WO1998031456A1 - Aube agitatrice - Google Patents

Description

明細書 撹拌翼 技術分野

本発明は、 通気撹拌を行 う 撹拌槽で使用 され、 翼直下のノ ズルまたは スパージヤーか ら供給される ガス を微細化 し液中 に分散させ、 安価， 省 スペースかつ高効率でガス吸収を行う 撹拌翼に関する ものである。 背景技術

通気撹拌を利用する代表的な ものに発酵、 廃水処理、 酸化、 水素化な ど様々 な プロセスが挙げられる。 これ らの中でも特に好気性の発酵プロ セスにおいては通気と撹拌によ り 培養の酸素要求量を充足 させているが その多 く が使用す る発酵槽の酸素供給能で生産性が律速されて いるのが 実状である。 通気撹拌槽における撹拌の 目 的は、 気泡を細分化 して均一 分散状態を作る こ と や気体成分の液中への吸収な どが挙げ られる。 撹拌 槽を利用する気一液接触装置におけるガス吸収については、 以下の関係 式が一般的に知 られている。

( I nd. Eng. Chem. , 45, P.2554- (1944) )

Κ L a p v ^α ■ U s ^

こ こ で、 K L : 液境膜の物質移動係数

a ： 単位体積あた り の気液界面積

P V ： 単位体積あた り の撹拌動力

U s ： 通気線速

ひ ， ： 定数

ガス吸収を向上するためには、 上記式の K L は物質の物性や流動状態に よ り 決ま るため、 気液界面積 a をいかに大き く するか、 すなわち 気泡を いかに して小さ く 分裂せ しめるかが課題と なる。 実際は、 撹拌動力 P Vを大き く する， 通気量 U sを大き く するな どが容易に考え られる。 更には、 撹拌動力や通気量の增加をで きるだけお さ え、 効率よ く 気泡 を小 さ く 分裂 させる工夫や撹拌翼の開発が必要と なる。 近年、 微生物の 破壊を生ずる こ と な く 気液の混合を効率化 した翼 （特開平 0 5 — 1 0 3 9 5 6 ) 、 撹拌翼を取 り 囲むよ う に金網を発酵槽に固定 して取 り 付ける こ と によ り 酸素移動容量係数 （ K L a ) を向上す る発酵槽改良法 （特公 平 3 _ 4 1 9 6 ) ， 撹拌翼先端にガス導入口 を取 り 付ける こ と によ り 混 合及び気液接触を効率的に行う 方法 （特公昭 5 7 — 6 0 8 9 2 ) 、 また 2 枚 1 組の プロ ペラ翼と 多孔円筒を一体回転させる撹拌羽根によ リ 撹拌 混合効率が良好と な る撹拌羽根 （特公平 6 — 8 5 8 6 2 ) 、 等が考案さ れその効果が確認されて いる。

しか しながら、 上述 した撹拌動力や通気量を大き く する こ と は実際の 商業スケールにおいては設備の大型化、 またエネルギーの増大 と な リ ガ ス吸収を向上する こ と は容易ではない。 実際、 撹拌動力 を大き く す る場 合、 撹拌回転数を上げる， 翼を大き く するな どの方法が考え られるが、 そのためには撹拌機そのものを変更す るだけではな く 撹拌槽の強度を増 すな ど撹拌に関わる他の部分に関 して も何 らかの改良， 増強が必要と な る。 特に既存の設備については上記のよ う な改良， 増強は施工また投資 の面か ら考えて も大変に困難である場合が多い。

また、 近年種々開発されたも のについて も工業的なスケールで運転す る場合、 回転数を大き く しなければ効果が発揮できない、 設備が複雑 と な る、 また設備が大型化 （撹拌槽内に取 り 付けが困難な大き さ になる） す る な どの問題点が挙げられる ものも ある。 こ のよ う に、 あま り に動力 特性がタ ー ビ ン翼な どの従来翼と異な る場合、 また翼が大型化 して しま う 場合は、 既存の設備に導入する こ と は困難と な って しま う 。 発明の開示

