JP5086377B2 - A micro-bubble generating device in which the micro-bubble particle size and the micro-bubble concentration are variable, and a method for changing (scaling up / down) the micro-bubble generating device using the device. - Google Patents
A micro-bubble generating device in which the micro-bubble particle size and the micro-bubble concentration are variable, and a method for changing (scaling up / down) the micro-bubble generating device using the device. Download PDFInfo
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Description
本発明は、マイクロバブルおよびナノバブルと呼称される微小気泡発生装置に関する。 The present invention relates to a microbubble generator called microbubble and nanobubble.
いわゆる「マイクロバブル」には通常の気泡とは異なった性質がある、とされている。この「マイクロバブル」には、低濃度タイプ:直径が30μm 付近に分布のピークがあり、気泡濃度としては数百個/mL 程度。見た目は水が少し曇った状態のもの。および、高濃度タイプ:10μm 付近に気泡分布のピークがあり、気泡個数は数千個/mL 以上。見た目は牛乳のような状態のものがある。 It is said that so-called “microbubbles” have different properties from ordinary bubbles. This “microbubble” is a low concentration type: there is a distribution peak around 30 μm in diameter, and the bubble concentration is about several hundreds / mL. It looks like a little cloudy water. And high-concentration type: There is a bubble distribution peak near 10μm, and the number of bubbles is more than several thousand / mL. It looks like milk.
ここで、低濃度タイプ(30μm)、高濃度タイプ(10μm)などのバブルの違いによる、所望の生物または非生物に与える影響の差異は、バラエティに富んでいて一概には言えない。 Here, the difference in the effect on the desired organism or non-organism due to the difference in bubbles such as the low concentration type (30 μm) and the high concentration type (10 μm) is varied and cannot be generally described.
すなわち、牡蠣や魚類・人体などの生物体にとっては高濃度タイプ(10μm)のほうが異物取込み(エンドサイトーシス)の促進による生体サイズの成長肥大、血流量を増加など健康増進効果が低濃度タイプ(30μm)のそれよりもはるかに大きいということがある。 In other words, for organisms such as oysters, fish and humans, the high concentration type (10 μm) is a low concentration type (10 μm) that promotes the uptake of foreign substances (endocytosis) and has a health promoting effect such as increased blood flow. It is much larger than that of 30 μm).
その一方、繊維芽細胞・骨芽細胞や大腸菌などの生物体の一細胞や単細胞生物、あるいはサンゴなどの微小生物にとっては、高濃度タイプ(10μm)のバウリングで発生すると考えられるラジカルに対してスカベンジャー生成など防御手段が脆弱なため、必ずしも高濃度タイプ(10μm)がよいとは限らない。 On the other hand, for a single cell of a living organism such as fibroblasts, osteoblasts, and E. coli, single-celled organisms, or micro organisms such as corals, scavengers against radicals that are thought to be generated by high concentration type (10 μm) bowling. Since the defense means such as generation is weak, the high concentration type (10 μm) is not always good.
この場合は、逆に低濃度タイプ(30μm)で通常のミリスケールバブリングよりも効果がある領域範囲を実験的に見いだして利用している。 In this case, conversely, a low-concentration type (30 μm) region area that is more effective than normal millimeter-scale bubbling is found experimentally and used.
以上を換言再記すると、マイクロバブルおよびナノバブルと呼称される微小気泡を実用利用する際に、比較的大きな生物体(牡蠣や魚類・人体)については、高濃度タイプ(10μm)といわれるような微小気泡の粒度分布が比較的小さいほうにあって、微小気泡の濃度が濃いものであってもかまわないが、繊維芽細胞・骨芽細胞や大腸菌などの生物体の一細胞や単細胞生物、あるいはサンゴなどの微小生物を対象にした場合には、ラジカル・スカベンジャー生成などの生体防御が脆弱であることから、異物取込み(エンドサイトーシス)の促進や活性化といった所望の効果が得られず、むしろ、細胞破壊や殺菌といった逆効果となってしまうので、通常のミリスケールバブリングに近い低濃度タイプで効果がある領域を探索しなければならない。 In other words, when microbubbles called microbubbles and nanobubbles are put to practical use, the relatively large organisms (oysters, fish, and human bodies) are microscopically called the high-concentration type (10 μm). Although the bubble size distribution is relatively small and the concentration of microbubbles may be high, one cell or single cell organism such as fibroblast, osteoblast or E. coli, or coral When targeting micro-organisms such as, because the defense of the body such as radical scavenger generation is fragile, the desired effect of promoting or activating foreign body uptake (endocytosis) cannot be obtained, rather, Since it has adverse effects such as cell destruction and sterilization, it is necessary to search for an effective area with a low concentration type that is close to normal millimeter-scale bubbling. .
もちろん後者の場合、細胞破壊や殺菌といった効果を所望の効果とするならば問題はない。たとえば、インフルエンザウィルス対策やMRSAのような耐抗生物質細菌の殺滅にマイクロバブルおよびナノバブルの利用が提案されており、これらは高濃度タイプ(10μm)のほうがよいとされる。 Of course, in the latter case, there is no problem if the desired effects such as cell destruction and sterilization are achieved. For example, the use of microbubbles and nanobubbles has been proposed for combating influenza viruses and killing antibiotic-resistant bacteria such as MRSA, and these are considered to be better in high concentration type (10 μm).
本発明者は、より広範囲な用途を提案している。すなわち、殺菌・消毒応用はもとより、繊維芽細胞・骨芽細胞や大腸菌などの生物体の一細胞や単細胞生物、あるいはサンゴなどの微小生物を対象に異物取込み(エンドサイトーシス)の促進や活性化が可能ならしめる方法をも研究中である。 The inventor has proposed a wider range of applications. In other words, in addition to sterilization and disinfection applications, the promotion and activation of foreign body uptake (endocytosis) for single cells of single organisms such as fibroblasts, osteoblasts, and E. coli, single cell organisms, and micro organisms such as corals We are also studying ways to make this possible.
