JP6573240B2 - 撹拌子、撹拌装置、撹拌方法、細胞培養方法、反応促進方法、及び撹拌子の組み立て方法 - Google Patents
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Description
容器内に収容された流体を撹拌するための撹拌子であって、
回転軸線を中心に回転することにより流体を撹拌する混合体と、前記混合体を回転させる回転磁場を受ける磁石又は磁性体を有する台座とを備え、
前記混合体は、流体の流路(複数の孔が流体を流通可能に連通した流路を含む。)を内部に設ける構造物により構成され、
前記流路の一端側開口が流体の吸入口を構成し、
前記流路の他端側開口が流体の吐出口を構成し、
前記吸入口は、前記混合体における前記回転軸線上の位置又は前記回転軸線に近い位置で上面から下面まで貫通して配置され、前記上面及び前記下面から流体を吸い込む態様であって、
前記吐出口は、前記混合体における前記吸入口よりも前記回転軸線より外側の位置の側面に配置されているものとすることができる。
また、本発明に係る他の撹拌子は、
容器内に収容された流体を撹拌するための撹拌子であって、
回転軸線を中心に回転することにより流体を撹拌する混合体と、前記混合体を回転させる回転磁場を受ける磁石又は磁性体とを備え、
前記混合体は、流体の1つの吸入口と2以上の吐出口とを繋ぐ流路を形成するチューブ体又はパイプ体により構成され、
前記吸入口は、前記回転軸線上の位置又は前記回転軸線に近い位置に配置され、
前記吐出口は、前記吸入口よりも前記回転軸線より外側の位置に配置され、
前記磁石又は前記磁性体は、前記チューブ体又は前記パイプ体の外部に配設されているものとすることができる。
前記撹拌子と、
前記撹拌子を回転させる回転磁場を発生させる回転磁場発生手段とを備える構成とすることができる。
前記撹拌子を容器底部に配置し、当該撹拌子を流体を収容する容器内の底部中央で回転させ、当該撹拌子がその吸入口から容器内の中央上部の流体を吸い込み、当該撹拌子内部に流体を流通させ、当該撹拌子の吐出口から容器内の外周部へ流出させて流体を撹拌する方法とすることができる。
なお、本明細書において記載する方向として、「積層方向」とは、撹拌子1(混合体2、台座3を含む。)の回転軸方向や上下方向等と同義であり、「延在方向」とは、積層方向と直交する方向、混合エレメント21の半径方向や周方向等と同義である。
撹拌子1は、ビーカー等の容器6内に配置され、この容器6を載置したマグネチックスターラー4からの回転磁場を受けて回転させられて、容器6内に収容する試料等の流体Aを撹拌するものである。なお、本発明は、撹拌子1がビーカー等の容器6内に配置されて実験等の利用に供されることに限らず、各種原料等の流体Aを収容するタンク等の容器6内に配置されて商業的利用に供されることも含む。撹拌子1は、図2(a)(b)も参照して、回転軸線Sを中心に回転することにより流体Aを撹拌する混合体2と、混合体2を支持するとともに回転磁場を受ける撹拌用磁石5a,5bを内蔵する台座3とを備えている。なお、撹拌用磁石5a,5bは、永久磁石が用いられるが、これに代えて磁性体を用いてもよい(本実施形態以外の実施形態でも同様である。)。
混合体2を形成する工程は、複数の混合エレメント21a,21bを周方向の所定位置に揃えて交互に積層させて混合体2とする。この場合、各混合エレメント21a,21bには、ボルト11(固定手段)を貫通させるボルト孔h1(図4参照)が外周部の2ヶ所に設けられているので、各混合エレメント21a,21bは、ボルト11に外周部のボルト孔h1を挿通させるようにして積層させることで、周方向所定位置に簡単に揃えることができる。なお、混合エレメント21a,21bのボルト孔h1が中心により近い位置、又は中心部に設けられたもののような場合は、治具などを外周部に当てがって周方向所定位置に効率良く揃えるようにすることができる。そして、混合体2を台座3に固定する工程は、複数の混合エレメント21a,21bを積層した混合体2をボルト11により積層方向に貫通させて、このボルト11を台座3のネジ穴hに螺合させて固定する。以上の工程により、複数の混合エレメント21a,21bが周方向所定位置に揃えられて積層した混合体2が形成されるととともに、台座3への取り付けが完了するから、撹拌子1の組み立てを効率よく行うことができる。