そ こで本発明は、 以上の問題点 を解消 し、 通気撹拌を行う 撹拌槽で使 用する安価、 省スペースかつ高効率でガス吸収を行う 撹拌翼を開発する こ と を目 的と する。 上記の 目 的を達成するための本発明の撹拌翼は、 吐出流型の撹拌翼に おいて、 吐出流型の撹拌翼の周 り に軸 と 一体回転する 多孔円筒が取 り 付 け られて いる こ と を特徴と する撹拌翼に関する も のである。 本発明にお いて は、 軸 と 一体回転する 多孔円筒の開口率が 3 0 〜 5 0 %で ある こ と が好ま し い。 図面の簡単な説明

図 1 は、 本発明の撹拌翼の概略図 （内部撹拌翼が円筒翼の場合） で あ り 、 図 2 は、 実施例 1 にお ける本発明の撹拌槽への取付け例である。 発明 を実施するための最良の形態

以下、 添付図面によ り 本発明の実施の形態について説明する。

図 1 は本発明の撹拌翼の一実施形態を示す概略図であ り 、 内部攪拌翼 が円筒翼の場合の図である。 図 1 において 1 は内部撹拌翼、 2 は多孔円 筒、 3 は羽根、 4 は攪拌軸、 b は羽根幅、 L は多孔円筒高 さ 、 r は多孔 円筒直径、 D は槽径を表す。 本発明の撹拌翼の基本的な構造は、 気泡上 昇を防止する円盤を有する吐出流型の内部撹拌翼 1 の周 り に軸 と 一体回 転す る 多孔円筒 2 が取 り 付け られている こ と を特徴と して いる。 図 1 で は、 内部撹拌翼 1 と して、 円筒翼の例を記載 して いる。 内部撹拌翼 1 と して、 一般的に発酵槽等の通気撹拌に使用 される吐出流型の撹拌翼が使 用 され、 翼によ っ て水平方向に吐出 される 気液流が確実に翼周 り に取 り 付けた多孔円筒に衝突する構造と な っ て いる。 内部撹拌翼 1 と し て、 吐 出流型の撹拌翼を使用する と 、 羽根か ら 吐出 された気液流を多孔円筒 2 に垂直に衝突させる こ と ができ、 大きな圧力変化を生 じ さ せる こ と が可 能と なるため、 本発明においては、 軸流型の撹拌翼でな く 、 吐出流型の 撹拌翼を使用する。 こ の気液流の衝突によ る圧力変化によ リ 気泡が微細 化 さ れガス吸収速度が向上す る。 また、 多孔円筒が軸と 一体回転す るた め、 吐出流がも っ と も強い羽根先端に隙間な く 多孔円筒を設置でき、 最 大の圧力変化を生 じ る こ と がで き る。 仮に、 多孔円筒を撹拌翼ではな く 撹拌槽に固定 して設置 した場合、 翼 と 多孔円筒の衝突を防 ぐためある程 度の隙間を取 ら な ければな らず、 最大の圧力変化を生 じ る こ と がで きな く な つ て しま う ため、 効率的ではない。

本発明の撹拌翼に使用 される内部撹拌翼と して は、 フ ラ ッ ト タ 一 ビ ン 翼、 ピ ッ チ ドタ 一 ビ ン翼、 C O N CA V E翼、 円筒翼等を挙げる こ と ができ る が、 吐出流型の撹拌翼であれば使用可能で ある。

本発明の撹拌翼に使用 される 多孔円筒 2 と しては、 開口率が 3 0 〜 5 0 %好ま し く は 3 5 - 4 5 %であるパンチ ングメ タ ルまたは網 目構造を 持つ筒状体が適当である。 また、 多孔円筒 2 の高 さ L は、 内部撹拌翼羽 根幅 b の 1 . 5 〜 3 倍、 直径 r は、 内部撹拌翼直径 d の 1 . 0 1 ~ 1 . 0 5 倍が適当 である。 多孔円筒 2 の素材と しては、 セ ラ ミ ッ ク 、 ステ ン レス 、 鉄等を挙げる こ と がで き るが、 強度的に使用可能な材料で あれば その由来は問わない。