高濃度タイプ(10μm)マイクロバブルを生成する技術は、たとえば、特許文献1に記載されている。それに対し、低濃度タイプ(30μm)あるいは、さらにバブル径が大きな低級(ミリスケール)タイプの装置が特許文献2に、および、用途を含めた装置が特許文献3に記載されている。 A technique for generating high-concentration type (10 μm) microbubbles is described in Patent Document 1, for example. On the other hand, a low-concentration type (30 μm) or a lower (millimeter-scale) type device having a larger bubble diameter is described in Patent Document 2, and a device including applications is described in Patent Document 3.
また、微小気泡発生装置について、産業総合研究所の高橋正好氏の公開ウェッブ(http://staff.aist.go.jp/m.taka/Research.html)に簡単な解説がある。ここで、平成21年12月現在における関連部分の記載を原文のまま以下に転載する。 There is also a brief explanation on the microbubble generator on the public web (http://staff.aist.go.jp/m.taka/Research.html) of Masayoshi Takahashi of AIST. Here, the description of the relevant part as of December 2009 is reprinted as follows.
<以下引用>(http://staff.aist.go.jp/m.taka/Research.html)
マイクロバブルの作成方法としては大きく分けて3つのタイプがあります。
<Quotation> (http://staff.aist.go.jp/m.taka/Research.html)
There are three main types of microbubble creation methods.
A)薬品を使う方法:これには化学反応による気体の生成もあるかもしれませんが、軽石状のガラクトースを水などに溶解したときに結晶の隙間から気泡が析出する現象を利用してマイクロバブルを生成する方法です。パルチミン酸などが気泡の安定剤として使用されていることも大きな特徴で、医療分野において超音波診断におけるエコー源として利用されています。小さなビンで調合した後に、注射器で血管中に送り込まれます。数十分程度は体内で気泡として存在するのでしょうか。超音波に当たると気泡がグワグワと振動して、超音波を送り返すため、これを検知することで血流などを測定することが可能です。これで癌を診断したり、また気泡が壊れるときに起こる現象を利用してガン細胞を破壊するなどの研究がなされています。 A) Method of using chemicals: This may include the generation of gas by chemical reaction, but microscopically utilizing the phenomenon that bubbles are precipitated from the crevice between crystals when pumice-like galactose is dissolved in water. How to generate a bubble. Particular feature is the use of palmitic acid as a stabilizer for bubbles, and it is used as an echo source in ultrasound diagnosis in the medical field. After preparing in a small bottle, it is sent into the blood vessel with a syringe. Do tens of minutes exist as bubbles in the body? When it hits the ultrasonic wave, the bubble vibrates and sends back the ultrasonic wave. By detecting this, blood flow can be measured. Research has been done on diagnosing cancer and destroying cancer cells using the phenomenon that occurs when bubbles break.
B)過飽和を使う方法:酸素などの気体は水中に溶解します。気体の種類によりその溶解量には違いがありますが、基本的な特性として圧力に比例して溶解する気体量も増加します。加圧溶解(加圧・減圧)法と呼ばれるマイクロバブルの生成法はこの特性を利用したものです。すなわち、ある程度の高圧で十分な量の気体を水の中に溶解させた後、その圧力を解放してやると、(溶解した気体に対して)水は過飽和と呼ばれる状況になります。これは非常に不安定な状態ですので、過飽和分の気体分子は水から飛び出そうとします。その結果として水中に大量の気泡を発生させることが出来ます。(この気泡(気相)生成には若干複雑なメカニズムがありますので、いつの日にか紹介したいと思います) この様なメカニズムで加圧溶解タイプのマイクロバブル発生装置は連続的に微小気泡を発生することが可能です。なお、ポンプ押出圧としては約4気圧程度を利用する機械が多いようです。多分、これくらいの圧力が最も効率的なのだと思います。なお、過飽和状態の水からうまく微小気泡を発生させるところにノウハウがあるようです。ここが上手くいかないと、気泡の濃度が低かったり、折角発生したマイクロバブルが大きくなりすぎたりします。 B) Using supersaturation: Gases such as oxygen dissolve in water. The amount of gas to be dissolved varies depending on the type of gas, but the basic characteristic is that the amount of gas to be dissolved increases in proportion to the pressure. The microbubble generation method called the pressure dissolution (pressurization / decompression) method uses this property. In other words, if a sufficient amount of gas is dissolved in water at a certain high pressure and then the pressure is released, the water will be called supersaturated (relative to the dissolved gas). This is a very unstable state, so the supersaturated gas molecules try to jump out of the water. As a result, a large amount of bubbles can be generated in the water. (Since this bubble (gas phase) generation has a slightly complicated mechanism, I would like to introduce it one day.) With this mechanism, the pressure-dissolving type microbubble generator continuously generates microbubbles. It is possible to. In addition, it seems that there are many machines that use about 4 atm as pump extrusion pressure. I think this pressure is probably the most efficient. There seems to be know-how in generating fine bubbles from supersaturated water. If this doesn't work, the concentration of bubbles may be low, or the microbubbles that are generated will be too large.