図1のように、マグネチックスターラー4の本体41上面に流体Aが収容された容器6を載置して、容器6内の底面に撹拌子1を配置させて、駆動用磁石46a,46bから発生する磁場に撹拌子1の台座3の撹拌用磁石5a,5bを吸引させる。そして、マグネチックスターラー4のモータ45を駆動させて回転させることにより、容器6内で撹拌子1が回転させられる。この場合、撹拌子1は所定位置で自転しているが、回転磁場発生部42を公転させる等して撹拌子1を自転させながら公転させるようにしてもよい(他の実施形態でも同様である。)。
なお、混合体2の中空部24は、必ずしも容器6内の中央部に位置する必要はなく、撹拌子1の中心部の位置を容器6の中心部から外すことにより、混合体2の中空部24が容器6内の中央部から外れていてもよい。
(混合体2の変形例1)
混合エレメント21の第1の貫通孔22は、混合エレメント21の延在方向において非線形状に配列することができる。
例えば、図6に示すように、混合エレメント21c,21dは、第1の貫通孔22の間の仕切壁25R,25Cのうち中央部から外周に向かう仕切壁25Rが一方向側に湾曲する略インボリュート曲線状に形成され、これらの仕切壁25R間を周方向に連続して延びる仕切壁25Cで区画するように連結した形状とする。なお、周方向に延びる仕切壁25Cは、混合エレメント21c,21dの中心点を中心とする同心円状に形成されている。
混合エレメント21における第1の貫通孔22間の仕切壁は、断面方向視においてエッジを有しない曲線形状とすることができる。
例えば、図7(a)(b)に示すように、混合エレメント21e,21fにおける半径方向に延びる仕切壁25Rと周方向に延びる仕切壁25Cの断面形状は、縦長の略楕円形とする。
混合エレメント21における第1の貫通孔22間の仕切壁25は、傾斜した構成とすることができる。
例えば、図8(a)(b)に示したように、混合エレメント21g,21hにおける円周方向に延びる仕切壁25Cは、上方ほど外周に広がるように傾斜し、半径方向に延びる仕切壁25Rは、左右方向における一方に傾斜している。なお、図8に示す混合エレメント21g,21hの仕切壁25R,25Cの断面形状は、略楕円形であるが、四角形等の多角形状であってもよい。
混合体2において積層した複数の混合エレメント21における第1の貫通孔22や第2の貫通孔23は、それぞれ、各混合エレメント21ごとに大きさを異なるように構成することができる。
例えば、図9(a)に示すように、積層した複数の混合エレメント21i,21jにおける第1の貫通孔22は、下層側ほど大きい第1の貫通孔22を有するものを配置することができる。
混合体2は、複数の混合エレメント21を積層した積層物ではなく、上述した第1の貫通孔22及び中空部24を設けた一部材により構成することができる。このような一部材の混合体2は、例えば、3Dプリンター装置により容易に作製することができる。また、他の混合体2として、第1の貫通孔22となる連続気孔を有する多孔質の一部材に、上述した中空部24を設けたものでもよい。
台座3は、実施形態のものでは棒状体31と円環部32とを備えるが、転倒しない構造であれば、形状等の形態は特に限定されない。
