KR20000070323A - 교반 블레이드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소공간에서 저렴하게 고효율로 기체 흡수를 수행할 수 있는 교반 블레이드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 교반 블레이드는 배출식 유동형 내부 교반 블레이드(1) 주위에서 축과 함께 회전하는 다공 원통(2)이 설치되어 있다. 내부 교반 블레이드(1)에 의해 수평 방향으로 배출된 기체-액체 유동물은 다공 원통(2)에 확실히 충돌하고, 이러한 기체-액체 유동물의 충돌에 수반하는 압력 변화에 의해 기포를 미세화시켜 기체 흡수 속도를 향상시킨다.

Description

교반 블레이드{Agitation blade}
기체-액체 혼합은 각종 공정, 통상적으로 발효, 폐수 처리, 산화, 수소화반응 등에 채택된다. 이들 공정 중에서, 통기 교반은 통기 및 교반 기능으로 인해 호기성 발효 공정에서 배양하는데 요구되는 산소량을 충족시킬 수 있으나, 실제적으로, 기체-액체 혼합의 많은 경우에 있어서, 생산성은 사용되는 발효조의 산소 공급 용량에 의해 결정된다. 기체-액체 혼합의 주요 목적은 기포를 미세화 및 분산시키고 기체 성분을 액체에 흡수시키는 것일 것이다. 교반조를 사용하는 기체-액체 접촉기에서의 기체 흡수에 대하여, 다음 수학식이 널리 공지되어 있다[참조: Ind.Eng.Ches., 45, P. 2554-(1944)].
상기식에서,
KL은 액체 교반의 물질 이동 계수이고,
a는 유니트 용적당 기체-액체의 계면 면적이며,
Pv는 유니트 용적당 교반력이고,
Us는 표면 기체 속도이며,
α 및 β는 상수이다.
기체 흡수 효율을 향상시키기 위해서는, 기체-액체의 계면 면적(a)을 증가시키는 방법, 즉 기포 크기를 최소화하고 이들을 분산시키는 방법에 대한 문제를 해결해야만 한다. 이는 상기 수학식 중의 KL이 물질의 고체 상태 특성 및 유체 상태에 의해 결정되기 때문이다. 그러나, 실제로는, 교반력(Pv) 및 통기 용량(Us)을 증가시켜 상기 문제를 해결한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해서, 교반력 및 통기 용량 둘다를 증가시키는 것을 가능한 한 많이 억제하면서 기포를 효율적으로 미세화하는 조처가 취해져야 할 뿐만 아니라, 보다 효과적인 교반 블레이드 유니트가 개발되어야 한다. 또한, 최근에는, 미생물을 손상시키지 않고서 기체와 액체를 효율적으로 혼합할 수 있는 블레이드 유니트(문헌 참조: 미심사 공개된 일본 특허원 제5-103956호), 표적 발효조 중의 와이어 메시를 고정시켜 교반 블레이드 유니트를 둘러싸도록 함으로써 발효 이동 용량 계수(KLa)를 개선시킬 수 있는 발효조 개선법(문헌 참조: 심사 공개된 일본 특허원 제3-4196호), 교반 블레이드 유니트의 말단에 기체 유입구를 제공하는 것에 의한 효과적인 혼합 및 기체-액체 접촉 방법(문헌 참조: 심사 공개된 일본 특허원 제57-60892호) 및 한 쌍의 프로펠러 및 다공 원통을 함께 회전시킬 수 있는 교반 블레이드 유니트를 효과적으로 사용하여 교반 혼합을 향상시킬 수 있는 교반 블레이드 유니트가 소개되었으며, 이들의 효과는 이미 확인되었다.
그러나, 실제적으로 교반력 및 통기 용량을 증가시킴으로써 기체 흡수를 향상시키는 것은 어렵다. 이는 이러한 항목을 증가시킴으로써 유니트 확장 및 에너지 증가가 수반되기 때문이다. 교반력을 증가시키는 경우, 교반 회전 속도를 증가시키고 블레이드 크기를 증가시키는 것과 같은 조처가 고려되어야 하지만, 이러한 조처는 교반조의 강도 등을 증가시키는 등의 교반기 자체의 변형과 같은 교반과 관련된 몇몇 부품의 개선 및 보강을 요구하게 된다. 특히, 많은 경우에 제작 방법 및 비용으로 인해 상기 언급한 바와 같은 개선 및 보강을 기존 유니트에 적용하는 것이 어려워진다.
