JP2010253372A - 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１と、攪拌槽１内に気泡を噴出する散気部７と、攪拌槽１内に垂下された駆動軸２と、駆動軸２に多段に設けられた複数の攪拌翼３Ａ、３Ｂとを備え、各段の攪拌翼３Ａ、３Ｂは、互いに異なる方向の力を液体に与える。
【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、攪拌槽内に気泡を噴出する散気部と、攪拌槽内に垂下された駆動軸と、該駆動軸に多段に設けられた複数の攪拌翼と、を備え、各段の攪拌翼は、互いに異なる方向の力を液体に与える、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、攪拌翼は２段に設けられ、下段の攪拌翼は液体に下向きの力を与え、上段の攪拌翼は液体に上向きの力を与える、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、各段の攪拌翼は、各方向に押し出された液体が上下方向における各段の攪拌翼の中間位置で衝突するように、所定の位相差θを持つ姿勢で駆動軸に取り付けられている、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、散気部は、攪拌槽の下部に設けられる、という手段を採用する。

第５の解決手段として、上記第１〜第４いずれかの解決手段において、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をさらに備える、という手段を採用する。

本発明によれば、各段の攪拌翼は、互いに異なる方向の力を液体に与えるので、上下方向に２つの液体の対流が発生する。そして、これら２つの対流によって気泡が運ばれるので、液体中における気泡の滞留時間を従来よりも長くすることが可能であり、この結果として気体の液体への溶け込み量を従来よりも増大させることができる。

本発明の一実施形態に係る細胞培養装置Ａの縦断面図である。 上記縦断面図のＸ−Ｘ線矢視図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る細胞培養装置Ａは、培養槽１、駆動軸２、２つの攪拌翼３Ａ、３Ｂ、下部軸受４Ａ、上部軸受４Ｂ、連結器５、駆動モータ６、散気部７、４つの邪魔板８Ａ〜８Ｄ及び伝熱ジャケット９から構成されている。詳細は後述するが、この細胞培養装置Ａは、培養液Ｌを攪拌することにより酸素を培養液Ｌ中に溶け込ませて細胞を培養するものであり、気液攪拌装置の一種と考えることができる。

培養槽１は、有底かつ円筒状の容器であり、図示するように中心軸線が鉛直方向となるように固定されている。このような培養槽１の内部には、所定量の培養液Ｌが貯留されている。この培養液Ｌは、培養対象となる細胞（より正確には粒子状の複数の細胞片）を含むと共に、当該細胞の栄養となる各種の栄養素を含む液体である。駆動軸２は、培養槽１の中心軸線に沿って上下方向に延在する棒状部材であり、途中部位の２箇所に攪拌翼３Ａ、３Ｂが固定されている。また、この駆動軸２は、下端が下部軸受４Ａを介して回転自在に培養槽１の底部に支持され、また上端が上部軸受４Ｂを介して回転自在に培養槽１の天井部に支持されている。

２つの攪拌翼３Ａ、３Ｂは、上述したように駆動軸２の途中部位の２箇所、つまり上下方向に延在する駆動軸２に上下２段に固定されている。これら２つの攪拌翼３Ａ、３Ｂのうち、攪拌翼３Ａは下段に設けられており、攪拌翼３Ｂは上段に設けられている。これら２つの攪拌翼３Ａ、３Ｂは、図示するように、互いに直交する４つのパドルからなるパドル翼である。また、図１に示すように、下段に位置する攪拌翼３Ａと上段に位置する攪拌翼３Ｂとは、各々のパドルの駆動軸２に対する傾きが逆向きになっている。すなわち、下段に位置する攪拌翼３Ａの各パドルは駆動軸２に対して角度＋αの傾きを有し、上段に位置する攪拌翼３Ｂの各パドルは駆動軸２に対して角度−αの傾きを有している。

このような２つの攪拌翼３Ａ、３Ｂのうち、下段に位置する攪拌翼３Ａは、駆動軸２周りに回転することにより培養槽１の下部に培養液Ｌの対流（矢印で示す下部対流Ｒ_Ｌ）を発生させ、また上段に位置する攪拌翼３Ｂは、同じく駆動軸２周りに回転することにより培養槽１の上部に培養液Ｌの対流（矢印で示す上部対流Ｒ_Ｈ）を発生させる。

また、これら２つの攪拌翼３Ａ、３Ｂの位相差θは、図２に示すように、培養槽１の内側面近傍の各所（水平面内の各所）における下部対流Ｒ_Ｌ及び上部対流Ｒ_Ｈの衝突高さＨが各攪拌翼３Ａ、３Ｂの中間位置近傍となるように最適設定されている。各攪拌翼３Ａ、３Ｂは、何れも駆動軸２に固定されており、回転速度はお互いに同一なので、各攪拌翼３Ａ、３Ｂによって発生する下部対流Ｒ_Ｌ及び上部対流Ｒ_Ｈの流速は略同一と考えられる。

