JPH0686921A - 気体溶解装置及びそれを備える反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 気体の溶解効率の高い気体溶解装置を提供
し、気体が必要な化学反応や酵素反応の反応効率を高め
る。 【構成】 貯留槽２１の内部に、気体を液体に加圧供給
する加圧フレーム２３を設置し、この加圧フレーム２３
の下方に、液体を撹拌すると共に下方へ移動させる撹拌
装置２５を設置する。これにより、加圧フレーム２３の
開放口２３ａ付近の気液界面において気体の加圧供給が
行われ、貯留槽２１内の液面において既存の溶存気体の
放散が効率良く行われるので、効率よく気体を溶解させ
ることが可能となる。そして、このような気体溶解装置
を備えたバイオリアクタ４０は、効率よく気体が溶解し
た状態で、貯留槽２１内の固定化酵素４１に液体培地を
供給することができるため、反応効率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は気体溶解装置、特に撹拌
手段や供給手段等を改良することにより気体の溶解効率
を向上させた気体溶解装置及びこれを備えた反応装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】気体は様々な性質を有していることか
ら、気体の性質を溶液の形で利用するために種々の気体
溶解装置が考えられている。気体の中でも酸素は人体に
無害な高活性物質として知られ、例えば、酸素の活性を
利用して飲料水の有害物質の除去や殺菌などを行うこと
ができるため、種々の酸素溶解装置が従来から考えられ
ている。

【０００３】酸素溶解装置は、飲料水の殺菌の他にも、
例えば廃水や廃液などの汚水に酸素を供給して汚水を活
性化させる汚水処理工程にも用いられている。このよう
な廃水処理工程においては、汚泥内へ酸素の十分な溶解
を行うことが必要であり、酸素溶解装置によって汚水に
酸素を溶解させることによりバクテリアを効果的に活性
化して汚水を処理している。

【０００４】図８には、従来から使用されている酸素溶
解装置の構成が示されている。図８に示されているよう
に、従来の酸素溶解装置は、液体を内部に貯留する貯留
槽１０と、この貯留槽１０内部に設置されているプロペ
ラ１１と、このプロペラ１１を回転させるモータ１２と
から構成されている。そして、前記貯留槽１０には、酸
素を吸入する吸入口１０ａと、過剰の気体を排出する排
出口１０ｂとが設置されている。このような従来装置に
おいては、吸入口１０ａから酸素が供給されるとプロペ
ラ１１が回転駆動して酸素を液体中に溶解させるように
なっている。これは、酸素の液体への溶解は気液界面に
よって行われるため、プロペラ１１が回転することによ
り次々に新たな気液界面を作り出すことによって酸素の
溶解が行われるようにしている。

【０００５】ところで、液体への気体の溶解は、微生物
の培養を行う場合にも行われる。例えば、発酵に酸素が
必要な液体培地中の微生物に酸素を供給するために、図
８に示されるような気体溶解装置が用いられることがあ
る。このような気体溶解装置を備えた培養槽としては、
例えば図９に示されるような通気撹拌培養槽１４があ
る。この通気撹拌培養槽１４は、図８の気体溶解装置と
同じ原理で、プロペラの回転撹拌によって気体を溶解さ
せ、これによって好気性微生物の培養を行う。また通気
撹拌培養槽１４は、モータ駆動の撹拌羽根１１が培地を
撹拌する一方で、コンプレッサ（空気圧縮機）等により
槽底部から空気を強制的に導入することによって酸素を
槽内に供給する。このような供給形式を採用することに
より、図８に示される気体溶解装置よりも効率的に気体
を溶解させることができる。なお、この通気撹拌培養槽
１４においては、培養される微生物および使用される液
体培地は、接種口１４ａおよび培地入口１４ｂからそれ
ぞれ槽内に供給される。培養液は取出口１４ｃから取出
される。発酵時に生成した気体および過剰の酸素は排気
口１４ｄから排出される。撹拌培養槽１４はジャケット
１６に覆われており、槽１４はジャケット１６の間隙に
蒸気或いは冷却水が通じられることによって温度制御が
行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ここで、原理的には、
同一の液体中に２種類の気体が溶解する場合には、それ
ぞれの溶解度は互いに干渉し合わないということになっ
ている。しかしながら実際には、例えば窒素が溶解して
いる水中に酸素を溶解させようとすると、酸素の溶解度
が低下するのが普通である。また、気体の溶解度は、界
面に係る圧力に比例するという事実があり、気液界面に
２種以上の気体が存在した場合には、その溶解度や溶解
速度が低下するという事実も一般的に認められている。

