JPH06502586A - 液体中で気体を拡散するためのコンプレックスミキサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 液体中で気体を拡散するためのコンプレックスミキサ一本発明は液体中で気体を 拡散しかつ垂直軸を有する円筒形反応器内で、主として装置の共通垂直軸に固定 された混合プロペラブレードを含むバイオリアクタ内で、その混合物を強力に混 合するためのコンプレｙ　Ｘｃｏｍｐｌｅｘ）＋ミキサーに関する。従来、所謂 、醗酵器−ボミキサーがバイオリアクタ（醗酵器）に主として使用されている。

このバイオリアクタの高さが直径の倍数である場合には、共通軸に固定された２ −３のターボミキサーで構成される系が使用される。

拡散される空気は孔の開いたループ状拡張パイプ、ノズル、または中央ノズルか らより低いミキサー下へ発射される（Ｆｅｊｅｓ、　Ｇ、　：Ｉｎｄｕｓｔｒｉ ａｌ　＋ｗｉｘｅｒｓ＋　５２−５５頁）。

醗酵器の直径の１／３を、通常、形成するターボミキサーはブレード列の回りで 発生する強力な乱流と剪断力により効率的に空気を拡散するが、高い局所エネル ギ散逸の結果として、上記ターボミキサーの高い圧動力消費量にもかかわらず、 上記ミキサーからより遠い領域へ混入されるエネルギ比率は最小であり、かつ上 記ミキサーの軸移送能力は低く、これがバイオリアクタの大容量化に多くの問題 を引き起こしている。

幾何学的螺旋面に従った折れまたは傾斜ブレードを有する２または多数のラング 付のプロペラミキサーが既知であり、がっこの混合系はこれらから形成されてい る。

ＳＥＭタイプのミキサーは薄いプロペララングの流動性を利用し、ＥＫＡＴＯミ キサーは所定角度かつ相互に必要とされる距離で配置された平行ラングブレード の干渉現象を利用する（Ｉｎｔｅｒｍｉｎｇ　ａｎｄＩｎｔｅｒｐｒｏｐ　ｍ１ ｘｅｒｓ、Ｆｅｊｅｓ＋　Ｇ、：　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｍ１ｘｅｒｓ、６　 ５　頁）。

醗酵器の直径と比較して大きな直径比率を有するプロペラミキサーのエネルギ散 逸はより均一であり、軸移送能力は高く、従って、かかるプロペラミキサーは同 一動力消費量により高い醗酵器においてより一層効率的かつ均等に液体を混合す るが、拡散能力は弱く、これはいくつかの位相の使用により平衡にされる。

混合、拡散および一部気体移送に適した回転管状軸に固定された中空混合要素で 構成される吸引ミキサーが既知である。上記中空混合要素は大体が４５″の角度 で切断されたパイプであり、その端部では一適度な速度下で一圧力降下が生じ、 通常、上記中空管状軸を通じて気体を吸引し、これは鋭利なパイプ端部によりそ の液体内で発生する剪断力により噴霧される（Ｆｅｊｓｓ、　Ｇ、　：　Ｉｎｄ ｕｓｔｒｉａｌ　ｍ１ｘｅｒｓ。

５７頁）。上記ミキサーはその吸引能力の限界から醗酵業界では使用されていな い。上記中空要素がプロセス方向と反対側上で開放した略半円形チャネルであり 、その直径は略その容器のそれに同一であり、そのようにして上記ミキサーは比 較的大量の気体の噴霧化に適していることが知られている。しかし、その低循環 能力のために、上記ミキサーは酵母産業の液体の強力混合を必要としないプロセ スのみに使用される。

上記反応器における混合目的は物質の強化および熱移送プロセスのために固体、 液体、気体の位相を均質に拡散することにある。混合の結果として、大きな速度 勾配および乱流が混合要素とじゃま板を有する反応器壁との間の空間に生じる。

醗酵プロセスの場合、速度勾配−比例乱流、および剪断力は噴射される空気泡の 分散性を増太し、微生物、培養媒体、および空気泡間の境界層の厚みを減少し、 それによりそれらの位相の境界面上の物質−熱移送プロセスを改良かつスピード アンプする。

