JP2010046586A - 気液攪拌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体内における気泡の滞留時間を従来よりも長くすることにより、気体の液体への溶け込み量を増大させる。
【解決手段】液体を貯留する攪拌槽と、該攪拌槽内の下部に設けられ、気泡を攪拌槽内に噴出する散気部と、攪拌槽内の略中央に垂下された駆動軸に攪拌翼が上下方向に多段に設けられてなる攪拌部と、攪拌槽の内壁において攪拌翼の間に位置する部位に設けられる邪魔板とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、気液攪拌装置に関する。

下記特許文献１には、培地が封入された培養槽の中央に上下２段の攪拌翼を備えると共に酸素の気泡を下部から攪拌槽内に噴出し、攪拌翼を回転させることによって酸素を培地中に溶け込ませる培養槽の運転制御装置が開示されている。
なお、下記特許文献２には、特許文献１のように酸素（気体）を培地（液体）中に溶け込ませるものではないが、液体を貯留する攪拌槽の内壁に垂直方向に延在する複数の邪魔板を備えると共に攪拌槽の中央に攪拌翼を備え、この攪拌翼を回転させることにより液体を攪拌させる攪拌装置が開示されている。
特開２００７−２０２５００号公報 特開平０９−０２９０８４号公報

ところで、気体が液体に溶け込む量は、気泡の液体中における滞留時間が長くなる程多くなることが知られている。特許文献１の技術の場合、攪拌翼の回転による培地の下降流によって気泡は一端降下してから上昇する動きをとるが、気泡が培養槽の底に接触する程に攪拌翼の回転数を上げると、これ以上回転数を上げても滞留時間を上げることができない。すなわち、気泡の最大下降量は気泡の噴出し位置と培養槽の底との差によって物理的に規定されるので、気泡を下降させることによる滞留時間の拡大には限界がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、液体内における気泡の滞留時間を従来よりも長くすることにより、気体の液体への溶け込み量を増大させることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、液体を貯留する攪拌槽と、該攪拌槽内の下部に設けられ、気泡を攪拌槽内に噴出する散気部と、攪拌槽内に垂下された駆動軸に攪拌翼が上下方向に多段に設けられてなる攪拌部と、攪拌槽の内壁において攪拌翼の間に位置する部位に設けられ、気泡の上昇を邪魔する邪魔板とを備える、という手段を採用する。

第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、邪魔板は水平方向に延在するように設けられる、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、邪魔板は水平方向から所定角度で上方に傾斜して設けられる、という手段を採用する。

第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段において、邪魔板はポーラス板から形成されている、という手段を採用する。

第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、ポーラス板の空孔は下方から上昇する気泡の径よりも小さく設定される、という手段を採用する。

第６の解決手段として、上記第１〜第５いずれかの解決手段において、攪拌槽の内壁に垂直方向に延在する垂直板をさらに備える、という手段を採用する。

第７の解決手段として、上記第１〜第６いずれかの解決手段において、駆動軸を回転駆動する駆動部をさらに備える、という手段を採用する。

本発明によれば、攪拌槽内において上下方向に多段に複数の攪拌翼が設けられ、かつ、当該攪拌翼の間に位置する部位に邪魔板が設けられるので、液体内における気泡の滞留時間を従来の攪拌装置よりも長くすることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る気液攪拌装置Ａの概略構成を示す図であり、（ａ）は上面図、また（ｂ）は当該上面図におけるＸ−Ｘ線矢視図である。この図に示すように、本気液攪拌装置Ａは、攪拌槽１、散気部２、攪拌部３、邪魔板４、垂直板５及び駆動部６を備えている。

攪拌槽１は、有底かつ円筒状の容器であり、内部に液体Ｌが貯留されている。本気液攪拌装置Ａを細胞培養槽として用いる場合、上記液体Ｌは、培養対象となる細胞を含むと共に当該細胞を培養する上で必要となる各種の栄養素を含む培養液である。散気部２は、このような攪拌槽１内の下部に設けられ、気泡Ｇ（気体）を攪拌槽１内に噴出する。この散気部２は、中空かつ多数の開口が表面に形成された円盤状部材であり、外部の酸素源から供給された酸素（Ｏ_２）を多数の開口から噴射することにより、酸素の気泡Ｇを攪拌槽１内（つまり液体中）に噴出する。