C)気液2相流旋回法:水と気体を攪拌することでマイクロバブルを作成することが可能です。様々な手法が利用されていますが、全てに共通するポイントがあり、そこにマイクロバブル生成の秘密が隠されています。そのポイントとは、渦流の中に気体を巻き込み、その渦流を止める、その時に巻き込まれた気体がばらける、という効果です。流体力学的な検討は今後の課題ですが、このタイプのマイクロバブル発生装置には全てこのメカニズムが含まれています。逆にこのメカニズムを含むことで簡単にマイクロバブルを作ることが可能です。ただし、渦流への気体の巻き込み方に重要なポイントがあり、それが上手くいかないとマイクロバブルは発生しません。そのポイントにはノウハウ的なものがあるようです。なお、渦流を止める方法としては、障害物を利用したり、相対的に停止したバルク水中にはき出させたりすることで渦流を止めることが可能です。 C) Gas-liquid two-phase flow swirl method: Microbubbles can be created by stirring water and gas. Various methods are used, but all have a common point, and the secret of microbubble generation is hidden there. The point is the effect of entraining the gas in the vortex, stopping the vortex, and releasing the entrained gas. Hydrodynamic studies are a topic for the future, but this type of microbubble generator includes this mechanism. On the other hand, it is possible to make microbubbles easily by including this mechanism. However, there is an important point in how the gas is entrained in the vortex, and if it does not work well, microbubbles will not be generated. The point seems to have know-how. As a method of stopping the eddy current, it is possible to stop the eddy current by using an obstacle or by ejecting it into the relatively stopped bulk water.
この方式のマイクロバブル発生装置には2つのタイプがあります。ひとつはポンプを利用して水流を起こし、回転駆動部(梵鐘のような形や円形傾斜板など)を利用して渦流を発生させるものです。この場合、気体を単に自給させただけでは濃いマイクロバブルは発生しません。一方、ポンプの駆動圧を上手く利用して、ノズル部で圧力を解放させたときには、非常に濃いマイクロバブルを発生させることも可能です。もう一つのタイプは、筒の中にシャフトがあり、シャフトに付けたプロペラで水と気体を攪拌するタイプのものです。このタイプは薄い濃度の気泡しか発生できませんが、直接的に気液を混合させるため、水流が大きく、結果的に非常に効率的にマイクロバブルを発生させることができます。浮遊物で詰まる危険性も少なく、微妙な圧変動などの影響も受けないので、閉鎖性水域の環境改善など実用的な利用にお勧めです。 There are two types of microbubble generators of this type. One is to generate a water flow using a pump and to generate a vortex using a rotary drive (such as a bell or a circular inclined plate). In this case, simply making the gas self-sufficient does not generate dense microbubbles. On the other hand, when the pressure at the nozzle is released by making good use of the pump drive pressure, it is possible to generate very dense microbubbles. The other type has a shaft in the cylinder and agitation of water and gas with a propeller attached to the shaft. This type can generate only a low concentration of bubbles, but since the gas and liquid are mixed directly, the water flow is large, and as a result, microbubbles can be generated very efficiently. There is little risk of clogging with floating substances, and it is not affected by subtle pressure fluctuations, so it is recommended for practical use such as improving the environment of closed water areas.
<引用終わり>(http://staff.aist.go.jp/m.taka/Research.html)
以上の引用に照らして、特許文献1の装置をレビューすると、これは、B)過飽和を使う方法、と、C)気液2相流旋回法とを巧みに組み合わせた巧みな装置である、と考えられる。
<End of quotation> (http://staff.aist.go.jp/m.taka/Research.html)
Reviewing the device of Patent Document 1 in light of the above citation, this is a clever device that skillfully combines B) a method using supersaturation and C) a gas-liquid two-phase swirl method. Conceivable.
本発明者は、この装置を分析し、マイクロバブル(ナノバブル)の粒径と量(濃度)を簡単に調整する方法を試行錯誤して本発明に至った。 The present inventor analyzed this apparatus, and reached the present invention by trial and error of a method for easily adjusting the particle size and amount (concentration) of microbubbles (nanobubbles).
モチベーションとしては、マイクロバブル(ナノバブル)の粒径(粒度分布)と量(濃度)を簡単に調整する方法が実用面において重要だからである。 This is because, as motivation, a method of easily adjusting the particle size (particle size distribution) and amount (concentration) of microbubbles (nanobubbles) is important in practical use.
ここでその重要性を説明する。前述の記載にて、高濃度タイプ(10μm)・低濃度タイプ(30μm)という記述はマイクロバブル(ナノバブル)の粒径(粒度分布)と量(濃度)をおおざっぱに二分類したものであって、厳密には2つのデータ、すなわち、粒径(粒度分布)と量(濃度)を複数の気泡発生方式の微小気泡発生装置、および/または、同一の気泡発生方式で投入エネルギー限界(装置容量)が異なる複数の微小気泡発生装置にて採取しなければならない。 Here, its importance will be explained. In the above description, the description of high concentration type (10 μm) and low concentration type (30 μm) roughly categorizes the particle size (particle size distribution) and amount (concentration) of microbubbles (nanobubbles), Strictly speaking, there are two data, that is, the particle size (particle size distribution) and the amount (concentration) of a plurality of bubble generation type micro bubble generation devices and / or the input energy limit (device capacity) in the same bubble generation method. It must be collected by different microbubble generators.
これらのデータ計測は光学的な手法が良好とされ装置も売られている。かかる計測装置として、リオン株式会社の液相中の微粒子計測器KL−30A、Particle Measuring Systems社の液中光散乱式パーティクル カウンタ、Sysmex社の液中パーティクル・カウンターAPSS−200などの製品があって、微小気泡発生装置の製造業者の一部は、これらの測定器を用いた商用の微小気泡発生装置製品が生成する微小気泡の粒径(粒度分布)と量(濃度)の測定データを公開している。 These data measurements have good optical techniques and are available on the market. As such measuring devices, there are products such as a particle measuring instrument KL-30A in the liquid phase of Rion Corporation, a light scattering particle counter in liquid from Particle Measuring Systems, and an in-liquid particle counter APSS-200 from Sysmex. Some of the manufacturers of microbubble generators have released measurement data on the particle size (particle size distribution) and amount (concentration) of microbubbles produced by commercial microbubble generator products using these measuring instruments. ing.