また、 内部撹拌翼 1 と 多孔円筒 2 の取 り 付け方法 と して は、 内部撹拌 翼先端部と 多孔円筒を溶接またはボル ト によ り 固定する方法または内部 撹拌翼円盤部分に多孔円筒固定用のラ グを取 り 付け、 多孔円筒を固定す る方法等を挙げる こ と がで き る。 多孔円筒 2 の取 り 付け位置 と し ては、 内部撹拌翼の羽根が多孔円筒の中心に く る よ う に設置す るのが適当 で あ る。

また、 本発明においては、 空気等気体 （ガス） の通気は、 本発明の撹 拌翼直下に設置 した単孔ノ ズル， 多孔ノ ズルまたはスパジャー等によ つ て行えば良 く 、 特に通気方法は限定 されない。

本発明の撹拌翼は、 通気撹拌を利用する撹拌槽 （発酵、 廃水処理、 酸 化、 水素化な ど） において、 従来の撹拌翼によ る気泡微細化よ り も更に 微細な気泡を発生 し、 ガス吸収効率を向上する。 実施例

以下、 実施例にて、 本発明を具体的に説明する。

ぐ実施例 1 > 本発明の実施例を図 2 に基づき説明す る。

図 2 は、 本発明の攪拌翼を取 り 付け、 測定に用いた撹拌槽の全体装置 図である。 図 2 において、 4 は攪拌軸、 5 は本発明翼、 6 はスパ一 ジャー、 フ はバ ッ フル、 Dは槽径、 A I Rは空気、 H し は液深を表す。 撹拌槽は 7 0 L透明ァク リ ル製蓋付き円筒撹拌槽であ り 、 底部には鏡加 ェ （ 1 0 %皿型鏡底） を施 して いる。 また、 槽壁に 3 O m m幅のバ ッ フ ルを 8枚対称的に取 り 付けた。 液深 H L について は槽径 Dに対 し、 H L Z D = 1 (こ こ で、 D = 4 0 0 m m) と した。 上記撹拌槽を用い、 亜硫 酸ソ一ダ法にて撹拌翼の酸素供給性能 0 T R (Oxygen Transfer Rateの 略称 ： 0 T R oc K L a ) を測定 し、 本発明の効果を調べた。 本発明の撹 拌翼は撹拌槽底部付近のスパージヤーノ ズルの真上に設置され、 スパー ジャーノ ズルよ り 0. 8 5 V V M ( 1 分あた り の通気量 Z張 り 込み液 量） の通気を行いテス ト を行っ た。 こ こで、 本発明翼の内部撹拌翼には . 8枚タ ー ビ ン翼および円筒翼 （共に、 翼径 d = 1 1 0 m m, 羽根幅 b = 2 1 mm ) を使用 し、 また、 多孔円筒には直径 r = 1 1 5 m m , 高さ h = 5 O mm , 開口率 3 8 %， 孔径 2 m mのパンチ ングメ タ ルを用いた。 測定結果を表 1 に示す。 表 1 に示 した通 り 、 本発明翼を用いる こ と に よ り 通気撹拌にて一般的に使用 される 8枚タ ー ビ ン翼、 また 「 E G S T A R」 （商品名、 エイ ブル （株） 製） 翼に比べ同一撹拌動力下 （ Pv = 1 k W/ m ³ ) において酸素供給性能 O T Rが最大 2 6 %向上 した。 こ こ で用いた 8枚タ ー ビ ン翼は、 円盤に板型の羽根を取 り 付けた撹拌翼 (翼径 d = 1 1 O mm , 羽根幅 b = 2 1 mm ) で あ り 、 また 「 E G S T A R 」 翼は 2枚 1 組の プロペラ翼と 多孔円筒を一体回転させる撹拌羽根 によ り 撹拌混合効率が良好と なる撹拌羽根 （翼径 d = 2 0 0 m m , 円筒 高さ L = 2 0 0 mm) (特公平 6 — 8 5 8 6 2 に記載の撹拌羽根で あ る。 ） で ある。 表 1. 各撹拌翼の酸素供給性能の比較

