JP2024074193A - Gas-liquid stirring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、槽内の液体を、冷却等のために槽外に取り出し、再度、槽内に戻して循環させる循環管(循環ライン)を有する、例えば、微生物やカビ系培養等を行うバイオリアクター(生化学反応装置)に使用される気液撹拌装置に関するものである。 The present invention relates to a gas-liquid mixing device that has a circulation pipe (circulation line) that removes the liquid in a tank from the tank for cooling or the like and then circulates it back into the tank, and is used, for example, in a bioreactor (biochemical reaction device) for culturing microorganisms or fungi.
従来、気液撹拌させる微生物バイオリアクターは、タービン翼で気泡を強力に分散する機械式の気液撹拌装置と、微細気泡を吐出させる通気ノズルやセラミック多孔質体や微細気泡メンブレンなどからなる微細気泡放出手段により、通気エネルギーで培養槽内を撹拌混合させる気泡塔式の気液撹拌装置がある。 Conventionally, microbial bioreactors that mix gas and liquid include mechanical gas-liquid mixing devices that use turbine blades to strongly disperse bubbles, and bubble column type gas-liquid mixing devices that use aeration energy to mix and stir the culture tank using fine bubble release means made of an aeration nozzle that ejects fine bubbles, a ceramic porous body, or a fine bubble membrane.
また、例えば、撹拌槽が大スケールになると、冷却性能が低下する事から、該撹拌槽内に冷却コイルを設置する必要がある。 In addition, for example, when the mixing vessel becomes large-scale, the cooling performance decreases, so it is necessary to install a cooling coil inside the mixing vessel.
前記機械式のバイオリアクターの気液撹拌装置の例1としては、例えば、図4に示すように、液体が容れられた有底の円筒状の撹拌槽1内の中心部に垂下した回転軸2に、上下方向に離間して複数のタービン翼などの撹拌翼3を設けると共に、該撹拌槽1の内周面1bに上下方向に延びるバッフル4を設ける。
As an example of the gas-liquid mixing device for the mechanical bioreactor, as shown in FIG. 4, for example, a
そして、最下部の前記撹拌翼3の下に、例えば、環状の通気管(スパージャーリング)5を設けると共に、該環状の通気管5の周壁の上面部に複数の気体吐出口(図示せず)を設けて、これら気体吐出口から上方に吐出した気体を前記撹拌翼3により強力に分散させて、前記撹拌槽1内の液体に通気する機械式の気液撹拌装置がある(特許文献1)。
Then, there is a mechanical gas-liquid mixing device that provides, for example, an annular vent pipe (sparger ring) 5 under the
また、気泡塔式のバイオリアクターの気液撹拌装置は、例えば、図5に示すように、液体が容れられた有底の円筒状の撹拌槽1の内周面に上下方向に延びるバッフル4を設けると共に、前記撹拌槽1の底部1aの中心に、微細気泡を吐出させる通気ノズルやセラミック多孔質体や微細気泡メンブレンなどからなる微細気泡放出手段6を設け、前記底部1aから微細気泡を吐出させて、通気エネルギーで撹拌槽1内を撹拌させる気泡塔式の気液撹拌装置がある。
In addition, as shown in FIG. 5, a gas-liquid mixing device for a bubble column bioreactor includes a
そして、例えば、前記撹拌槽が大スケール(大容量)の場合には、冷却性能が低下することから、図4及び図5に示すように、前記各撹拌槽1内には、内周面に沿って上下方向延びるに螺旋状の冷却コイル7が設けられる。
For example, when the mixing tank is large-scale (large capacity), the cooling performance decreases, so as shown in Figures 4 and 5, a
しかしながら、前記冷却方法は、前記冷却コイル7が密になるほど、撹拌槽1内の流動性が悪化し、バイオリアクターとしての性能が低下すると共に、撹拌動力、通気動力が増大し、エネルギー効率面で課題があった。
However, with this cooling method, the denser the
そのため、図6や図7に示すように、前記撹拌槽1の外周壁に、上下方向に液体循環用の循環管8の両端部を連通接続し、該循環管8に、該循環管8内の液体を冷却する手段(図示せず)を設けると共に、液体移送用のポンプ9を設け、該ポンプ9を駆動して、前記撹拌槽1内の液体を、前記循環管8内に導入し、そして、前記冷却手段により冷却した後に、前記撹拌槽1内に戻す冷却方法がある。
Therefore, as shown in Figures 6 and 7, there is a cooling method in which both ends of a
しかしながら、前記機械式の気液撹拌装置は、依然として、気体を前記撹拌翼3により強力に分散させるため、多くの気液動力や撹拌動力を消費する欠点があった。
However, the mechanical gas-liquid mixing device still had the drawback of consuming a lot of gas-liquid power and mixing power in order to strongly disperse the gas using the
また、気泡塔型バイオリアクターは、容量(スケール)に限界があり、ガス制御と流動制御、泡沫層の影響から100~300kL(ton)クラスでの実用性は極めて低い。 In addition, bubble column bioreactors have capacity (scale) limitations, and due to gas control, flow control, and the effects of the foam layer, their practical use in the 100 to 300 kL (ton) class is extremely low.
