JP2013063362A - 攪拌槽 - Google Patents
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Abstract
【課題】低せん断応力で気泡の均一分散が可能な攪拌槽を提供する。
【解決手段】攪拌装置3は、軸部4と軸部4の先端に一体に設けられた翼部5とからなり、軸部4から翼部5にわたってガスを通す通気路6が形成された攪拌翼7と、攪拌翼7を回転させる回転手段8と、通気路6にガスを供給するガス供給手段9と、を備え、翼部5は、通気路6からのガスを液体S中に吹き出す複数の吹出口12が軸部4の半径方向に沿って形成された本体部13を有し、本体部13は、その少なくとも回転方向前方の面が、下方から上方にかけて回転方向後方に傾斜した傾斜面14に形成される。
【選択図】図1
【解決手段】攪拌装置3は、軸部4と軸部4の先端に一体に設けられた翼部5とからなり、軸部4から翼部5にわたってガスを通す通気路6が形成された攪拌翼7と、攪拌翼7を回転させる回転手段8と、通気路6にガスを供給するガス供給手段9と、を備え、翼部5は、通気路6からのガスを液体S中に吹き出す複数の吹出口12が軸部4の半径方向に沿って形成された本体部13を有し、本体部13は、その少なくとも回転方向前方の面が、下方から上方にかけて回転方向後方に傾斜した傾斜面14に形成される。
【選択図】図1
Description
本発明は、細胞培養槽、曝気槽、バイオリアクタ等として用いられる攪拌槽に関するものである。
攪拌槽として、液体が貯留される混合槽と、混合槽に貯留される液体中にガス(例えば酸素)を吹き込みつつ液体を攪拌し、ガスを液体中に溶解させる攪拌装置(通気装置)と、を備えたものが知られている。
攪拌装置としては、混合槽の底部にエアストーン、リングスパージャなどを設置し、混合槽内に気泡を吹き込みつつ攪拌翼で混合槽内の液体を攪拌するよう構成されたものが一般的である。
しかし、このような従来の攪拌槽では、混合槽内に設ける攪拌翼の寸法に限りがあるため、混合槽内の気泡の分布及び溶存気体の分布が不均一となってしまう問題があった。特に混合槽の内壁の近傍では、気泡はほとんど存在しない場合があった。
そこで、特許文献1では、攪拌翼の端縁部にガスを給気する給気口を設け、翼端で生じる強いせん断流れを利用して気泡を微細化することにより、気泡を均一分散させる攪拌装置が開示されている。
特許文献2では、内部に気体導通路が形成された断面矩形状の攪拌翼の上部に、その回転軸の半径方向に沿って気体吹出し孔を設けた攪拌装置が開示されている。
しかしながら、特許文献1では、気泡を均一に分散させるためには攪拌翼の回転速度を増加する必要があり、回転速度の増加に伴い、攪拌翼の回転によりせん断応力が増大してしまうという問題がある。さらに、攪拌翼内の通気構造の加工が困難であるため、製造コストが高くなってしまうという問題もある。
特許文献2では、比較的低い回転速度で気泡を均一に分散させることが可能であるが、攪拌翼の断面形状が矩形状であるために、攪拌翼を回転させた際のせん断応力が大きくなってしまう問題がある。
攪拌槽を細胞培養槽、曝気槽、バイオリアクタ等として用いる場合、せん断応力が大きくなると、混合槽内の液体に混入させている物体の損壊が増加してしまう。特に細胞培養やバイオリアクタ等、生物培養対象に攪拌槽を用いる場合、せん断応力の増減と培養物の生存率・生産率には緊密な関連があることが知られており、出来る限りせん断応力を低くすることが望まれる。
本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、低せん断応力で気泡の均一分散が可能な攪拌槽を提供することを目的とする。
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、液体が貯留される混合槽と、該混合槽に貯留される前記液体中にガスを吹き込みつつ前記液体を攪拌し、前記ガスを前記液体中に溶解させる攪拌装置と、を備えた攪拌槽において、前記攪拌装置は、軸部と該軸部の先端に一体に設けられた翼部とからなり、前記軸部から前記翼部にわたって前記ガスを通す通気路が形成された攪拌翼と、該攪拌翼を回転させる回転手段と、前記通気路に前記ガスを供給するガス供給手段と、を備え、前記翼部は、前記通気路からの前記ガスを前記液体中に吹き出す複数の吹出口が前記軸部の半径方向に沿って形成された本体部を有し、前記本体部は、その少なくとも回転方向前方の面が、下方から上方にかけて回転方向後方に傾斜した傾斜面に形成される攪拌槽である。
前記本体部は、断面視で、上方から下方にかけて幅が広がる台形状に形成されてもよい。
前記翼部は、円盤状に形成された支持部を有し、前記本体部は、前記支持部の上面に、前記支持部の半径方向に沿って形成された凸状のリブからなってもよい。
