JP2004261659A - Mixing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、培養液、塗料、薬剤液、油、水等の流動体材料を均一に混合させる混合装置に関し、特に、生化学反応、微生物反応その他の各種反応の促進等に利用できる混合装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
混合操作は、化学工学等において不可欠な操作の一つである。すなわち、食品、化粧品、医薬、製薬、塗料等の現場において、反応・抽出・吸収・混合などの広域な用途に利用されている。好気性微生物培養用バイオリアクターにおいても、通気を目的とした混合操作が利用されている。
【0003】
一般に混合は、目的あるいは過程を意味し、混合を達成する方法あるいは操作は、通常粘度の流体を対象とする場合、攪拌と呼ばれる。攪拌操作には、バッチ式攪拌と連続式攪拌とがあるが、以下では、主にバッチ式攪拌について述べる。
【0004】
攪拌(特に高粘度液攪拌)において重要な点は、容器内の流動状態であり、処理液をいかに容器全体に移動させ、分散させるかにある。この場合、混合物の物性、すなわち粘性、比重、表面張力、湿潤性などの影響をうけ、このうち最もいちじるしい影響を及ぼすのが流体の粘性特性である。
【0005】
現在、各分野で行われているバッチ式攪拌操作で扱う液は低粘度から高粘度のものまで非常に種類が多い。低粘度液撹拌の場合は、翼径が小さくても、槽壁に邪魔板を3〜4枚設置することにより局部の流動で全体を十分動かすことができる。攪拌翼としては、プロペラ翼、傾斜パドル、ディスクタービン翼などが用いられている。一方、高粘度液攪拌の場合には粘度の影響により、翼からの吐出流が槽全体に行き渡らず循環数がいちじるしく低下するため、翼径、翼巾とも大きく、槽径と翼径の比は大きくするのが原則となっている。攪拌翼としては、ヘリカルリボン翼、アンカー翼などが用いられる。
【0006】
上記のとおり、低粘度攪拌操作と高粘度攪拌操作とでは最適な翼形状、翼径、回転数などが異なり、槽としても邪魔板要/不要の差異がある。しかしながら、各分野での攪拌操作には、粘度がほぼ一定であることはまれで、攪拌操作が進行するにつれて、低粘度から高粘度、あるいは、高粘度から低粘度に移行するのが一般的である。
【0007】
低粘度から高粘度へ移行する場合は、固体チップや粉体を巻き込み、溶解する操作に主眼をおき、槽内に速やかに粉体などを分散させるため、高速回転型の攪拌装置を使用する場合が多い。一方、高粘度から低粘度へ移行する場合は、初期の高粘度状態で槽内全体が流動する攪拌装置が望ましく、低速でもデッドスペースのないような大型翼を取付ける。
【0008】
このように粘度の変化に応じて攪拌装置を適宜選択する必要があり、また、一台の攪拌装置でマルチ的に攪拌操作をしたい場合は、高・低速組合せ攪拌装置(低速型の槽内全体流動と高速型の高分散性を取りいれたもの)や、複合回転式攪拌装置(一軸正逆回転のダブルモーション型、二軸でのプラネタリーモーション型、往復回転型等)といった複合型装置を導入する必要があった。
【0009】
なお、以下の特許文献1には、攪拌器を備えた液体混合装置が記載されている。また、非特許文献1には、好気性微生物培養用バイオリアクターの基本的形式として、攪拌羽根を備えた通気かくはん槽が記載されている。
【0010】
【特許文献1】
特開平6−210209号公報
【非特許文献1】
清水祥一・山根恒夫著「未来の生物化学シリーズ(12)バイオリアクターシステム」、共立出版株式会社、1987年、p.81−83
【非特許文献2】
「別冊ケミカルエンジニアリング 第2巻 第1号 工場操作シリーズ 攪拌・捏和・混合編」、株式会社化学工学社、昭和43年、p.1,p.24−28
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような複合型装置は、高価であり、また、翼形状が複雑なため洗浄等に手間がかかる。
【0012】
また、攪拌翼を用いた攪拌操作においては、攪拌軸を中心とする混合物の自由表面から空気が巻き込まれる。特に高速回転では自由表面にボルテックス(渦巻き)が発生し、かなりの空気が混合物内に混入する。これらの空気を追い出したい場合、なんらかの脱泡操作が必要となるが、一般に、脱泡は、混合物が低粘度の場合であっても時間がかかるし、混合物が高粘度になった場合は、時間をかけても非常に困難である。
【0013】
また、バイオリアクターは、雑菌汚染の防止等のため、定期的に洗浄・殺菌をする必要があるが、攪拌羽根を備えた通気かくはん槽型の場合、内部構造が複雑なため、装置内の洗浄が不十分となり、雑菌汚染されやすい。
【0014】
本発明の目的は、攪拌翼を設ける必要がない混合装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る混合装置は、流動体材料を収容するための容器と、当該容器内に流動体材料を吐出する流動体吐出口、当該流動体吐出口に連通する流動体供給口、前記流動体吐出口の前方に気体の高速渦流を形成するように前記流動体吐出口の周囲に形成された気体噴射口、及び、当該気体噴射口に連通する気体供給口を有するノズルと、前記ノズルの前記気体供給口へ前記気体を供給する気体供給手段と、前記容器内の流動体材料を、前記ノズルの前記流動体供給口へ供給する流動体循環手段とを備え、前記ノズルの前記流動体供給口へ供給された流動体材料は、前記ノズルの前記流動体吐出口から吐出され、前記気体の高速渦流によって破砕されて均一な混合状態となって前記容器内に噴出されることを特徴とする。
【0016】
この場合において、前記ノズルの前方に、当該ノズルから噴出された流動体材料の運動エネルギーを低減させる低減手段(例えば、蛇管)を更に備えるようにしてもよい。
【0017】
また、前記容器が、前記ノズルによって容器内に放出された前記気体を容器外に排出する排気手段(例えば、フィルター)を備えるようにしてもよい。
【0018】
また、前記容器内に流動体材料を投入するため、当該流動体材料を前記ノズルの前記流動体供給口へ供給する流動体供給手段を更に備えるようにしてもよい。