また、100~300kL以上の大型リアクターでは、伝熱効率を向上させた外冷式の機械式バイオリアクターが運用されているが、300kL以上のスケールで運用するには、ガス分散のための撹拌動力が大きいことから、非現実的なモーター動力が必要となり、エネルギー効率面でクリアすべき課題が存在し、実用性がない。 In addition, in large reactors of 100 to 300 kL or more, externally cooled mechanical bioreactors with improved heat transfer efficiency are used, but to operate on a scale of 300 kL or more, the stirring power required for gas dispersion is large, which requires unrealistic motor power, and there are issues to be overcome in terms of energy efficiency, making them impractical.
そこで、本発明者は、種々実験検討した結果、撹拌槽に設けた循環管(循環ライン)を利用して通気させ、また、撹拌翼と静翼により形成される循環流を利用することにより、大幅に、撹拌動力、通気動力を低減させて、気液混合できることを見出したものである。 As a result of various experimental studies, the inventors discovered that by using a circulation pipe (circulation line) installed in the mixing vessel for aeration and by utilizing the circulation flow formed by the mixing blades and the stationary blades, it is possible to significantly reduce the mixing power and aeration power and mix the gas and liquid.
前記の目的を達成すべく、本発明の気液撹拌装置は、液体が容れられる槽と、該槽に設けた、前記槽内の液体を槽外に導入し、再度、槽内に戻して循環させる循環管と、該循環管内の液体を移送する液体移送手段と、前記循環管内に設けた通気手段とよりなることを特徴とする。 To achieve the above object, the gas-liquid mixing device of the present invention is characterized by comprising a tank for holding a liquid, a circulation pipe provided in the tank for introducing the liquid in the tank out of the tank and then circulating it back into the tank, a liquid transfer means for transferring the liquid in the circulation pipe, and a ventilation means provided in the circulation pipe.
また、前記撹拌槽内に設けた、液体を半径方向外方に吐出する撹拌翼と、前記撹拌槽の底部に設けた、上昇流を生じさせる静翼とを更に有し、前記循環管の出口部を、前記撹拌翼と静翼とにより形成される循環流が生ずる、前記槽の壁に連通接続したことを特徴とする。 The device further includes an agitator blade disposed within the agitation tank for discharging liquid radially outward, and a stator blade disposed at the bottom of the agitation tank for generating an upward flow, and the outlet of the circulation pipe is connected to the wall of the tank where the circulation flow formed by the agitator blade and the stator blade occurs.
また、前記撹拌翼は、半径方向に放射状に設けられた複数のフラットバドル翼よりなり、前記静翼は、放射状に設けられた、複数の帯状板からなり、該帯状板の交差部に相当する中心部には、隙間が形成されていることを特徴とする。 The agitating blades are made of multiple flat paddle blades arranged radially in the radial direction, and the stationary blades are made of multiple strips arranged radially, with a gap formed in the center corresponding to the intersection of the strips.
また、前記循環管は、出口部が、前記槽の周側壁の下部に接続され、入口部が、上部に接続されていることを特徴とする。 The circulation pipe is also characterized in that the outlet portion is connected to the lower portion of the peripheral side wall of the tank, and the inlet portion is connected to the upper portion.
また、前記通気手段は、微細気泡を発生させるメンブレンから形成されることを特徴とする。 The ventilation means is also characterized by being formed from a membrane that generates microscopic bubbles.
また、前記撹拌槽の内周面には、上下方向に延びるバッフルが設けられることを特徴とする。 The inner surface of the mixing vessel is also provided with a baffle extending in the vertical direction.
本発明によれば、循環管の移送力を利用したので、撹拌動力、通気動力を小さくして、気液混合ができるようになる。 According to the present invention, the transport force of the circulation pipe is utilized, so the stirring power and aeration power can be reduced and gas-liquid mixing can be achieved.