攪拌部３は、攪拌槽１内の略中央に垂下された駆動軸３ａと該駆動軸３ａの２箇所に設けられた２つの攪拌翼３ｂ，３ｃとから構成されている。すなわち、この攪拌部３は、攪拌槽１の上下方向に２段構成となる攪拌翼３ｂ，３ｃを備えるものであり、駆動軸３ａが駆動部によって回転駆動されることによって、攪拌槽１内の液体Ｌ及び気泡Ｇに攪拌槽１の下方への流動力を作用させる。

２つの攪拌翼３ｂ，３ｃのうち、一方の攪拌翼３ｂは上側に位置し、他方の攪拌翼３ｃは下側に位置している。これら２つの攪拌翼３ｂ，３ｃは、図示するように、水平面内において互いに直交するように配置された４枚の傾斜平板からなり、同一の回転直径ａを有している。また、２つの攪拌翼３ｂ，３ｃは、何れも単一の駆動軸３ａに設けられており、よって同一の回転を行うものである。

邪魔板４は、攪拌槽１の内壁において上記攪拌翼３ｂ，３ｃの間に位置する部位に、水平方向に延在するように設けられたリング状平板である。すなわち、この邪魔板４は、攪拌槽１の内径と略同径の外径ｂと当該外径ｂから所定寸法Ｔだけ小さな内径ｃとを有するリング形状である。上記内径ｃは、図１（ａ）に示すように、攪拌翼３ｂ，３ｃの回転直径ａよりも多少大きく設定されている。このように形成された邪魔板４は、下方から浮上する気泡Ｇの上昇を邪魔するためのものである。

このような邪魔板４の材料としては、液体Ｌ及び気泡Ｇに対する透過性のない材料を用いることが考えられるが、液体Ｌのみに透過性を有し、かつ気泡Ｇに対して透過性を有さない材料として、例えばポーラス板を用いることが考えられる。このポーラス板を邪魔板４の材料として用いる場合、ポーラス板に形成された空孔の直径は、下方から浮上する気泡Ｇの直径よりも小さく設定されることが好ましい。ポーラス板の空孔の直径をこのように設定することにより、気泡Ｇに対する非透過性を確実なものとすることができる。

垂直板５は、攪拌槽１の内壁の４箇所に垂直方向に延在するように設けられた帯状平板である。すなわち、この垂直板５は、攪拌槽１の内壁において駆動軸３ａを中心として互いに９０°の角度に相当する位置（４箇所）に、垂直方向に延在するように、つまり上記邪魔板４に交差するように設けられている。このような垂直板５の下端は、２つの攪拌翼３ｂ，３ｃのうち下側に位置する攪拌翼３ｃの多少下側となる位置であり、また垂直板５の上端は、液体Ｌの喫水よりも多少上側となる位置である。駆動部６は、上記攪拌部３の駆動軸３ａを回転駆動する電動機である。

次に、このように構成された気液攪拌装置Ａの作用効果について、図１を参照して詳しく説明する。

本気液攪拌装置Ａの運転状態では、外部の酸素源から散気部２に酸素が供給されることにより散気部２の表面から液体Ｌ中に気泡Ｇが噴射されると共に、駆動部６によって駆動軸３ａが回転駆動されることにより攪拌翼３ｂ，３ｃが液体Ｌ及び気泡Ｇに下方への流動力を作用させる。液体Ｌは、この流動力によって、攪拌槽１の中心部で下降流となり攪拌槽１の内壁近傍部で上昇流となるように全体として対流する。

