JPH09262453A

JPH09262453A - 液体攪拌装置及びその方法

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Publication number: JPH09262453A
Application number: JP9963596A
Authority: JP
Inventors: Toshio Nomura; 俊夫野村
Original assignee: SHINTO KAGAKU KK
Current assignee: SHINTO KAGAKU KK
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 1997-10-07
Anticipated expiration: 2016-03-29
Also published as: JP3176553B2

Abstract

(57)【要約】【課題】揺動または回動する揺動板上に載置させた容
器内に収容した液体内に整流棒を浸漬し、該容器と整流
棒を同時に移動しながら攪拌混合する。【解決手段】モ−タにより前後左右方向に揺動または
回動させる揺動板と、該揺動板と同期して同じく前後左
右方向に揺動または回動させる整流棒とからなり、前記
揺動板を揺動または回動させることにより該容器内に収
容した液体中に浸漬する整流棒が該液体を流動させて撹
拌混合させる。【効果】整流棒が液体中で回転しないので液体中の細
胞等を破壊することがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、容器内に収容させ
た液体中の粒子浮遊状態を改善する液体撹拌装置及びそ
の方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、撹拌槽内に収容した液体を撹拌す
る撹拌機には大別して２つの方法がある。前者は図１に
示すように、モ−タ（図示せず）に連動して回転するシ
ャフト１の下端に撹拌翼（インペラ）２を取付け、該撹
拌翼２を容器４内に収容した液体５中に配し、該撹拌翼
を回転させることによりに二種以上の液体を撹拌混合さ
せて液体等を混合させていた。また後者は図２に示すよ
うに、モ−タ（図示せず）を内蔵した基台７に連動させ
る載置台６を該基台の上方に水平に取付け、該載置台６
上に容器４を載置させた状態でモ−タを作動させると、
載置台６が前後左右方向に揺動したり、または、一定半
径で回動することにより該載置台６上に載置した容器４
内の液体を撹拌混合させている。ここでいう液体とは、
水などのような低粘度ものから油などの中、高粘度のも
のを含む概念であり、また、混合する物質は液体同志と
は限らず、液体中に各種動植物細胞などの粒子や粒状の
固体物質を均一に混合させる場合も含むものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記した如く図１に示
す容器４内の液体５を撹拌混合させるには、液体中に配
置させた撹拌翼２を回転させると該撹拌翼の周辺部分で
は該液体が良好に撹拌混合するが、該撹拌翼２から離れ
た個所では液体の混合は効率的に行なわれなかった。即
ち、回転する撹拌翼２の上下両側にリング形をした撹拌
混合されないデッドスペ−スａ、ｂが該液体中に夫々生
じるため、該液体が均一に混合させられるまでには長い
時間を必要としていた。さらに、栄養分などを溶かした
液体５中で各種動植物細胞などを培養する場合に問題と
なるのは、回転する撹拌翼２近傍での高剪断場である。
即ち、各種動植物細胞に栄養を補給するためには、栄養
分を含む液体を撹拌させる必要があるが、撹拌翼２を該
液体中で回転させることにより培養中の各種動植物細胞
が剪断されて破壊されてしまう場合があった。