※ここで、 酸素供給性能比は 8枚タービン翼の酸素供給性能 O T Rを 1 と した ときの各撹拌翼の酸素供給性能比を示す。

次に、 上記で使用 した本発明翼の多孔円筒の開口率を変化させ、 上記 と 同 じ条件で酸素供給性能 0 T Rの変化を測定 した。 多孔円筒の開口率 を 0 , 3 0， 3 5 ， 4 4 , 5 0、 5 5 %と 変化 させた と きの測定結果を 表 2 に示す。 表 2 の酸素供給性能 O T Rは撹拌動力 1 k WZm ³ の時の 数値を示 している。 表 2 よ り 、 開口率が 3 0 〜 5 0 %の と き、 8 枚タ ー ビ ン翼よ り も高い酸素供給性能を示ずこ と が判 る。 開口率がこれよ リ 大 き 〈 なる と 吐出流が容易に多孔円筒を通 り 抜けて しま う ため、 多孔円筒 内外に生 じ る圧力変化が小 さ く なる。 また、 開口率がこれよ り 小 さ く な る と 多孔円筒によ る抵抗が大き く な り すぎて しまい、 吐出流が多孔円筒 を通 り 抜けな く な って しま う 。 表 2. 開口率を変化させた場合の酸素供給性能 0 T Rの違し、

※ここで、 酸素供給性能比は 8枚タービン翼の酸素供給性能 0 T Rを 1 と した ときの各開口率における本発明翼の酸素供給性能比を示す。

<実施例 2 >

2 . 5 m ³ 発酵槽に本発明の撹拌翼を取 り 付け、 亜硫酸ソーダ法によ り 酸素供給性能 0 T R を測定 した。 撹拌条件は、 液量 1 . 5 m ³ , 通気 量 1 Z 3 V V M , 温度 3 0 ' C で ある。 通気は、 実施例 1 と 同様に撹拌 翼直下に設置されたスパー ジヤー ノ ズルか ら行っ た。 こ こ で、 本発明翼 の内部撹拌翼には、 円筒翼 （翼径 d = 5 0 O m m , 羽根幅 b = 8 0 m m ) を使用 し、 多孔円筒には、 直径 r = 5 1 0 m m , 高 さ h = 1 9 0 m m , 開口率 4 0 %， 孔径 5 m mのパンチ ングメ タ ルを用いた。 また、 比 較例 と して本発明翼のかわ り に 8 枚タ一ビ ン翼 （翼怪 d = 5 0 0 m m , 羽根幅 b = 8 0 m m ) を使用 して同様の実験を行っ た。

以上の条件で実施 した結果、 単位体積当た り の撹拌動力 1 k W / m ³ の条件下において、 酸素供給性能は、 タ ー ビ ン翼が 8 6 . 4 m 0 I / m 3 ■ h r であっ たのに対 し、 本発明翼では "！ 0 フ m o m h と 約 2 5 %向上 した。

<使用例 1 >

2 . 5 m ³ 発酵槽に本発明 を取 り 付け、 ブ レ ビパク テ リ ゥム ' ラ ク ト フ ア ーメ ンタ ム A T C C 1 3 8 6 9 を用いて、 L — グルタ ミ ン酸発酵 を行った。

まず、 表 3 の組成を有す る培地を調整 し、 その 2 O m l ずつを 5 0 0 m I 容振と う フ ラス コ に分注 し、 1 1 5 °Cで 1 0分加熱殺菌 した後、 S e d 培養を行った。 表 3. S e e d培地 成分 ' &. グルコース 5 0 g / I

尿素 4 g / I

K H P 0 1 g / I

M g S 0 ■ 7 H ₂0 0. 4 g / I

F e S 0 ■ 7 H ₂0 1 0 g / I

M n S 0 4 H 0 1 0 / I

サイアミ ン塩酸塩 2 0 0 / I

ピオチン 3 0 g / I

大豆蛋白酸加水分解物 0. 9 g / I

(全窒素量と して）

( P Hフ . 0 )