【0019】
この場合、前記流動体供給手段が、1種類の流動体材料を前記ノズルの前記流動体供給口へ供給するようにしてもよいし、複数の流動体材料を所定の比率で混在させて、前記ノズルの前記流動体供給口へ供給するようにしてもよい。
【0020】
また、前記流動体供給手段は、複数の流動体材料を供給する場合、前記比率を調節する流量調節手段を備えるようにしてもよい。
【0021】
上記混合装置は、前記容器内で所定の反応が進行する反応器(例えば、バイオリアクター)として利用することもできる。更に、前記バイオリアクターが、好気性微生物培養用バイオリアクターの場合は、前記ノズルの前記気体供給口へは、酸素を含む気体(例えば、空気)を供給するようにしてもよい。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【0023】
図1は、本発明による混合装置の全体構成を示す図である。本混合装置は、複数の流動体材料を混合しつつバッチ槽(容器)内に投入し(仕込み)、更に、投入完了後においても、バッチ槽内での所定の反応の促進等のために混合物の(再)混合を行えるものとして構成されている。
【0024】
同図に示すように、本混合装置は、バッチ槽10と、複数の原料タンク20a、20bとを備える。
【0025】
バッチ槽10は、原料タンク20a、20bから投入される流動体材料を収容する容器であり、バッチ槽10内では、投入された流動体材料を用いた反応が行われる。
【0026】
同図に示すように、バッチ槽10には、流動体材料を槽内に投入するためのノズル16が設けられている。また、バッチ槽10は、槽内の空気を排出するためのフィルター付き排気口14を備える。
【0027】
原料タンク20aは、流動体材料21aを貯蔵するための流動体材料タンクであって、密封可能な耐圧容器として構成されていて、混合を開始するのに先だって所定の開口蓋(不図示)を開いて内部に適量の流動体材料21aを注入してから同開口蓋を密閉しておく。本混合装置には、この原料タンク20aと同じ構成の原料タンク20bが備えられていて、所定の反応に必要な別の流動体材料21bが収容される。
【0028】
原料タンク20aには、同タンクの外部から内部へと同タンクの壁面を貫通するようにして流動体給送管22aが取付けられており、流動体給送管22aの末端部が原料タンク20aの内部底面付近に達するように配置され、同末端部にはストレーナ23aが取付けられている。流動体給送管22aは、流量調節手段としての電磁可変絞り弁24aを介して流動体給送管25に結合されている。同様に、原料タンク20b内部から伸びる流動体給送管22bが、電磁可変絞り弁24bを介して、流動体給送管25に結合されている。流動体給送管25の先端は、ノズル16の流動体供給口に接続される。
【0029】
流動体給送管25から供給された流動体材料は、ノズル16を介して、バッチ槽内10に送り込まれる。また、ノズル16には、気体供給手段としての空気供給管61も結合されており、圧縮空気が供給される。空気供給管61には、上流側へ向かって順次、空気圧センサ62,圧力調節弁63,圧縮空気リザーバ64が結合されている。
【0030】
図1に示すように、本混合装置はコンプレッサ69を備える。コンプレッサ69は圧縮空気を発生させるためのもので、その圧縮空気出力は圧力配管68へと吐出された後、圧力配管26a,26b,66へと分岐される。圧力配管26a、26bは、それぞれ原料タンク20a、20b内部の上部空間に圧縮空気を導入するための配管であって、配管の途中には電磁弁27a、27bが設けられていると共に、原料タンク20a、20bの上部空間の内部の空気圧力を検出するための空気圧センサ28a、28bが備えられている。圧力配管66は圧縮空気リザーバ64に圧縮空気を導入するための配管であって、配管の途中には電磁弁67が備えられていると共に、圧縮空気リザーバ64の内部の空気圧力を検出するための空気圧センサ65が備えられている。
【0031】
詳細については後述するがノズル16の先端部分には流動体供給口に連通している流動体吐出口と、その周囲に形成されている気体噴射口とが設けられている。流動体給送管25を介してノズル16の流動体供給口に供給された2種類の流動体材料21a、21bは未だ均一に混合されてはいない混在状態にてノズル16の流動体吐出口から吐出されるが、ノズル16の前方には気体噴出口から噴出された空気の高速渦流が形成されていて、混在状態で吐出された流動体材料21a、21bはこの高速渦流によって微粒子状に破砕され、渦流の流れに伴なって互いに均一に混じり合った状態となった噴霧状の混合物としてバッチ槽10内へ噴出される。
【0032】
ノズルから噴出された噴霧状の混合物は円錐形状の末広がりに拡散して広い面積に放出されるが、この噴霧状の混合物は通常、非常に高い運動エネルギーを持っているので、そのままバッチ槽10内へ放出すると、微粒子状の混合物がバッチ槽10内を漂い、なかなかバッチ槽10の底の方へ下降していかない。この霧状を抑え、混合物と空気とを分離させるためには、運動エネルギーを低減させる必要がある。そのため、本混合装置では、ノズル先端に蛇管12を取付け、ノズル16から噴出された噴霧状の混合物を通過させることで運動エネルギーを低減させる。蛇管12を通過することによって運動エネルギーを低減された混合物13は、蛇管12の吐出口からバッチ槽10に滴下される。また、蛇管12の吐出口から放出された空気は、フィルター14を通過してバッチ槽10の外に排出される。フィルター14は、空気のみを通過させ、混合物は通過させない。
【0033】
以上述べたように本混合装置では、ノズル16の流動体供給口へ供給された流動体材料が、流動体吐出口から吐出された直後にノズル前方の気体の高速渦流によって破砕されて微粒子化されることによって均一な混合状態となる。このようにしてバッチ槽10内に仕込まれた混合物は、凝集が起こりにくく、通常、二次的な攪拌操作は不要となる。
【0034】