このような台座3として、例えば、楕円柱形状の棒状体から構成した台座3a(図10(a))、偏平な角柱形状の棒状体から構成した台座3b(図10(b))、円環状のホイール体から構成した台座3c(図10(c))、また、円柱形状の柱状体から構成した台座3d(図11)等、様々な形態とすることができる。なお、図10(a)(b)に示した台座3a,3bでは棒状体の上面両端部において、また、図10(c)に示した台座3cではホイール体の上面の直径方向における2ヶ所において、混合体2を取り付けるネジ穴hを有する隆起部(ネジ筒部)33を設け、混合体2と台座3a,3b,3cとの間に隙間を形成して混合体2下方における流体Aの流れを停滞させないようにしている。
また、棒状の台座3a,3bの底面には、図3(b)(c)に示すような支持突起34を設け、また、ホイール状・柱状等の台座3c,3dの底面には、等間隔に2以上の支持突起36(図11(b)参照)を設ける。
他の実施形態1の撹拌子1Aにおいては、図12に示すように、混合体2aは、上方と側方とに開口端を形成するチューブ体7により構成し、台座3eは、チューブ体7を保持する円板体30により構成したものである。
図1に示した実施形態の場合と同様に、マグネチックスターラー4からの回転磁場により容器6内の底部に配置した撹拌子1Aを回転させると、遠心力により各横チューブ72内部の流体は各横チューブ72の側端開口の吐出口20βから外部へ流出させられる。そうすると、縦チューブ71内部の流体Aが各横チューブ72に流入するため、容器6内の中央上部付近の流体Aがチューブ体7に向かって渦状に回転流動させられながら、縦チューブ71の上端開口の吸入口20αから縦チューブ71内に吸い込まれる。これにより、撹拌子1Aの外周部の流体Aは、吐出口20βから流出される流体Aによって流れを乱されることにより混合される。以上により、容器6内の中央上部の流体Aを停滞させずに撹拌子1Aの上端開口の吸入口20αから吸い込ませ、側端開口の吐出口20βから流出させることができるので、流体Aを効率的に撹拌することができ、流体A全体を均一に混合するまでの時間を短くすることができる。
他の実施形態2の撹拌子1Bにおいては、図14(a)に示すように、混合体2bは、上面と側面とにそれぞれ開口部(20α,20β)を有し、各開口部(20α,20β)を内部流路81により連通した円柱体8により構成し、台座3は、この円柱体8の外径と同じ外径の円板体30により構成したものである。
また、円柱体8は、側面の開口部20βに連通する内部流路81(回転軸線S方向に沿った縦流路と、回転軸線Sに直交する横流路)を有する場合、図14(c)に示す円柱体8bのように、内部流路81(横流路)の位置で上下に分割可能な上部円柱体8b−1と下部円柱体8b−2とから構成とすれば、円柱体8bを分割して内部流路81の洗浄を容易に行うことができる。
なお、他の実施形態2の撹拌子1B,1B−1,1B−2は、台座3d,3eを混合体2bとは別体として備えるが、混合体2bが台座3d,3eと一体構造となった円柱体とするものであってもよい。換言すれば、台座3d,3eを兼ねた混合体2bを円柱体8で形成し、この円柱体8に撹拌用磁石を収容させたものでもよい。例えば、図15(a)に示す撹拌子1B−3のように、円柱体8cの上面の開口部が下面まで貫通していれば、円柱型、リング型、または角型等の磁石を撹拌用磁石5として円柱体8cに収容することができる(なお、図15(a)は角型磁石5a,5bの例である。)。また、図15(b)に示す撹拌子1B−4のように、円柱体8cの上面の開口部が下面まで貫通していなければ、前記磁石以外にさらに棒磁石を撹拌用磁石5として円柱体8に収容することができる。