더욱이, 최근 개발된 것들을 산업적 규모로 작동시키는 경우, 소기의 효과를 얻기 위해 회전 속도를 보다 증가시켜야 하고, 유니트의 구조가 보다 복잡해지며, 유니트의 크기가 보다 확대되는(따라서 유니트를 표적 교반조에 고정시킬 수 없게 되는) 등의 문제가 발생하게 된다. 블레이드 유니트의 전력 특징이 터빈 블레이드 등과 같은 통상적인 블레이드 유니트의 전력 특징과 상이한 경우, 블레이드의 크기가 보다 확대된다. 따라서, 이와 같은 경우에, 당해 블레이드 유니트를 임의의 기존 교반 유니트에 적용하기 어려워진다.
본 발명은 교반 블레이드 유니트, 보다 특히 블레이드 유니트 바로 아래에 제공된 노즐 또는 스파져로부터 공급된 기체를 액체중으로 미세화하고 분산시켜 소공간에서 저렴하게 고효율로 기체를 흡수시키는 기체-액체 혼합조에 사용되는 교반 블레이드 유니트에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 교반 블레이드 유니트의 개략도이고(원통 블레이드 유니트를 내부 교반 블레이드 유니트로서 사용하는 경우),
도 2는 제1 실시예에서 도 1에 나타낸 교반 블레이드 유니트를 본 발명의 교반조에 부착시킨 예이다.
이와 같은 상황하에, 본 발명의 목적은 선행 기술의 문제점을 해결하고, 기체를 보다 효과적으로 흡수하고 기체-액체 혼합조에 사용될 수 있는 소형 교반 블레이드를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 다공 원통이 교반 블레이드 유니트의 축과 함께 회전되도록 교반 블레이드 유니트 주위에 설치된 배출형 교반 블레이드 유니트를 제공한다. 본 발명에서 축과 함께 회전되는 다공 원통의 개구율은 30 내지 50%이어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 기술하고자 한다.
도 1은 본 발명의 한 예에 있어서 교반 블레이드 유니트의 개략도이다. 본 발명의 교반 블레이드 유니트의 기본 구조는 기포가 생기는 것을 방지하는 디스크가 제공된, 배출형 내부 교반 블레이드 유니트 주위에 설치된 다공 원통(2)을 특징으로 한다. 다공 원통(2)은 교반 유니트(1)의 축과 함께 회전한다. 도 1에서, 내부 교반 유니트(1)는 원통 블레이드 유니트로서 설치된다. 내부 교반 블레이드 유니트(1)는 일반적으로 배출형 교반 블레이드 유니트이고, 발효조 등에 있어서 기체-액체를 혼합하기 위해 사용된다. 블레이드 유니트에 의해 수평 방향으로 배출된 기체-액체 유동물이 블레이드 유니트 주위에 설치된 다공 원통에 확실히 충돌하도록 블레이드 유니트를 구축한다. 배출형 교반 블레이드 유니트를 내부 교반 블레이드 유니트(1)로서 사용하는 경우, 블레이드 유니트로부터 배출된 기체-액체 유동물은 다공 원통(2)에 수직으로 충돌하여 유동물의 압력을 상당히 변화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서 배출형 교반 블레이드 유니트를 사용한다. 이는 축 유동형 유니트가 아니다. 기체-액체 유동물이 다공 원통에 충돌할 때 야기되는 압력 변화 때문에 기체 기포가 보다 신속하게 미세화되고 흡수된다. 또한, 다공 원통이 축과 함께 회전하기 때문에, 배출된 기체가 가장 강하게 유동하는 블레이드 유니트의 말단에 매우 근접하게 다공 원통을 설치하여 최대 압력 변화를 수득할 수 있다. 다공 원통을 교반조 내에 고정시키는 경우, 블레이드 유니트와 다공 원통 사이에 이들 간의 충격을 방지하기 위한 공간을 만들어야 한다. 따라서, 최대 압력 변화를 수득할 수 없고, 기체 흡수 효율 또한 저하되게 된다.
본 발명의 내부 교반 블레이드 장치는, 배출형인 경우, 편평형 터빈 블레이드 장치, 경사형 터빈 블레이드 유니트, 오목형 블레이드 유니트, 원통형 블레이드 유니트 등일 수 있다.