したがって、培養槽１の内側面近傍における下部対流Ｒ_Ｌ及び上部対流Ｒ_Ｈの衝突高さＨは、下部対流Ｒ_Ｌ及び上部対流Ｒ_Ｈの各流路長と位相差θとによって決定される。この両者のうち、下部対流Ｒ_Ｌ及び上部対流Ｒ_Ｈの各流路長は、培養液Ｌの液面高さが一定で駆動軸２における各攪拌翼３Ａ、３Ｂの取り付け位置が一定の場合には略一定と考えることができるので、攪拌翼３Ａと攪拌翼３Ｂとの位相差θを調整することによって、下部対流Ｒ_Ｌ及び上部対流Ｒ_Ｈの衝突高さＨを培養槽１の内側面近傍の各所（水平面内の各所）において各攪拌翼３Ａ、３Ｂの上下方向における位置の中間位置近傍に設定することができる。

下部軸受４Ａは、駆動軸２の下端を回転自在に培養槽１の底部に支持する。上部軸受４Ｂは、駆動軸２の上端を回転自在に培養槽１の天井部に支持する。これら下部軸受４Ａ及び上部軸受４Ｂのうち、下部軸受４Ａは、培養液Ｌに浸漬された状態で駆動軸２の下端部を回転自在に支持するもの、つまり培養液Ｌ中で軸受けとして機能するものなので、培養液Ｌ中に細胞の培養に悪影響を与えるような不要成分（潤滑油等）を放出しない構造のものが採用される。

連結器５は、駆動軸２の上端と駆動モータ６とを機械的に連結するものである。この連結器５は、例えば減速機能を有する減速器であり、駆動モータ６の回転を一定の減速比で駆動軸２に伝達する。駆動モータ６は、駆動軸２を回転駆動する動力源である。この駆動モータ６は、図示しない駆動回路から入力される駆動電流に基づいて駆動軸２を一定の回転速度で回転駆動する。

散気部７は、培養槽１の底部近傍に設けられ、酸素の気泡Ｇを培養槽１内（つまり培養液Ｌ中）に噴出する。この散気部７は、中空かつ多数の開口が表面に形成されたドーナツ状部材であり、外部の酸素供給源（図示略）から供給された酸素（Ｏ_２）を各開口から培養液Ｌ中に噴射する。４つの邪魔板８Ａ〜８Ｄは、培養槽１の内側面に垂直姿勢で等間隔に設けられた板状部材である。

すなわち、これら邪魔板８Ａ〜８Ｄは、図２に示すように、駆動軸２を中心として互いに９０°の角度に相当する培養槽１の内側面の４箇所に、垂直方向に延在するように設けられている。伝熱ジャケット９は、培養槽１の外周を覆うように設けられており、培養槽１を介して内部の培養液Ｌの温度を所定温度に維持するためのものである。

次に、このように構成された細胞培養装置Ａの作用効果について、図１を参照して詳しく説明する。

本細胞培養装置Ａの運転状態では、酸素供給源から散気部７に酸素が供給され、これによって散気部７の各開口から培養液Ｌに酸素の気泡Ｇが噴射される。一方、このような培養液Ｌ中への気泡Ｇの噴射と並行して、駆動モータ６が作動することによって鉛直方向に離間する２つの攪拌翼３Ａ、３Ｂが培養液Ｌ中で回転運動を行う。

そして、２つの攪拌翼３Ａ、３Ｂのうち、下段に位置する攪拌翼３Ａが回転運動を行うことによって、培養液Ｌは、図１に矢印で示すように、攪拌翼３Ａの近傍において上から下に向けて対流し、培養槽１の内側面近傍において下から上に向けて対流する。一方、上段に位置する攪拌翼３Ｂが回転運動を行うことによって、培養液Ｌは、図１に矢印で示すように、攪拌翼３Ｂの近傍において下から上に向けて対流し、培養槽１の内側面近傍において上から下に向けて対流する。また、このような培養液Ｌの各対流は、各攪拌翼３Ａ、３Ｂの回転によって発生するものなので、攪拌翼３Ａ、３Ｂの回転方向の速度成分を含むものである。

そして、下段に位置する攪拌翼３Ａの回転に起因する培養槽１の内側面近傍における下から上に向けた下部対流Ｒ_Ｌと上段に位置する攪拌翼３Ｂの回転に起因する培養槽１の内側面近傍における上から下に向けた下部対流Ｒ_Ｈとは、上下方向における２つの攪拌翼３Ａ、３Ｂの位置の中間位置近傍で衝突する。

