ターンダウン比が大きい槽で、種培養の段は減るのか？比の数字だけでは決まらないのはなぜか

ターンダウン比とは、バイオリアクター細胞や微生物を、温度・pH・溶存酸素などを制御しながら培養する槽です。数リットルの開発用から数千リットルの商業生産用まであり、ステンレス製と使い捨て（シングルユース）があります。詳しく →（細胞を育てる培養槽）を最大の液量からどこまで少なくして運転できるかを示す数字で、種培養少量の細胞を段階的に大きな容器へ植え継ぎ、本培養に必要な量まで増やしていく一連の種培養です。各段階で健全に増えているかを確認します。詳しく →の段数を決める担当が槽を選ぶときに比べる値です。比が大きい槽ほど少ない液量から培養を始められるため、手前の段を減らせる見込みが出ます。

ただし、⁠比が大きい槽を選んでも、種培養の段は自動では減りません。 少ない液量で槽が回ることと、そこで細胞が同じように育つことは、別の問題だからです。

この記事では、比が示すこと、段が自動では減らない理由、段の数を決める基準、自分の場合に何から確かめるかを順に説明します。

1. ターンダウン比が示すのは、槽の何なのか

最大作動容量（運転できる最多の液量）を最小作動容量（最少の液量）で割った値で、その槽を何Lから運転できるかを示します。 2,000 L の槽が 500 L まで落とせるなら4対1、100 L まで落とせるなら20対1です。

この数字が種培養で注目されるのは、段の数に関わるからです。種培養（シードトレイン）では、凍結した細胞を小さな培養容器から順に大きな槽へ移し、本培養種培養で増やした細胞を大型の培養槽に移し、目的物質を本格的に産生させる最終段階の培養です。栄養を追加しながら育てるフェドバッチが広く使われます。詳しく →に入れる量まで増やします。次の槽が少ない液量から始められるほど、手前の段から渡す量は少なくて済み、間の段を省ける見込みが出ます。

同じ 500 L 級でも、下限は機種でずいぶん違います。

• 4対1の例⁠：Sartorius の資料では、撹拌槽型のシングルユース使い捨ての樹脂製バッグや容器を用いる製造方式です。洗浄・滅菌の手間を減らせる一方、ステンレス設備と比べて特徴が異なり、目的に応じて選び分けます。詳しく →槽がどのスケールでも4対1で、500 L 機の最小は 125 L 前後です。
• 20対1の例⁠：Thermo Fisher Scientific の資料では、500 L 機が20対1で、最小は 25 L 前後です。

同じ大きさでも、始められる液量は5倍違います。差を生むのは、少ない液量でも撹拌が働くように軸と翼を配置したか、という槽の構造です。

ただし、カタログの下限は「制御が成り立つ量」です。撹拌の翼が液に浸かり、センサーのプローブが液面の下に入り、槽の底の散気管から出た気泡が酸素を渡せる最小の量を指します。満量のときと同じように細胞が育つ量、という意味ではありません。

比を見れば、その槽に何Lから入れられるかは分かります。そこで同じように育つかまでは分かりません。少ない液量では、何が変わるのか。

2. 重要：比が大きい槽でも、なぜ種培養の段は自動で減らないのか

最小の液量に近づくほど、酸素の入りと混ざり方が満量のときより落ちやすく、細胞が同じように育つとは限らないからです。 浅い液面で先に崩れるのは、この2つです。

浅い液面で落ちやすい2つのこと

培養中の細胞は、気泡から液に溶けた酸素を使って増えます。液への酸素の溶け込みやすさを表す値が kLa（酸素移動容量係数）で、気泡が液の中を上がるあいだに溶ける量が大きく効きます。液が浅ければ、気泡が液と触れている時間は短い。

もう一方の混ざり方は、加えた塩基やフィード（栄養を足す液）が槽全体で均一になるまでの時間、つまり混合時間添加した成分が槽内で均一になるまでの時間。大スケールほど延び、濃度勾配を生む。詳しく →で表します。液が浅いと流れの経路が短くて有利に見えますが、翼が作れる流れの量も減るので、条件によってはかえって延びます。

混合時間が延びると、加えた場所の近くで pH や栄養が一時的に偏ります。細胞は、その偏った場所を何度も通りながら育ちます。

カタログの値は下限の値とは限らない

メーカーが公表する kLa や混合時間は、満量に近い条件で測った値であることが多いものです。カタログの値を、そのまま下限での値と読むことはできません。

公表値がなければ、小さな系で自社の細胞株を使って確かめます（スケールダウンモデルの適格性評価）。比の数字が示すのは、運転できる液量の範囲までです。その範囲の端で細胞が育つかは、別のデータで裏づけが要ります。しかも、槽の側がそろっても、細胞の側に確かめることがもう1つ残っています。

3. 種培養の段の数は、槽と細胞のどちらの下限で決まるのか

槽の下限と、細胞の播種密度（培養を始めるときの細胞の濃さ）の下限の、両方で決まります。 槽が許しても、細胞が許さない場合があるからです。

手前の段が 20 L で、次の槽の最小が 100 L だとします。20 L の培養液を 100 L の槽に移せば、細胞の濃さはおよそ5分の1に薄まった状態から培養が始まります。播種密度が下がりすぎると増殖の立ち上がりが遅れ、その下限は細胞株によって違います。

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ここで効くのが、自社のシードトレインの拡大率です。1段で細胞を何倍に増やして次へ渡すかを表す数字で、次の槽の最小に合わせて大きく薄めるほど、手前の段で細胞を濃くまで増やしておく必要があります。比が20対1でも、手前の段との組み合わせで播種密度が下限を割れば、中間の段は要るままです。

本培養の1つ手前の段で培地細胞を体外で生存・増殖させるために必要な栄養・エネルギー源・成長因子などを含む液体または固体の環境基盤。詳しく →を入れ替え続け、細胞を濃く増やしてから渡す方法もあります。この N-1灌流 なら渡す種が濃いので、播種密度の下限が効く場所が変わります。

スケールをまたいで槽をそろえるなら、比がそろっているかも基準に入ります。50 L 機が10対1、500 L 機が20対1のように比が違うと、小さい槽で決めた下限近くの条件は、大きい槽ではもっと浅い液面にあたります。

段の数は、槽の比だけでは決まりません。細胞株の播種密度の下限と拡大率を並べて計算して、初めて決まります。段を見直すときは、槽の資料と自社の培養データを両方そろえてから判断します。

参考文献

• Thermo Fisher Scientific, Streamlining seed train scale-up through utilization of the HyPerforma DynaDrive S.U.B. turn down ratio（Application Note）
• Thermo Fisher Scientific, HyPerforma DynaDrive S.U.B. 500 L 製品資料（10対1の50 L機と20対1の500 L機）
• Sartorius, Biostat STR 製品情報（各スケールの作動容量とターンダウン比）