このような運転状態において、散気部２の表面から液体Ｌ中に噴射された気泡Ｇは、図１（ｂ）に矢印で示したような軌跡を辿って浮上する。すなわち、散気部２から噴射された気泡Ｇは、攪拌翼３ｂ，３ｃが発生させる流動力によって一端下方に移動した後、攪拌槽１の内壁近傍を浮上して邪魔板４の下端に至る。そして、気泡Ｇは、邪魔板４によって上昇が邪魔（阻止）されるので、邪魔板４の外側（攪拌槽１内の内壁側）から内側（攪拌翼３ｂ，３ｃ側）に移動して２つの攪拌翼３ｂ，３ｃの間、つまり下側の攪拌翼３ｃの上方かつ上側の攪拌翼３ｂの下方に至る。

そして、上側の攪拌翼３ｂの下方に至った気泡Ｇは、当該上側の攪拌翼３ｂによる下方への流動力によって一端下方に移動した後、邪魔板４の上側において攪拌槽１の内壁近傍を浮上して喫水に至る。なお、上側の攪拌翼３ｂによる下方への流動力によって一端下方に移動した気泡Ｇの一部は、下側の攪拌翼３ｃによる下方への流動力の作用を受けて当該下側の攪拌翼３ｃの下側に移動するものもある。

このように、本気液攪拌装置Ａによれば、攪拌部３が２つの攪拌翼３ｂ，３ｃからなる上下２段構成になっており、かつこれら攪拌翼３ｂ，３ｃの間に位置する攪拌槽１の内壁に水平方向に延在する邪魔板４が設けられているので、１段構成の攪拌翼を備えた従来技術及び攪拌翼が上下２段構成ではあるものの邪魔板４に相当する部材を備えない従来技術よりも気泡Ｇの液体Ｌにおける滞留時間を長くすることができる。したがって、気泡Ｇを形成する酸素の液体Ｌへの溶け込み量を従来よりも増大させることができる。

また、邪魔板４をポーラス板によって形成した場合、邪魔板４は液体Ｌのみに透過させ、気泡Ｇを透過させないので、液体Ｌに対する流体抵抗を軽減しつつ気泡Ｇの液体Ｌにおける滞留時間を長くすることができる。特に、ポーラス板に形成された空孔の直径が下方から浮上する気泡Ｇの直径よりも小さく設定される場合には、気泡Ｇが邪魔板４の空孔に侵入することをより確実に抑制することができるので、気泡Ｇの液体Ｌにおける滞留時間をより確実に長くすることができる。

さらに、邪魔板４に加えて４枚の垂直板５が設けられているので、液体Ｌ内の流れが適度に乱流化されて気泡Ｇが液体Ｌ中により均等に分散される。これによって、液体Ｌ中における溶存酸素の分布が均一化される。

〔第２実施形態〕
図２は、第２実施形態に係る気液攪拌装置Ｂの概略構成を示す図であり、（ａ）は上面図、また（ｂ）は当該上面図におけるＹ−Ｙ線矢視図である。なお、この図２では、上述した第１実施形態に係る気液攪拌装置Ａと同一の構成要素には同一符号を付している。

この図に示すように、気液攪拌装置Ｂは、攪拌槽１、散気部２、攪拌部３、邪魔板４Ａ、垂直板５及び駆動部６を備えている。すなわち、気液攪拌装置Ｂが第１実施形態に係る気液攪拌装置Ａと相違する点は邪魔板４Ａである。第１実施形態に係る気液攪拌装置Ａの邪魔板４は水平方向に延在するリング状平板であったが、本気液攪拌装置Ｂにおける邪魔板４Ａは、水平方向から所定角度θで上方に傾斜して設けられるリング状平板である。より正確には、リング状の邪魔板４Ａは、水平状態に対して内周側が外周側よりも上側に位置するように所定角度θだけ傾斜している。

液体Ｌは、攪拌部３が回転することによって発生する流動力によって、攪拌槽１の中心部で下降流となり攪拌槽１の内壁近傍部で上昇流となるように全体として対流するが、邪魔板４Ａは上記対流を妨害する存在なので、邪魔板４Ａの下面かつ外周側近傍には液体Ｌの澱み部Ｒが形成される。そして、この澱み部Ｒには下方から浮上してくる気泡Ｇが巻き込まれる。なお、第１実施形態に係る気液攪拌装置Ａでは、邪魔板４が水平方向に延在するように設けられているので、澱み部が本第２実施形態よりも大きい。