図1に示すように、本混合装置は、流動体循環手段として、バッチ槽10と流動体給送管25とを電磁弁19を介して結合する再供給管18を備える。つまり、電磁弁19を開くことで、バッチ槽10と流動体給送管25を結ぶ管路を形成することができ、バッチ槽10内の混合物をノズル16の流動体供給口に(再)供給することが可能になる。ノズル16の流動体供給口に供給された混合物は、ノズル16によって微粒子化され、均一に分散されてバッチ槽10内に戻される。
【0035】
このように本混合装置では、流動体材料をバッチ槽10内に仕込む時に混合を行うだけでなく、バッチ槽10内に仕込んだ後に、必要に応じて、再混合することが可能である。
【0036】
なお、本混合装置では、ノズル16に供給される圧縮空気によって生じる負圧により、バッチ槽10内の混合物を循環させるが、バッチ槽10内の混合物の粘度が高い場合等には、再供給管18にポンプを設けるようにしてもよい。
【0037】
また、このような再供給管18及びノズル16を介したバッチ槽10内の混合物の循環は、バッチ槽10内で行われる反応等によって混合物内に泡が発生する場合に、混合物の脱泡を行うのに利用することができる。すなわち、ノズル16を通過させることによって、泡を含んだ混合物は微粒子状に破砕されるので、結果として脱泡効果が得られることになる。
【0038】
また、本混合装置をバイオリアクターとして利用した場合、再供給管18及びノズル16を介した循環は、培養促進のために利用することができる。例えば、従来の好気性微生物培養用バイオリアクターでは、好気性微生物の呼吸や基質の微生物酸化に必要な酸素の供給には、槽内に空気を吹き込みながら攪拌する方式が広く用いられているが、攪拌翼による菌の破壊が起こりやすいため攪拌速度の選定、攪拌翼の形状の選定が目的に応じて行われなければならない。
【0039】
本混合装置によれば、培養液を空気で引込み、ノズル16の前方に形成される高速渦流により微粒子状に破砕するので、機械的せん断は起こらず、極小粒径で空気に触れるため、空気に接触する面積が格段に増大する。これにより菌培養速度を格段に向上させることができる。
【0040】
更に、光合成を目的とする場合は、バッチ槽10内に防水処置を施した蛍光灯を設置し、蛇管12から滴下される混合物に蛍光灯を照射するようにすれば、攪拌翼による攪拌操作での蛍光灯照射の場合と比べて、照射効率を向上させることができる。
【0041】
なお、嫌気性微生物の培養では、ノズル16に供給する気体として、空気のかわりに、窒素ガスや二酸化炭素ガスを用いることが考えられる。
【0042】
図1に示すように、本混合装置は制御部30を備える。制御部30は、本混合装置の動作を制御するもので、空気圧センサ28a、28b、62及び65の出力を監視して、電磁可変絞り弁24a、24b及び電磁弁27a、27b、67の電磁駆動などを制御する。制御部30は、例えば、中央処理装置(CPU)、メモリ及び各種インタフェース回路等から構成される。また、制御部30には、必要に応じて、CRTやLCDなどの表示装置や、キーボードなどの入力装置が接続される。
【0043】
図1に示すように、本混合装置においては、バッチ槽10の外周に加熱・冷却用ジャケット70を設けている。加熱・冷却用ジャケット70は、一定環境下での操作を可能にするものであり、所定温度にコントロールされた恒温水槽71内の熱媒をポンプ72により、電磁弁73及び給水管74を介して、加熱・冷却用ジャケット70の給水口75に送り込み、ジャケット70内を循環させた後、排水口76よりジャケット70外に排出し、給水管77を介して恒温水槽71に戻す。
【0044】
なお、本混合装置では、流動体材料はノズル16を介してバッチ槽10内に送り込まれる際、微粒子化されて空気と接触するので、空気に接触する面積が増大することになり、その結果、通常冷却されることになる。従って、例えば、バッチ槽10内で進行する反応によって発熱が生じ、バッチ槽10内の流動体材料の温度が上昇するような場合、バッチ槽10内の流動体材料を再供給管18及びノズル16を介して循環させることで、流動体材料を冷却することができる。また、本混合装置では、攪拌翼を設ける必要がなく、その結果、攪拌翼による攪拌操作で発生しがちな発熱がないので、ジャケット等による温度制御が容易になる。
【0045】
次に、図2及び図3を参照してノズル16の構造について説明する。図2(a)はノズルの平面図、同図(b)はノズルの断面図、図3はノズルの正面図である。
【0046】
図2に示すように、ノズル16は、略円筒状の中空のケーシング41の内部に略円筒状の中子42を挿入してねじ込んだ構造になっている。ケーシング41はステンレス鋼や黄銅などの金属材料を機械加工して作製されており、その先端にはノズル16の中心軸線Aと中心が一致した横断面が円形である開口孔43が形成されていて気体噴射口60(図3参照)の外側輪郭を形成している。ケーシング41の側面にはノズル16の中心軸線Aに対して垂直な軸線を有するようにして気体供給口としての孔44が穿設されている。この孔44の内周面には雌ネジ溝が切られていて空気供給管61である配管45を螺入して結合できるようになっている。ケーシング41の内面における基端部には雌ネジ溝46が形成されていると共に、そのさらに基端方向の部分にはやや内径の大きくなった段差部47が形成されている。またケーシング41の先端部における外面には雄ネジ溝48が形成されていて、ノズル16を取付けるための固定ナット49を螺着できるようになっている。
【0047】
中子42は、前述のケーシング41と同一の又は異なる金属材料を機械加工して作製されており、その中心軸線Aに沿って内部はくり抜かれて中空になっている。また、その外径はケーシング41の中空の孔にぴったりと嵌入するような寸法になっていて、長手方向の略中央部付近の外径はやや細く形成されて、ケーシング41の内面との間において円環筒状の空間50が残されるようになっている。この空間50は前述のケーシング41に設けられた孔44に連通していて、孔44を介して圧縮空気などの気体が導入される。中子42の基端部よりもやや手前の外周には雄ネジ溝51が切られていて前述の雌ネジ溝46と螺合して中子42をケーシング41の内部に固定する。また同ネジ溝51よりもさらに基端側の部分はやや大径になっていて、前述の段差部47との間にてO−リングシール52を挟持して前述の空間50の気密性を確保している。中子42の基端部の孔53の内径には雌ネジ溝が切られていて流動体給送管25の先端部の配管54を螺入して結合する。中子42の先端部には、基端部の流動体供給口としての孔53から内部の中空空間を通って連通してなる流動体吐出口としての孔55が開口していて、その周囲の略円錐形状の膨大部分はスパイラル形成体56として形成されている。そして、スパイラル形成体56の先端面とケーシング41の先端の内面との間には渦流室57が形成されている。渦流室57を構成している中子42の先端端面58は、前述のケーシング41の開口孔43との間にて隙間を有していて、これが気体噴射口60を構成する。
