JP2776723B2 - 攪拌型発酵槽 - Google Patents

攪拌型発酵槽

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    • C12M27/00Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、粘性発酵に用いる攪拌
型発酵槽に関し、特に、高粘性培養液中への酸素の溶解
を促進する攪拌型発酵槽に関する。
【0002】
【従来の技術】微生物が作る多糖類、蛋白質、核酸、脂
質等のバイオポリマは有用性がある材料として開発が進
められている。これらのバイオポリマの発酵生産におい
ては、発酵の経過と共に発酵液の粘度が著しく高くなる
ことが多い。したがって、発酵液の粘度が増加するため
攪拌混合が不十分になり、酸素供給速度が低下するた
め、好気性微生物の生育環境を均一に保ち、発酵生産性
を効率良く安定に保つことは困難であった。
【0003】本出願人は、このような高粘性発酵に用い
る攪拌型発酵槽を既に開発している。図1は本出願人が
既に開発した従来の攪拌型発酵槽である。図1におい
て、1は発酵槽であり、発酵槽1の内部には微生物の生
育環境を均一にするために攪拌軸4に取り付けられた回
転可能な攪拌翼3が配置されている。この攪拌翼3は、
発酵槽1の外部に設けられた駆動部2により、攪拌軸4
を通じて回転する。この攪拌翼3の回転によって、発酵
槽1の内部の発酵液7が攪拌される。この攪拌翼3の構
造は、その下部が板状の大型パドルとなっており、発酵
槽1内の全循環流を発生する機能を有し、その上部が格
子状のグリッド部となって発酵液7を細分化する機能を
有する。
【0004】発酵槽1内の底部には、空気等の酸素を含
んだ通気ガスを発酵槽1内へ供給するための通気管5が
配置されており、発酵槽1外部の通気ガス入り口6を通
じて通気ガスが通気管5から気泡として発酵液7中へ導
入される。導入された通気ガスは、通気管5からその上
部にある攪拌翼3に向けて吐出される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、粘性発
酵において発酵槽内の発酵液の粘度によって、発酵槽の
底部に導入された通気ガスの小さな気泡の移動パターン
が変動することを見出した。すなわち、前記従来の攪拌
型発酵槽による発酵液フローパターンは図1のような8
の字流れを形成する。発酵液が比較的低粘度の低粘性発
酵においては、通気管から供給される通気ガスの気泡は
発酵液の8の字流れに沿って分散され、発酵液全体に気
泡は供給される。
【0006】しかしながら、粘性発酵が進み発酵液の粘
度が数十cpを越え始めると、次第に気泡は発酵槽の中
心方向へ集まり、周辺の気泡と合一し、より大きな気泡
を形成する傾向となる。発酵液の粘度が最終的に数百〜
数千cp高粘性となるような高粘性発酵では、特にこの
傾向は強まり、攪拌翼の上端の攪拌軸の近傍では大きな
気泡の塊を生じ、その気泡はそのまま発酵槽の上部の気
相部へと抜ける。このように、一旦、塊となって上昇し
た気泡は、発酵液フローパターンの8の字流に沿うこと
はない。
【0007】そのため、前記従来の攪拌型発酵槽を用い
た高粘性発酵では、発酵槽内の発酵液のフローに沿った
充分な通気ガス供給が行なえず、したがって、生産性が
低く抑えられる問題があった。このような場合、通気ガ
スの供給を多くしても、気泡が合体して大きくなり、上
方へそのまま無駄に抜けるだけで、発酵液全体に十分に
通気ガスを供給することはできなかった。
【0008】そこで本発明は、前記した問題点を解決
し、高粘性発酵において、発酵液全体に十分な通気ガス
を供給することができる攪拌型発酵槽を提供することを
目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】前記した問題点を解決す
るために、本発明は、攪拌翼を有する通気攪拌型発酵槽
において、発酵槽の底部と攪拌翼上部周辺に、それぞれ
通気管を配置したことを特徴とする通気攪拌型発酵槽と
するものである。本発明の発酵槽の底部に設けられた前
記通気管は、複数の通気孔が攪拌翼に向けて通気ガスを
吐出するように設けられている。このように通気管の通
気孔を攪拌翼に向けてる理由は、供給した気泡をさらに
細かくするために、つまり気泡界面を大きくするために
攪拌翼に向けて排出することにより、気泡が小さく破断
されるようにするためである。
【0010】一方、攪拌翼上部周辺に設けられた前記通
気管は、複数の通気孔が鉛直方向に通気ガスを吐出する
ように設けられている。本発明で用いられる通気管の形
状は、例えば、複数の通気孔を有するリング状又はスパ
イラル状、或いはシングルノズル等の任意の形状のもの
が適用できる。前記攪拌翼上部周辺の通気管(上段の通
気管)の配置場所は、攪拌翼上部周辺の発酵槽内壁近傍
の発酵液の下降流の始まる部分に配置することが均一な
通気ガス供給のために効果的である。下降流の任意の位
置に、さらに通気管を付加することも可能である。
【0011】本発明に用いる攪拌翼には、高粘性な発酵
液の攪拌混合に用いることができる、ゲート翼やアンカ
ー翼などの大型翼が適用できる。特に、下部が板状の大
型パドルとなっており、その上部が格子状のグリッド部
となっている攪拌翼が、発酵液の全循環流を発生し、且
つ高粘性な発酵液を細分化する機能を有するので好適で
ある。
【0012】
【作用】発酵槽の底部(下段)と攪拌翼上部周辺(上
段)に、それぞれ通気管を配置し、上段の通気管は複数
の通気孔が鉛直方向に通気ガスを吐出するように設けら
れているので、上段の通気管から供給された気泡は他の
気泡と合一されにくく、発酵液の下降流に同伴して下降