特許文献4から20は、おもにマイクロバブルを出発点に、これが圧壊せずに電気化学的に液中で安定なナノスケールの粒径であるナノバブルを得て、かかるナノバブル特有の種々の効果を応用する提案がなされている。 Patent Documents 4 to 20 mainly obtain microbubbles having a nanoscale particle size which is electrochemically stable in a liquid without crushing, starting from microbubbles, and applying various effects peculiar to such nanobubbles. Proposals have been made.
しかしながら、マイクロ・ナノ、および、その中間とされるマイクロナノバブルの粒径分布や濃度を調整することについての記載はない。 However, there is no description about adjusting the particle size distribution and concentration of micro / nano and micro / nano bubbles which are intermediate between them.
特許文献21から26は、本発明の発明者が提案するマイクロバブル発生装置の改良技術、および、おもに生物体の一細胞の培養、細胞変化、などのマイクロバブル応用に提案である。これら一部に、本発明との組合わせ利用がある。これは後述する。 Patent Documents 21 to 26 are proposals for improving the microbubble generator proposed by the inventor of the present invention, and for microbubble applications such as culturing one cell of a living organism, cell change, and the like. Some of these have combined use with the present invention. This will be described later.
非特許文献1から5は、マイクロバブル、ナノバブルの技術解説であって、非特許文献5が比較的最新の情報である。参考とされたい。
本発明の課題は、生物を対象とした微小気泡発生の応用または非生物を対象とした微小気泡の応用において、応用対象を増やすために、微小気泡発生装置が発生する微小気泡(マイクロバブル・ナノバブル)の気泡粒径の分布や気泡の濃度といった物理特性を変化させること、である。 An object of the present invention is to generate microbubbles (microbubbles / nanobubbles) generated by a microbubble generator in order to increase the application targets in applications of microbubble generation for living organisms or microbubbles for non-living organisms. ) To change physical characteristics such as bubble particle size distribution and bubble concentration.
本発明者は、気泡粒径の分布や気泡の濃度といった物理特性を変化させることが重要であるとの認識に立って、特許文献1の、「B)過飽和を使う方法、と、C)気液2相流旋回法」とを巧みに組み合わせた巧みな方法を実現した実用装置で研究を行った。(このB)C)については「技術分野」の項を参照)
まず、特許文献1の装置は、図1の特許図に示された吐出ノズル、その実用装置での実態写真である図2および図3で概観されるであろう。詳細は特許文献1に記載されていることなので、ここでは吐出ノズルのみを以下に説明しその他の構成については略す。
The present inventor recognizes that it is important to change physical characteristics such as the bubble particle size distribution and the bubble concentration, and in Patent Document 1, “B) a method using supersaturation, and C) The research was carried out with a practical device that realized a skillful combination of the "liquid two-phase flow swirl method". (Refer to “Technical field” for (B) C))
First, the apparatus of Patent Document 1 will be outlined in FIG. 2 and FIG. 3 which are photographs of the actual state of the discharge nozzle shown in the patent diagram of FIG. 1 and its practical apparatus. Since details are described in Patent Document 1, only the discharge nozzle will be described below, and the other configurations will be omitted here.
実用装置の吐出ノズルは、図2・図3の分解した状況写真が示す部材からなり、具体的には図8に示す構成である。 The discharge nozzle of the practical device is composed of the members shown in the disassembled situation photographs in FIGS. 2 and 3, and specifically has the configuration shown in FIG.
すなわち、渦流ポンプ(図示せず)より図8の左下から導入される、気体を(過飽和)混入した液体に、さらに、45、46、47などの加圧手段40で加圧して過飽和を促進する。 That is, the supersaturation is promoted by pressurizing the liquid mixed with gas (supersaturated) introduced from the lower left of FIG. 8 by a vortex pump (not shown) by the pressurizing means 40 such as 45, 46, 47, etc. .
45、46、47などは、より具体的には、液体流動流路42の断面を部分閉塞する流動障害部材である。 More specifically, 45, 46, 47 and the like are flow obstruction members that partially block the cross section of the liquid flow passage 42.
この実用装置を用いて、特に前記の吐出ノズル部分に注目して、図6・図7に示す実験を行った。ここで用いた吐出ノズルは、図8の中央部分、50から吐出された噴流状の吐出液体が衝突し再度液体流動方向を概ね直角に変化させる衝突部材である中空円筒がないものである。(図9参照のこと。図10の吐出ノズルでもほぼ同様の結果である。) Using this practical apparatus, the experiments shown in FIGS. 6 and 7 were conducted with particular attention to the discharge nozzle portion. The discharge nozzle used here does not have a hollow cylinder, which is a collision member that causes the jet-like discharge liquid discharged from the central portion 50 in FIG. (See FIG. 9. The discharge nozzle of FIG. 10 has almost the same result.)
図6の実験は参考実験である。該実験とその内容については同図の「図面の簡単な説明」の項を参照のこと。この結果より、以下の参考装置が想起された。
The experiment in FIG. 6 is a reference experiment. For the experiment and its contents, refer to the section “Brief description of the drawing” in the figure. From this result, the following reference device was recalled.