【０００７】ところが実際には、酸素の溶解に伴って液
体中から発生してくる気体が気液界面に滞流してしまう
ため、従来の気体溶解装置では気液界面に２種以上の気
体が並存することになり、酸素の溶解度と溶解速度が共
に低下してしまうという問題があった。また、酸素の溶
解度を向上させるため装置全体を加圧すると、常に破裂
等の危険を伴い、また高圧に耐える構造にするためには
多大な労力と費用がかかるという問題があった。更に
は、不用意に圧力をかけて溶解させると、純粋に酸素の
みが溶解した液体が得られないという問題もある。

【０００８】なお、ここまでは酸素が最も頻繁に用いら
れる気体であることから酸素溶解装置について説明して
きたが、これは酸素を液体に溶解する場合だけに限られ
ず、ある特定の気体を所定の液体に溶解させたい場合に
常に付き纏う問題である。

【０００９】本発明は以上のような問題に鑑みてなされ
たものであり、その第一の目的は、特定の気体を効率良
く液体に溶解させることができる気体溶解装置を提供す
ることにある。

【００１０】また、上記した問題点は、気体溶解装置を
備えた培養槽においては更にデリケートな問題を引き起
こすことになる。すなわち、気体溶解装置を備えた培養
槽において培養の効率を向上させるためには、必要な気
体の液体培地への供給効率を高める必要がある。そし
て、気体の供給効率を高めるためには、気体の供給圧力
を大きくするかまたは撹拌羽根の回転速度を上げる必要
がある。

【００１１】しかしながら、気体の供給圧力を高めた場
合には、既に述べたような安全性等の問題の他、高圧に
より微生物を破壊してしまう恐れがあるという問題が新
たに生じてくる。この問題は、撹拌を強力にした場合に
も生じる培養槽に固有の問題でもある。

【００１２】本発明は以上のような問題に鑑みてなされ
たものであり、その第二の目的は、特定の気体を効率良
く液体に溶解させることができしかも培養槽に適用でき
る気体溶解装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
するために、本発明に係る気体溶解装置においては、所
定の気体を液体に溶解させる装置であって、排気口を備
え内部に液体を貯留する貯留槽と、この貯留槽に設置さ
れこの貯留槽に貯留されている液体の液面の一部を覆い
かつ当該液面下に開放口を有する加圧フレームと、貯留
槽内の液体に溶解させる気体を前記加圧フレーム内に加
圧供給する気体供給手段と、前記加圧フレームの開放口
の下方の液体を撹拌する撹拌手段と、を含み、溶解させ
る気体のみを前記加圧フレーム内の液面に加圧供給する
ことにより当該気体の溶解効率を向上させることを特徴
とする。

【００１４】また、上記気体溶解装置において、前記貯
留槽内の液体の液面下に埋設され少なくとも前記撹拌手
段を囲う囲み壁を有し、前記撹拌手段によって生じた流
れをこの囲み壁により所定の方向に導き、これによって
前記貯留槽内全体にわたる流れを生じさせることを特徴
とする。

【００１５】更に、上記いずれかの気体溶解装置におい
て、前記撹拌手段は、当該撹拌手段近傍の液体を下方に
移動させる手段であることを特徴とする。なお、この気
体溶解装置において、前記撹拌手段は、下方に向かって
孔径が小さくなる孔を有するプレートと、このプレート
を上下方向に加振させる加振手段と、からなり、プレー
トの振動により下方向の液流を生じさせることを特徴と
する。

【００１６】また更に、上記いずれかの気体溶解装置に
おいて、固定化酵素あるいは固定化微生物を担持する手
段を前記貯留槽に備え、酵素反応に必要な気体を液体表
面に加圧溶解させながら反応基質の酵素反応を行うこと
を特徴とする。

【００１７】

【作用】以上のような構成を有する本発明に係る気体溶
解装置においては、溶解される気体が加圧フレーム内に
加圧供給されると、加圧フレームの内側の液面は、加圧
された分だけ貯留槽内部の液面よりも低くなる。この結
果、加圧フレームの内側の気液界面に加圧が行われてい
ると同時に、加圧フレームの外側の気液界面では加圧が
行われていない状態が形成される。

