サマリー

はじめに

2023年に「微生物、動物/植物細胞を培養するバイオリアクター：設計とスケールアップの基礎―実習用ExcelテンプレートCD-ROM付―」を出版させて頂きました。バイオリアクターの設計とスケールアップについて具体的な計算を添付したExcelテンプレートを使用して理解して頂く本です。今回、「医薬・医療における臓器・組織培養のためのバイオリアクターの設計とスケールアップ」のタイトルで、医療/医薬分野で課題となっている細胞・組織の大量培養のためのバイオリアクターの設計/スケールアップを中心テーマとして大幅な改訂をしました。この分野では、数多くの研究はされていますが、定量化のための速度解析とシミュレーションの知見は非常に少ないのが現状です。バイオリアクターの設計/スケールアップには、細胞培養の速度解析と共に回分培養、流加培養、灌流培養のシミュレーションは非常に重要です。数多くのシミュレーションのテンプレートを添付しました。実際の計算に利用できます。

第1章では、医薬・医療における臓器・組織バイオプロセスにおけるバイオリアクターの概要について解説しました。第2章では、バイオリアクターの設計の基礎となる酵素と細胞の生物反応速度論について解説しました。第3章では、バイオリアクターの操作法について、バイオプロセスで最近注目され広く使われている流加培養操作と灌流培養操作を中心に例題を含めて具体的に解説しました。第4章では、バイオリアクターの設計とスケールアップの計算法について代表的なバイオリアクターである撹拌槽の設計計算に使う相関式を含めて詳しく解説しました。実際の設計計算について例題を使って具体的に解説しました。第5章では、医療・医薬分野におけるバイオリアクターについて解説しました。ワクチンの製造、細胞治療、再生医療におけるバイオリアクターのシミュレーションを例題を使って具体的に解説しました。第6章では、最近医薬分野で使用が増えているシングルユースバイオリアクターについて解説しました。第7章では、今後の医薬・医療における臓器・組織培養バイオリアクターの展開について解説しました。合成生物学、AIの活用について解説しました。付録では、Excelを使って問題を解く際に使用するExcelのツールであるゴールシークとソルバーの使い方に加えて、プロセスシミュレーションで使用する常微分方程式の数値計算法であるオイラー法とルンゲ‐クッタ法についてそれぞれ簡単な例題を使って解説しました。

Excelによるバイオリアクターの設計/スケールアップ計算とシミュレーションの数多くの例題を付けて分かり易く解説しました。添付してあるCD-ROMに収められているExcelテンプレートファイルを使い実習することにより、医薬・医療における臓器・組織培養のためのバイオリアクターの設計とスケールアップの理解を深めて下さい。テンプレートには実習シートの他に解答シートが付いていますので、それを参照にしながら実習し本書の内容を具体的に理解できるようになっています。
 

■　発　　行：2026年3月17日
■　著　　者：川瀬 義矩
■　編集発行：（株）シーエムシー･リサーチ

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目次

医薬・医療における臓器・組織培養のためのバイオリアクターの設計とスケールアップ
―設計/スケールアップ、プロセスシミュレーションのExcelテンプレート(CD-ROM)付―
Bioreactor Design and Scale-up for Organ and Tissue Cultures in Medicine and Medical Treatment − with Excel Templates for Design/Scale-up and Process Simulation −

目次

第1章　医薬・医療における臓器・組織培養バイオリアクター

1.　医薬・医療における臓器・組織培養バイオプロセス
　1.1　臓器・組織培養バイオリアクター
　1.2　細胞培養バイオリアクター
2.　医薬・医療における臓器・組織培養バイオリアクターの実例
　2.1　微生物培養バイオリアクター
　2.2　動物細胞培養バイオリアクター
　2.3　植物細胞培養バイオリアクター
　2.4　固定化細胞バイオリアクター
引用文献

第2章　医薬・医療における臓器・組織培養の反応速度解析

1. 酵素反応の反応速度：ミカエリス・メンテン式
　1.1　ミカエリス・メンテン式
　1.2　反応速度定数の決定
2. 細胞増殖反応の反応速度：モノー式
　2.1　反応速度式
　2.2　基質消費速度
　2.3　酸素消費速度
　2.4　代謝産物生成速度
3. 阻害反応
　3.1　阻害の種類
　3.2　細胞増殖の阻害
4. 反応速度定数の決定
5. 固定化酵素/細胞の反応速度
6. 発酵（代謝）熱
　6.1　反応速度定数と温度
　6.2　代謝熱の計算
引用文献

第3章　医薬・医療における臓器・組織培養バイオリアクターの操作法

1. バイオリアクターの操作法とシミュレー ション
2. 回分操作
3. 反復回分操作
4. 流加培養（半回分操作）
5. 連続操作
　5.1　ケモスタット
　5.2　連続操作バイオリアクターの設計式
　5.3　灌流操作（リサイクル流のあるケモスタット）
6. 実際のバイオリアクター内の混合
引用文献

第4章　医薬・医療における臓器・組織培養バイオリアクターの設計とスケールアップ

1. 医薬・医療における臓器・組織培養バイオリアクター
2. 撹拌槽型バイオリアクターの設計
　2.1　撹拌槽型バイオリアクター設計における重要なパラメーター
　2.2　撹拌槽型バイオリアクター設計計算例
3. 固定化酵素/細胞バイオリアクターの設計
4. 撹拌槽型バイオリアクターのスケールアップ
　4.1　スケールアップのパラメーター
　4.2　相似則・スケールアップ計算
5. CFD（数値流体力学）を利用した設計とスケールアップ
引用文献

第5章　医薬・医療分野のバイオリアクター

1. ワクチン製造のバイオリアクター
2. 細胞治療のバイオリアクター
3. 再生医療のバイオリアクター
4. オルガノイド
5. 灌流培養プロセスの開発とスケールアップ
引用文献

第6章　シングルユースバイオリアクター

1. 医薬・医療における臓器・組織培養シングルユースバイオリアクター
　1.1　波動バイオリアクター
　1.2　振盪フラスコ
　1.3　スピナーフラスコシングルユースバイオリアクター
　1.4　固定床シングルユースバイオリアクター
2. シングルユースバイオリアクターによる細胞培養
引用文献

第7章　医薬・医療における臓器・組織培養バイオリアクターの展開

1. 分子生物学による展開
　1.1　合成生物学
　1.2　精密発酵
　1.3　システム生物学
　1.4　セルフリー
2. 臓器・組織培養バイオリアクターにおけるAIの活用
　2.1　ソフトセンサー
　2.2　ハイブリッドモデル
　2.3　バイオリアクターの設計/スケールアップにおけるAI
　2.4　デジタルツイン
引用文献

付録1　Excelゴールシークとソルバーの使い方

1. 収束計算の設定
2. ゴールシークの使い方
3. ソルバーの使い方
　3.1　ソルバーのアドイン
　3.2　ソルバーのオプションの設定

付録2　オイラー法とルンゲ-クッタ法（常微分方程式の解法）

索引