【0048】
図3に示すノズル16の正面図を参照すると、中心に円形の流動体吐出口としての孔55が配置され、その周囲に環状の気体噴射口60が配置されている。この気体噴射口60は、ケーシング41の内部に配置されてなるスパイラル形成体56の円錐面に形成された渦巻状に延在する複数本の旋回溝59に連通している。
【0049】
気体供給口としての孔44から供給された圧縮空気などの気体は、空間50を通過して、スパイラル形成体56に形成されている断面積の小さい旋回溝59を通り抜ける際に圧縮されて高速気流となる。この高速気流は渦流室57の内部で渦状の旋回気流となって、絞られた円環状の気体噴射口60から噴射されてノズル16の前方に気体の高速渦流を形成する。この渦流はケーシング41の先端に近接した前方位置を焦点とするような先細りの円錐形に形成される。
【0050】
このとき、流動体供給口としての孔53には流動体材料が配管54を経由して供給される。孔53から中子42の中空部分を通って流動体吐出口としての孔55から吐出された流動体材料は、気体噴射口60から噴射された気体の高速渦流によって微粒子に破砕されて、渦流の回転に伴なって強制的に混合されて、均一に混合された微粒子の混合物としてノズル16の前方へ向けて噴霧状に放出される。
【0051】
なお、図示したように孔55の内径を中子42の中ぐり孔の内径よりも若干小径としても流動体材料の目詰りは発生しないが、孔55の内径を中ぐり孔の内径と同一の径としてもよい。
【0052】
次に、以上のように構成された本混合装置の動作について説明する。
【0053】
オペレータによって混合投入開始が指示されると、制御部30は、電磁弁27aを開くと共に、空気圧センサ28aの出力を監視して、コンプレッサ69からの圧縮空気が原料タンク20aの上部空間に充満して所定の圧力に達するまで待つ(なおこの初期状態においては、他の電磁弁は閉鎖されている)。原料タンク20aの空気圧センサ28aによって同タンク内部が所定の空気圧にまで昇圧したことが確認されると、制御部30は電磁弁27aを閉鎖すると共に、電磁弁27bを開いて、原料タンク20bの内部の空気圧を所定の圧力にまで昇圧させる。このときの圧力は原料タンク20aの圧力とは必ずしも一致しない。原料タンク20aに収容されている流動体材料と原料タンク20bに収容されている流動体材料とでは粘性が異なったり、供給すべき(つまりタンクから排出すべき)流量が著しく異なったりすることがあるためである。このように、電磁弁27a、27bを順次開いて原料タンク20a、20bの内部圧力を所定の圧力に昇圧させてから、更に、電磁弁67を開いて圧縮空気リザーバ64の内部圧力を所定の圧力に昇圧させれば、混合投入開始の条件が整ったことになる。
【0054】
制御部30は、混合投入開始の条件が整ったと判断すると、次に、圧力調節弁63を開く。すると、ノズル16の気体供給口へ圧縮空気リザーバ64から圧縮空気が供給されて、ノズル16の先端の気体噴射口60から空気の高速渦流が噴射されるようになる。
【0055】
次に、制御部30は、電磁可変絞り弁24a、24bを所定の開度になるように開く。すると、原料タンク20a、20bに収容されている流動体材料21a、21bは、各電磁可変絞り弁24a、24bの開度に応じた混合比率にて、流動体給送管22a、22bから流動体給送管25を経てノズル16の流動体供給口に供給されて、ノズル16の先端の流動体吐出口から混在状態にて吐出される。そして、ノズル16の前方へ吐出された流動体材料21a、21bは、同じくノズル16の前方に形成されている空気の高速渦流によって微粒子に破砕され、渦流の流れに伴なって互いに完全に混じり合って、均一な混合物となって、蛇管12を介してバッチ槽10内へ放出される。
【0056】
流動体材料の混合投入が進行するにつれて、原料タンク20a、20b内部の流動体材料21a、21bの液面高さが低くなっていき、それに応じて、原料タンク20a、20b内部の上部空間の体積が増加し、この部分の空気圧力が低下する。制御部30は、この圧力変化を空気圧センサ28a、28bによって検出すると、電磁弁27a、27bを適当な時間だけ開状態に切換えて、原料タンク20a、20b内部の空気圧を所定の適正値に維持する。同様に、電磁弁67を制御して圧縮空気リザーバ64内部の圧縮空気の圧力を所定の適正値に維持する。
【0057】
以上のようにして、オペレータが指示した通りの混合比の混合物がバッチ槽10内に仕込まれることになる。バッチ槽10に収容されている混合物はノズル16から噴霧状の混合物として放出された段階において、すでに完全に均一に分散されているから、通常はさらに撹拌したりする必要はない。
【0058】
バッチ槽10内に混合物が仕込まれた後、オペレータによって混合物の循環(再混合)が指示されると、制御部30は、電磁可変絞り弁24a、24bを閉じるとともに、電磁弁63を開き、更に、電磁弁19を開く。すると、バッチ槽10内の混合物は、排出口15から再供給管18及び流動体給送管25を経由してノズル16に供給され、再び渦流の流れに伴って均一に分散されてバッチ槽10内に戻される。
【0059】
バッチ槽10での所定の反応又は操作が完了すると、制御部30は、電磁弁17を開け、収穫口16を介してバッチ槽10内の混合物を排出する。
【0060】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、撹拌翼を設けることなく、流動体材料を均一に混合することができる。