微生物、培養媒体および噴射空気のかかる３位相系がそのバイオリアクタ内で生 じる。そこではその流れスペースと物質移送上のその効果が種々の相互作用、例 えば、微生物の新陳代謝による醗酵液の流動学的性質の変化、により極めて複雑 になる。この問題は相反する条件とその矛盾により更に複雑化する。例えば、醗 酵過程の重要な部分において強力な乱流と剪断が、空気の拡散と油滴下、培養媒 体とバイオマスのミイクロブレンディング、その集塊の切断のために必要とされ るが、同時に強力な混合が安定した泡の形成を促進し、泡形成は、部分的には直 接的に、また部分的には発泡禁止剤により酸素移送、二酸化炭素の混和（ａｅｒ ａｔｉｏｎ　）を低減しかつ微生物に機械的損傷を与え、または形態学的変化の 製造低下をもたらす。

バイオリアクタにおいて行う混合プロセスの複合化（ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ）に とって各基礎作用、即ち、拡散、懸濁、溶解、均質等はそのプロセスに重要な役 割をし、特に、各醗酵過程はそのタイプおよび系統（ｓｔｒａｉｎ）により相当 に異なる関連した特定要件を有する。従って、上記基礎作用の効果は、要求され る有益な効果の他に、悪影響を最小限にするために、比較的狭い範囲に留まる。

バイオリアクタの主要部に使用されるターボミキサーに関して、乱流発生のため に混合エネルギの大部分を消費すること、およびその混合エネルギの約７０％散 逸がタービンブレードの近隣領域で行われることは同様に好ましくない、これら の条件は小程度であるが変更されてよい。

非ニユートン性の強力に空気混和された粘性で安定した気泡を形成する醗酵液の 場合、小さな直径のターボミキサーにより生じる循環および乱流は比較的速く速 度を落とす、この循環はターボミキサーの直径を拡大することにより強力にでき るが、これは混合力の不調和な増大により制限され、既知関係によれば、該ミキ サーの直径の５倍の力で増大する。従って、ターボミキサーの直径は、４０ｍ３ より小さい醗酵器の場合でさえその装置の４０％を越えてはならない。従って、 その特徴は直径が小さいことである。他方、混合不十分な領域では上記反応器の 容積および醗酵液の粘度が増大するのでこれは付加的問題の原因となる。

プロペラミキサーの直径は、より低比率の動力入力との関係で、上記反応器の直 径に近くてよい。従って、装置の直径の６０−７０％の高直径比率のプロペラミ キサーの使用はバイオリアクタ内で広範囲に拡がり、その拡散能力は低いが粘性 醗酵液の効率的混合にはより遺している。

効率的ミキサーを提供することは、微生物および気泡を含む粘性醗酵液の性質が しばしばニュートン液体のそれと極めて異なるので困難である。若干の科学者は 同一エネルギ入力下でより大きい直径のターボミキサーよりも小直径のターボミ キサーが８倍高い酸素吸収能力を有することを発見している。しかし、かかる相 違は清浄水中では検出されていない（Ｓｔｅｅｌ、　Ｒ，−Ｍａｘｏｎ＋　Ｈ， Ｄ、　：　Ｂｉｏｔｅｃｈｎ。

ａｎｄ　Ｂｉｏｅｎｇ、　２．　２３１．　１９６２年）、培養物の特質および 培養媒体の構成に依存する正確には知られていないこれらの現象は、また、混合 系の上記構成を正当化し、その混合効果は広範囲に制御されることができかつ各 混合作用ごとに修正されることができる。

他方、上述のミキサーの共通する特徴は、いずれもがプロセスの最適化を制限す る一定の混合効果を主として得るのに適していることである。

上記装置に関する混合効率は導入されたエネルギの大きさおよび混合系の構造に 依存する。溶解された酸素濃度は混合エネルギおよび噴射空気の量を増加するこ とにより既知ミキサーで必要レベルまで概ね改良できる。しかし、エネルギとそ の費用、気泡形成の増大と微生物の損傷に関する不釣合に大きな要求は上記反応 器の直径を大きくするにつれて経済的生産を制限することになる。

通常、同一要素で構成される既知多段階タービン、および上述の能力およびその 構成による制限を受ける他の混合系は種々の微生物の特定要件を満足させるだけ の適度な弾力性を有しない。