본 발명의 교반 블레이드 유니트에 사용되는 다공 원통의 개구율은 35 내지 45%이어야 한다. 구조는 펀칭 금속 또는 메시(meshed) 원통체이어야 한다. 다공 원통(2)의 높이(L) 및 직경(r)은 내부 교반 블레이드 유니트의 블레이드 폭(b)의 1.5 내지 3배이고, 내부 교반 블레이드 유니트 직경(d)의 1.01 내지 1.05배이어야 한다. 다공 원통(2)의 재료는, 사용하기에 충분한 강도를 갖는 경우, 세라믹, 스테인레스 스틸, 철 등이다.
내부 교반 블레이드 유니트(1) 및 다공 원통(2)은 다음과 같이 부착할 수 있다; 예를 들면, 다공 원통을 내부 교반 블레이드 유니트의 말단에 용접하거나 볼트로 고정시키거나, 또는 다공 원통의 러그(lug)를 내부 블레이드 유니트의 디스크에 부착시켜 다공 원통에 고정시킨다. 또한, 다공 원통(2)은 내부 교반 블레이드 유니트의 블레이드가 다공 원통의 중심에 오도록 위치시켜야 한다.
더욱이, 본 발명에서, 공기와 같은 기체는 본 발명의 교반 블레이드 유니트의 바로 아래에 제공된 단일 호울 노즐, 다수 호울 노즐, 스파져 등에 의해 환기시킬 수 있다. 통기 방법은 특별히 제한되지 않는다.
따라서, 본 발명의 교반 블레이드 유니트는 기포를 보다 미세화하기 때문에, 선행 기술 교반 블레이드 유니트보다 기체-액체 혼합조(수소화반응 등에 있어서)에서의 기체 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.
실시예
이하, 본 발명은 실시예를 참조로 하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.
<실시예 1>
본 발명의 제1 실시예는 도 2를 참조로 하여 설명할 것이다.
도 2는 측정에 사용되는 전체 교반 블레이드 유니트의 횡단면도이다. 교반조는 70L의 투명한 아크릴 덮개가 제공된 원통 교반조이다. 당해 조의 바닥은 거울로 처리한다(10% 말단 모양). 또한, 8개의 30mm 폭의 배플을 당해 조의 벽에 대칭적으로 부착한다. 액체 깊이(HL)는 당해 조의 직경에 대하여 HL/D = 1(D = 400mm)로서 결정한다. 이어서, 본 발명의 효과는 상기 교반조에서 교반 블레이드 유니트의 산소 이동 속도(OTR; 산소 이동 속도의 일반명: OTR ∝ KLa)를 아황산염 산화법을 사용하여 측정함으로써 검사한다. 본 발명의 교반 블레이드 유니트를 당해 조의 바닥 가까이에 제공된 스파져 노즐 바로 위에 놓고, 상기 측정을 위하여 기체를 0.85VVM의 속도(기체 용적/분당 배출 액체 용적)로 노즐로부터 공급한다. 이 경우에, 8-터빈 블레이드와 원통 블레이드[통상적으로 각 블레이드의 직경(d)은 110mm이고 폭(b)은 21mm이다]를 본 발명의 내부 블레이드 장치에 사용한다. 다공 원통으로서 펀칭 금속[직경(r) = 115mm, 높이(h) = 50mm, 개구율 = 38%, 호울 직경 = 2mm]을 사용한다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 블레이드 유니트를 사용하는 경우, 기체-액체 혼합에 일반적으로 사용되는 선행 기술의 8-터빈-블레이드 유니트 또는 "EGSTAR"[EBLE(Inc.)의 제품명]와 비교하여 산소 이동 속도(OTR)가 동일한 교반력(Pv = 1kW/m3)에서 최대 26% 향상된다. 이 시험에 사용되는 8-터빈-블레이드 유니트는 평판형 블레이드를 디스크에 부착시킴으로써 수득되는 교반 블레이드 유니트[블레이드 직경(d) = 110mm, 폭(b) = 21mm]이다. "EGSTAR" 블레이드 유니트는 교반 혼합의 효율성을 향상시키는, 함께 회전하는 한 쌍의 프로펠러 블레이드와 다공 원통을 포함하는 교반 블레이드 유니트[블레이드 직경(d) = 200mm, 원통 높이(L) = 200mm]이다(문헌 참조: 심사 공개된 일본 특허원 제6-85862호).
교반 블레이드 유니트 중 산소 이동 속도의 비교
교반 블레이드 유니트 산소 이동 속도OTR [mol/m3·hr] OTR 차[-]
8-터빈-블레이드 유니트 116.4 1
"EGSTAR" 87.5 0.75
본 발명의 내부 블레이드 유니트:8-터빈-블레이드 유니트 130.9 1.13
본 발명의 내부 블레이드 유니트:원통 블레이드 유니트 146.9 1.26
*OTR 차는 8-터빈-블레이드 유니트 OTR을 1로 가정하는 경우 각 교반 블레이드 유니트의 값을 나타낸다.