また、撹拌翼と静翼により形成される循環流に乗せて撹拌する低動力撹拌技術を用い、そして、微細気泡を、撹拌翼と静翼により形成される循環流に乗せて循環させるため、撹拌動力、通気動力を小さくして、気液混合ができるようになる。 In addition, a low-power mixing technique is used that uses a circulating flow formed by the mixing blades and stationary blades to mix the liquid, and the fine bubbles are circulated on the circulating flow formed by the mixing blades and stationary blades, so the mixing power and aeration power can be reduced and gas-liquid mixing can be achieved.
本発明を実施するための形態の実施例を以下に示す。 The following is an example of how the present invention can be implemented.
なお、背景技術と同じ部分には同じ符号を付け、説明を省略する。 Note that parts that are the same as those in the background art are given the same reference numerals and their explanations are omitted.
本発明の実施例1を図1~図3によって説明する。 The first embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 1 to 3.
本発明の気液撹拌装置は、液体が容れられる有底の円筒状の撹拌槽1と、該撹拌槽1内に垂設された回転軸2と、前記回転軸2の下端に設けた、液体を半径方向外方に吐出する撹拌翼10と、前記撹拌槽1の底部1aの中心に設けた、上昇流を生じさせる静翼11と、前記撹拌槽1の外周壁に、例えば、上下方向に、両端部を槽内外を連通して接続した液体循環管12と、該液体循環管12を、例えば、冷却する冷却手段(図示せず)と、前記液体循環管12に設けた、該液体循環管12内の液体を移送するポンプ13などの液体移送手段と、前記循環管12内の、例えば、前記ポンプ13の下流側に設けた、セラミック多孔質体や微細気泡発生メンブレンなどからなる微細気泡放出手段14とよりなる。なお、4は、バッフルであるが、省略してもよい。
The gas-liquid mixing device of the present invention comprises a
また、前記液体循環管12の、前記撹拌槽1に連結された出口部12aは、前記撹拌翼10と前記静翼11とにより形成される循環流の生ずる、前記撹拌槽1の周側壁に接続されるようにする。
The
なお、該出口部12aは、例えば、前記撹拌槽1の周側壁の下部に接続される。
The
また、前記循環管8の入口部8bは、前記撹拌槽1の周側壁の上部に接続される。
The inlet 8b of the
また、前記撹拌翼10は、例えば、前記回転軸2の下端に、半径方向に放射状に固定した、例えば、4枚の矩形板状のフラットパドル翼などの翼板10aとよりなり、液体内の前記撹拌槽1の上部に設けられる。
The stirring
また、前記静翼11は、例えば、図2に示すように、直線状の帯状板11aからなり、該帯状板11aは、前記撹拌槽1内の底部1aの中心を通る半径線Rから間隔dの位置に平行に放射状に、例えば、4枚固定されると共に、これら帯状板11aの交差部に相当する該底部の中心部には隙間が形成されている。
The
本発明は上記のような構成であるから、前記撹拌翼10を回転すれば、図3に示すように、撹拌翼10からの液体は、半径方向外方に吐出し、前記撹拌槽1の内周面1bにあたり、前記撹拌槽1の内周面に沿う、下方に向かう旋回流を生じ、そして、前記底部1aに到達して、該底部1aの中央まで移動して、前記底部1aの静翼11により中心部で上昇流を生じ、そして、該上昇した液体は、前記撹拌翼7により、半径方向外方に吐出して、該液体は、前記撹拌槽1内で循環するようになる。
Since the present invention is configured as described above, when the
また、前記ポンプ9を駆動すれば、前記撹拌槽1内の液体が、前記循環管8の入口部8bから該循環管8内に導入され、そして、前記冷却手段により冷却され、そして、前記微細気泡放出手段14により、液体内に微細気泡が放出され、該微細気泡を含む液体は、前記ポンプ8の駆動力により、前記循環管8の出口部8aから、前記撹拌槽1内に放出されるようになる。
When the
そして、前記出口部8aは、前記撹拌翼10と前記静翼11とにより形成される循環流の生ずる、前記撹拌槽1の周側壁に接続されているので、該撹拌槽内に放出された微細気泡は、前記循環流に乗り、底部中央で上昇して、循環流に乗って、気液混合がなされるようになる。
The outlet 8a is connected to the peripheral side wall of the
本発明によれば、前記循環管8の循環力を利用して、微細気泡を撹拌槽1内に放出し、また、撹拌槽1内においては、該撹拌槽1内に形成された循環流に乗せて、微細気泡を循環させることができるので、撹拌動力、通気動力を小さくして、気液混合ができるようになる。
According to the present invention, the circulation force of the
これにより、撹拌動力にかかる消費エネルギーを、例えば、最大で2/10程度まで低減する事が可能となった。 This makes it possible to reduce the energy consumption required for mixing power, for example, to a maximum of about 2/10.