そして、この衝突によって、下段に位置する攪拌翼３Ａの回転に起因する培養槽１の内側面近傍における下から上に向けた下部対流Ｒ_Ｌは、培養槽１の内側面近傍から培養槽１の中心方向（駆動軸２の方向）に向きを変える。そして、この攪拌翼３Ａの回転に起因する下部対流Ｒ_Ｌは、攪拌翼３Ａの上方に来ると、攪拌翼３Ａの回転に起因する吸引力によって攪拌翼３Ａの方向に向きを変え、攪拌翼３Ａに向けて流れ込む。

一方、上段に位置する攪拌翼３Ｂの回転に起因する培養槽１の内側面近傍における上から下に向けた上部対流Ｒ_Ｈは、培養槽１の内側面近傍から培養槽１の中心方向（駆動軸２の方向）に向きを変える。そして、この攪拌翼３Ｂの回転に起因する上部対流Ｒ_Ｈは、攪拌翼３Ｂの下方に来ると、攪拌翼３Ｂの回転に起因する吸引力によって攪拌翼３Ｂの方向に向きを変え、攪拌翼３Ｂに向けて流れ込む。

すなわち、培養槽１内においては、培養液Ｌに上下２つの対流（下部対流Ｒ_Ｌ及び上部対流Ｒ_Ｈ）が発生し、これら下部対流Ｒ_Ｌ及び上部対流Ｒ_Ｈは、互いに対流方向が逆向きである。下部対流Ｒ_Ｌは、攪拌翼３Ａにおいて上から下に向かう流れであり、一方、上部対流Ｒ_Ｈは、攪拌翼３Ｂにおいて下から上に向かう流れである。

このような下部対流Ｒ_Ｌ及び上部対流Ｒ_Ｈは、培養槽１の底部近傍の散気部７から噴射された多数の気泡Ｇに対して培養液Ｌの表面（上面）に容易に浮上させないように作用する。すなわち、散気部７から噴射された多数の気泡Ｇは、散気部７の上に位置する下段の攪拌翼３Ａに起因する下部対流Ｒ_Ｌによって浮上に抗する力が作用し、容易に浮上することができない。

また、気泡Ｇは、下部対流Ｒ_Ｌによって培養槽１の内側面近傍に運ばれるが、上段の攪拌翼３Ｂに起因する上部対流Ｒ_Ｈが下部対流Ｒ_Ｌに上方から衝突するので、培養槽１の内側面近傍においてそのまま浮上することはできず、下部対流Ｒ_Ｌによって培養槽１の中心方向に運ばれ、下段の攪拌翼３Ａの吸引力によって当該攪拌翼３Ａの下方に移動する。すなわち、散気部７から噴射された多数の気泡Ｇの殆どは、下部対流Ｒ_Ｌに沿って培養槽１の下部で巡回運動を行い、容易に浮上しない。

また、下部対流Ｒ_Ｌに沿って培養槽１の内側面近傍に運ばれた気泡Ｇの一部は、上部対流Ｒ_Ｈとの衝突の際に当該対流Ｒ_Ｈ内に取り込まれる。しかしながら、上部対流Ｒ_Ｈ内に取り込まれた気泡Ｇは、当該上部対流Ｒ_Ｈに沿って培養槽１の中心方向に運ばれるので、容易に浮上することができない。

そして、上部対流Ｒ_Ｈ内に取り込まれた気泡Ｇは、上段の攪拌翼３Ｂの吸引力によって当該攪拌翼３Ｂの上方に移動するが、上部対流Ｒ_Ｈの勢いが原因となってそのまま浮上するものは少なく、殆どが上部対流Ｒ_Ｈに沿って培養槽１の内側面近傍に移動して下降し、下部対流Ｒ_Ｌと衝突することによって上部対流Ｒ_Ｈに沿って培養槽１の上部で巡回運動を行い、容易に浮上しない。

さらに、下部対流Ｒ_Ｌ及び上部対流Ｒ_Ｈは、攪拌翼３Ａ、３Ｂの回転方向の速度成分を含むので、培養槽１の側部においては、各邪魔板８Ａ〜８Ｄが障害物として作用することにより流れが乱される。

このような細胞培養装置Ａによれば、培養槽１の底部近傍の散気部７から噴射された気泡Ｇは、その上方に上下２段に設けられた攪拌翼３Ａ、３Ｂに起因する培養液Ｌの下部対流Ｒ_Ｌ及び上部対流Ｒ_Ｈによって容易に浮上することができず、つまり培養液Ｌ中における滞留時間が従来よりも大幅に長くする。したがって、本細胞培養装置Ａによれば、培養液Ｌ中への酸素の溶け込み量を従来よりも大幅に増大させることができる。