すなわち(参考装置、図4参照)、高圧で液体中に気体を過飽和混入した後に刺激を与え微小泡として表出させ液体吐出手段で吐出する加圧溶解(加圧・減圧)法の微小気泡発生装置において、該発生装置が具備する液体を高圧状態となすための加圧手段が、前記液体吐出手段の内部の液体流動流路の断面を部分閉塞する流動障害部材であって、かつまた、該流動障害部材が、前記液体吐出手段の内部の液体流動流路に1以上複数配設されているものであって、前記の流動障害部材の少なくとも一つの位置を移動する手段をさらに具備し、かかる移動手段の移動による液体流動の変化によって微小気泡粒径分布と微小気泡濃度を調整することを特徴とした粒径分布と濃度が可変である微小気泡発生装置である。
In other words (see reference device , Fig. 4), generation of microbubbles by the pressure dissolution (pressurization / depressurization) method in which gas is supersaturated and mixed into liquid at high pressure, and then stimulated to appear as microbubbles and ejected by liquid ejection means In the apparatus, the pressurizing means for bringing the liquid included in the generating device into a high-pressure state is a flow obstruction member that partially closes a cross section of the liquid flow passage inside the liquid discharge means, and One or more flow obstruction members are arranged in the liquid flow passage inside the liquid discharge means, and further comprises means for moving at least one position of the flow obstruction member. A microbubble generator having variable particle size distribution and concentration, characterized in that the microbubble particle size distribution and microbubble concentration are adjusted by a change in liquid flow caused by movement of a moving means.
この参考装置は図4、および、同図の「図面の簡単な説明」の項を参照のこと。
For this reference device , see FIG. 4 and the section “Brief description of the drawing” in the figure.
次に、請求項1に関係する図7の実験を行った。実験とその内容については同図の「図面の簡単な説明」の項を参照のこと。(用いた吐出ノズルは、図9参照のこと。図10の吐出ノズルでもほぼ同様の結果である。)この結果より、請求項1が想起された。
Next, the experiment of FIG. 7 related to claim 1 was conducted. For the experiment and its contents, refer to the “Short description of drawings” section of the figure. (Refer to FIG. 9 for the discharge nozzle used. The discharge nozzle of FIG. 10 has almost the same result.) From this result, claim 1 is recalled.
すなわち(請求項1、図5参照)、高圧で液体中に気体を過飽和混入した後に刺激を与え微小泡として表出させ液体吐出手段で吐出する加圧溶解(加圧・減圧)法の微小気泡発生装置において、該発生装置が具備する過飽和混入気体に刺激を与え微小泡となす手段が、前記液体吐出手段の内部に配設された、液体流動方向を概ね直角に変化させる流動誘導路、および、前記液体吐出手段の吐出部位に配設された、前記誘導路から吐出された噴流状の液体が衝突して再度液体流動方向を概ね直角に変化させる衝突部材であって、前記の流動誘導路の位置を移動して液体流動方向の概ね直角変化がなされないようにする移動手段、および/または、前記の衝突部材の位置を移動して液体流動方向が概ね直角変化がなされないようにする移動手段をさらに具備し、かかる移動手段の移動による液体流動の変化によって微小気泡粒径分布と微小気泡濃度を調整することを特徴とした粒径分布と濃度が可変である微小気泡発生装置である。
That is, (refer to claim 1 and FIG. 5), a microbubble of the pressure dissolution (pressurization / depressurization) method in which a gas is supersaturated and mixed in a liquid at high pressure, and then is stimulated to appear as a microbubble and ejected by a liquid ejection means. In the generator, a flow guiding path for stimulating the supersaturated mixed gas included in the generator to form microbubbles is disposed inside the liquid ejecting means, and changes the flow direction of the liquid substantially at right angles, and A collision member disposed at a discharge portion of the liquid discharge means, which collides with a jet-like liquid discharged from the guide path and changes the liquid flow direction to a substantially right angle again, and the flow guide path Moving means for moving the position of the liquid so that the liquid flow direction is not substantially perpendicularly changed, and / or moving the position of the collision member so that the liquid flow direction is not substantially perpendicularly changed. Means Provided La, a microbubble generating apparatus particle size distribution and density is variable, which was characterized by adjusting the microbubbles size distribution and microbubble concentration by changes in liquid flow due to movement of the mobile unit.
この実施態様は図5、および、同図の「図面の簡単な説明」の項を参照のこと。また、請求項1参考図として、図11も参照のこと。
For this embodiment, see FIG. 5 and the section “Brief description of the drawings” in the figure. See also FIG. 11 for a reference diagram of claim 1 .
さて、前述のように本発明と発明者が出願した特許文献23、24、25との組合わせも重要である。 As described above, the combination of the present invention and Patent Documents 23, 24, and 25 filed by the inventor is also important.
まず、特許文献23であるが、これはポンプモータの回転数制御によって良好なバブリングをなすことを開示している。その制御システムも同文献の図6と図7に開示している。 First, Patent Document 23 discloses that good bubbling is achieved by controlling the rotational speed of the pump motor. The control system is also disclosed in FIG. 6 and FIG.
このことと、本発明と組合わせができる。すなわち本発明では、吐出ノズルの内部構成の変化で良好なバブリングに調整することを主張しているが、吐出ノズル内部構成のみでは限界がある。特許文献23のポンプモータ回転数の変化が、さらにもうひとつの制御パラメータを与えるので、この技術との組合わせが有効である。 This can be combined with the present invention. That is, in the present invention, it is claimed that adjustment is made to good bubbling by a change in the internal configuration of the discharge nozzle, but there is a limit only by the internal configuration of the discharge nozzle. Since the change in the rotational speed of the pump motor in Patent Document 23 gives yet another control parameter, the combination with this technique is effective.
次に、特許文献24であるが、これは特にiPS細胞化などの細胞変化のためのバブル利用技術であるが、この用途での温度の重要性が強調されており、具体的には「18A」として微小気泡を吐出する液体槽の温度(その他圧力、イオン濃度等々を含む)の制御手段の具備を開示している。 Next, Patent Document 24, which is a bubble utilization technique for cell change such as iPS cellization in particular, emphasizes the importance of temperature in this application. Specifically, “18A ”Discloses the provision of control means for the temperature (including other pressure, ion concentration, etc.) of the liquid tank that discharges microbubbles.