し、下段と上段の通気管により発酵槽内の高粘性な発酵
液全体への均一な酸素供給が可能となる。
【0013】また、発酵槽の底部に設けられた前記通気
管は、複数の通気孔が攪拌翼に向けて通気ガスを吐出す
るように設けられているので、吐出された気泡は小さく
破断される。
【0014】
【実施例】図2は本発明の実施例の攪拌型発酵槽であ
る。図2中の11は発酵槽であり、微生物の生育環境を
均一にするために、発酵槽11の内部には攪拌軸14に
取り付けられた回転可能な攪拌翼13が設けられてい
る。発酵槽11の外部に設けられた駆動部12により、
攪拌軸14を通じて攪拌翼13が回転することによっ
て、発酵槽11の内部の高粘性な発酵液17の攪拌が行
なわれる。この攪拌翼13の構造は、その下部が板状の
大型パドルとなっており、発酵槽11内の全循環流を発
生する機能を有し、その上部が格子状のグリッド部とな
って高粘性な発酵液17を細分化する機能を有する。
【0015】発酵槽11内の底部には、通気ガスを発酵
槽11内へ供給するためのリング状の通気管15が配置
されており、その通気管15には攪拌翼13に向けて開
口した複数の通気孔が穿たれている。発酵槽11の外部
の通気ガス入り口16を通じて通気ガスが前記通気管1
5の通気孔から気泡として発酵液17中に導入される。
導入された通気ガスは、通気管15からその上部にある
攪拌翼13に向けて吐出される。
【0016】本実施例においては、攪拌翼13の上部周
辺の発酵槽11内の壁近傍にリング状の通気管18が配
置されている。発酵液の流れが下降し始める方向に気泡
が吐出されるように、この配管には下向きに複数の通気
孔が穿たれている。発酵槽11の外部の通気ガス入り口
19を通じて通気ガスが通気管18の通気孔から気泡と
して発酵液17中に導入される。
【0017】上記攪拌型発酵槽を用いた高粘性発酵液の
模擬液としてカルボキシメチルセルロース(CMC)水
溶液を用いて本発明の攪拌型発酵槽の通気攪拌効果を検
証した。 実験条件は以下の通りとした。 発酵槽:実容量23.3l(内径290mm) 通気管:上段 → 内径250mm 下段 → 内径174mm 通気量:23.3l/min(1VVM) 攪拌翼:マックスブレンド翼(登録商標:住友重機械工
業株式会社製、ボトムパドル部とグリッド部とからなる
攪拌翼) 所要動力:1kw/m3 邪魔板(バッフル):無 発酵模擬液:CMC水溶液 100cp 及び 100
0cp 温 度:30℃ 上記条件で、通気管下段のみの場合と通気管上下2段の
場合について酸素供給性能を総括酸素移動容量計数kL
・aを測定することにより比較検討した。このkL・a
は発酵槽の酸素移動能を表す目安となるもので、同じ条
件ではkL ・aの大きい方が酸素移動の能力が大きいこ
とを示し、発酵槽の通気攪拌効果を定量的に表すものと
して利用されている。気相から液相への酸素移動は次式
(1)で代表される。
【0018】
【数1】
【0019】ここで、CL は培養液中の溶存酸素濃度、
tは時間、dCL /dtは酸素移動速度、kL は境界膜
の酸素移動係数、aは単位面積当りの気液界面積、C*
は気泡の酸素分圧と平衡な溶存酸素濃度である。通常、
発酵系のkL とaを測定することはたいへん困難なこと
であるから、この2項を掛け合わせたkL ・aを酸素移
動容量係数と呼んで用いられている。
【0020】上段の通気管の設定位置は攪拌翼上端から
鉛直方向に0.05D(D:発酵槽内径)下方で、半径
方向に攪拌軸から0.4Dの位置とした。なお、翼によ
って最適設定位置は若干異なり、本設定位置(0.05
D,0.4D)に限定されるものではない。kL ・aは
亜硫酸ソーダにより測定した。そのkL ・aの測定結果
を次の表1に示す。
【0021】
【表1】
【0022】表1によれば、本発明による上下2段の通
気方法によって攪拌を行なうことにより、従来法より酸
素供給能が高いことが明らかである。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、発酵槽の底部(下段)
と攪拌翼上部周辺(上段)に、それぞれ通気管を配置し
たので、上段の通気管から供給された気泡は他の気泡と
合一されにくく、発酵液の下降流に同伴して下降し、下
段と上段の通気管により発酵槽内の高粘性な発酵液全体
への均一な酸素供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の攪拌型発酵槽である。
【図2】本発明の実施例の攪拌型発酵槽である。
【符号の説明】
11 発酵槽 12 駆動部 13 攪拌翼 14 攪拌軸 15,18 通気管 16,19 通気ガス入口 17 発酵液
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C12M 1/00 - 3/10

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 攪拌翼を有する通気攪拌型発酵槽におい
    て、発酵槽の底部と攪拌翼上部周辺に、それぞれ通気管
    を配置したことを特徴とする通気攪拌型発酵槽。
  2. 【請求項2】 発酵槽の底部に設けられた前記通気管
    は、複数の通気孔が攪拌翼に向けて通気ガスを吐出する
    ように設けられている請求項1記載の通気攪拌型発酵
    槽。
  3. 【請求項3】 攪拌翼上部周辺に設けられた前記通気管
    は、複数の通気孔が鉛直方向に通気ガスを吐出するよう
    に設けられている請求項1または2記載の通気攪拌型発
    酵槽。
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