【０００４】他方、基台７に内蔵したモ−タ（図示せ
ず）と連動する載置台６を前後左右方向に揺動させたり
回動させることによって、該載置台６上に載置させた容
器４ａ内に収容した液体を撹拌混合させる場合、撹拌翼
を有していないため液体中の各種動植物細胞が破壊され
ることはなかった。しかし、該容器４内の液体は、該容
器と同様に移動するため栄養分を含む液体の撹拌効率が
悪くて短時間では効率よく撹拌できなかった。そのた
め、該容器の中央底部に出現する粒子滞留部、即ち、デ
ッドスペ−スを解消することができず、各種動植物細胞
全体に栄養を十分補給することができないという問題点
を有していた。本発明は、モ−タにより揺動または回動
させられる揺動板上に載置させた容器内に液体を収容
し、該液体中に整流棒を浸漬させて該容器と整流棒を同
期して移動させながら該容器内の液体を攪拌混合させる
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、内部に液体を
収容する容器内に挿入させた整流棒を前記液体中に浸漬
させ、該容器と整流棒を同期させて前後左右方向に揺動
または回動させることにより該容器内の液体を撹拌混合
させることを特徴とする。また本発明は、モ−タにより
前後左右方向に揺動または回動させる揺動板と、該揺動
板の動きと同期して同じく前後左右方向に揺動または回
動させる整流棒とからなり、前記揺動板を揺動または回
動させることにより該揺動板上に載置させた該容器内の
液体を、該液体中に位置し前記揺動板と同期させて移動
する整流棒により撹拌混合させることを特徴とする。さ
らに本発明の前記揺動板が、水平面上を前後左右方向に
揺動または回動させることを特徴とする。また本発明の
前記揺動板が、傾斜面または波面上を前後左右方向に揺
動または回動させることを特徴とする。さらに本発明
は、揺動板に樹立させた支柱に取付ける連結板に取付け
た複数の補助連結板の下方に夫々整流棒を装着し、前記
揺動板上に載置させた複数の容器内に収容した液体を夫
々撹拌混合させることを特徴とする。また本発明の整流
棒の浸漬深さは、容器内の液体の深さに対する整流棒の
浸漬深さとの関係が０．２５〜１．０の範囲であること
を特徴とする。さらにまた本発明の整流棒の直径が、前
記容器の内径の５〜５０％の範囲であることを特徴とす
る。また本発明にかかるモ−タの回転数が８０〜１５０
ｒｐｍであることを特徴とするものである。

【０００６】モ−タに連動する揺動板上に容器を載置
し、該容器内に収容した液体中に他の液体または各種動
植物細胞や粒状の固体物質等を混入して前記モ−タを作
動させて前後左右方向に揺動または回動させる揺動板上
の該容器と、該容器内の液体中に浸漬させた整流棒とを
同期させながら移動または回動させることにより、該容
器内の液体を撹拌混合させる。この容器が前後左右方向
に揺動したり回動すると、該容器内の液体の動きが前記
整流棒によって整えられてマクロ混合が促進し、ついで
液体の流れが乱れてミクロ混合を促進するため、該液体
中にデッドスペ−スの発生を防いで効率よく液体を撹拌
混合することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明に係る第１の実施の形態に
ついて説明すると、図３、４において、１０は揺動装置
の本体で、下部四隅部に高さを調整して水平を保つため
夫々脚部１１、１１を回動可能に取付けてある。この本
体１０に内蔵したモ−タ（図示せず）に連動させた平板
状の揺動板１２を、該本体の上方に配置させてあり、こ
の揺動装置の回転数は５０〜２５０ｒｐｍ、好ましくは
８０〜１５０ｒｐｍである。この揺動板１２の端部に支
柱１４を樹立して取付け、該支柱１４に後端を連結させ
た連結板１５の先端下方に整流棒１７を着脱可能に取付
けるようにしてある。この整流棒１７の径は太いほど液
体の撹拌効果は高いが、必要以上に太くする必要はな
く、容器内径の５〜５０％の径を有しておれば良好な結
果を得ることが判明した。１９はモ−タをＯＮ、ＯＦＦ
するためのスイッチ、２０は揺動板１２の移動量を調整
するための回動式のハンドルで、このハンドルを回動さ
せることにより揺動板の移動量を大きくすることができ
る。この整流棒１７は必ずしも揺動板１２に取付ける必
要はないが、前記揺動板１２の動きと同期して連動して
移動または回動するようにしてある。

【０００８】この揺動板１２上に載置させた容器４内に
収容した液体５中に栄養分と各種動植物細胞等の粒子を
混入させた状態でスイッチ１９を入れてモ−タを駆動さ
せると、該モ−タに連動する揺動板１２が前後左右方向
に揺動または回動するため、該揺動板上に載置させた容
器４内の液体５も同様に移動する。この場合、容器４内
には揺動板１２と同時に連動する整流棒１７が位置して
いるので、該容器内の液体は該揺動板１２と同期して移
動する整流棒１７によってその流動が促進され、従来の
揺動撹拌機と相違して一段と効果的に撹拌混合する。