このような邪魔板４Ａを備える気液攪拌装置Ｂによれば、邪魔板４Ａが水平方向から所定角度θで上方に傾斜しているので、上記澱み部Ｒに巻き込まれた気泡Ｇを邪魔板４Ａの下面に沿って内周側に移動させること、つまり気泡Ｇを澱み部Ｒから離脱させることが可能である。したがって、本気液攪拌装置Ｂによれば、気泡Ｇを澱み部Ｒから離脱させることが可能なので、気泡Ｇが液体Ｌ中により均等に分散され、よって液体Ｌ中における溶存酸素の分布がより一層均一化される。なお、第１実施形態に係る気液攪拌装置Ａでは、邪魔板４が水平方向に延在するので、気泡Ｇの澱み部からの離脱が困難である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では上下２段構成の２つの攪拌翼３ｂ，３ｃを全く同一に構成したが、２つの攪拌翼３ｂ，３ｃの形状や回転数等を異なるように構成しても良い。例えば、上側に位置する攪拌翼３ｂが発生する流動力と下側に位置する攪拌翼３ｃが発生する流動力とが異なるように２つの攪拌翼３ｂ，３ｃの形状や回転数を異なるように構成しても良い。

（２）また、上記実施形態では攪拌部３を２つの攪拌翼３ｂ，３ｃを備えるものとして構成し、１つの邪魔板４あるいは邪魔板４Ａを設けたが、攪拌翼の個数及び邪魔板の個数はこれに限定されない。すなわち、攪拌翼は３個以上、邪魔板は２個以上でも良い。例えば、攪拌翼の個数が３個の場合には、各攪拌翼の間に位置するように邪魔板を設けるので、邪魔板の個数は２個となる。

（３）上記実施形態では邪魔板４あるいは邪魔板４Ａをリング状平板としたが、邪魔板４あるいは邪魔板４Ａの形状はこれに限定されない。例えば、攪拌性能と気泡の滞留時間との兼ね合いを考慮して、全体としてリング状ではあるものの適当な大きさの穴が均等に配置されたもの等であっても良い。

本発明の第１実施形態に係わる気液攪拌装置Ａの概略構成を示す上面図及びＸ−Ｘ線矢視図である。 本発明の第２実施形態に係わる気液攪拌装置Ｂの概略構成を示す上面図及びＹ−Ｙ線矢視図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ…気液攪拌装置、１…攪拌槽、２…散気部、３…攪拌部、４，４Ａ…邪魔板、５…垂直板、６…駆動部、Ｌ…液体、Ｇ…気泡

Claims (7)

1. 液体を貯留する攪拌槽と、
   該攪拌槽内の下部に設けられ、気泡を前記攪拌槽内に噴出する散気部と、
   前記攪拌槽内に垂下された駆動軸に攪拌翼が上下方向に多段に設けられてなる攪拌部と、
   前記攪拌槽の内壁において前記攪拌翼の間に位置する部位に設けられ、気泡の上昇を邪魔する邪魔板と
   を備えることを特徴とする気液攪拌装置。
2. 前記邪魔板は水平方向に延在するように設けられることを特徴とする請求項１記載の気液攪拌装置。
3. 前記邪魔板は水平方向から所定角度で上方に傾斜して設けられることを特徴とする請求項１記載の気液攪拌装置。
4. 前記邪魔板はポーラス板から形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の気液攪拌装置。
5. 前記ポーラス板の空孔は下方から上昇する気泡の径よりも小さく設定されることを特徴とする請求項４記載の気液攪拌装置。
6. 前記攪拌槽の内壁に垂直方向に延在する垂直板をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の気液攪拌装置。
7. 前記駆動軸を回転駆動する駆動部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の気液攪拌装置。

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