他の実施形態3の撹拌子1Cにおいては、図16(a)に示すように、混合体2cは、中央に貫通孔を有する円板状の環状板91と他の円板92とを複数の接続壁93により接続した構造体9より構成し、上面と側面とにそれぞれ開口部(20α,20β)を有し、台座3eは、この構造体9の外径と同じ外径の円板体30により構成したものである。このように構成することによっても、複数の接続壁93により隔てられた環状板91と円板92との間隙90の外周端は、流体Aの吐出口20βとなるので、撹拌子1Cの回転により、容器6内部の流体Aを上面の開口部(吸入口20α)から吸い込み、側面の開口部(吐出口20β)から吐出することにより撹拌することができる。なお、この混合体2cとしての構造体9は、環状板91と円板92を接続する接続壁93を4つ設けるが、これに限らず4つより少なくても多くてもよい。また、図16(b)に示す撹拌子1C−1のように、接続壁93は平面視でインボリュート形状(非線形状)を有するものであってもよい。
他の実施形態4の撹拌子1Dでは、例えば、図17(a)に示すように、台座3fは、棒状撹拌子302を支持台(保持体)301に嵌め込み式に取り付けて構成したものである。
ここで、「棒状撹拌子302」は、例えば、磁石又は磁性体を保持する回転子により構成することができる。この台座3fは、円環状に形成する支持台301の内側面の180度位置の2ヶ所に取り付け穴303を設け、各取り付け穴303に棒状撹拌子302の両端部を嵌め込んで固定することにより構成する。支持台301の上面には直径方向の2ヶ所にネジ穴hが設けられ、これらネジ穴hに混合体2に挿通させたネジ11をネジ止めすることにより混合体2が取り付けられる。これにより、例えば、既存品の棒状撹拌子302を利用して、混合体2を備える撹拌子を簡易に構成することができる。
なお、図17、図18に示した支持台(300,301)の他にも、棒状撹拌子302を取り付け可能に構成するものを使用することができる。
他の実施形態5の撹拌子1Eは、例えば、図19に示すように、撹拌用磁石5a,5bを嵌め込み式に取り付けて構成したものである。撹拌子1Eを構成する円柱体8dの下面の直径方向の2ヶ所に、撹拌用磁石5a,5bを嵌め込んで固定する嵌め込み溝801を設けた構成とする。これにより、撹拌子1Eを簡易に構成することができる。また、例えば、目的、用途等に応じて、磁力の異なる撹拌用磁石5a,5bを選択して使用する等、撹拌子1Eの磁力調整も容易に行うことができる。
他の形態は、以上の実施形態における混合体部分をモータに直結して容器内の流体を撹拌する混合体とするものである。
すなわち、回転軸線を中心に回転することにより容器内に収容された流体を撹拌するための混合体(図2、図6、図7、図8、図9等参照)であって、前記混合体の表面には、流体の吸入口及び吐出口が設けられ、前記混合体の内部には、前記吸入口と前記吐出口を繋ぐ1又は2以上の孔が設けられ、前記吸入口は、前記回転軸線上の位置又は前記吐出口よりも前記回転軸線に近い位置に配置され、前記吐出口は、前記吸入口よりも前記回転軸線より外側の位置(例えば、前記回転軸線に直交する半径方向外側の位置)に配置されている構成とするものである。
また、回転軸線を中心に回転することにより容器内に収容された流体を撹拌するための混合体(図12〜図16、図18、図19等参照)であって、前記混合体は、1又は2以上の流路を有し、前記流路の一端側開口が流体の吸入口を構成し、前記流路の他端側開口が流体の吐出口を構成し、前記吸入口は、前記回転軸線上の位置又は前記回転軸線に近い位置に配置され、前記吐出口は、前記吸入口よりも前記回転軸線より外側の位置(例えば、前記回転軸線に直交する半径方向外側の位置)に配置されている構成とするものである。
具体的に、撹拌装置としては、図1に示す撹拌装置において、モータ45の軸部44を装置本体41の上面及び容器6の底面を貫通させて混合体に直結させたものが挙げられる。これらの場合、回転磁場発生部42や、撹拌用磁石5a,5b又は台座3を有しない構成とすることができる。また、図1の撹拌装置での適用の場合は、容器6の底面には軸部44との間に所定のシール機構を設ける。
次に、本発明の撹拌子による撹拌の効果を確かめるため、以下の脱色実験を行った。