前記支持部の内部に、前記軸部から供給された前記ガスを一時的に貯留するチャンバを形成してもよい。
前記支持部は、その外径が、前記混合槽の内径の0.5〜0.8倍に形成されてもよい。
前記傾斜面の傾斜角度が、45度以下であってもよい。
本発明によれば、低せん断応力で気泡の均一分散が可能な攪拌槽を提供できる。
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
図1は、本実施の形態に係る攪拌槽を示す図であり、(a)は断面図、(b)は攪拌翼の斜視図である。また、図2は、図1(b)のA−A線断面図である。
図1,2に示すように、攪拌槽1は、液体Sが貯留される混合槽2と、混合槽2に貯留される液体S中にガスを吹き込みつつ液体Sを攪拌し、ガスを液体S中に溶解させる攪拌装置3と、を備えている。
攪拌槽1は、例えば、細胞培養槽、曝気槽、バイオリアクタ等として用いられるものである。液体Sは、例えば細胞等の物体を含む培養液であり、液体S中に溶解させるガスは、例えば酸素である。
攪拌装置3は、軸部4と、軸部4の先端(下端)に一体に設けられた翼部5とからなり、軸部4から翼部5にわたってガスを通す通気路6が形成された攪拌翼7と、軸部4の基端部(上端部)に設けられ攪拌翼7を回転させる回転手段8と、通気路6にガスを供給するガス供給手段9と、を備えている。
回転手段8は、例えば電動モータからなる。図3に示すように、軸部4の上端部には、回転手段8である電動モータにより駆動される歯車31が一体に設けられており、歯車31を介して、軸部4が回転駆動されるようになっている。
また、軸部4の上端部は、回転継手32により軸支されており、ガス供給手段9からのガスは、回転継手32を介して軸部4に導入されるようになっている。ガス供給手段9は、例えば酸素ボンベである。
図1,2に戻り、翼部5の下部には、軸部4と同軸に下側軸部10が設けられ、その下側軸部10を混合槽2の底部に設けた下側軸受11で軸支するように構成している。このように構成することで、翼部5を上下から軸支することができ、翼部5の振動を抑え、攪拌翼7を安定して回転させることが可能となる。なお、下側軸部10と下側軸受11は必須ではなく、省略可能である。
さて、本実施の形態に係る攪拌槽1では、翼部5は、通気路6からのガスを液体S中に吹き出す複数の吹出口12が軸部4の半径方向に沿って形成された本体部13を有し、本体部13は、その少なくとも回転方向前方の面が、下方から上方にかけて回転方向後方に傾斜した傾斜面14に形成される。
本実施の形態では、回転方向前方の面と、回転方向後方の面の両方を傾斜面14とし、本体部13を、断面視で、上方から下方にかけて幅が広がる台形状に形成した。本体部13の内部には、通気路6の一部であり、吹出口12と連通した中空部15が形成されている。
傾斜面14の傾斜角度(翼部5が回転する面に対する角度、ここでは翼部5が水平面に沿って回転するので、水平面に対する角度)θは、45度以下であることが望ましい。これは、傾斜角度θが小さいほど、攪拌翼7を回転させた際に翼部5で発生するせん断応力を低くすることができるためである。ただし、傾斜角度θを小さくしすぎると攪拌効果が低下し、また製造が困難となるため、これらの点を考慮して傾斜角度θを決定するとよい。
吹出口12は、本体部13の軸部4側の端部から軸部4と反対側の端部にかけて、軸部4の半径方向に沿って等間隔に形成されており、軸部4の半径方向において均一にガスを供給できるように構成されている。このように構成することで、混合槽2の内壁の近傍でもガスを供給することが可能となり、混合槽2内の気泡や溶存気体の分布を均一に近づけることが可能になる。
また、本実施の形態では、断面視で台形状の本体部13を、軸部4を中心として放射状に延びるように、軸部4の周方向を4等分する位置(軸部4の中心軸に対して90度回転対称の位置)に配置し、全体として略十字状となるように本体部13を形成した。ただし、これに限らず、軸部4の周方向を何等分する位置に本体部13を設けるかは、適宜設定可能である。
さらに、本実施の形態では、翼部5が、円盤状に形成された支持部16を有しており、本体部13を、支持部16の上面に、支持部16の半径方向に沿って形成された凸状のリブで形成し、翼部5を所謂パルセータ型とした。つまり、ここでは、本体部13を、支持部16と一体に形成した。
支持部16の内部には、軸部4の通気路6と、本体部13の通気路6(中空部15)間に介在するように設けられ、軸部4から供給されたガスを一時的に貯留するチャンバ17が形成される。チャンバ17を形成しない場合、例えばガスの供給圧力が不安定なときには、吹出口12から吹き出すガス量が大きく変動してしまうが、チャンバ17を形成することにより、チャンバ17がガスを一次貯留するバッファとしての役割を果たし、吹出口12から液体S中にガスを安定して吹き出すことが可能となる。せん断応力の発生に寄与しない支持部16にチャンバ17を形成することで、大容量のチャンバ17を形成することが可能となり、より安定したガス供給が可能になる。なお、チャンバ17の容積、および吹出口12の数や径は、要求されるガスの供給量等に応じて適宜設定すればよい。