【００１８】このような状態では、加圧フレームの内側
では気体の溶解度が大きくなり、一方、加圧フレームの
外側では気体の溶解度が小さくなる。従って、加圧フレ
ーム内に供給された気体は液体中に溶解しやすく、一
方、加圧フレームの外側では、液体中に溶解している気
体が放出されやすくなる。すなわち、加圧フレームの存
在により、加圧フレームの内側では気体が溶けやすくさ
れている一方で、その外側では液体から気体が放出され
やすくなっている状態が形成される。

【００１９】そして、このような状態で撹拌手段が作動
すると、加圧フレームの内側では溶解度が大きくされた
状態で気体が溶解され、溶解させたい気体が効率よく液
体中に溶解する。この一方で、気体が加圧溶解された液
体が加圧フレームの外側に次々に供給され、加圧フレー
ムの外側の液体においては、当初から液体中に溶けてい
た他の気体が追い出される。このため、液体中に溶解し
ている他の気体が効率よく放出される。放出された他の
気体は、加圧フレームの外側の液面から放散して排出口
から排出される。

【００２０】また、上記気体溶解装置において、前記貯
留槽内の液体の液面下に囲み壁を埋設すると、前記撹拌
手段によって生じた流れは、この囲み壁により所定の方
向に導かれ、これによって前記貯留槽内全体にわたる流
れが生じる。このようにして、貯留槽内を液体が循環す
るので、溶解効率が向上する。これと共に、排気口から
は、過剰な気体や、液体中に当初から溶解し、溶かされ
るべき気体が溶解されることにより液体中から追い出さ
れた他の気体が放出されやすくなる。

【００２１】この時に、前記撹拌手段を、当該撹拌手段
近傍の液体を下方に移動させる手段とすると、前記囲み
壁の下側からは液体が流出し、同時にその上側からは液
体が流入する。このため、囲み壁の内側では下向きの流
れ、この一方で、囲み壁の外側では上向きの流れが生ず
る。このように、撹拌手段と囲み壁により、貯留槽内に
対流を生じさせることができ、気体の溶解効率を向上さ
せることができるようになる。なお、この撹拌手段は、
下方に向かって孔径が小さくなる孔を有するプレート
と、このプレートを上下方向に加振させる加振手段と、
で構成されることにより、プレートの上下方向の振動に
よって有効に下方向の液流を生じさせることができる。

【００２２】また更に、上記いずれかの気体溶解装置に
おいて、固定化酵素あるいは固定化微生物を担持する手
段を前記貯留槽に備え付けることにより、酵素反応に必
要な気体を液体表面に加圧溶解させながら反応基質の酵
素反応を行わせることができる。

【００２３】このような気体溶解装置を備えた反応装置
（培養槽）は、高圧状態や強力な撹拌を伴わないため、
液体培地に気体を安全に供給しながら反応基質の酵素反
応を行うことができる。

【００２４】

【実施例】

［気体溶解装置］図１は、本発明に係る気体溶解装置を
酸素溶解装置に適用した好適な一実施例を示した断面図
である。

【００２５】本実施例に係る酸素溶解装置は、液体を内
部に貯留する貯留槽２１と、酸素を加圧供給する加圧フ
レーム２３と、加圧フレーム２３の開放口２３ａの液体
を撹拌する撹拌手段２５とを有している。

【００２６】貯留槽２１内部には、実施例において、８
分目あたりまで液体が貯留されるようになっており、貯
留槽２１内部の上部には空間が形成されている。貯留槽
２１の上面には、気体を排出するための排出口２７が設
置されている。