また、微細気泡を用いることでガス吸収効率kLaを向上させ、培養に必要な通気流量を低減させ、通気動力を大幅削減する。 In addition, the use of fine bubbles improves the gas absorption efficiency kLa, reducing the aeration flow rate required for cultivation and significantly reducing the aeration power required.
これにより、トータルエネルギーの飛躍的低減により、300kL以上の大型培養槽の効率的運用が可能となる。 This dramatically reduces total energy consumption, enabling efficient operation of large culture tanks of 300 kL or more.
尚、300kL以下でも十分に上記効果を発揮するようになる。 The above effects are also fully achieved even with a volume of 300kL or less.
また、上記実施例では、外冷ポンプ循環流を利用したが、前記循環管は、冷却用以外に、加温用、濃縮用、希釈用、添加用、結晶用等のための、槽内液体を槽外を経由して循環させる循環管であってもよく、撹拌槽内の液体を、撹拌槽外に導入し、そして、その導入された液体を、再度、前記撹拌槽内に戻すものであればよい。 In the above embodiment, an external cooling pump circulation flow was used, but the circulation pipe may be a circulation pipe that circulates the liquid in the tank outside the tank for purposes other than cooling, such as heating, concentration, dilution, addition, crystallization, etc., and may introduce the liquid in the mixing tank outside the mixing tank and then return the introduced liquid back into the mixing tank.
また、前記循環管は、循環管自体が、通気のためのものであってもよい。 The circulation pipe itself may be for ventilation purposes.
また、前記循環管8は、前記撹拌槽1に上下方向に接続する以外に、縦方向や、その他の方向に接続してもよく、特に、接続する場所に限定はない。
The
また、複数の循環管8がある場合には、それぞれに、前記微細気泡放出手段14を設けるようにしてもよい。
If there are
また、前記微細気泡放出手段14は、前記循環管8内において、複数設けてよい。
Moreover, multiple microbubble emitting means 14 may be provided within the
また、前記循環管内を移送するための移送手段は、ポンプ以外の手段であってもよい。 The transport means for transporting the liquid through the circulation pipe may be a means other than a pump.
1 撹拌槽
1a 底部
1b 内周面
2 回転軸
3 撹拌翼
4 バッフル
5 通気管
6 微細気泡放出手段
7 冷却コイル
8 循環管
9 ポンプ
10 撹拌翼
10a 翼板
11 静翼
11a 帯状板
12 液体循環管
12a 出口部
12b 入口部
13 移送ポンプ
14 微細気泡放出手段
Claims (6)
該槽に設けた、前記槽内の液体を槽外に導入し、再度、槽内に戻して循環させる循環管と、
該循環管内の液体を移送する液体移送手段と、
前記循環管内に設けた通気手段とよりなることを特徴とする気液撹拌装置。 A tank for containing a liquid;
a circulation pipe provided in the tank for introducing the liquid in the tank to the outside of the tank and then returning the liquid to the tank for circulation;
A liquid transfer means for transferring the liquid in the circulation pipe;
A gas-liquid mixing device comprising a ventilation means provided in the circulation pipe.
前記撹拌槽の底部に設けた、上昇流を生じさせる静翼とを更に有し、
前記循環管の出口部を、前記撹拌翼と静翼とにより形成される循環流が生ずる、前記槽の壁に連通接続したことを特徴とする請求項1に記載の気液撹拌装置。 A stirring blade provided in the stirring tank for discharging liquid radially outward;
The stirring vessel further includes a stator blade that generates an upward flow and is provided at the bottom of the stirring vessel,
2. The gas-liquid mixing device according to claim 1, wherein an outlet of the circulation pipe is connected to a wall of the vessel where a circulation flow formed by the mixing blades and the stationary blades occurs.
前記静翼は、放射状に設けられた、複数の帯状板からなり、該帯状板の交差部に相当する中心部には、隙間が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の気液撹拌装置。 The stirring blade is composed of a plurality of flat paddle blades arranged radially in the radial direction,
3. The gas-liquid mixing device according to claim 2, wherein the stator blade is made of a plurality of band-shaped plates arranged radially, and a gap is formed in a central portion corresponding to an intersection of the band-shaped plates.
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