このことも本発明を、生体内の一細胞や微小生物に適用するにあたり、温度によるバイオロジカル・ショックをいかに緩和するか、が実用上重要であるので、ここで開示された温度をパラメータとして液体槽を制御すること、および、本発明の吐出ノズルの内部変更ついて、液体の温度が何度であったかをデータ採取のパラメータとすることは必須である。 This also means that, when applying the present invention to a single cell or a micro organism in a living body, how to alleviate biological shock due to temperature is practically important. It is indispensable to control the tank and use the data collection parameter as to how many times the temperature of the liquid is for the internal change of the discharge nozzle of the present invention.
したがって、特許文献24で開示された温度制御手段を組合わせた利用は実用上有効で、細胞を対象にするなら必須といえる。 Therefore, the use in combination with the temperature control means disclosed in Patent Document 24 is practically effective, and is essential if cells are targeted.
特許文献25も、温度というキーワードで特許文献24と同様である。すなわち、前述の温度制御において、バブリング自体発熱するものであるので、種々の応用にて特許文献25で開示された発熱技術を加味して、実施するのが好ましい。 Patent Document 25 is similar to Patent Document 24 in terms of temperature. That is, since the bubbling itself generates heat in the temperature control described above, it is preferable to implement the heat generation technique disclosed in Patent Document 25 in various applications.
特許文献23、24、25にバブリング状況を評価するセンサーを組み込んだシステムが開示されている。実施において、リアルタイムに光学的センサーや音響センサー(特許文献25)によって、本発明の吐出ノズル内部ないしは吐出ノズルまわりの部材の位置の移動手段をアクチュエータに追加することは、制御が安定するので好ましい。 Patent Documents 23, 24, and 25 disclose a system in which a sensor for evaluating a bubbling situation is incorporated. In practice, it is preferable to add the means for moving the position of the member inside or around the discharge nozzle of the present invention to the actuator by an optical sensor or acoustic sensor (Patent Document 25) in real time because the control becomes stable.
すなわち、特許文献23、24、25で開示されたバブリング制御システムの間接制御対象として、本発明の吐出ノズル関係の移動手段とするシステム改良は好適である。 That is, as an indirect control target of the bubbling control system disclosed in Patent Documents 23, 24, and 25, the system improvement using the discharge nozzle-related moving means of the present invention is suitable.
これらをふまえ、請求項2の微小気泡発生装置を利用した微小気泡発生装置の変更(スケールアップ/スケールダウン)設計方法を提案する。これは、小型で実験用バブリング装置の結果を実用スケールにスケールアップする際の方法である。
Based on these, a change design method (scale-up / scale-down) of the microbubble generator using the microbubble generator according to claim 2 is proposed. This is a method for scaling up the results of a small, experimental bubbling device to a practical scale.
すなわち(請求項2)、気泡発生方式が異なる複数の微小気泡発生装置、および/または、同一の気泡発生方式で投入エネルギー限界(装置容量)が異なる複数の微小気泡発生装置にて、該複数の微小気泡発生装置が生成する微小気泡の粒径分布と微小気泡の濃度範囲のデータベースを整備する第一工程、請求項1の粒径分布と濃度が可変である微小気泡発生装置を用いて所望の生物または非生物に与える影響が得られる微小気泡の粒径分布と微小気泡の濃度範囲を抽出する第二工程、前記第二工程で得られた所望の生物または非生物に与える影響が得られる微小気泡の粒径分布と微小気泡の濃度範囲、および、前記第一工程で整備したデータベースの複数の微小気泡発生装置が生成する微小気泡の粒径分布と微小気泡の濃度範囲とが、共に似たものを抽出する第三工程、によって、異なった気泡発生方式、および/または、同一の気泡発生方式で投入エネルギー限界(装置容量)が異なる微小気泡発生装置で所望の生物または非生物に与える影響が得られることを予想して微小気泡発生装置の変更(スケールアップ/スケールダウン)設計を行う方法である。
That is, ( Claim 2 ), a plurality of microbubble generators having different bubble generation methods and / or a plurality of microbubble generators having different input energy limits (device capacities) in the same bubble generation method, A first step of preparing a database of the particle size distribution of the microbubbles generated by the microbubble generator and the concentration range of the microbubbles, and a desired method using the microbubble generator having variable particle size distribution and concentration according to claim 1 The second step of extracting the particle size distribution of the microbubbles and the concentration range of the microbubbles that have an effect on the living organism or the non-living organism, the microscopic portion that can obtain the influence on the desired organism or non-living organism obtained in the second step Both the bubble size distribution and the microbubble concentration range, and the microbubble size distribution generated by the plurality of microbubble generators in the database prepared in the first step and the microbubble concentration range are both The third step of extracting similar ones gives a desired organism or non-living body with different bubble generation methods and / or microbubble generation devices with different input energy limits (device capacity) in the same bubble generation method This is a method for designing a change (scale-up / scale-down) of the microbubble generator in anticipation of the effect.
かかる方法においても、パラメータとして特許文献23、24、25が開示するところの温度その他の物理量を振ってデータベースとなすのが理想である。 Even in such a method, it is ideal to use the temperature and other physical quantities disclosed in Patent Documents 23, 24, and 25 as parameters as a database.
補足すると、温度は前記のバイオロジカル・ショックの問題もさることながら、バブリングさせる対象液体の密度、粘度(粘性係数)などの物性値を変化させるので、温度条件をきちんとフィックスすることは、きわめて重要なのである。 As a supplement, since temperature changes physical properties such as density and viscosity (viscosity coefficient) of the liquid to be bubbled as well as the above-mentioned biological shock problem, it is extremely important to fix the temperature conditions properly. That's it.
いままでの微小気泡応用で再現性の欠如が問題となった原因のひとつも温度である可能性がある。ゆえに本発明実施に際しても、液体温度の管理に十分注意すべきである。 Temperature may be one of the causes of the lack of reproducibility in conventional microbubble applications. Therefore, in the practice of the present invention, attention should be paid to the management of the liquid temperature.