이어서, 산소 이동 속도(OTR) 변화를 상기한 바와 같이 동일한 조건하에 상기 설명한 본 발명의 교반 블레이드 유니트에 사용되는 다공 원통의 개구율을 변화시킴으로써 측정한다. 표 2는 다공 원통의 개구율을 각각 0, 30, 35, 44, 50 및 55%로 변경하는 경우의 측정 결과를 나타낸다. 표 2에서 OTR 값은 교반력이 1kW/m3인 경우의 값이다. 표 2에서 개구율이 30 내지 50%인 경우, 산소 이동 속도는 8-터빈-블레이드 유니트의 산소 이동 속도보다 높음을 알 수 있다. 개구율이 보다 커지는 경우, 배출 유동물은 다공 원통을 보다 용이하게 통과한다. 따라서, 다공 원통의 내부 및 외부 둘 다에 발생되는 압력 변화가 보다 작아지게 된다. 또한, 개구율이 보다 작아지는 경우, 다공 원통의 작용으로 인하여 유동물의 저항성이 과다하게 커진다. 따라서, 배출 유동물이 다공 원통을 통과할 수 없다.
개구율 변화에 의한 산소 이동 속도(OTR)의 차
교반 블레이드유니트 개구율[%] 산소 이동 속도OTR [mol/m3·hr] OTR 차[-]
8-터빈-블레이드유니트 - 116.4 1
본 발명의내부교반 블레이드유니트: 원통블레이드 유니트 0 97.5 0.84
30 117.2 1.01
35 146.9 1.26
44 132.5 1.14
50 122.4 1.05
55 115.3 0.99
*OTR 차는 8-터빈-블레이드 유니트 OTR을 1로 가정하는 경우 각 교반 블레이드 유니트의 값을 나타낸다.
<실시예 2>
본 발명의 교반 블레이드 유니트를 2.5m3발효조에 부착시키고, 산소 이동 속도(OTR)를 아황산염 산화법을 사용하여 측정한다. 교반 조건은 다음과 같다; 액체 용적은 1.5m3이고, 통기 용적은 1/3VVM이며, 온도는 30℃이다. 교반 블레이드 유니트 바로 아래에 제공된 스파져 노즐을 제1 양태에서와 같이 통기용으로 사용한다. 이러한 경우에, 원통 블레이드 유니트[블레이드 직경(d) = 500mm, 폭(b) = 80mm]는 내부 교반 블레이드 유니트로서 사용하고, 펀칭 금속[직경(r) = 510mm, 높이(h) = 190mm, 개구율 = 40% 및 호울 직경 = 5mm]은 다공 원통으로서 사용한다. 비교 시험에서, 본 발명의 교반 블레이드 유니트 대신에 8-터빈-블레이드 유니트[블레이드 직경(d) =500mm, 폭(b) = 80mm]를 사용한다. 시험 조건은 상기 시험 조건과 동일하다.
상기 조건하에 수행된 측정 결과로서, 산소 이동 속도(OTR)는, 1kW/m3의 교반력하에 8-터빈 블레이드 유니트에 대해서는 86.4mol/m3·hr이나, 107.7mol/m3으로 약 25% 향상된다.
<사용 실시예 1>
본 발명의 교반 블레이드 유니트를 2.5m3발효조에 부착하고, 심사 공개된 일본 특허원 제52-024593호에 기술된 브레비박테리움 플라붐(brevibacterium flavum) QBS-4 FERM P-2308을 사용하여 L-글루탐산을 다음과 같이 발효시킨다.
먼저, 표 3에 나타낸 것과 같은 성분을 포함하는 배양 배지를 조정하고, 20ml 단위로 500ml 플라스크에 옮기고, 115℃에서 10분 동안 멸균가열한다. 이어서, 이를 접종 배양한다.