【００２７】加圧フレーム２３にはバルブ２９を介して
酸素が加圧供給されるようになっており、この酸素の加
圧供給により加圧フレーム２３の内側の液体が排出さ
れ、最終的には加圧フレーム２３の内側の液面は、その
外側の液面よりも図中のＬだけ低くなるようになってい
る。そして、このような状態では常に、加圧フレーム２
３内では酸素の加圧状態が保たれるとともに、加圧フレ
ーム２３外では常圧状態が保たれることとなる。この点
が本実施例に係る酸素溶解装置の特徴の一つであり、加
圧により加圧フレーム２３内部は気体が解けやすい状態
に保たれると同時に、加圧フレーム２３外部は気体が放
出されやすい状態に保たれるようになっている。このた
め、加圧フレーム２３内部の気液界面では酸素が解けや
すく、この一方で、加圧フレーム２３外部の気液界面で
は液体中に溶存している気体が放出されやすいようにな
っている。したがって、加圧フレーム２３内部で酸素の
溶解が行われ、これと同時に加圧フレーム２３外部で酸
素以外の気体の放散が行われることとなるので、酸素の
みが溶解した液体を効率的に製造することが可能となっ
ている。

【００２８】本実施例に係る酸素溶解装置の撹拌手段２
５は、プレート２５ａと駆動軸２５ｂとから構成されて
おり、駆動軸２５ｂに接続されている駆動モータ３１に
よってプレート２５ａが上下方向に移動させられるよう
になっている。駆動軸２５ｂと加圧フレーム２３の接触
部分にはダイヤフラム３３が設置されており、これによ
り駆動軸２５ｂが上下方向にスムーズに移動するように
なっている。一方、プレート２５ａには漏斗状の穴２５
ｃが設けられており、この穴２５ｃによりプレート２５
ａが上方に移動した場合には穴２５ｃを介して液体が下
方に移動し、プレート２５ａが下方に移動した場合には
穴２５ｃを介して液体の移動はほとんど起こらない。す
なわち、この漏斗状の穴２５ｃがプレート２５ａに設け
られているために、プレート２５ａが上下方向に駆動す
ると、この付近の液体は下方へ下方へと追いやられるよ
うになっている。そして、プレート２５ａの周辺には囲
み壁３５が設置されており、囲み壁３５と加圧フレーム
２３との間には間隔（液体吸入口）３７が形成されるよ
うになっている。この囲み壁３５は、プレート２５ａの
周りに沿って円筒状に設けられており、図示していない
支持部材によって貯留槽２１内に固定されている。ま
た、加圧フレーム２３の形状は、下方の開放口２３ａに
向かってスカート状に広がるような形状となっており、
開放口２３ａにおいて酸素と液体との接触面積が大きく
なり、これにより酸素の溶解効率が向上するようになっ
ている。なお、この加圧フレーム２３の形状は、スカー
ト状に広がるような形状でなくとも、通常の円筒形でも
差支えない。

【００２９】以上のようにして構成されている本実施例
に係る酸素溶解装置においては、駆動モータ３１が駆動
してプレート２５ａが上下方向に移動すると、加圧フレ
ーム２３と囲み壁３５の間の液体吸入口３７から液体が
吸入され、この液体が囲み壁３５の下方から周囲に供給
されるようになる。ここで、液体吸入口３７から吸入さ
れた液体は、加圧フレーム２３内部に形成されている気
液界面で酸素が加圧供給されてから貯留槽２１の下方へ
移動していくことになるが、このときの撹拌手段２５の
撹拌作用によって高圧状態で効率良く酸素が溶解される
こととなる。そして、この溶解した酸素が、液体に当初
から溶存している他の気体を当該液体から押し出す作用
をすることとなるが、この押し出し作用は主に常圧下に
ある加圧フレーム２３外部の液面において行われること
になる。そして、過剰の酸素及び酸素が溶解することに
より放出させられた（押し出された）酸素以外の気体
は、排気口２７から排気されていくことになる。

【００３０】なお、酸素の供給量の調整は、加圧フレー
ム２３の内側の液面の高さを検出する液面検出センサ２
４を備えることによって、容易に行うことができる。す
なわち、酸素が液体中に溶解するに従って、加圧フレー
ム２３の内側の液面は上昇する。そこで、この液面の上
昇を液面検出センサ２４で検出することにより、酸素の
供給不足を検出する。そして、検出された供給不足の量
に追従させて加圧フレーム２３内に酸素が供給される。
液面検出センサ２４としては、例えば特開平４−３６１
１２３号公報に記載されているような液面検出装置を使
用することができる。