本発明によって、加圧溶解(加圧・減圧)法の微小気泡発生装置が発生する微小気泡(マイクロバブル・ナノバブル)の気泡粒径の分布や気泡の濃度といった代表的な物理特性をすばやく変化させることができる。そのことは、生物を対象とした微小気泡の応用、非生物を対象とした微小気泡の応用、の両面において有効である。 According to the present invention, representative physical characteristics such as the bubble particle size distribution and bubble concentration of microbubbles (microbubbles / nanobubbles) generated by a pressure bubble (pressure / decompression) method are rapidly changed. be able to. This is effective in both the application of microbubbles for living organisms and the application of microbubbles for non-living organisms.
なぜなら、これらの気泡粒径の分布や気泡の濃度といった代表的な物理特性が異なると生物を対象とても、非生物を対象としても、効果が著しく異なるからである。 This is because if the typical physical characteristics such as the bubble particle size distribution and the bubble concentration are different, the effect is remarkably different even if the target is a living organism and the target is a non-living subject.
簡単な例を示すなら、ある細胞はナノバブルで活性化されるが、マイクロバブルでは、圧壊で発生するラジカルの殺菌作用で細胞膜が破壊されてしまう、といった例であって、簡単にマイクロ・ナノの粒径分布変換ができれば、良細胞は活性化・増殖、悪細胞は殺滅といったことが可能になり好適である。 In a simple example, a cell is activated by nanobubbles, but in a microbubble, the cell membrane is destroyed by the bactericidal action of radicals generated by crushing. If the particle size distribution can be changed, it is possible to activate / proliferate good cells and kill bad cells.
もちろん、粒度分布だけでなく、濃度や温度も重要ファクターである。後者の温度については、本発明においても装置特許の要件として、液体温度の制御手段をさらに兼備すること、となるが、特に生物が温度に敏感であることは技術常識であるので、詳しくは述べない。 Of course, not only the particle size distribution but also the concentration and temperature are important factors. Regarding the latter temperature, in the present invention, as a requirement of the device patent, the liquid temperature control means is further combined. However, it is technical common sense that organisms are sensitive to temperature. Absent.
また、請求項2に示した方法は次のような効果がある。一般に、未知の用途について、まず小型装置でお試し、の実験を実施するのが通常であろう。そのお試し実験装置で本発明装置を用いれば、パラメータとして、粒径分布・濃度をふった実験が実施しやすいので、応用対象にもっとも適切な条件が抽出しやすい。
Further, the method described in claim 2 has the following effects. In general, for unknown applications, it will usually be tried first with a small device. With the present invention apparatus in the trial experimental apparatus, as a parameter, since experiments Tsu Fu particle size distribution and density is easily performed, the most appropriate conditions are likely to extract the application target.
その一方で、さらに大型装置での発生バブルの粒径分布・濃度が知れていれば、小型での成功ケースにフィットする大型の選定がたやすくできる、という効果がある。 On the other hand, if the particle size distribution / concentration of the generated bubbles in a large apparatus is known, there is an effect that it is easy to select a large size that fits a small case.
総じて本発明で、マイクロバブル・ナノバブル、それらの中間とされるマイクロナノバブルの実用的用途を広範囲に拡大することができる。 In general, the present invention can broaden the practical applications of micro-nano bubbles and micro-nano bubbles, which are intermediate between them.
また、本発明の小さなバリエーションであるが、吐出ノズルまわりの構成として、図12の、60の開放円形面62の一部に流動障害物64をさらに配設した円筒体を用い、これを図9あるいは図10の構成と組合せ、いずれかを図の上下方向に移動する手段を具備した実施態様も有効である。
Further, as a small variation of the present invention, as a configuration around the discharge nozzle, a cylindrical body in which a flow obstacle 64 is further arranged on a part of the open circular surface 62 of FIG. Alternatively, an embodiment provided with means for moving either of them in the vertical direction of the drawing in combination with the configuration of FIG. 10 is also effective.
40 液体を高圧状態となすための加圧手段、より具体的には、液体流動流路42の断面を部分閉塞する流動障害部材
41 微小気泡発生装置20の液体吐出手段(22と同じ)
42 液体吐出手段(41または22)の内部の液体流動流路の流動方向ベクトル
43 移動手段44で移動可能な流動障害部材40の一例(46の金属網(メッシュ)の例)
44 流動障害部材40の位置を移動させる移動手段
45 3穴オリフィスである40の一例
46 金属網(メッシュ)である40の一例
47 樹脂網(多数の穴があいた円形プレート)である40の一例
48 移動手段44の移動で変わる複数の40の間の間隙。この間隙変化が加圧圧力・流動様式を変え、微小気泡粒径分布と微小気泡濃度を変化させる。
50 液体流動方向を概ね直角に変化させる流動誘導路
51 50から吐出された噴流状の吐出液体が衝突し再度液体流動方向を概ね直角に変化させる衝突部材である円筒内曲面
52 (50および/または)51の位置を移動させる移動手段
53 51によって50から吐出された噴流状の吐出液体が再度液体流動方向を概ね直角に変化した後の流動方向ベクトル
54 図8に示す特許文献1の吐出ノズルの衝突部材(円筒内曲面を有する円筒体)を取り払ったノズル
55 50から吐出された噴流状の吐出液体の流動ベクトル
56 図9のノズルにて、さらに液体流動方向を概ね直角に変化させる流動誘導路50の部位をを取り払ったノズル
57 加圧手段40の下流側にて高圧で気体が過飽和混入された液体の流動のベクトル
60 一方の円形面が閉塞された手桶状の円筒体
61 60の閉塞された円形面(手桶の底面)
62 60の開放円形面
63 60の開放円形面62の一部に流動障害物64をさらに配設した円筒体
64 流動障害物
40 Pressurizing means for bringing the liquid into a high pressure state, more specifically, a flow obstruction member 41 that partially closes the cross section of the liquid flow passage 42, and the liquid discharge means of the microbubble generator 20 (same as 22)
42 Flow direction vector 43 of liquid flow path inside liquid discharge means (41 or 22) Example of flow obstruction member 40 movable by moving means 44 (example of 46 metal mesh (mesh))
44 Moving means 45 for moving the position of the flow obstruction member 40 Example of 40 which is a three-hole orifice 46 Example of 40 which is a metal net (mesh) 47 Example of 40 which is a resin net (circular plate having a large number of holes) 48 A gap between a plurality of 40 changed by movement of the moving means 44. This gap change changes the pressure and flow pattern, and changes the microbubble size distribution and microbubble concentration.