【０００９】この揺動装置は、水等の粘度の低い通常の
液体の場合は、水平面上を前後左右方向に移動または回
動させることにより液体の撹拌混合を促進し、液体中に
溶けている栄養分が一層流動して該液体中の各種動植物
細胞に万遍なく接して栄養を補給することができる。ま
た、液体の種類または粘度の違いによっては傾斜面や波
面上を前後左右方向に移動または回動させると、液体の
撹拌効果を一層高めることができる。この整流棒１７は
図１に示した従来の回転撹拌機の撹拌翼とは異なって回
転しない構成であるから、該容器４と同期して該整流棒
が前後左右方向に揺動または回動するため、前記各種動
植物細胞の粒子が該整流棒１７によって剪断されること
がない。この揺動板１２の運動量は、揺動装置１０に設
けたハンドル２０を回動させて一定の範囲内で調整する
ことができるようにしてある。

【００１０】図５は第２の実施態様を示すもので、モ−
タ（図示せず）を内蔵した本体１０上に該モ−タに連動
する揺動板１２を配し、該揺動板上に樹立させた支柱１
４に略水平に取付けた連結板１５に複数の補助連結板１
５ａを夫々取付け、該補助連結板の下面に必要数の整流
棒１７ａを夫々取付け、同じく揺動板１２上に載置させ
た複数の容器４内に収容した液体中に浸漬させて配置し
てある。そのため、モ−タを作動させることにより揺動
板１２を前後左右方向に揺動させたり、または、回動さ
せると各整流棒１７ａおよび容器４も同時に該揺動板１
２と同期して移動し、その結果、複数の容器４内の液体
は夫々撹拌混合させられる。この場合、該容器内の液体
に加わる慣性力によって移動する液体の動きは、該整流
棒１７ａによって整えられてデッドスペ−スの発生を防
いで短時間に液体を撹拌混合することができる。

【００１１】この実施態様における整流棒１７を図６、
７に基づいてさらに詳細に説明すると、２１、２１ａは
透明または不透明なアクリル樹脂やその他の樹脂等から
なる整流棒用の部品で中心に通孔２２、２２ａを有して
おり、周面部２３には一定または適宜間隔毎に半円状の
凹入部２４や約９０度の角度を有した凹入部２４ａを設
けてある。該凹入部２４、２４ａのいずれかの中央に
は、前記通孔２２、２２ａの中心に向かって小孔２５、
２５ａを設けてある。さらに、この凹入部２４は半円状
に限らず、図６Ｂに示す他の部品２１ａのように周面部
２３ａに一定または適宜間隔毎に９０度の角度を存して
凹入部２４ａを設けたり、その他、任意形状の凹入部に
形成してもよいものである。

【００１２】この部品２１を複数重ねて各通孔２２にア
クリル樹脂、その他の樹脂、金属等からなる棒杆２７を
挿通し、各小孔２５に挿通したボルトで固定する。この
場合、図７Ｃに示すように凹入部２４を上下方向に直線
状に揃えて固定してもよいし、図７Ｄに示すように各凹
入部２４を少しづつ位置をずらせて上下方向にスパイラ
ル状に揃えて固定してもよい。この凹入部２４を直線状
またはスパイラル状に揃えても水等の粘度の低い液体を
撹拌混合させる効果はほとんど差はないが、該液体の粘
度によっては整流棒の凹入部をスパイラル状に揃えた方
が撹拌効果を高めることができる。いずれにしてもこの
整流棒１７は、容器４内に収容した液体中に浸漬させて
あり、該容器を載置させている揺動板と同期して前後左
右方向に揺動または回動させることにより、該液体の流
動を促進することによって撹拌効果を高めるもので、撹
拌時間を短縮することができる。