【００３１】図２は、本発明に係る酸素溶解装置の第２
実施例を示した断面図である。なお、第１実施例と同一
の構成要素には同一符号を付しその説明を省略する。

【００３２】この第２実施例において特徴的なことは、
囲み壁３５が、撹拌手段２５を囲むだけでなく、加圧フ
レーム２３の周囲をも取り囲んでいることである。な
お、この囲み壁３５が、図示されない支持部材により貯
留槽２１に固定されていることは第１実施例と同様であ
る。また、第２実施例に係る酸素溶解装置においても、
この支持部材により貯留槽２１内部の液体の流れが妨害
されることはないように構成されている。

【００３３】本第２実施例に係る酸素溶解装置のよう
に、加圧フレーム２３の周囲にも囲み壁３５を施すよう
にすると、貯留槽２１の液面付近の液体が加圧フレーム
２３の下方に移動していくようになる。ここで、貯留槽
２１内部の液面付近の液体は、当該液面付近において気
体が放出された後の液体である。液面付近から気体が放
出されるのは、液面には水圧がかからず大気圧だけがか
かるため、液体自身の気体溶解能力が低下するからであ
る。このため、貯留槽２１の液面付近の液体は、貯留槽
２１中で気体の溶解量が一番少ない液体であることにな
る。従って、囲み壁３５を加圧フレーム２３の周囲に施
し液面付近の液体を吸入するようにしたことは、気体の
溶存量が最も少ない液体に酸素を加圧溶解させる構成と
したことになる。そして、このような構成としたことに
より、貯留槽２１内で最も酸素が溶解しやすい液体に酸
素を加圧供給することになり、これにより効率的に酸素
の溶解を図ることが可能となる。

【００３４】ここで、前記第１及び第２実施例共に、撹
拌装置２５はプレート２５ａと駆動軸２５ｂと駆動モー
タ３１とから構成されているが、撹拌装置２５の構成は
これに限られるものではなく、例えば図３に示されるよ
うに、駆動軸２５ｂに螺旋状の板２５ｄを設置したもの
を用いてもよい。螺旋板２５ｄを設置した駆動軸２５ｂ
は、上下方向に動くものでも、回転するものでも、液体
を下方に移動させるように作動するものであればいかな
る動作でも差支えない。また、図３（ａ）あるいは
（ｂ）に示されるように、駆動軸２５ｂに螺旋状の板２
５ｄとプレート２５ａを、これらの上下関係を問わず、
並設したものであってもよい。さらには、図３（ｃ）に
示されるように、プロペラによって貯留槽２１の下方に
液体を移動させる撹拌手段を用いてもよい。即ち、貯留
槽２１の上部付近の、かかる圧力が少なく溶存気体の量
が少ない液体を加圧フレーム２３の下方に移動させるよ
うなものであれば、いずれの構成をとることも可能であ
る。

【００３５】なお、酸素の溶解が最も一般的に行われて
いるために、本実施例においては本発明に係る気体溶解
装置を酸素溶解装置に適用した例を示したが、本実施例
に係る酸素溶解装置は、酸素以外の気体を液体に溶解さ
せる場合にも用いることが可能である。

【００３６】［反応装置（培養槽）］液体培地とは微生
物の増殖に必要な栄養源を水に溶かしたものをいい、液
体培地を用いた液体培養法では、培地をかき混ぜること
により微生物細胞が均一に分散し、同時に栄養源や酸素
も均等に分散するので、微生物の増殖に良い環境を提供
する。培養温度の制御も容易である。液体培地を用いた
培養法は大量培養に向いており、現在の発酵工業の主流
をなす培養法である。従って、液体培地に安定かつ安全
でしかも効率良く所定の気体を供給するのは重要なこと
である。しかしながら、上記した第一実施例あるいは第
二実施例に係る気体溶解装置は、このような温和な条件
で効率良く気体を供給できる。

【００３７】図４は、第二実施例に係る気体溶解装置を
備えたバイオリアクタ４０の構成を示した断面図であ
る。なお、第一および第二実施例と同一の構成要素には
同一の符号を付しその説明を省略する。

【００３８】図４のバイオリアクタ４０には、貯留槽２
１内に固定化酵素４１が備えられている。酵素反応を行
うにあたって固定化酵素４１を用いてバイオリアクタを
構成したのは、酵素を再使用できるため経済的に有利だ
からである。図４に示されるバイオリアクタ４０におい
ては、第二実施例に係る気体溶解装置により効率的に気
体の溶解が行われた状態で酵素反応が行われる。固定化
酵素４１の代わりに固定化微生物を使用することも可能
である。

