする培養槽システムの運転装置。
【請求項８】
前記培養槽システムが前記培養槽内部に酸素含有流体を供給する酸素含有流体供給手段と、前記培養槽内部を攪拌する攪拌手段とを備え、
前記運転状態制御手段は、少なくとも前記酸素含有流体供給手段と前記攪拌手段とを制御することによって前記培養槽システムの運転状態を制御することを特徴とする請求項７記載の培養槽システムの運転装置。
【請求項９】
生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数と、前記培養槽内部の前記生物の呼吸速度との少なくともいずれかを計測可能な計測方法であって、
第１の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記培養槽内部の前記溶存酸素濃度の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化と、前記第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記培養槽内部の前記溶存酸素濃度の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化とから前記酸素移動容量係数と前記呼吸速度との少なくともいずれかを算出する
ことを特徴とする計測方法。
【請求項１０】
前記第１の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記培養槽内部の前記溶存酸素濃度の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第１の関係式を作成し、
前記第２の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記培養槽内部の前記溶存酸素濃度の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第２の関係式を作成し、
前記第１の関係式と前記第２の関係式とから前記酸素移動容量係数と前記呼吸速度との少なくともいずれかを連立方程式によって算出する
ことを特徴とする請求項９記載の計測方法。
【請求項１１】
前記第１の関係式及び前記第２の関係式を、溶存酸素濃度の時間変化がｄｃ／ｄｔにて示され、酸素移動容量係数がＫＬａで示され、前記培養槽内の溶存酸素濃度がＣで示され、前記培養槽内の飽和溶存酸素濃度がＣ＊で示され、呼吸速度がＱにて示される一般式（１）を用いて算出することを特徴とする請求項１０記載の計測方法。
ｄｃ／ｄｔ＝ＫＬａ×（Ｃ＊−Ｃ）−Ｑ……（１）
【請求項１２】
前記培養槽内部の溶存酸素濃度が常に前記生物の培養に適した適正範囲に収まるように前記第１の酸素濃度及び前記第２の酸素濃度を設定することを特徴とする請求項９〜１１いずれかに記載の計測方法。
【請求項１３】
前記培養槽内部の溶存酸素濃度が増加するように前記第１の酸素濃度を設定し、前記培養槽内部の溶存酸素濃度が減少するように前記第２の酸素濃度を設定し、先に前記第１の酸素濃度の酸素含有流体を前記培養槽内部に供給し、後に前記第２の酸素濃度の酸素含有流体を前記培養槽内部に供給することを特徴とする請求項１２記載の計測方法。
【請求項１４】
生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数及び前記培養槽内部の前記生物の呼吸速度の少なくともいずれかを計測し、計測された酸素移動容量係数及び前記呼吸速度の少なくともいずれかによって前記培養槽を含む培養槽システムの運転状態を制御する培養槽システムの運転方法であって、
請求項９〜１３いずれかに記載の計測方法を用いて前記酸素移動容量係数及び前記呼吸速度の少なくともいずれかを計測することを特徴とする培養槽システムの運転方法。
【請求項１５】
前記培養槽システムが前記培養槽内部に酸素含有流体を供給する酸素含有流体供給手段と、前記培養槽内部を攪拌する攪拌手段とを備え、少なくとも前記酸素含有流体供給手段と前記攪拌手段とを制御することによって前記培養槽システムの運転状態を制御することを特徴とする請求項１４記載の培養槽システムの運転方法。
【請求項１】
生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数と、前記培養槽内部の前記生物の呼吸速度との少なくともいずれかを計測可能な計測装置であって、
前記培養槽内部の溶存酸素濃度を測定する溶存酸素濃度測定手段と、
該溶存酸素濃度測定手段の測定結果から前記酸素移動容量係数と前記呼吸速度との少なくともいずれかを算出して出力する算出手段と
を備え、
前記算出手段は、第１の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化と、前記第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化とから前記酸素移動容量係数と前記呼吸速度との少なくともいずれかを算出する
ことを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記算出手段は、
前記第１の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第１の関係式を作成し、
前記第２の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記溶存酸素濃度測定手段の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第２の関係式を作成し、
前記第１の関係式と前記第２の関係式とから前記酸素移動容量係数と前記呼吸速度との少なくともいずれかを連立方程式によって算出する
ことを特徴とする請求項１記載の計測装置。
【請求項３】
前記算出手段は、前記第１の関係式及び前記第２の関係式を、溶存酸素濃度の時間変化がｄｃ／ｄｔにて示され、酸素移動容量係数がＫＬａで示され、前記培養槽内の溶存酸素濃度がＣで示され、前記培養槽内の飽和溶存酸素濃度がＣ＊で示され、呼吸速度がＱにて示される一般式（１）を用いて算出することを特徴とする請求項２記載の計測装置。
ｄｃ／ｄｔ＝ＫＬａ×（Ｃ＊−Ｃ）−Ｑ……（１）
【請求項４】
前記酸素含有流体の酸素濃度を調節可能であると共に前記培養槽内部に前記酸素含有流体を供給する供給手段を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の計測装置。