【００１３】

【実施例】次に、本発明の実施例を図８に基づいて説明
すると、透明なアクリル樹脂製の平底状をした筒状の容
器４は内径Ｄが１７ｃｍであり、その中心には容器内底
部４ａから自由表面３に達するまで種々の直径（Ｄｃ＝
０．４〜８ｃｍ）をしたアクリル樹脂製等からなる整流
棒１７を設置してある。この容器４内の液体の高さＨ
は、内径Ｄと同じ１７ｃｍにしてある。該容器の回転直
径ｄを１〜４ｃｍの間で種々と変化させ、さらに、水道
水を用いた液体５中の粒子浮遊状態の検討には、固体粒
子として比重１．５、粒子径が７８０μｍのイオン交換
樹脂を粒子濃度Ｘ₀＝０．５ｗｔ％で投入した。粒子濃
度分布の測定にはサンプリング法を用い、また、粒子濃
度分布を評価するパラメ−タは次式で表される標準偏差
σを用いた。ここで、Ｘ₀は仕込粒子濃度、Ｘ₁は局所
粒子濃度である。

【００１４】

【数１】

【００１５】この容器４内に収容した液体にアルミ粉を
少量分散し、幅５ｍｍのスリット光を容器側壁から当
て、アルミ粉の描く軌跡を揺動装置と同期回転するカメ
ラにより写真撮影したものを図９にそれぞれ図示した。
混合時間ｔｍの測定には、デッドスペ−スａ、ｂの確認
を重視したためヨ−ドとチオ硫酸ナトリウムの反応によ
る脱色法を採用した。なお、ヨ−ドとチオ硫酸ナトリウ
ムの当量比は、脱色の終点の判定が比較的容易とされて
いる１：１．４として行なった。

【００１６】さらに整流棒１７の直径Ｄｃは２．７ｃｍ
（Ｄｃ／Ｄ＝０．１６）で、該整流棒の取付け位置を容
器４の中心にして回転直径が４ｍｍの場合の実験結果に
ついて以下に考察する。まず、粒子浮遊状況の改善につ
いては、図９から明らかなように整流棒無しの場合（図
９ｅ〜ｇ）は、粒子を分散させるためには２．１７ｓ^-1
の回転数を必要としている（図９ｇ）。しかし、容器４
の中心に位置させて整流棒１７を取付けた場合（図９Ｅ
〜Ｇ）には１．８３ｓ^-1の回転数でも、整流棒無しの図
９ｇに示した場合と同等以上の分散状態を実現した（図
９Ｆ）。即ち、整流棒１７を容器４の中心に位置して取
付けることにより、この容器４が回転直径ｄによる回転
数は１．８３ｓ^-1での該容器４内の粒子濃度分布の標準
偏差σは３．５から１．５まで減少していた。つまり、
粒子浮遊に対しては回転数を２０ｒｐｍ低減することが
できる結果が得られた。

【００１７】先に説明した容器内の液体中に混入させる
イオン交換樹脂の浮遊状態を改善して効果を高めるに
は、フロ−パタ−ンが変化することに起因すると考え
て、アルミ粉法によるフロ−パタ−ンを整流棒１７を有
したもの（図１０Ｊ〜Ｍ）と整流棒無しのもの（図１０
ｊ〜ｍ）とを比較すると、整流棒無しの場合にはフロ−
パタ−ンが１．８３ｓ^-1で旋回流型となった（図１０
ｍ）（図１１ｒ）。また、整流棒付きの場合にはフロ−
パタ−ンが、１．３３ｓ^-1で既に旋回流型になっている
ことが判明した（図１０Ｋ）（図１１Ｐ）ことが判明し
た。旋回流型のフロ−パタ−ンは、液体が混合を促進す
る流れであるので、混合を目的とした場合には回転数を
３０ｒｐｍ低減することができる結果が得られた。さら
に、操作回転数を種々変化させることにより整流棒の有
無による混合時間を比較した結果を以下の表１に示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】全ての操作回転数において整流棒１７によ
る液体と粒子等との混合時間の改善効果が観察される
が、特に、混合限界回転数５０〜１５０ｒｐｍ近傍の低
回転操作においてその改善効果が表れ、好ましくは８０
〜１００ｒｐｍ近傍でその効果が顕著であることが判明
した。また、整流棒の直径Ｄｃがどの程度であれば混合
促進効果があるのかを検討するため、混合過程の可視化
と混合時間の測定を行ったが、整流棒１７の直径が太い
ほど混合促進効果が大きく、液体中にデッドスペ−スを
観察することができなかった。また、表２に示した混合
時間の測定結果からも同様の結果が得られた。この場
合、液体の流動中に乱れが必要なのはミクロ混合に対し
てであってミクロ混合の前にはマクロ混合が必要であ
る。このため容器内全体をくまなく循環する液体の流れ
を形成するためには、まず該液体の流れを整える必要が
ある。