【００３９】気体溶解装置が酸素溶解装置として使用さ
れた場合には、例えばグルコースオキシダーゼのような
酸素を受容体とするオキシドレダクターゼが固定化酵素
として採用され、酸化還元反応が行われる。

【００４０】図５は、本発明に係る気体溶解装置を備え
た改良型のバイオリアクタ５０の構成を示した断面図で
ある。

【００４１】本実施例に係るバイオリアクタ５０は、液
体を内部に貯留する貯留槽５１と、気体を加圧供給する
加圧フレーム５３と、加圧フレーム５３の開放口５３ａ
の液体を撹拌する撹拌手段５５と、撹拌手段５５を取り
囲む筒体５６と、筒体５６と貯留槽５１の間隙に備え付
けられた固定化担体５８とを有している。固定化担体５
８には、固定化酵素５８ａが固定されている。

【００４２】気体溶解装置の第一実施例と比較して端的
に説明すれば、バイオリアクタ５０は、加圧フレーム２
３の一部と円筒形の囲み壁３５が一体形成されて筒体５
６を構成し、これに固定化担体５８が備えられた構成と
なっている。

【００４３】加圧フレーム５３には気体供給口５９から
気体が加圧供給されるようになっており、これにより筒
体５６の内側の液面は貯留槽５１内部の液面よりも低く
なる。そして、このような状態では常に、加圧フレーム
５３内では気体の加圧状態が保たれるとともに、加圧フ
レーム５３外では常圧状態が保たれることとなる。これ
により、加圧フレーム５３内部の気液界面では気体が解
けやすくなっている一方で、加圧フレーム５３外部の気
液界面では液体中に溶存している気体が放出されやすい
ようになっていることは気体溶解装置に関して既に説明
した通りである。

【００４４】貯留槽５１内部には、実施例において、８
分目あたりまで液体が貯留されるようになっており、貯
留槽５１内部の上部には空間が形成されている。貯留槽
５１の上面には、気体を排出するための排出口５７が設
置されている。

【００４５】本実施例に係る気体溶解装置の撹拌手段５
５は、プレート５５ａと駆動軸５５ｂとから構成されて
おり、駆動モータ６１によってプレート５５ａが上下方
向に移動させられる。駆動軸５５ｂと加圧フレーム５３
の接触部分にはダイヤフラム６３が設置されており、駆
動軸５５ｂが上下方向にスムーズに移動する。一方、プ
レート５５ａには、第一実施例と同様に漏斗状の穴５５
ｃが設けられており、この漏斗状の穴５５ｃのために、
プレート５５ａが上下方向に駆動すると筒体５６の内側
の液体が下方向に移動する。

【００４６】ここで、筒体５６の下側には、貯留槽５１
との間に所定の間隙が設けられており、一方、筒体５６
の上部には流入口５６ａが設けられている。流入口５６
ａは、プレート５５ａが上昇したときの最大高さよりも
少し高い位置に設けられている。従って、プレート５５
ａが上下方向に駆動すると、筒体５６の内側の液体が下
方向に移動し、筒体５６の下を通って筒体５６の外側を
上昇し、流入口５６ａより筒体５６の内側に流入する。
このような循環過程の途中で、貯留槽５１内の液体は、
貯留槽５１と筒体５６の間の間隙に固定された固定化酵
素上を通過する。

【００４７】実施例において、バイオリアクタ５０は、
図５に示されているように、貯留槽５１を取り囲みその
温度制御を行うパイプ６５と、これらを囲む枠体６７
と、貯留槽５１に反応基質あるいはその溶液等を注入す
る液体注入口６９と、固定化酵素あるいは固定化微生物
を注入する固定化酵素注入管７１と、を有している。ま
た、バイオリアクタ５０は、図６（これは図５とは別方
向の断面図である）に示されているように、バイオリア
クタ５０の生成物を取り出す生成物取出管７３と、ｐＨ
調整剤を注入するｐＨ調整剤注入口７５と、を有してい
る。生成物取出管７３は、生成物を取り込む取込口を２
個有しており（取込口７３ａ、取込口７３ｂ）、上部の
取込口７３ａには三方コックが設置され、この三方コッ
クが制御されることにより、上部の取込口７３ａあるい
は下部の取込口７３ｂが目的に応じて適宜選択される。
また、生成物取出管７３の先端部分にはｐＨセンサ７３
ｃ及び温度センサ７３ｄが設置されており、これにより
リアクタ５０内のｐＨ及び温度が追跡されるようになっ
ている。実施例においては、ｐＨセンサ７３ｃ及び温度
センサ７３ｄは生成物取出管７３の先端部分に設置され
ているため、固定化酵素あるいは固定化微生物に供給さ
れる液体培地のｐＨ及び温度を最適状態にすることがで
きる。