バイオリアクタの直径を大きくすることにより、上記条件が混合−空気混和（ａ ｅｒａｔｉｎｇ）系の最適化を高程度に要求することが本発明の課題である。

従って、本発明は、共通垂直混合軸へ固定された、高直径比のプロペラミキサー を含み、かつ回転方向と反対に開放チャネルが上記ミキサーの少なくとも１つの ブレード上にあり、−以下第１ブレードと呼ぶ一＝、このチャネルが気体入口と 相互連結されており、かつ他の第２プロペラ混合ブレードの所定部の入射角が反 対方向にあってその長さおよび入射角が他のブレードよりも小さい、コンプレッ クスミキサーを提供する。

乱流強化しゃま板は上記第１および第２混合ブレードの縁部またはそれらの一部 Ｆに設置されている。

中空混合ハブから本発明による混合系の第１混合ブレード上のチャネルへ通過す る気体は液体を強力な軸流へ付勢するラングブレー釣軸流へ付勢されかつ上記プ ロペララングにより促進される流速に拘束される。

本発明による上記第１プロペラミキサーの構造は、上記ブレード上のチャネルの 補助により上記気体が付加的エネルギを必要とする。

ことなく大きな表面上に微細に拡散し、かつ流れる液体の金塊へ均質に混合され ると言う認識に基づいている。従って、上記混合系は上記気体と液体の混合物の 循環のためにエネルギの大部分を利用する。これは上記系の動力消費に関して大 きな利点である。

上記気体は上記中空軸から上記第１ミキサーの中空ハブへ従来技術により運ばれ る。あるいは他の方法として、パイプラインがシリ気体を運ぶ。

上記第１ミキサーの空気吸引拡散チャネルはミキサーブレードの後端部に沿って 全長に適宜に配設される。しかし、上記チャネルは上記ブレードの他の部分上で 上記ブレードの領域内へ均等に配設されてよい（概ね非効率である）、この場合 、上記ブレードにより促進される流れの拡散効果は良くない。この距離は上記チ ャネルの幅の約２倍であるので、より遠くへ上記チャネルを設置することは実用 的でない。上記構造の複雑さに対して、上記チャネルと数点で結合されたブレー ドは比較的長く薄いブレードの破壊に繋がる共振現象に対してより良く耐える剛 性系を構成する。

拡散される気体は孔の開いたループ状拡張パイプまたはノズルによってより下の ミキサーの下のバイオリアクタへ送られる。従って、数Ｌｏｏｍ’容量のバイオ リアクタの場合、空気は高圧下で移送される。本発明の混合系に関する更に重要 な認識は上記第１拡散を行う上記第１ミキサーがより高い段階として配設されて いることであり、それにより圧縮作業が減少するのみでなく、気泡の通路が長く なり、物質移送が改善される。この配置はターボミキサーまたは吸引ミキサーの いずれの場合にも既知理由から実現できない。

本発明によれば、反対移送方向および低移送容量をもつ上記ブレード、即ち、気 体−液体混合物の強力循環および各気泡の第２拡散を可能にする第２プロペラミ キサーのより小さな入射角をもつおよび／またはより短いΦブレード、により発 生する反対方向のより弱い流れは、結果として主流と衝突する連続的渦を生じ、 それによりエネルギ散逸が従来使用されたターボミキサーの薄いブレード端部で 発生する連続的渦よりもより均一になる。そのようにして発生しまた連続渦の強 度はラングブレードの入射角および／または長さを変えることにより広範囲に変 化させることができる。

このようにして、伝統的ターボミキサーの制限と反対に、乱流の循環および発生 上で消費されるエネルギ量の比率は本発明の特定ブレード配設により随意に変化 でき、かつ伝統的プロペラミキサーの低拡散能力は必要に応じて改善できる。多 くの場合、その結果は伝統的系と比較して本発明の系の使用により好ましいもの となる。

上記第２プロペラミキサーの拡散効果は、また、より小さい入射角および／また はより小さい直径の上記プロペララングがより弱い向流を発生し、分離段階を構 成し、かつより高い移送能力を有する、従って、主流を発生させるより大きな入 射角および／またはより大きな直径を有するプレードラングを具備した第２プロ ペラミキサーと交互に上記混合軸上に取り付けられる場合に向上する。しかし、 この解決策では衝突領域は知覚されない。