【0061】
攪拌翼を設ける必要がないので、粘度による回転数設定、攪拌翼の選定、邪魔板の設置などを考慮する必要がない。また、攪拌翼が存在しないので、自由表面にボルテックス(渦巻き)が発生することもなく、混合物内に空気が混入することもない。また、攪拌翼による攪拌操作のように流動がないため、分散時の発熱を抑制することもできる。
【0062】
また、装置自体が非常に簡素であり、メンテナンスや洗浄が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による混合装置の全体構成を示す図である。
【図2】ノズルの構造を示す平面図及び断面図である。
【図3】ノズルの構造を示す正面図である。
【符号の説明】
10 バッチ槽
12 蛇管
14 フィルター付き排気口
16 ノズル
20a、20b 原料タンク
21a、21b 流動体材料
24a、24b 電磁可変絞り弁
28a、28b、62、65 空気圧センサ
63 圧力調節弁
64 圧縮空気リザーバ
69 コンプレッサ
17、19、27a、27b、67、73 電磁弁
30 制御部
41 ケーシング
42 中子
43 開口孔(気体噴射口)
44 孔(気体供給口)
45 配管(空気供給管)
53 孔(流動体供給口)
55 孔(流動体吐出口)
56 スパイラル形成体
57 渦流室
59 旋回溝
70 加熱・冷却用ジャケット
71 恒温水槽
72 ポンプ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a mixing device for uniformly mixing fluid materials such as a culture solution, a paint, a drug solution, oil, and water, and more particularly to a mixing device that can be used for accelerating a biochemical reaction, a microbial reaction, and other various reactions. .
[0002]
[Prior art]
The mixing operation is one of the indispensable operations in chemical engineering and the like. That is, it is used for a wide range of uses such as reaction, extraction, absorption, and mixing in the field of foods, cosmetics, medicines, pharmaceuticals, paints, and the like. In a bioreactor for culturing aerobic microorganisms, a mixing operation for aeration is used.
[0003]
Generally, mixing means a purpose or process, and the method or operation for achieving mixing is usually referred to as agitation when targeting a fluid of normal viscosity. The stirring operation includes batch stirring and continuous stirring. Hereinafter, the batch stirring will be mainly described.
[0004]
An important point in stirring (especially stirring of a high-viscosity liquid) is the fluid state in the container, and how to move and disperse the treatment liquid throughout the container. In this case, the viscosity of the fluid is affected by the physical properties of the mixture, that is, the viscosity, specific gravity, surface tension, wettability, and the like, and the most influential is the fluid.
[0005]
At present, there are many kinds of liquids handled in batch-type stirring operations in various fields, from low viscosity to high viscosity. In the case of stirring the low-viscosity liquid, even if the blade diameter is small, the whole can be sufficiently moved by local flow by installing three to four baffles on the tank wall. As the stirring blade, a propeller blade, an inclined paddle, a disk turbine blade, and the like are used. On the other hand, in the case of high-viscosity liquid agitation, due to the influence of viscosity, the discharge flow from the blades does not reach the entire tank and the number of circulations drops significantly, so both the blade diameter and blade width are large, and the ratio between the tank diameter and the blade diameter is The principle is to make it larger. Helical ribbon blades, anchor blades, and the like are used as the stirring blades.