【００４８】以上のようにして構成されている本実施例
に係るバイオリアクタ５０においては、例えば食酢を製
造する場合には、酢酸菌が固定化酵素注入管７１から注
入され、固定化担体５８に固定化される。反応基質であ
るエタノールを含む液体培地は、液体注入口６９から注
入される。気体供給口５９からは、所定の期待として酸
素が供給される。この状態で駆動モータ６１が駆動して
プレート５５ａが上下方向に移動すると、加圧フレーム
５３内部に形成されている気液界面で気体が加圧供給さ
れた状態で撹拌されるので、高圧状態で効率良く酸素が
溶解する。酸素が溶解した液体培地は、プレート５５ａ
の上下運動により筒体５６の内側を移動し、貯留槽５１
の下部を通って、固定化された酢酸菌に供給される。そ
して、反応後の液体培地に溶解している酸素以外の気体
は常圧下で放散され、排気口５７から排気される。酸素
以外の気体が放散された液体培地は、流入口５６ａから
筒体５６の内側に流入する。

【００４９】この際、反応初期は酵素反応の最適温度に
持っていくためにパイプ６５に蒸気が通じられて貯留槽
５１内が加温され、一方、貯留槽５１内の温度が上昇し
過ぎた場合には冷却水が通じられて冷却が行われる。ま
た、酢酸菌に供給される液体培地を最適ｐＨに保つため
に、ｐＨセンサ７３ｃからの情報に応じてｐＨ調整剤注
入口７５からｐＨ調整剤が注入される。貯留槽５１内に
は、必要に応じて、反応基質であるエタノールが加えら
れる。加圧フレーム５３内は、常に酸素の加圧状態が保
たれる。固定化された酢酸菌に供給される液体培地のコ
ンディションは、生成物取出管７３の下部の取込口７３
ｂから液体培地を取り出して検査することも可能であ
る。このときには、取込口７３ａに取り付けられている
三方コックは、Ｂのような状態にされる。反応後の生成
物を取り出す際には、該三方コックがＡのような状態に
され、上部の取込口７３ａから生成物が取り込まれ、取
出管７３から生成物が取り出される。

【００５０】ところで、培養槽は、雑菌汚染を防止でき
る性能を有していることも必要である。そのために、槽
内部の洗浄と殺菌の操作が容易で、しかも厳密にできる
ことが必要となる。本実施例に係るバイオリアクタ５０
は、ステンレスあるいはフッ素樹脂で構成されており、
内部構造も屈曲部など、洗浄や殺菌の死角になる部分が
無いように配慮されている。また、捩子８０を取り外す
ことにより、リアクタ全体を容易に分解することができ
るので、洗浄あるいは殺菌を容易に行うことができる。

【００５１】なお、酵素あるいは微生物は、例えば図７
に示されるような方法で固定化されるが、これらの方法
に限られること無く、酵素あるいは微生物の固定はいか
なる方法を用いてもよい。

【００５２】また、上記実施例では酢酸菌を使用したた
め酸素を加圧供給しているが、加圧供給される気体は、
酸素に限られることなく、使用される酵素あるいは微生
物に応じて適宜選択される。例えば、窒素固定菌を使用
する場合には窒素、硫黄細菌の場合には水素細菌の場合
には水素、硫黄細菌の場合には酸素や炭酸ガスが加圧供
給される。嫌気性細菌の場合には、アルゴン等の不活性
ガスが供給される。

【００５３】本実施例に係るバイオリアクタは、アミノ
酸、抗生物質、アルコール、酵素などの生産を行うこと
ができ、実験室規模から工業的規模まで広く採用するこ
とができる。