プロペラミキサーのラングブレードの拡散能力は、更に、その後端部へ固定され たじゃま板により必要に応して改良されうる。上記しゃま板は連続渦を発生し、 その増大はじゃま板の幅により広範囲に調整できるが、これは混合物を主流方向 へ送り、かつそのようにして醗酵液の混合を不利に低減させることなくその配合 物の拡散かつ混合を促進する。

上記ブレードの拡散能力は空気拡散チャネルの上または下に配設されたブレード の幅の１／３倍を越えない補助ラングにより同様に改善される。上記ブレードに 関する上記補助ラングの入射角を適宜に変化させて、上記ブレードとそれらとの 間を通過する液体−気体混合物の速度を広範囲で変化させ、それにより上記第１ および第２ミキサーにより発生した流れの乱れを更に強力にする。上記第１ブレ ードの場合、その流れの促進およびその結果、即ち、吸引効果、乱流の強力化、 および拡散能力は上記ブレードと平行に固定された上記補助ブレードにより行わ れる。これは上記チャネルが上記ブレードと上記補助ブレードとの間の断面を狭 くするからである。

要求の少ない場合であるが、上記プロペラミキサーのブレードは、上記プロペラ ミキサーに採用された幾何学的螺旋面に代えて、回転方向に対して鋭角に傾斜し た板として形成されてよい。この場合、上記ブレードの傾斜角は数段階ごとに付 随的に減少させてよい。当然ながら、乱流の増強はいずれの場合にも考慮に入れ なければならない。

本発明によるコンプレックス装置の異なるバージョンとして上記混合系を極めて 異なる比率で異なる微生物培養要件に通用できる。

例えば、醗酵液を強力に泡立てる場合、これはＯｔおよびその物質の移送を阻止 するが、吸引チャネルを有する第１ミキサーと反対方向のラングブレードを有し ない第２プロペラミキサーで構成される系の使用がより好ましい、他方、低粘性 の醗酵液を泡立てない場合には、第２ミキサーのみで構成される系の使用で充分 である。

しかし、既知醗酵方法の大半において、第１および第２ミキサーのみで構成され るコンプレックス基が物質の移送のための最適条件を確実にしている。

本発明によるコンプレックス混合系により循環と乱流の発生上で消費されるエネ ルギ比率と言った物質移送を決定する各混合基本作用はその混合された気体−液 体混合物の全重量へ均等に分配され、かつ上記所定プロセスは特定要件に対応す る比率に従って極限事例においてさえ最適になされる。

本発明によるミキサーの反対方向のラングブレードの適宜構成により、かつ物質 の均一移送を最適にすることの外に、混合を促進する連続渦増大の規制により、 ターボミキサーの場合の深刻な問題となる微生物の損傷は回避される。

以下に、添付図面を参照して実施例として本発明を更に詳細に説明する。

図１は本発明によるミキサーの詳細図である。

図２は図１の上面図である。

図３は図１のｍ−ｍ断面図である。

図４はじゃま板を有するブレードの断面図である。

図５は補助リングを有するブレードの断面図である。

図６は本発明によるバイオリアクタの断面図である。

図１から３は本発明による装置の混合要素を示す。このバイオリアクタの混合軸 １に固定されたプロペラミキサー２はハブ３上に配設されたブレード４から成る 。チャネル５はブレード４の後側上にｍ械細工されている。上記チャネルは中空 ハブ３と孔６を介して相互連結されている。

気体は気体人ロアから中空ハブ３へ通過し、そこから孔６を通ってチャネル５へ 流れる６ 図４はブレード４の端部へ固定されたじゃま板８を示す。

図５は図１に示された混合ブレード４の断面、上記ブレードへ１１で溶接された チャネル、および０．３ブレ一ド幅の距離で上記ブレード上方へ平行に固定され た補助ブレード１２を示す。