【００２０】

【表２】

【００２１】ここで、整流棒１７の直径が太いほど混合
促進効果は大きいが、液体の処理量が減少するため、装
置スケ−ルを含めて最適な直径を決定する必要がある。
ただ整流棒の直径が４ｍｍ（Ｄｃ／Ｄ＝０．０５）でも
混合時間の短縮が達成され、ある程度の太さがあれば十
分に改善効果が期待されることがわかった。即ち、整流
棒の直径は容器内径の０．５〜５０％の範囲内が液体処
理量との関係で好ましいことが判明した。

【００２２】整流棒１７の直径をパラメ−タとした整流
棒付き容器の混合限界回転数Ｎｃの相関式をＥｑ．
（１）に、フロ−パタ−ンとの対応マップとして表３に
示すと共に、次式の数２として示す。

【００２３】

【表３】

【００２４】

【数２】

【００２５】ここでＦｒｃ（＝Ｎ²cＤ／ｇ）は混合限界
回転数Ｎｃに関するＦｒ数を表したものであり、Ｒｅｃ
（＝Ｎｃｄ²／ν）はＮｃに関するＲｅ数を表してい
る。また、Ｄｃ／Ｄは０．０５〜０．５まで変化させ
て、さらに、Ｌｃ／Ｈが１．０と０．７５の数値を比較
すれば、各回転数においてほとんど一致していることか
ら両者にほとんど差がないことが判明した。また整流棒
の効果が最も現れるのは、たとえば、Ｌｃ／Ｈが１．０
と整流棒なしとを比較すると、その数値の変化割合が最
も高いのが、８０、９０、１００ｒｐｍの個所であり、
このことから混合回転数５０〜２５０ｒｐｍの内、Ｌｃ
の効果が現れるのは上限の限界回転数Ｎｃは約１５０ｒ
ｐｍ前後であり、下限の限界回転数Ｎｃは８０〜９０ｒ
ｐｍであることが判明した。

【００２６】

【表４】

【００２７】

【発明の効果】本発明は、揺動板に設けた整流棒を該揺
動板上に載置した容器に収容した液体内に浸漬させた状
態で、該揺動板と同期させて該整流棒を前後左右方向に
揺動または回動させることにより、該容器内に出現する
粒子滞留部を解消させ、また、操作回転数を低減させて
撹拌効果を高めると共に、撹拌混合時間を短縮すること
ができる。さらに、該整流棒は回転することなく容器内
の液体中に浸漬して静止した状態で該容器と同期して揺
動または回動されるため、従来の回転撹拌翼のように該
液体中の粒子の破壊を防ぎ、粒子浮遊状態及び流動状態
を改善して細胞等への栄養補給を行なって各種実験を行
なう場合に該細胞を破壊することがないので各種実験を
正確に行なうことができる利点を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の回転攪拌機の要部を示すもので、容器内
に収容した液体を撹拌する状態を示した断面図である。