50 In-cylinder curved surface 52 (50 and / or) which is a collision member that changes the liquid flow direction to a substantially right angle again by colliding with a jet-like discharge liquid discharged from a flow guide path 51 that changes the liquid flow direction to a substantially right angle. ) The flow direction vector 54 after the jet-like discharge liquid discharged from 50 by the moving means 5351 for moving the position 51 again changes the liquid flow direction to a substantially right angle again. The discharge direction vector 54 shown in FIG. Flow vector 56 of the jet-like discharge liquid discharged from the nozzle 5550 from which the collision member (cylindrical body having a curved surface inside the cylinder) has been removed. In the nozzle shown in FIG. Nozzle 57 with 50 parts removed. Vector 60 of liquid flow in which gas is supersaturated at high pressure on the downstream side of pressurizing means 40. Occluded circular surface of the busy been pail-shaped cylindrical body 61 60 (bottom surface of the pail)
62 60 Open circular surface 63 Cylindrical body 64 in which a flow obstacle 64 is further arranged on a part of the open circular surface 62 of 60.
Claims (2)
該発生装置が具備する過飽和混入気体に刺激を与え微小泡となす手段が、
前記液体吐出手段の内部に配設された、液体流動方向を概ね直角に変化させる流動誘導路、および、
前記液体吐出手段の吐出部位に配設された、前記誘導路から吐出された噴流状の液体が衝突して再度液体流動方向を概ね直角に変化させる衝突部材であって、
前記の流動誘導路の位置を移動して液体流動方向の概ね直角変化がなされないようにする移動手段、および/または、
前記の衝突部材の位置を移動して液体流動方向が概ね直角変化がなされないようにする移動手段をさらに具備し、
かかる移動手段の移動による液体流動の変化によって微小気泡粒径分布と微小気泡濃度を調整することを特徴とした粒径分布と濃度が可変である微小気泡発生装置。 In a microbubble generator using the pressure dissolution (pressurization / depressurization) method, in which gas is supersaturated and mixed in liquid at high pressure and then stimulated to appear as microbubbles and ejected by liquid ejection means.
Means for stimulating the supersaturated gas included in the generator to form microbubbles,
A flow guiding path that is disposed inside the liquid ejecting means and changes a liquid flow direction substantially at right angles; and
A collision member disposed at a discharge portion of the liquid discharge means, which collides with a jet-like liquid discharged from the guide path and changes the liquid flow direction to a substantially right angle again;
Moving means for moving the position of the flow guiding path so that a substantially right-angle change in the liquid flow direction is not made, and / or
Moving means for moving the position of the impingement member so that the liquid flow direction is not substantially perpendicularly changed;
A microbubble generator having a variable particle size distribution and concentration, wherein the microbubble particle size distribution and the microbubble concentration are adjusted by a change in liquid flow caused by the movement of the moving means.
気泡発生方式が異なる複数の微小気泡発生装置、および/または、同一の気泡発生方式で投入エネルギー限界(装置容量)が異なる複数の微小気泡発生装置にて、
該複数の微小気泡発生装置が生成する微小気泡の粒径分布と微小気泡の濃度範囲のデータベースを整備する第一工程、
請求項1の粒径分布と濃度が可変である微小気泡発生装置を用いて
所望の生物または非生物に与える影響が得られる微小気泡の粒径分布と微小気泡の濃度範囲を抽出する第二工程、
前記第二工程で得られた所望の生物または非生物に与える影響が得られる微小気泡の粒径分布と微小気泡の濃度範囲、および、
前記第一工程で整備したデータベースの複数の微小気泡発生装置が生成する微小気泡の粒径分布と微小気泡の濃度範囲とが、共に似たものを抽出する第三工程、
によって、異なった気泡発生方式、および/または、同一の気泡発生方式で投入エネルギー限界(装置容量)が異なる微小気泡発生装置で
所望の生物または非生物に与える影響が得られることを予想して微小気泡発生装置の変更(スケールアップ/スケールダウン)設計を行う方法。
A change method (scale-up / scale-down) of a microbubble generator using the microbubble generator having variable particle size distribution and concentration according to claim 1 ,
In a plurality of microbubble generators with different bubble generation methods and / or a plurality of microbubble generators with different input energy limits (device capacities) in the same bubble generation method,
A first step of preparing a database of particle size distribution of microbubbles and concentration range of microbubbles generated by the plurality of microbubble generators;
A second step of extracting the particle size distribution of the microbubbles and the concentration range of the microbubbles, which can obtain an influence on a desired organism or non-living object, using the microbubble generator having variable particle size distribution and concentration according to claim 1. ,
The particle size distribution of the microbubbles and the concentration range of the microbubbles obtained in the second step and having an effect on the desired organism or non-organism, and
A third step of extracting a particle size distribution of microbubbles and a concentration range of the microbubbles which are generated by the plurality of microbubble generators of the database prepared in the first step,
Depending on the type of microbubbles, different bubble generation methods and / or microbubble generation devices with different input energy limits (device capacities) in the same bubble generation method can be expected to have an effect on a desired organism or non-living matter. A method of changing (scaling up / down) a bubble generator.
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