脱色実験は、ヨウ素脱色反応を用いた。具体的に、ヨウ素溶液(流体A)を収容したビーカー(容器6)をマグネチックスターラー4に載置して、ビーカー内の底に実施例の撹拌子1を配置してヨウ素溶液を撹拌し、この撹拌しているヨウ素溶液中にチオ硫酸ナトリウム水溶液を加えてからヨウ素溶液が透明になるまでの脱色時間を測定した。この脱色されるまでの時間は、チオ硫酸ナトリウム水溶液がヨウ素溶液に全体的に均一に混合される時間、つまり流体A全体が均一に混合される時間とみることができ、この脱色されるまでの時間の長さから撹拌子の撹拌効果を検証した。
・ヨウ素溶液: 0.05モル/リットルのヨウ素溶液(1/10規定)を20cc
・チオ硫酸ナトリム水溶液: チオ硫酸ナトリウム37.5gを水200ccに溶解した水溶液を4cc
実施例1の撹拌子1は、図20(a)に示すものであり、混合体2は図2に示すような構造(混合エレメント21a,21bの第1の貫通孔22が半径方向に2つ並ぶ。)のものを用い、また、台座3は図12の円板体30の上面にネジ筒部33を2ヶ所設けた円板構造のものである。この実施例1の撹拌子1の仕様サイズは、以下のとおりである。
台座3は、円板部分が直径(外径)40mm、高さ14mmのものであり、混合体2との間に5mmの隙間がある。混合体2は、高さ1mmの混合エレメント21aを2枚重ねにして1組としたものと、高さ1mmの混合エレメント21bを2枚重ねにして1組としたものとを、交互に各々3組ずつ積層した積層物(混合エレメントは合計12枚使用)からなり、直径(外径)が37.5mm、中空部の内径が19mm、高さが12mmである。
台座3は、円板部分が直径(外径)60mm、高さ15mmのものであり、混合体2との間に20mmの隙間がある。混合体2は、高さ1mmの混合エレメント21aを3枚重ねにして1組としたものと、高さ1mmの混合エレメント21bを3枚重ねにして1組としたものとを、交互に各々3組ずつ積層したものの3層構造の積層物(混合エレメントは合計18枚使用)からなり、直径(外径)が54mm、中空部の内径が27mm、高さが18mmである。なお、混合体2と台座3との間の空間は、高さ20mmである。
さらに比較例2として、図20(d)の写真に示す円盤の上下面に十字状に配置された突起を有する撹拌子(アズワン社製の商品名「クロスヘッド回転子ダブル」)を用いた。この比較例2の撹拌子は、直径40mm、高さ14mm(円盤の厚さ5.6mm、上下の突起の各々の高さ4.2mm)の略円盤状のものである。
2 混合体
3 台座
4 マグネチックスターラー
5a,5b 磁石
6 容器
Claims (22)
- 容器内に収容された流体を撹拌するための撹拌子であって、
回転軸線を中心に回転することにより流体を撹拌する混合体と、前記混合体を回転させる回転磁場を受ける磁石又は磁性体を有する台座とを備え、
前記混合体は、流体の流路(複数の孔が流体を流通可能に連通した流路を含む。)を内部に設ける構造物により構成され、
前記流路の一端側開口が流体の吸入口を構成し、
前記流路の他端側開口が流体の吐出口を構成し、
前記吸入口は、前記混合体における前記回転軸線上の位置又は前記回転軸線に近い位置で上面から下面まで貫通して配置され、前記上面及び前記下面から流体を吸い込む態様であって、
前記吐出口は、前記混合体における前記吸入口よりも前記回転軸線より外側の位置の側面に配置されている撹拌子。 - 請求項1に記載の撹拌子において、
前記台座は、円環状又は円盤状に形成した支持台に、前記磁石又は前記磁性体を保持する棒状の回転子を取り付けて構成したものである撹拌子。 - 請求項2に記載の撹拌子において、
前記円環状の支持台は、側面の180度位置の2ヶ所に長孔を設け、各長孔に前記回転子の両端部を嵌め込んで固定し、回転子を嵌め込んだ各長孔には支持台の内径側と外径側とを連通する隙間が形成されている撹拌子。 - 請求項2又は3に記載の撹拌子において、