上記図面はチャネル５により流路断面を狭くすることに起因する２つの上記ブレ ード間の流速を促進するための実施例である。

図６は本発明による装置の実施態様を示す。ここでは、混合軸１は４つのブレー ドプロペラミキサー２ａ−２ｄを有するバイオリアクタ９内中央に配設されてい る。

気体人ロアは最下位のプロペラミキサー２ａのところに設けられている。この第 １プロペラミキサー２ａの構造は図１から３に示されたものと同一であり、その 直径ｄ１は上記バイオリアクタの直径りの７０％であり、その移送方向は下方向 である。更に、４つの第２プロペラミキサー２ｂ−２ｃが混合軸１上に配設され ている。その直径ｄ１とプロペラミキサー２Ｃと２ｅの移送方向は第１プロペラ ミキサー２ａのそれと同一であり、他の２つのプロペラミキサー２ｂと２ｄは直 径ｄ、即ち、０．７Ｄを有する２つの下方向移送ブレードと、直径ｄｚ、即ち、 ０．５Ｄを有する２つの上方向移送ブレードとを有するプロペラミキサー２ａと ２ｅ＆の間の距離ｈ＋　はより長いプロペラミキサーの直径の７０％である。

じゃま板は中央プロペラミキサー２Ｃのブレードへ固定されており、その幅はそ のプロペラミキサーの直径の３％である。

上記混合系は中間混合強度を必要とする中間泡形成能力を有する醗酵液の混合お よび空気混和に通している。

本発明による装置を用いてテストを実施した。その過程において、上記コンプレ ックス混合系−気体の流体力学的パラメータ特性、均質時間、拡散能力および「 ホールドアツプｊ−は伝統的Ｒｕ５ｈｔＯｎターボミキサーと比較して更に好ま しいことが知見された。

清浄水中および激しく発泡する培養媒体中で測定を行った。驚（べきことに、よ り良好な拡散にもかかわらず、発泡速度はターボミキサーの場合よりも低（かっ た、これは多分より均一のエネルギ散逸の結果によるものである。

発泡禁止剤は概ね物質移送を低減させるので、このことは醗酵ブロセスの出力に 関して非常に重要である。

上述の原理に基づいて、上記混合系は多くの方法により構築できる。その利点は 正にその複合性（ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ）と可変性にある。しかし、それらの効 率的作用は所定比率に従うことを要求する。即ち、通常、下方向の流れを発生さ せる高い直径率を有する上記ミキサーの直径は上記反応器の直径の５０−７０％ であり、かつ向流を発生するより低い移送能力を有する上記ブレードの直径は上 記反応器の直径の４０−６０％である。上記ミキサー間の距離は高直径率を有す るミキサーの直径の５０−１００％である。上記じゃま板の幅は上記ミキサー直 径の３−６％である。

本発明による上記コンプレックスミキサーは、状況に依るが、改良されだ液圧効 率の結果として科学的プロセスの場合にそのプロセス進行を迅速にでき、それに よりその能力を拡大し、付随してそのプロセスにおいて役割を果たす成分量を減 少させ、更にその出力を改善し、かつ／または生物学的プロセスの場合には特定 混合エネルギの使用量を減少することができる。

上記実施例は本発明の説明のためにのみ引用されており、本発明の装置は請求の 範囲において種々改変が可能であることは理解されるであろう。

ＡｈＪ）Ｊ　ＡＮ（３ＡｈＪ　ＮＥＸ　ＭｈＪｈＪＥＸεフロントページの続き （７２）発明と　コバーチュ、シャーンドルハンガリー国、バー−１０２４ブダ ペスト。

フエ一二ュ　ウッツァ　１５゜ （７２）発明者　マカーディ、ベーラ ハンガリー国、バー−４０３１デブレツェン、ミチュリン　ウッツァ　１７１゜ （７２）発明と　チェーケ、ラースローハンガリー国、バー−４０３２デブレツ ェン、ガールドニュイ　ゲー、ウッツア １１゜ （７２）発明者　ブスタイ、シャーンドルハンガリー国、バー−４０３１デブレ ツェン、マルクス　カーロイ　ウッツァ　２２゜（７２）発明者　カサ−シュ、 ミハーイハンガリー国、バー−４０３１デブレツェン、イシュトバーン　ウッツ ァ　８５゜（７２）発明者　シャーンツ乙ジョルジハンガリー国、バー−４０３ １デブレツェン、イシュトバーン　ウッツァ　６１゜（７２）発明者　バルツォ ー、イシュトバーンハンガリー国、バー−１０７７ブダペスト。