[0006]
As described above, the optimum blade shape, blade diameter, rotation speed, and the like are different between the low-viscosity stirring operation and the high-viscosity stirring operation. However, in the stirring operation in each field, it is rare that the viscosity is almost constant, and as the stirring operation progresses, it is general to shift from a low viscosity to a high viscosity, or from a high viscosity to a low viscosity. is there.
[0007]
When shifting from low viscosity to high viscosity, use a high-speed rotating stirrer to disperse the powder and the like quickly in the tank, focusing on the operation of involving and dissolving solid chips and powder. There are many. On the other hand, when shifting from high viscosity to low viscosity, it is desirable to use a stirrer that allows the entire inside of the tank to flow in the initial high viscosity state, and attach large wings that have no dead space even at low speed.
[0008]
As described above, it is necessary to appropriately select a stirrer according to the change in viscosity, and when a single stirrer is used to perform a multi-stage stirring operation, a high / low speed combination stirrer (the entire low-speed type tank) is required. Introduced composite equipment such as flow and high-speed type with high dispersibility, and compound rotary stirrer (single-axis forward / reverse rotation double motion type, two-axis planetary motion type, reciprocating rotation type, etc.) I needed to.
[0009]
In addition, Patent Literature 1 below describes a liquid mixing device provided with a stirrer. Non-Patent Document 1 describes a ventilated stirring tank equipped with stirring blades as a basic form of a bioreactor for culturing aerobic microorganisms.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-6-210209
[Non-patent document 1]
Shoichi Shimizu and Tsuneo Yamane, "Biological Chemistry Series of the Future (12) Bioreactor System", Kyoritsu Shuppan Co., Ltd., 1987, p. 81-83
[Non-patent document 2]
"Separate Volume Chemical Engineering Vol. 2 No. 1 Factory Operation Series Stirring / Kneading / Mixing", Chemical Engineering Co., Ltd., 1968, p. 1, p. 24-28
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described combined type apparatus is expensive, and the wing shape is complicated, so that cleaning and the like are troublesome.