【請求項５】
前記供給手段を制御することによって前記酸素含有流体の酸素濃度を制御する制御手段を備え、
該制御手段は、前記培養槽内部の溶存酸素濃度が常に前記生物の培養に適した適正範囲に収まるように前記第１の酸素濃度及び前記第２の酸素濃度を設定する
ことを特徴とする請求項４記載の計測装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記培養槽内部の溶存酸素濃度が増加するように前記第１の酸素濃度を設定し、前記培養槽内部の溶存酸素濃度が減少するように前記第２の酸素濃度を設定し、先に前記第１の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給され、後に前記第２の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給されるように前記供給手段を制御することを特徴とする請求項４または５記載の計測装置。
【請求項７】
生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数及び前記培養槽内部の前記生物の呼吸速度の少なくともいずれかを計測可能な計測装置と、該計測装置にて計測される酸素移動容量係数及び前記呼吸速度の少なくともいずれかによって前記培養槽を含む培養槽システムの運転状態を制御する運転状態制御手段とを備える培養槽システムの運転装置であって、
前記計測装置として、請求項１〜６いずれかに記載の計測装置を用いることを特徴とする培養槽システムの運転装置。
【請求項８】
前記培養槽システムが前記培養槽内部に酸素含有流体を供給する酸素含有流体供給手段と、前記培養槽内部を攪拌する攪拌手段とを備え、
前記運転状態制御手段は、少なくとも前記酸素含有流体供給手段と前記攪拌手段とを制御することによって前記培養槽システムの運転状態を制御することを特徴とする請求項７記載の培養槽システムの運転装置。
【請求項９】
生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数と、前記培養槽内部の前記生物の呼吸速度との少なくともいずれかを計測可能な計測方法であって、
第１の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記培養槽内部の前記溶存酸素濃度の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化と、前記第１の酸素濃度と異なる第２の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記培養槽内部の前記溶存酸素濃度の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化とから前記酸素移動容量係数と前記呼吸速度との少なくともいずれかを算出する
ことを特徴とする計測方法。
【請求項１０】
前記第１の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記培養槽内部の前記溶存酸素濃度の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第１の関係式を作成し、
前記第２の酸素濃度の酸素含有流体が前記培養槽内部に供給された場合において前記培養槽内部の前記溶存酸素濃度の測定結果から得られる前記溶存酸素濃度の時間変化から酸素移動容量係数及び呼吸速度をパラメータとする第２の関係式を作成し、
前記第１の関係式と前記第２の関係式とから前記酸素移動容量係数と前記呼吸速度との少なくともいずれかを連立方程式によって算出する
ことを特徴とする請求項９記載の計測方法。
【請求項１１】
前記第１の関係式及び前記第２の関係式を、溶存酸素濃度の時間変化がｄｃ／ｄｔにて示され、酸素移動容量係数がＫＬａで示され、前記培養槽内の溶存酸素濃度がＣで示され、前記培養槽内の飽和溶存酸素濃度がＣ＊で示され、呼吸速度がＱにて示される一般式（１）を用いて算出することを特徴とする請求項１０記載の計測方法。
ｄｃ／ｄｔ＝ＫＬａ×（Ｃ＊−Ｃ）−Ｑ……（１）
【請求項１２】
前記培養槽内部の溶存酸素濃度が常に前記生物の培養に適した適正範囲に収まるように前記第１の酸素濃度及び前記第２の酸素濃度を設定することを特徴とする請求項９〜１１いずれかに記載の計測方法。
【請求項１３】
前記培養槽内部の溶存酸素濃度が増加するように前記第１の酸素濃度を設定し、前記培養槽内部の溶存酸素濃度が減少するように前記第２の酸素濃度を設定し、先に前記第１の酸素濃度の酸素含有流体を前記培養槽内部に供給し、後に前記第２の酸素濃度の酸素含有流体を前記培養槽内部に供給することを特徴とする請求項１２記載の計測方法。
【請求項１４】
生物の培養を行う培養槽内部の酸素移動容量係数及び前記培養槽内部の前記生物の呼吸速度の少なくともいずれかを計測し、計測された酸素移動容量係数及び前記呼吸速度の少なくともいずれかによって前記培養槽を含む培養槽システムの運転状態を制御する培養槽システムの運転方法であって、
請求項９〜１３いずれかに記載の計測方法を用いて前記酸素移動容量係数及び前記呼吸速度の少なくともいずれかを計測することを特徴とする培養槽システムの運転方法。
【請求項１５】
前記培養槽システムが前記培養槽内部に酸素含有流体を供給する酸素含有流体供給手段と、前記培養槽内部を攪拌する攪拌手段とを備え、少なくとも前記酸素含有流体供給手段と前記攪拌手段とを制御することによって前記培養槽システムの運転状態を制御することを特徴とする請求項１４記載の培養槽システムの運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−１２４７２２（Ｐ２０１０−１２４７２２Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３００８２２（Ｐ２００８−３００８２２）
【出願日】平成２０年１１月２６日（２００８．１１．２６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２６日（２００８．１１．２６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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