【００５４】

【発明の効果】以上のようにして、本発明に係る気体溶
解装置においては、気体を外部から分離して加圧供給
し、その他の個所では加圧を行わないため、当初から液
体中に溶存している液体の放散を図りながら、液体への
気体の溶解効率の向上を図ることが可能となっている。
これに加えて、撹拌手段により貯留槽内部の液体を上方
から下方へと移動させるために、溶解効率の一層の向上
を図ることが可能となっている。

【００５５】また、本発明に係る気体溶解装置は、構造
が比較的簡易であるので強度の向上を容易に達成するこ
とができ、同時に装置の分解が容易であり、洗浄や部品
交換を容易に行うことができる。このため、メンテナン
スを図るのに適している。

【００５６】更に、本発明の気体溶解装置を備えた反応
装置は、反応系に気体が効率的に供給されることとなる
ので、気体を必要とする反応の反応効率を向上させるこ
とができる。

【００５７】特に、反応効率を向上させるばかりでな
く、洗浄や部品交換を容易に行うことができることか
ら、固定化酵素あるいは固定化微生物を用いて、容易に
バイオリアクタにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る酸素溶解装置の構成
を示す断面図である。

【図２】本発明の第２実施例に係る酸素溶解装置の構成
を示す断面図である。

【図３】撹拌手段のいくつかの実施例を示す図である。

【図４】第二実施例に係る気体溶解装置を備えたバイオ
リアクターの構成を示す断面図である。

【図５】本発明に係る気体溶解装置を備えた改良型のバ
イオリアクターの構成を示す断面図である。

【図６】図５に示されるバイオリアクターの構成を示す
別方向の断面図である。

【図７】酵素の固定化を説明するための図である。

【図８】従来の酸素溶解装置の構成を示す図である。

【図９】従来から使用されている通気撹拌培養槽の構成
を示す断面図である。

【符号の説明】

２１ 貯留槽 ２３ 加圧フレーム ２５ 撹拌手段（撹拌装置） ２７ 排気口 ２３ａ 開放口 ３５ 囲み壁 ４０ バイオリアクタ ４１ 固定化酵素 ５０ バイオリアクタ ５１ 貯留槽 ５３ 加圧フレーム ５３ａ 開放口 ５５ 撹拌手段 ５６ 筒体 ５８ 固定化担体 ５８ａ 固定化酵素 ６７ 枠体 ６９ 液体注入口 ７１ 固定化酵素注入管 ７３ 生成物取出管 ７３ａ、７３ｂ 取込口 ８０ 捩子

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の気体を液体に溶解させる装置であっ
   て、 排気口を備え、内部に液体を貯留する貯留槽と、 この貯留槽に設置され、この貯留槽に貯留されている液
   体の液面の一部を覆い、かつ当該液面下に開放口を有す
   る加圧フレームと、 貯留槽内の液体に溶解させる気体を前記加圧フレーム内
   に加圧供給する気体供給手段と、 前記加圧フレームの開放口の下方の液体を撹拌する撹拌
   手段と、 を含み、 溶解させる気体のみを前記加圧フレーム内の液面に加圧
   供給することにより、当該気体の溶解効率を向上させる
   ことを特徴とする気体溶解装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の気体溶解装置において、 前記貯留槽内の液体の液面下に埋設され、少なくとも前
   記撹拌手段を囲う囲み壁を有し、 前記撹拌手段によって生じた流れをこの囲み壁により所
   定の方向に導き、これによって前記貯留槽内全体にわた
   る流れを生じさせることを特徴とする気体溶解装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の気体溶解装置におい
   て、 前記撹拌手段は、当該撹拌手段近傍の液体を下方に移動
   させる手段であることを特徴とする気体溶解装置。
4. 【請求項４】請求項３記載の気体溶解装置において、 前記撹拌手段は、 下方に向かって孔径が小さくなる孔を有するプレート
   と、 このプレートを上下方向に加振させる加振手段と、 からなり、 プレートの振動により下方向の液流を生じさせることを
   特徴とする気体溶解装置。
5. 【請求項５】 請求項１又は２又は３又は４記載の気体
   溶解装置において、 固定化酵素あるいは固定化微生物を担持する手段が前記
   貯留槽に備えられ、 酵素反応に必要な気体を液体表面に加圧溶解させながら
   反応基質の酵素反応を行うことを特徴とする反応装置。