また、下部対流Ｒ_Ｌ及び上部対流Ｒ_Ｈが上下方向における各攪拌翼３Ａ、３Ｂの中間位置で衝突するように、攪拌翼３Ａと攪拌翼３Ｂとの位相差θが調整されているので、下部対流Ｒ_Ｌに沿って移動する気泡Ｇが上部対流Ｒ_Ｈに取り込まれる割合を小さくすることが可能であり、これによっても培養液Ｌ中における気泡Ｇの滞留時間を長くすることができる。

仮に、位相差θが最適設定されてなく、各攪拌翼３Ａ、３Ｂの中間位置から大幅にズレた位置で下部対流Ｒ_Ｌと上部対流Ｒ_Ｈとが衝突した場合、例えば上下方向における攪拌翼３Ａあるいは攪拌翼３Ｂの位置と同じような高さで下部対流Ｒ_Ｌと上部対流Ｒ_Ｈとが衝突した場合には、下部対流Ｒ_Ｌに沿って移動する気泡Ｇのうち上部対流Ｒ_Ｈに取り込まれる割合が多くなるので、気泡Ｇの滞留時間が比較的短い気泡Ｇの割合が増加する。

また、下部対流Ｒ_Ｌに沿って移動する気泡Ｇの一部は邪魔板８Ａ〜８Ｄの表面に沿って上昇するが、下部対流Ｒ_Ｌに対向する上部対流Ｒ_Ｈによって上昇が妨げられ、培養液Ｌの表面（上面）に容易に浮上することができない。

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段の攪拌翼３Ａ、３Ｂを備える構成を採用したが、本発明はこれに限定されない。攪拌翼の段数（個数）はさらに多くても良い。
（２）上記実施形態では、各攪拌翼Ａ、３Ｂとしてパドル翼を採用したが、本発明はこれに限定されない。細胞培養に供される攪拌翼には種々のものがあるので、それら各種の翼を攪拌翼として用いても良い。

（３）上記実施形態では、２つの攪拌翼３Ａ、３Ｂの種類（形状）や回転数を全く同一としたが、本発明はこれに限定されない。
（４）上記実施形態では４つの邪魔板８Ａ〜８Ｄを設ける構成を採用したが、本発明はこれに限定されない。本発明では、多段に設けられた攪拌翼が邪魔板８Ａ〜８Ｄの機能をも奏するので、邪魔板８Ａ〜８Ｄを削除または個数を削減しても良い。

（５）上記実施形態では、攪拌翼３Ａと攪拌翼３Ｂとの位相差θを調整することにより、下部対流Ｒ_Ｌ及び上部対流Ｒ_Ｈの衝突高さＨを攪拌翼３Ａと攪拌翼３Ｂとの中間位置に設定したが、本発明はこれに限定されない。下部対流Ｒ_Ｌの流路長と上部対流Ｒ_Ｈの流路長との差を調整することによって攪拌翼３Ａと攪拌翼３Ｂとの中間位置で下部対流Ｒ_Ｌ及び上部対流Ｒ_Ｈが衝突するようにしても良い。

Ａ…細胞培養装置、１…培養槽、２…駆動軸、３Ａ、３Ｂ…攪拌翼、４Ａ…下部軸受、４Ｂ…上部軸受、５…連結器、６…駆動モータ、７…散気部、８Ａ〜８Ｄ…邪魔板、９…伝熱ジャケット、Ｌ…培養液、Ｇ…気泡（酸素）

Claims (5)

1. 液体を貯留する攪拌槽と、
   前記攪拌槽内に気泡を噴出する散気部と、
   前記攪拌槽内に垂下された駆動軸と、
   該駆動軸に多段に設けられた複数の攪拌翼と、を備え、
   各段の攪拌翼は、互いに異なる方向の力を液体に与えることを特徴とする気液攪拌装置。
2. 前記攪拌翼は２段に設けられ、下段の攪拌翼は液体に下向きの力を与え、上段の攪拌翼は液体に上向きの力を与えることを特徴とする請求項１記載の気液攪拌装置。
3. 前記各段の攪拌翼は、各方向に押し出された液体が上下方向における各段の攪拌翼の中間位置で衝突するように、所定の位相差θを持つ姿勢で前記駆動軸に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２記載の気液攪拌装置。
4. 前記散気部は、前記攪拌槽の下部に設けられ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をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の気液攪拌装置。
   

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