접종 배양 배지
성분 농도
글루코즈 50g/l
요소 4g/l
KH2PO4 1g/l
MgSO4·7H2O 0.4g/l
FeSO4·7H2O 10g/l
MnSO4·4H2O 10g/l
티아민 하이드로클로라이드 200g/l
비오틴 30g/l
콩 단백질 가수분해물질(전체 발효 용적으로서) 0.9g/l
(pH 7.0)
후속적으로, 표 4에 나타낸 주요 배양 배지를 조정하고, 115℃에서 10분 동안 멸균시킨다. 이후, 접종 배양 배지액을 접종하고, 2.5m3발효조 중에서 31.5℃로 주요 배양시킨다. 이러한 경우에, 교반 조건은 다음과 같다; 회전 속도는 175rpm이고, 통기 용적은 1/2VVM이다. 통기시키기 위하여, 교반 블레이드 유니트 바로 아래에 제공된 스파져 노즐을 실시예 1에서와 같이 사용한다. 배양용 교반 블레이드 유니트에 있어서, 8-터빈-블레이드 유니트[블레이드 직경(d) = 500mm, 폭(b) = 80mm] 및 본 발명의 교반 블레이드 유니트를 각각 배양용으로 사용한다. 본 발명의 내부 교반 블레이드 유니트에 있어서, 원통 블레이드 유니트[블레이드 직경(d) = 500mm, 폭(b) = 80mm]를 사용한다. 다공 원통에 있어서, 펀칭 금속[직경(r) = 510mm, 높이(h) = 190mm, 개구율 = 40%, 호울 직경 = 5mm]을 사용한다. 배양 동안, 배양 배지의 pH는 암모니아 기체를 사용하여 7.8로 조정한다. 배양액 중의 석카룸(succharum)이 다 소모되면 발효를 종결하고 배양액에 축적된 L-글루탐산을 측정한다. 표 5는 배양 결과를 나타낸다.
결과로서, 본 발명의 교반 블레이드 유니트를 사용하는 경우, 산소 이동 속도가 향상되고, 따라서, 표 5에 나타낸 바와 같이 L-글루탐산 생성 속도가 2.51g/lhr에서 3.14g/lhr로 약 25% 향상된다.
주요 배양 배지
성분 농도
폐기 시럽(글루코즈로서) 150g/l
KH2PO4 1g/l
MgSO4·7H2O 1g/l
티아민 하이드로클로라이드 100g/l
소포제 20㎕/ℓ
(pH 7.0)
배양 결과
교반 블레이드 유니트 축적된 L-글루탐산 용적(g/l) L-글루탐산 생성 속도(g/l/hr)
8-터빈-블레이드 유니트 75.2 2.51
본 발명의 블레이드 유니트 76.1 3.14
본 발명의 배출형 교반 블레이드 유니트는 블레이드 유니트 주위에서 교반 축과 함께 회전하고 개구율이 30 내지 50%인 다공 원통을 특징으로 한다. 이러한 블레이드 유니트는 블레이드 유니트로부터 배출된 기체-액체 유동물을 다공 원통에 충돌시켜 기체-액체 유동물의 압력을 상당히 변화시킨다. 그 결과, 기체 기포가 효율적으로 미세화되어, 기체-액체 혼합조에서의 기체 흡수 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 에너지 절약 효과도 향상시킬 수 있다.
더욱이, 터빈 블레이드 유니트와 같은 배출형 블레이드 유니트를 사용하는 기존 교반조를 개선시키는 경우, 교반 블레이드 유니트를 본 발명의 블레이드 유니트로 대체하기만 하면된다. 모터 및 감속기의 대체, 발효조의 보강과 같은 기타 유의한 변형이 전혀 요구되지 않는다. 이는 전력 특징이 기존 블레이드 유니트와 본 발명의 블레이드 유니트 간에 많은 차이가 나지 않기 때문이다.
본 발명의 교반 블레이드 유니트는 발효조, 통기조, 반응조(수소화반응 및 산화) 등에 유용할 것이다.

Claims (5)

  1. 교반 축과 함께 회전하는 다공 원통이 교반 블레이드 유니트 주위에 설치되어 있는 배출형 교반 블레이드 유니트.
  2. 제1항에 있어서, 교반 축과 함께 회전하는 다공 원통의 개방율이 30 내지 50%인 교반 블레이드 유니트.
  3. 제1항에 있어서, 편평형 터빈 블레이드 유니트, 경사형 터빈 블레이드 유니트, 오목형 블레이드 유니트 또는 원통형 블레이드 유니트인 교반 블레이드 유니트.
  4. 제1항에 있어서, 다공 원통의 구조가 펀칭 금속 또는 메시(meshed) 원통체인 교반 블레이드 유니트.
  5. 제1항에 있어서, 다공 원통의 높이가 교반 블레이드 유니트 폭의 1.5 내지 3배이고, 다공 원통의 직경이 교반 블레이드 유니트 직경의 1.01 내지 1.05배인 교반 블레이드 유니트.
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