[0012]
In the stirring operation using the stirring blade, air is entrained from the free surface of the mixture around the stirring shaft. Particularly at high speeds, vortexing occurs on the free surface and considerable air enters the mixture. If it is desired to expel such air, some defoaming operation is required.In general, defoaming takes time even if the mixture has a low viscosity, and if the mixture has a high viscosity, it takes time. It is very difficult to apply.
[0013]
In addition, bioreactors need to be cleaned and sterilized periodically to prevent contamination of various germs.However, in the case of a ventilated stirred tank type equipped with stirring blades, the internal Is insufficient and bacteria are easily contaminated.
[0014]
An object of the present invention is to provide a mixing device that does not require the provision of a stirring blade.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
A mixing device according to the present invention includes a container for containing a fluid material, a fluid discharge port for discharging the fluid material into the container, a fluid supply port communicating with the fluid discharge port, and the fluid A gas ejection port formed around the fluid ejection port so as to form a high-speed vortex of gas in front of the ejection port, and a nozzle having a gas supply port communicating with the gas ejection port; and A gas supply means for supplying the gas to a gas supply port; and a fluid circulation means for supplying fluid material in the container to the fluid supply port of the nozzle, wherein the fluid supply port of the nozzle is provided. The fluid material supplied to the nozzle is discharged from the fluid discharge port of the nozzle, is crushed by the high-speed vortex of the gas, and is jetted into the container in a uniform mixed state.
[0016]
In this case, a reduction means (for example, a serpentine tube) for reducing the kinetic energy of the fluid material ejected from the nozzle may be further provided in front of the nozzle.
[0017]
Further, the container may include an exhaust unit (for example, a filter) for discharging the gas discharged into the container by the nozzle to the outside of the container.
[0018]
Further, in order to charge the fluid material into the container, a fluid supply means for supplying the fluid material to the fluid supply port of the nozzle may be further provided.
[0019]
In this case, the fluid supply means may supply one type of fluid material to the fluid supply port of the nozzle, or a plurality of fluid materials may be mixed at a predetermined ratio, You may make it supply to the said fluid supply port of a nozzle.
[0020]
Further, when supplying a plurality of fluid materials, the fluid supply means may include a flow rate adjusting means for adjusting the ratio.
[0021]
The mixing device can be used as a reactor (for example, a bioreactor) in which a predetermined reaction proceeds in the container. Further, when the bioreactor is an aerobic microorganism culturing bioreactor, a gas containing oxygen (for example, air) may be supplied to the gas supply port of the nozzle.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0023]
FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a mixing device according to the present invention. The mixing apparatus mixes a plurality of fluid materials into a batch tank (container) while charging (preparing) the mixed materials. Further, even after completion of the charging, the mixture is used to promote a predetermined reaction in the batch tank. (Re) mixing can be performed.
[0024]
As shown in the figure, the mixing apparatus includes a
[0025]
The
[0026]
As shown in FIG. 1, the
[0027]
The
[0028]
A
[0029]
The fluid material supplied from the
[0030]
As shown in FIG. 1, the mixing device includes a
[0031]
As will be described later in detail, a fluid discharge port communicating with the fluid supply port and a gas injection port formed around the fluid discharge port are provided at the tip of the
[0032]
The spray-like mixture ejected from the nozzle is diffused in a divergent conical shape and released to a wide area. However, since this spray-like mixture usually has a very high kinetic energy, the mixture in the
[0033]
As described above, in the present mixing apparatus, the fluid material supplied to the fluid supply port of the
[0034]
As shown in FIG. 1, the mixing apparatus includes a
[0035]
As described above, in the present mixing apparatus, it is possible not only to mix the fluid materials when charging them into the
[0036]
In the present mixing apparatus, the mixture in the
[0037]
In addition, the circulation of the mixture in the
[0038]
When the present mixing apparatus is used as a bioreactor, circulation through the
[0039]
According to the present mixing device, the culture solution is drawn in with air, and crushed into fine particles by a high-speed vortex formed in front of the
[0040]
Furthermore, in the case of aiming for photosynthesis, a fluorescent lamp having been subjected to a waterproof treatment is installed in the
[0041]
In culturing anaerobic microorganisms, it is conceivable to use nitrogen gas or carbon dioxide gas instead of air as the gas supplied to the
[0042]
As shown in FIG. 1, the mixing device includes a
[0043]
As shown in FIG. 1, in the present mixing apparatus, a heating /
[0044]
In the present mixing apparatus, when the fluid material is sent into the
[0045]
Next, the structure of the
[0046]
As shown in FIG. 2, the
[0047]
The
[0048]
Referring to the front view of the
[0049]
The gas such as compressed air supplied from the
[0050]
At this time, the fluid material is supplied to the
[0051]
As shown, even if the inner diameter of the
[0052]
Next, the operation of the present mixing apparatus configured as described above will be described.