ヨーシカ　ウッツァ　２゜ （７２）発明者　ザライ、カーロイ ハンガリー国、バー−１０２７ブダペスト。

サース　カーロイ　ウッツァ　２゜ （７２）発明者　ペセディチュ、ジュラハンガリー国、バー−１０２５ブダペス ト。

ペンド　ウッツァ　２４゜ （７２）発明者　コルディク、ガブリエラハンガリー国、バー−１０２７ブダペ スト。

ベム　ヨーシェフ　ウッツァ　１４゜ （７２）発明者　ゲルゲイ、カーロイ ハンガリー国、バー−１１１２ブダペスト。

ミケス　ケレメン　ウッツア　７１゜ （７２）発明者　フェーデル、ミクローシュハンガリー国、バー−１１４２ブダ ペスト。

ラーコシュパタク　ウート５４／ア。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．液体中で気体を拡散しかつ垂直円筒状反応器内で強力混合するためのミキサ ーであって、上記ミキサーは共通垂直軸上に設置された高直径率のプロペラミキ サー、および気体入口を含み、回転方向と反対の開放チャネル（５）はプロペラ ミキサー（２）のブレード（４）の１つの上に少なくともありかつ気体入口（７ ）と相互連結されていることを特徴とする。
2. ２．上記チャネル（５）はプロペラミキサー（２）の混合軸（１）上に設置され た中空ハプ（３）へ孔（６）を介して連結され、かつ気体入口（７）は中空ハプ
3. （３）へ通じるパイプであることを特徴とする、請求項１のミキサー。 ３．上記気体入口（７）は混合軸（１）内のダクトであり、かつチャネル（５） はこのダクトへ相互連結されていることを特徴とする、請求項１のミキサー。
4. ４．上記チャネル（５）はブレード（４）の後端部に配設されていることを特徴 とする、請求項１から３のいずれか１のミキサー。
5. ５．上記チャネル（５）はブレード（４）の付近にまたはそれに沿って配設また は固定されていて、ブレード（４）とチャネル（５）との間の距離が上記チャネ ルの開放部の幅の２倍未満であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか １のミキサー。
6. ６．液体中で気体を拡散しかつ垂直反応器内で多位相混合物を強力混合するため のミキサーであって、上記装置は共通垂直軸上に設けられた高直径率のプロペラ ミキサーを含み、上記プロペラミキサー（２）の所定部のブレード（４）の入射 角が反対方向を向き、かつ入射角および／またはその長さが他のブレードのそれ 未満であることを特徴とする。
7. ７．上記入射角のより短いおよび／またはより小さい反対方向のブレード（４） は入射角の鋭いおよび／またはより長いブレード間で交互に共通ハプ（３）へ固 定されていることを特徴とする、請求項６のミキサー。
8. ８．上記入射角のより小さいおよび／またはより短い反対方向のブレード（４） は単数または複数の分離ハプ（３）へ固定されると共に、分離ハプへ同様に固定 された入射角のより大きいおよび／または長い入射角のブレードのプロペラミキ サー（２）へ交互に共通軸上で取り付けられていることを特徴とする、請求項６ のミキサー。
9. ９．上記じゃま板（８）はプロペラミキサー（２）のブレード（４）の少なくと も一部の後端部上にあることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１のミキ サー。
10. １０．補助ウング（１２）は角度誤差が最高２０°または平行のブレード（４） の上または下の後端側上に配設されていることを特徴とする、請求項１から９の いずれか１のミキサー。
11. １１．最下位のプロペラミキサー（２）のブレード（４）はチャネル（５）およ び気体入口を有することを特徴とする、請求項１から５、および８または９のい ずれか１のミキサー。
12. １２．上方混合段階のうちの１段階のブレード（４）はチャネル（５）および気 体入口を有する、請求項１から５、および８または９のいずれか１のミキサー。
13. １３．プロペラミキサー（２）のブレード（４）は回転方向に対して鋭角に傾斜 したブレードとして形成されていることを特徴とする、請求項１から１１のいず れか１のミキサー。