次に表 4に示す M a ί n培地を調整 し、 1 1 5 °Cで 1 0分殺菌 した後 S e e d培養液を接種 し、 培養温度 3 1 . 5 °Cにて 2 . 5 m 3 発酵槽を 用い M a i n培養を行っ た。 こ こ で、 撹拌条件は回転数 1 7 5 r p m , 通気量 1 Z 2 V V Mで行った。 通気は、 実施例 1 と 同様に撹袢翼直下に 設置されたスパージヤーノ ズルか ら 行った。 また、 撹拌翼と しては、 8 枚タ ー ビ ン翼 （翼径 d = 5 0 0 m m， 羽根幅 b = 8 0 m m ) と本発明翼 を用いて、 それぞれについて培養を行った。 こ こ で、 本発明翼の内部撹 拌翼には、 円筒翼 （翼径 d = 5 0 0 mm, 羽根幅 b = 8 0 mm ) を使用 し、 多孔円筒には直径 r = 5 1 0 mm, 高さ h = 1 9 0 mm， 開口率 4 0 %， 孔径 5 m mのパンチ ングメ タ ルを用いた。 培養中ア ンモニア ガス によ り 培養液の p Hを 7 . 8 に調整 した。 培養液中の糖が消費 された時 点で発酵を終了 し、 培養液中に蓄積 した L—グルタ ミ ン酸を測定 した。 培養結果を表 5 に示す。

その結果、 表 5 に示す通 り 本発明翼を用いる こ と によ リ 酸素供給速度 が向上 し、 L一グルタ ミ ン酸生成速度を 2 . 5 1 g / I Z h r か ら 3 . 1 g / I / h r へと約 2 5 %向上する こ と ができた。 表 4. M a i n培地

表 5. 培養結果 撹拌翼 L一グルタ ミン酸 L一グルタ ミン酸

蓄積量 （ g / I ) 生成速度 （ g Z I h r )

8枚タービン 7 5， 2 2. 5 1 本発明翼 7 6. 1 3. 1 産業上の利用可能性

本発明の撹拌翼は、 通気撹拌が必要な発酵槽， 曝気槽， 反応槽 （水素 化， 酸化） 等に有用である。

本発明の撹拌翼は、 吐出流型の翼の周 リ に軸と 一体回転す る開 口 率 3 0 - 5 0 %の多孔円筒が取 り 付けられている こ と を特徴と し てお り 、 羽 根か ら吐出 された気液流が多孔円筒に垂直に衝突するため、 大きな圧力 変化を生 じ る こ と ができ、 気泡の微細化を効率よ く 行う こ と がで き る。 そのため、 通気撹拌を行 う 撹拌槽のガス吸収効率向上、 また省エネル ギ一に貢献する。

また、 タ ー ビ ン翼等の吐出型翼を使用する既存の撹拌槽の改良におい ては、 本発明翼は動力特性的に大きな差がないため、 モータ ー交換， 減 速機交換， 発酵槽の增強と いっ た設備の大幅な改造が少な く 、 撹拌翼を 交換するだけで能力向上が達成でき る。

本発明の撹拌翼は、 通気撹拌が必要な発酵槽， 曝気槽， 反応槽 （水素 化， 酸化） 等に有用である。

Claims

請求の範囲

1 . 吐出流型の撹拌翼において、 吐出流型の撹拌翼の周 り に軸 と 一体回 転する多子し円筒が取 り 付け られて いる こ と を特徴と する撹袢翼。

2 . 軸 と 一体回転する 多孔円筒の開口率が 3 0 - 5 0 %である こ と を特 徴と する請求の範囲第 1 項記載の撹拌翼。

3 . 吐出流型の撹拌翼がフ ラ ッ ト タ ー ビ ン翼、 ピ ッ チ ドタ ー ビ ン翼、 CONCAVE翼または円筒翼である こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項記載 の撹拌翼。

4 . 多孔円筒がパ ンチ ングメ タ ルまたは網 目構造を持つ筒状体である こ と を特徴と する請求の範囲第 1 項記載の撹拌翼。

5 . 多孔円筒の高さ が吐出流型の攪拌翼の羽根幅の 1 . 5 ~ 3 倍であ り 多孔円筒の直径が吐出流型の攪拌翼の直径の 1 . 0 1 〜 1 . 0 5 倍であ る こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項記載の撹拌翼。