バイオテクノロジーにおける流量測定

プロセスの核となるバイオリアクター

簡単に言えば、バイオリアクターとは生物学的プロセスが行われる容器のことである。バイオリアクターは、単純な手動制御か、より複雑で完全自動化されたPLC制御のいずれかを備えている。通常、バイオリアクタープロセスはバッチプロセスであり、開始から収穫までの時間はキャンペーンと呼ばれる。

バイオリアクターの大部分は、所望の生物学的合成を行うために、細菌、酵母、または細胞を増殖させるためのガスや栄養素を供給する必要がある。これらの添加剤は通常、数日から数週間にわたって連続的に添加される。フローコントローラーは、バイオリアクターのプロセス制御において非常に重要な役割を果たします。細菌培養でも細胞培養でも、体積流量の違いは大きい。

細胞培養を含むプロセスのキャンペーンは、収穫までに3〜4週間かかることもあるが、細菌培養を含むキャンペーンは数日で終わることが多い。

この間、安定した方法でプロセスを実施することは難題であり、したがって、気体や栄養素を正確に投与することが非常に重要である。細菌培養でも細胞培養でも、体積流量の差は大きい。添加剤の投与は、微生物や細胞培養と競合する可能性のある不要なバクテリアの混入を防ぐため、無菌状態で行われる。

つまり、バイオリアクター・プロセス、特に流量制御においては、信頼性と再現性が 鍵となる。

バイオリアクター・プロセスの概略

図は、バイオリアクターにおける細菌培養の理想的な増殖曲線を示している。

フローコントローラーを用いたバイオリアクターの曝気

バイオリアクターの曝気に一般的に使用されるガスは、空気、O2（酸素）、N2（窒素）、CO2（二酸化炭素）である：空気、O2（酸素）、N2（窒素）、CO2（二酸化炭素）である。N2は酸素センサー(pO2)の校正と、プロセス開始時にバイオリアクター内のO2含有量を減少させるために使用されます。バクテリアや細胞の数が多ければ多いほど、必要なO2量も多くなります。CO2は液相の酸性度（pH）を調整するために使用される。バイオリアクターは通常、懸濁液中の酸素分圧pO2とpHをチェックすることで制御される。

細胞が酸素やその他の物質を取り込むのは、すべて液相で行われる。したがって、酸素は液体中に存在しなければならない。これを確実にするために、酸素を-おそらくは空気の成分として-可能な限り小さな泡で添加することが試みられる。液体を攪拌することで、添加した酸素を分散・拡散させることができる。

バイオリアクターの歴史

第二次世界大戦中、負傷兵の治療にペニシリンを使用する利点が発見されたときである。その時、微生物学的プロセスでバクテリアを使用することが、従来の化学合成に比べて有利であることを発見したのである。化学合成では多くの副生成物が発生し、その中には目的の物質そのものよりもはるかに大きな割合のものさえある。

しかし、生物学的合成では、目的物質の収率ははるかに高くなる。さらに、この合成法では分離方法がより単純になることが多い。その上、ヒトや動物の細胞と同様、バクテリアも従来の化学合成では困難な、あるいはアクセス不可能な特定の物質を合成する。

過去20年間で、細菌株を単離するための強力なプロセスやその他の遺伝子技術的手法により、私たちは、目的物質を特異的、選択的かつ効率的に合成するという、開発された目的にかなう菌株を生産、単離、増殖することができるようになった。ほとんどの場合、これらの合成はいわゆるバイオリアクターで行われる。

バイオリアクターの応用

バイオリアクターには、様々な用途に適した様々なサイズと形状のものがあります。容量が数ミリリットルの最小のリアクターから、最大100 m³の大型バイオリアクターまである。経験則として、酸素流量は細胞培養の場合、毎分作業量の0.1～0.15倍、バクテリア培養の場合は最大2倍と仮定できる。

バイオリアクターの応用

食品・飲料業界

バイオリアクターは、発酵を目的とした食品や飲料の製造に使用される。たとえばヨーグルト。これはバイオリアクターで牛乳を発酵させて製造される製品だ。ヨーグルトの培養菌は乳酸菌である。あるいはビール...ビール醸造工程では、糖をアルコールに変換するために酵母細胞が使用される。バイオリアクターのアプリケーションの2つの例。微生物が食品生産に利用されるようになってからすでに長い年月が経過しているが、20世紀後半からバイオテクノロジーが急速に普及した理由は何だろうか？

医薬品の開発と生産

バイオテクノロジーは、幹細胞の増殖だけでなく、医薬品の開発や生産においてもますます重要になってきている。どちらも医療に使用される。市場投入までの時間、コスト削減、安定した製品品質は、医薬品有効成分の設計と製造において非常に重要である。そのため、バイオリアクターの信頼性と、小型から大型までのプロセスのスケールアップの可能性が非常に望まれています。

バイオベースの化学物質とプラスチック

バイオテクノロジー応用の他の例としては、バイオベースの化学薬品やプラスチックがある。研究者たちは、酵素や微生物の力を借りて有機材料から作られる再生可能なプラスチックの研究に取り組んでいる。おもちゃや自動車部品、ペットボトルの代替品など、バイオベースのプラスチックにはすでに魅力的な例がある。バイオ化学生産の具体例としては、微細藻類と太陽光を利用してCO2を変換する方法がある。

持続可能なエネルギー

持続可能なエネルギーへの移行は、バイオリアクターの使用を後押しするもうひとつの原動力である。バイオガスやバイオ燃料は、バイオメタン、バイオエタノール、バイオディーゼルという形で、家庭、産業、輸送のエネルギー供給において人気を集めている。ガスや燃料は、糞、汚泥、有機廃棄物、牧草、トウモロコシ、サトウキビなどの有機物を発酵させた結果として作られる。発酵タンクは38～40℃に保たれ、撹拌されているが、これがバイオリアクターである。