前記円環状の支持台の下面には、切欠が設けられている撹拌子。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の撹拌子において、
前記混合体中央部には、回転軸線方向に延びて前記吸入口と連通する中空部が設けられている撹拌子。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の撹拌子において、
前記混合体内部の流路は、流体を回転軸線方向と半径方向とに分割又は半径方向に分割するように配置されて前記吸入口と前記吐出口を繋ぐ構成とされている撹拌子。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の撹拌子において、
前記混合体は、一部材により構成されている撹拌子。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の撹拌子において、
前記構造物は、回転軸線に直交する横流路の位置で上下に分割可能に構成されている撹拌子。 - 容器内に収容された流体を撹拌するための撹拌子であって、
回転軸線を中心に回転することにより流体を撹拌する混合体と、前記混合体を回転させる回転磁場を受ける磁石又は磁性体とを備え、
前記混合体は、流体の1つの吸入口と2以上の吐出口とを繋ぐ流路を形成するチューブ体又はパイプ体により構成され、
前記吸入口は、前記回転軸線上の位置又は前記回転軸線に近い位置に配置され、
前記吐出口は、前記吸入口よりも前記回転軸線より外側の位置に配置され、
前記磁石又は前記磁性体は、前記チューブ体又は前記パイプ体の外部に配設されている撹拌子。 - 請求項9に記載の撹拌子において、
前記チューブ体又は前記パイプ体は、縦方向と横方向とに延びる形状を有している撹拌子。 - 請求項1に記載の撹拌子において、
前記台座は、棒状体により形成されている撹拌子。 - 請求項11に記載の撹拌子において、
前記棒状体の底部中心位置に突起を有する撹拌子。 - 請求項11又は12に記載の撹拌子において、
前記台座は、さらに前記棒状体の両端部に繋がる円環部を備える撹拌子。 - 請求項13に記載の撹拌子において、
前記円環部の底部に突起を有する撹拌子。 - 請求項13又は14に記載の撹拌子において、
前記円環部に前記磁石又は前記磁性体が設けられている撹拌子。 - 請求項9又は10に記載の撹拌子において、
前記チューブ体又は前記パイプ体には、前記回転軸線と交わる側方の両端部に前記磁石又は前記磁性体を設けた撹拌子。 - 請求項16に記載の撹拌子において、
前記磁石又は前記磁性体は、保持輪に設けられ、
前記保持輪が前記チューブ体又は前記パイプ体の端部に着脱可能に嵌め込み固定されている撹拌子。 - 請求項1〜17のいずれか1項に記載の撹拌子は、表面層がフッ素樹脂により形成されている撹拌子。
- 請求項1〜18のいずれか1項に記載の撹拌子と、
前記撹拌子を回転させる回転磁場を発生させる回転磁場発生手段とを備える撹拌装置。 - 請求項1〜18のいずれか1項に記載の撹拌子を容器底部に配設し、当該撹拌子を流体を収容する容器内の底部で回転させ、当該撹拌子がその吸入口から容器内の流体を吸い込み、当該撹拌子内部に流体を流通させ、当該撹拌子の吐出口から容器内へ流出させて流体を撹拌する撹拌方法。
- 請求項1〜18のいずれか1項に記載の撹拌子を用いた細胞培養方法であって、
容器内の流体を細胞培養液とし、
前記撹拌子により細胞培養液を撹拌する細胞培養方法。 - 請求項1〜18のいずれか1項に記載の撹拌子を用いた反応促進方法であって、
容器内の流体を反応溶液とし、
前記撹拌子により反応溶液を撹拌して反応を促進する反応促進方法。
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