[0053]
When the mixing start is instructed by the operator, the
[0054]
When the
[0055]
Next, the
[0056]
As the mixing of the fluid materials proceeds, the liquid level of the
[0057]
As described above, the mixture having the mixing ratio as instructed by the operator is charged into the
[0058]
After the mixture is charged in the
[0059]
When a predetermined reaction or operation in the
[0060]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, a fluid material can be uniformly mixed without providing a stirring blade.
[0061]
Since there is no need to provide a stirring blade, there is no need to consider setting the number of rotations based on viscosity, selecting a stirring blade, and installing a baffle plate. Further, since there is no stirring blade, no vortex (swirl) is generated on the free surface, and no air is mixed into the mixture. Further, since there is no flow unlike a stirring operation by a stirring blade, heat generation during dispersion can be suppressed.
[0062]
Further, the device itself is very simple, and maintenance and cleaning are easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a mixing device according to the present invention.
2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view illustrating a structure of a nozzle.
FIG. 3 is a front view showing a structure of a nozzle.
[Explanation of symbols]
10 Batch tank
12 Serpentine tube
14 Exhaust vent with filter
16 nozzles
20a, 20b Raw material tank
21a, 21b Fluid material
24a, 24b Electromagnetic variable throttle valve
28a, 28b, 62, 65 Air pressure sensor
63 Pressure control valve
64 compressed air reservoir
69 compressor
17, 19, 27a, 27b, 67, 73 Solenoid valve
30 control unit
41 Casing
42 core
43 Opening hole (gas injection port)
44 holes (gas supply port)
45 Piping (air supply pipe)
53 holes (fluid supply port)
55 holes (fluid discharge port)
56 spiral forming body
57 Whirlpool Chamber
59 Turning groove
70 Jacket for heating and cooling
71 Constant temperature water tank
72 pump
Claims (9)
当該容器内に前記流動体材料を吐出する流動体吐出口と、当該流動体吐出口に連通する流動体供給口と、前記流動体吐出口の前方に気体の高速渦流を形成するように前記流動体吐出口の周囲に形成された気体噴射口と、当該気体噴射口に連通する気体供給口とを有するノズルと、
前記ノズルの前記気体供給口へ前記気体を供給する気体供給手段と、
前記容器内の流動体材料を、前記ノズルの前記流動体供給口へ供給する流動体循環手段と
を備え、
前記ノズルの前記流動体供給口へ供給された流動体材料は、前記ノズルの前記流動体吐出口から吐出され、前記気体の高速渦流によって破砕されて均一な混合状態となって前記容器内に噴出される
ことを特徴とする混合装置。A container for containing the fluid material;
A fluid discharge port for discharging the fluid material into the container, a fluid supply port communicating with the fluid discharge port, and the fluid flow forming a high-speed vortex of gas in front of the fluid discharge port. A gas outlet formed around the body outlet, and a nozzle having a gas supply port communicating with the gas outlet,
Gas supply means for supplying the gas to the gas supply port of the nozzle,
Fluid circulating means for supplying the fluid material in the container to the fluid supply port of the nozzle,
The fluid material supplied to the fluid supply port of the nozzle is discharged from the fluid discharge port of the nozzle, is crushed by the high-speed vortex of the gas, and is jetted into the container in a uniform mixed state. A mixing device.
ことを特徴とする請求項1に記載の混合装置。2. The mixing apparatus according to claim 1, further comprising a reduction unit provided in front of the nozzle to reduce kinetic energy of the fluid material ejected from the nozzle.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の混合装置。The mixing device according to claim 1, wherein the container includes an exhaust unit that discharges the gas discharged into the container by the nozzle to the outside of the container.
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の混合装置。4. A fluid supply means for supplying the fluid material to the fluid supply port of the nozzle for charging the fluid material into the container. 3. The mixing device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項4に記載の混合装置。The mixing apparatus according to claim 4, wherein the fluid supply unit mixes a plurality of fluid materials at a predetermined ratio and supplies the mixture to the fluid supply port of the nozzle.
ことを特徴とする請求項5に記載の混合装置。The mixing apparatus according to claim 5, wherein the fluid supply means includes a flow rate adjusting means for adjusting the ratio.
ことを特徴とする請求項7に記載の混合装置。The mixing device according to claim 7, wherein the reactor is a bioreactor.
ことを特徴とする請求項8に記載の混合装置。The mixing device according to claim 8, wherein the bioreactor is a bioreactor for culturing aerobic microorganisms, and a gas supplied to the gas supply port of the nozzle is a gas containing oxygen.
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