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

簡単に言うと、バイオリアクターとは生物学的プロセス（生体反応）が行われる反応容器のことです。バイオリアクターには、シンプルな手動制御、またはより高度で完全に自動化されたPLC制御のいずれかが備わっています。一般的にバイオリアクターのプロセスはバッチ処理で行われ、培養の開始から回収（ハーベスティング）までの期間は「キャンペーン」と呼ばれます。

目的とする生物学的合成を進行させるため、大半のバイオリアクターには、細菌や酵母、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ります。これらの添加物は通常、数日から数週間にわたって連続的に供給されます。バイオリアクターのプロセス制御において、流量コントローラは極めて重要な役割を果たします。なお、細菌培養と細胞培養とでは、必要となる体積流量に大きな違いがあります。

細胞培養のプロセスでは回収までのキャンペーン期間が3〜4週間に及ぶことがあるのに対し、細菌培養のキャンペーンは数日間で完了することが一般的です。

この長期間にわたってプロセスを安定的に維持することは容易ではないため、ガスや栄養素を正確に供給（ドージング）することが非常に重要になります。前述のとおり、細菌培養と細胞培養では体積流量が大きく異なります。また、培養中の微生物や細胞と競合する不要な雑菌の混入（コンタミネーション）を防ぐため、これらの添加物の供給はすべて無菌状態で行われます。

つまり、バイオリアクターのプロセス、とりわけ流量制御においては、「信頼性」と「再現性」が成功の鍵となります。

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。

流量コントローラを用いたバイオリアクターの通気（エアレーション）

バイオリアクターの通気（エアレーション）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）です。N₂は、溶存酸素センサー（pO₂）の校正や、プロセス開始時にバイオリアクター内の酸素濃度を下げる目的で使用されます。細菌や細胞の数が増えるほど、より多くのO₂が必要になります。CO₂は、液相の酸性度（pH）を調整するために使用されます。通常、バイオリアクターは懸濁液中の酸素分圧（pO₂）とpHを監視することで制御されます。

細胞による酸素やその他すべての物質の取り込みは、液相内で行われます。そのため、酸素は液体中に溶け込んでいる必要があります。これを確実にするため、酸素（多くの場合、空気の成分として）をできる限り微細な気泡にして供給する工夫がなされます。また、液体を撹拌（かくはん）することで、供給された酸素の分散と拡散が促進されます。

バイオリアクターの歴史

医薬品における微生物由来物質の研究と最初の生産は、負傷兵の治療にペニシリンを使用することの有効性が発見された第二次世界大戦中に始まりました。当時、従来の化学合成と比較して、微生物プロセスに細菌を利用することには大きな利点があることが見出されました。化学合成では多くの副産物が生成され、場合によっては目的とする物質そのものよりもはるかに高い割合で副産物が生じることがあります。

一方、生物学的合成（生合成）では、目的物質の収率がはるかに高くなります。さらに、この合成法は分離精製の手順がよりシンプルであるという利点も備えています。加えて、細菌やヒト・動物の細胞は、従来の化学合成では製造が困難、あるいは不可能な特定の物質を合成することができます。

過去20年間で、菌株を単離する高度なプロセスやその他の遺伝子工学技術が大きく発展したことにより、開発目的に合わせて「目的物質を特異的、選択的、かつ効率的に合成する菌株」を作り出し、単離・増殖させることが可能になりました。そして、こうした合成のほとんどは「バイオリアクター」と呼ばれる装置内で行われています。

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ります。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倍と仮定できます。

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、食品や飲料の製造において発酵のプロセスに広く活用されています。たとえば、ヨーグルトがその一例です。これは、バイオリアクター内で牛乳を発酵させて作られる製品であり、ヨーグルトの種菌（スターター）には乳酸菌が用いられています。また、ビールも同様です。ビールの醸造プロセスでは、糖分をアルコールに変換するために酵母細胞が使用されています。これらはいずれもバイオリアクターの身近な活用例です。このように微生物は古くから食品製造に利用されてきましたが、20世紀後半以降、バイオテクノロジーがこれほどまでに急速な普及と発展を遂げた理由は何なのでしょうか？

医薬品の開発と製造

バイオテクノロジーは、医薬品の開発や製造、さらには幹細胞の増殖においても重要性を増しており、これらはいずれも医療分野で活用されています。医薬品有効成分（API）の設計および製造においては、市場投入までの期間短縮、コスト削減、そして一貫した製品品質の維持が極めて重要です。そのため、バイオリアクターには高い信頼性とともに、小型のバイオリアクターから大型のものへとプロセスをスムーズにスケールアップできる拡張性が強く求められています。

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のその他の応用例として、バイオベースの化学品やプラスチックが挙げられます。現在、酵素や微生物の働きを利用して有機原料から作られる再生可能プラスチックの研究が進められています。すでに、玩具や自動車部品、ペットボトルの代替品など、魅力的なバイオベースプラスチックの製品が実用化されています。また、バイオ化学品製造の具体例としては、微細藻類と太陽光を利用してCO₂を変換する技術などがあります。

持続可能なエネルギー

持続可能なエネルギーへの移行も、バイオリアクターの活用を後押しする大きな要因です。バイオメタン、バイオエタノール、バイオディーゼルといった形のバイオガスやバイオ燃料は、家庭用・産業用・輸送用のエネルギー供給源として普及が進んでいます。これらのガスや燃料は、家畜の排泄物、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ることで生成されます。38〜40℃の温度に保たれ、撹拌（かくはん）が行われるこの発酵タンクも、実質的にはバイオリアクターの一種です。