【図２】従来の揺動攪拌機を示した斜視図である。

【図３】本発明に係る揺動装置を示したもので、液体を
収容した容器内に整流棒を配した状態の断面図である。

【図４】図３の側面図である。

【図５】本発明の第２実施例を示すもので、複数の容器
内に夫々整流棒を挿入させた揺動装置の斜視図である。

【図６】周面に一定間隔毎に複数の凹入部を設けた整流
棒を構成する部品を示したもので、（Ａ）は整流棒の部
品の周面部に半円状の凹入部を一定間隔毎に複数設けた
整流棒部品の平面図、（Ｂ）は整流棒の部品の周面部に
９０度の角度を有した凹入部を一定間隔毎に複数設けた
整流棒部品の平面図である。

【図７】図６Ａに示す部品をシャフトの下端に複数取付
けた状態を示すもので、（Ｃ）は凹入部を上下方向に直
線状に揃えた整流棒の状態の正面図、（Ｄ）は凹入部を
上下方向にスパイラル状に揃えた状態の整流棒の正面図
である。

【図８】揺動装置と整流棒と容器との関係を示した断面
図である。

【図９】（Ｅ）（Ｆ）（Ｇ）は各容器内の液体中に整流
棒を挿入してアルミ粉を浮遊させて回転数を夫々相違し
た状態を示す断面図、（ｅ）（ｆ）（ｇ）は各容器内に
整流棒を挿入させないで容器内の液体中にアルミ粉を浮
遊させて回転数が夫々相違した状態を示す各断面図であ
る。

【図１０】（Ｊ）（Ｋ）（Ｌ）（Ｍ）は夫々整流棒を容
器内に挿入して夫々回転数を相違させた状態の平面図で
あり、（ｊ）（ｋ）（ｌ）（ｍ）は夫々整流棒を有しな
い容器の夫々回転状態を相違させた状態の平面図であ
る。

【図１１】（Ｏ）（Ｐ）（Ｑ）（Ｒ）は夫々整流棒を容
器内に挿入して夫々回転数を相違した状態の縦断面図で
あり、（ｏ）（ｐ）（ｑ）（ｒ）は夫々整流棒を有しな
い容器の縦断面図である。

【符号の説明】４容器５液体１０揺動装置の本体１２揺動板１４支柱１７整流棒

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に液体を収容する容器内に挿入させ
た整流棒を前記液体中に浸漬させ、該容器と整流棒を同
期させて前後左右方向に揺動または回動させることによ
り該容器内の液体を撹拌混合させることを特徴とする液
体撹拌方法。
【請求項２】モ−タにより前後左右方向に揺動または
回動させる揺動板と、該揺動板の動きと同期させて同じ
く前後左右方向に揺動または回動させる整流棒とからな
り、前記揺動板を揺動または回動させることにより該揺
動板上に載置させた該容器内の液体を、該液体中に位置
し前記揺動板と同期して移動する整流棒により撹拌混合
させることを特徴とする液体撹拌装置。
【請求項３】前記揺動板が、水平面上を前後左右方向
に揺動または回動させることを特徴とする請求項２記載
の液体撹拌装置。
【請求項４】前記揺動板が、傾斜面または波面上を前
後左右方向に揺動または回動させることを特徴とする請
求項２記載の液体撹拌装置。
【請求項５】揺動板に樹立させた支柱に取付ける連結
板に取付けた複数の補助連結板の下方に夫々整流棒を装
着し、前記揺動板上に載置させた複数の容器内に収容し
た液体を夫々撹拌混合させることを特徴とする請求項２
ないし４のいずれか１に記載の液体撹拌装置。
【請求項６】整流棒の浸漬深さは、容器内の液体の深
さに対する整流棒の浸漬深さとの関係が０．２５〜１．
０の範囲であることを特徴とする請求項２ないし５のい
ずれか１に記載の液体撹拌装置。
【請求項７】整流棒の直径が、前記容器の内径の５〜
５０％の範囲であることを特徴とする請求項２ないし６
のいずれか１に記載の液体撹拌装置。
【請求項８】モ−タの回転数が、８０〜１５０ｒｐｍ
であることを特徴とする請求項２ないし７のいずれか１
に記載の液体撹拌装置。