本実施の形態では、本体部13の下面全体を開放して、中空部15とチャンバ17を連通させているが、本体部13の下面の全体でなく一部のみを開放して、その開放部を介して中空部15とチャンバ17を連通させてもよい。
支持部16の外径(つまり本体部13全体の半径方向に沿った長さ)は、混合槽2の内径の0.5〜0.8倍に形成されることが望ましい。これは、支持部16の外径が混合槽2の内径の0.5倍未満であると、吹出口12から混合槽2の内壁までの距離が長くなって気泡を均一分散させることが困難となり、0.8倍を超えると、攪拌翼7を回転駆動させる際の駆動エネルギが無駄に大きくなってしまうためである。なお、従来よりバイオリアクタに一般に使用されているタービン式攪拌翼の直径は、混合槽2の内径の0.3〜0.5倍程度であり、本発明で用いる攪拌翼7は従来と比較してかなり大型であるといえる。
本実施の形態の作用を説明する。
本実施の形態に係る攪拌槽1では、攪拌翼7の翼部5が、吹出口12が軸部4の半径方向に沿って形成された本体部13を有しており、本体部13は、その少なくとも回転方向前方の面が、下方から上方にかけて回転方向後方に傾斜した傾斜面14に形成されている。
吹出口12を軸部4の半径方向に沿って形成することにより、比較的低い回転速度で気泡を均一分散させ、混合槽2内の気泡や溶存気体の分布を均一とすることが可能となる。また、本体部13の回転方向前方の面を傾斜面14に形成することにより、翼部5を回転させた際の液体Sの流れを平滑とし、翼部5に発生するせん断応力を低くすることが可能となる。つまり、本発明によれば、低せん断応力で気泡の均一分散が可能な攪拌槽1を実現できる。さらには、本発明の攪拌槽1で用いる翼部5は構造が簡単であるため、製造コストも抑制できる。
ここで、本体部13近傍のせん断応力の分布の解析を行った結果を説明する。
図4(a)は、本体部を断面視で矩形状(10mm×10mm)に形成した場合(従来例)、図4(b)は、本体部13を断面視で台形状(上辺10mm、下辺30mm、傾斜角度θ=45°)に形成した場合(本発明)のせん断応力の分布の解析結果を示す図である。液体Sの流れは図示左側から右側(回転方向は図示右側から左側)であり、液体Sの流速は0.5m/s(約50rpm相当)とした。
図4(a),(b)に示すように、回転方向前方の面を傾斜面14とすることにより、せん断応力を低くすることが可能であり、この場合、最大せん断応力が0.63Paから0.50Paに、最大歪み速度が約630(1/s)から500(1/s)に低下することが確認できた。
なお、本体部13の回転方向前方の面のみならず、回転方向後方の面も傾斜面14に形成し、本体部13を断面視で台形状に形成することで、本体部13の回転方向後方にて剥離渦や回り込み渦が発生してしまうことを抑制でき、さらなる低せん断応力を実現することが可能となる。
また、円盤状に形成された支持部16を備え、本体部13を、支持部16の上面に形成された凸状のリブで形成することにより、本体部13の機械的な強度を支持部16で補強し、本体部13を小型化(つまり細長く)することが可能になる。よって、大型の混合槽2に適用する場合でも、本体部13を小型とし、低せん断応力で気泡の均一分散が可能な攪拌槽1を実現できる。
さらに、支持部16の内部に、軸部4から供給されたガスを一時的に貯留するチャンバ17を形成することにより、チャンバ17がバッファの役割を果たし、吹出口12から液体S中にガスを安定して吹き出すことが可能になる。
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
例えば、上記実施の形態では、傾斜面14を平面状(断面視で直線状)に形成する場合を示したが、傾斜面14は、曲面状(断面視で曲線状)に形成しても構わない。
また、上記実施の形態では、軸部4を介して翼部5の上方からガスを供給する場合を説明したが、これに限らず、下側軸部10を介して翼部5の下方からガスを供給することも可能である。
さらに、上記実施の形態では、本体部13を支持部16と一体に形成したが、図5に示すように、本体部13を支持部16に対して着脱可能に構成することも可能である。
この場合、本体部13の下部にフランジ51を設けると共に、支持部16にフランジ51を収容する溝52を設け、フランジ51を溝52に収容した状態でフランジ51をボルト等で支持部16に固定することで、本体部13を支持部16に固定するよう構成すればよい。また、溝52にチャンバ17と連通する貫通孔53を形成すると共に、フランジ51に中空部15に連通する貫通孔(図示せず)を形成し、本体部13を支持部16に固定した際に、チャンバ17と中空部15とが両貫通孔を介して連通するように構成すればよい。
このように構成することで、吹出口12の数や径等が異なる本体部13を複数用意しておけば、用途に応じて使用する本体部13を適宜選択することが可能となり、汎用性を向上させることができる。
さらにまた、図6に示すように、支持部16を省略することも可能である。この場合、軸部4の通気路6は、本体部13の中空部15に直接接続されることになる。
1 攪拌槽
2 混合槽
3 攪拌装置
4 軸部
5 翼部
6 通気路
7 攪拌翼
8 回転手段
9 ガス供給手段
10 下側軸部
11 下側軸受
12 吹出口
13 本体部
14 傾斜面
15 中空部
16 支持部
17 チャンバ
2 混合槽
3 攪拌装置
4 軸部
5 翼部
6 通気路
7 攪拌翼
8 回転手段
9 ガス供給手段
10 下側軸部
11 下側軸受
12 吹出口
13 本体部
14 傾斜面
15 中空部
16 支持部
17 チャンバ
Claims (6)
- 液体が貯留される混合槽と、該混合槽に貯留される前記液体中にガスを吹き込みつつ前記液体を攪拌し、前記ガスを前記液体中に溶解させる攪拌装置と、を備えた攪拌槽において、
前記攪拌装置は、軸部と該軸部の先端に一体に設けられた翼部とからなり、前記軸部から前記翼部にわたって前記ガスを通す通気路が形成された攪拌翼と、該攪拌翼を回転させる回転手段と、前記通気路に前記ガスを供給するガス供給手段と、を備え、
前記翼部は、前記通気路からの前記ガスを前記液体中に吹き出す複数の吹出口が前記軸部の半径方向に沿って形成された本体部を有し、
前記本体部は、その少なくとも回転方向前方の面が、下方から上方にかけて回転方向後方に傾斜した傾斜面に形成される
ことを特徴とする攪拌槽。 - 前記本体部は、断面視で、上方から下方にかけて幅が広がる台形状に形成される
請求項1記載の攪拌槽。 - 前記翼部は、円盤状に形成された支持部を有し、
前記本体部は、前記支持部の上面に、前記支持部の半径方向に沿って形成された凸状のリブからなる
請求項1または2記載の攪拌槽。 - 前記支持部の内部に、前記軸部から供給された前記ガスを一時的に貯留するチャンバを形成した
請求項3記載の攪拌槽。 - 前記支持部は、その外径が、前記混合槽の内径の0.5〜0.8倍に形成される
請求項3または4記載の攪拌槽。 - 前記傾斜面の傾斜角度が、45度以下である
請求項1〜5いずれかに記載の攪拌槽。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2011201913A JP2013063362A (ja) | 2011-09-15 | 2011-09-15 | 攪拌槽 |
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JP2011201913A JP2013063362A (ja) | 2011-09-15 | 2011-09-15 | 攪拌槽 |
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Cited By (4)
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KR20150107027A (ko) * | 2014-03-13 | 2015-09-23 | 주식회사 중정 | 유체를 액체에 혼입하는 장치 |
JP5886929B1 (ja) * | 2014-10-23 | 2016-03-16 | 佐竹化学機械工業株式会社 | 撹拌装置 |
CN112779414A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-05-11 | 襄阳远锐资源工程技术有限公司 | 铅膏脱硫工艺及其脱硫设备 |
JP2022092459A (ja) * | 2020-12-10 | 2022-06-22 | オウ チュン コー チー クー フェン ユー シェン コン スー | 微細流体構造発生機構及びそれを用いた微細流体構造発生装置 |
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2011
- 2011-09-15 JP JP2011201913A patent/JP2013063362A/ja not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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