(57)【要約】【課題】攪拌回転数や酸素供給量を容易に上昇できない条件下においても、ＫＬａを所定の範囲内で調整でき、適切な値に維持することができる攪拌装置を提供する。【解決手段】本発明の攪拌装置Ａは、略円筒形を呈し液体Ｍを貯留する貯留槽１と、酸素が含まれる気体を液体Ｍ内に供給する給気部２と、貯留槽１内に設けられ液体Ｍを攪拌する攪拌部３と、貯留槽１の側壁内側に設けられ液体Ｍの流れを攪拌部３による攪拌方向から他の方向に変換する邪魔板５とを有し、液体Ｍの酸素移動容量係数に基づいて、邪魔板５の諸元が設定されるという構成を採用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円筒形を呈し液体を貯留する貯留槽と、
酸素が含まれる気体を前記液体内に供給する給気部と、
前記貯留槽内に設けられ前記液体を攪拌する攪拌部と、
前記貯留槽の側壁内側に設けられ前記液体の流れを前記攪拌部による攪拌方向から他の方向に変換する邪魔板と、を有し、
前記液体の酸素移動容量係数に基づいて、前記邪魔板の諸元が設定されることを特徴とする攪拌装置。
【請求項２】
設定された前記酸素移動容量係数に基づいて、前記貯留槽の幅に対する前記邪魔板の幅の比率が設定されることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置。
【請求項３】
前記貯留槽の幅に対する前記邪魔板の幅の比率は、０．１２以下であることを特徴とする請求項２に記載の攪拌装置。
【請求項４】
前記邪魔板は複数枚で、前記貯留槽の周方向に関して略等間隔で設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の攪拌装置。
【請求項５】
前記液体内で動植物細胞又は微生物が培養されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の攪拌装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体と液体とを共に攪拌する攪拌装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、生物・化学工場等の液体を取り扱う製造設備において、複数の液体を均一に混合したり、気体を液体に溶入させるための攪拌装置が用いられている。
ここで、特許文献１には、複数の液体を均一に混合するための攪拌装置が開示されている。
上記攪拌装置は、略円筒形を呈し液体が貯留された攪拌槽と、駆動部に接続され上記液体を攪拌する攪拌部と、攪拌部の作動によって生じる攪拌方向の流れを鉛直方向や径方向に変換し攪拌を促進するための邪魔板とを有している。
【０００３】
また、上記攪拌装置を、動植物細胞・微生物の培養や、反応に酸素を必要とする化学反応等に用いる場合には、培養・反応を適切に進行させるために、液体中に溶入している酸素の濃度（溶存酸素濃度）を所定の値に維持することが必要となる。その場合には、酸素が含まれる気体を液体内に供給する給気部が上記攪拌装置に設けられる。攪拌部が液体を攪拌しつつ、給気部が気体を液体内に供給することで、気体と液体とが共に攪拌され、気体が液体に溶入する。
上記溶存酸素濃度は、液体の酸素移動容量係数（ＫＬａ）に依存することが知られている。ＫＬａは、酸素の液体への溶入しやすさを表す指標であり、ＫＬａの値が大きいと溶存酸素濃度を高く維持することができる。そして、攪拌部による攪拌回転数を上げることや、供給される酸素量を増やすことによって、ＫＬａの値を上昇させることが可能であることから、攪拌回転数又は酸素供給量を所定の値に設定することで、ＫＬａを適切な値に維持することができた。
【特許文献１】特開平９−２９０８４号公報（第４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、例えば動植物細胞の培養においては、該細胞が外力に対して非常に弱いという特性を有することから、上記の方法でＫＬａ及び溶存酸素濃度を適切な値に維持することが困難であった。
まず、攪拌部による攪拌回転数を上げた場合は、液体の流動による剪断応力が大きくなり、この応力によって細胞が傷つけられ死滅する虞があった。また、供給される気体は、気泡となって液体内を上昇するが、気泡が液面で破裂する際に、破裂の衝撃によって気泡液膜に付着していた細胞が死滅する虞があった。
したがって、上記細胞の培養等においては攪拌回転数又は酸素供給量を上昇させることが困難であり、攪拌回転数又は酸素供給量を所定の値に設定し、ＫＬａ及び溶存酸素濃度を適切な値に維持するという方法が採用できないという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、攪拌回転数や酸素供給量を容易に上昇できない条件下においても、ＫＬａを所定の範囲内で調整でき、適切な値に維持することができる攪拌装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の攪拌装置は、略円筒形を呈し液体を貯留する貯留槽と、酸素が含まれる気体を液体内に供給する給気部と、貯留槽内に設けられ液体を攪拌する攪拌部と、貯留槽の側壁内側に設けられ液体の流れを攪拌部による攪拌方向から他の方向に変換する邪魔板とを有し、液体の酸素移動容量係数に基づいて、邪魔板の諸元が設定されるという構成を採用する。
【０００７】
このような構成を採用する本発明では、攪拌部の作動により液体が攪拌され、液体のＫＬａが上昇する。また、本発明では、邪魔板が液体の攪拌方向の流れを他の方向に変換することで、液体はさらに攪拌される。よって、ＫＬａはさらに上昇する。また、本発明では、攪拌部の作動と共に給気部は液体内に酸素が含まれる気体を供給するため、気体と液体とが共に攪拌され、気体が液体に溶入する。ここで、溶存酸素濃度はＫＬａに依存するため、ＫＬａが上昇している状態では、溶存酸素濃度は高い値に維持される。
一方、邪魔板の諸元を変更し、邪魔板による流れの変換を少なくした場合には攪拌は促進されないため、邪魔板の作用によるＫＬａの上昇は生じない。以上より、本発明では、ＫＬａの値は邪魔板の諸元に応じて変化する。
【０００８】
また、本発明の攪拌装置は、設定された酸素移動容量係数に基づいて、貯留槽の幅に対する邪魔板の幅の比率が設定されるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、ＫＬａの値は、貯留槽の幅に対する邪魔板の幅の比率に応じて変化する。
【０００９】
また、本発明の攪拌装置は、貯留槽の幅に対する邪魔板の幅の比率は、０．１２以下であるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、上記比率が０．１２以下である場合には、ＫＬａの値は上記比率の値に応じて略線形的に変化する。
【００１０】
また、本発明の攪拌装置は、邪魔板は複数枚で、貯留槽の周方向に関して略等間隔で設けられているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、液体の攪拌は促進され、かつ、貯留槽内の攪拌が略均一に進む。
【００１１】
また、本発明の攪拌装置は、液体内で動植物細胞又は微生物が培養されるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、攪拌回転数や酸素供給量を容易に上昇できない条件下においても、ＫＬａの値は邪魔板の諸元に応じて変化する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、貯留槽内に存在する物の特性により、攪拌回転数や酸素供給量を容易に上昇できない条件下においても、ＫＬａを所定の範囲内で調整でき、適切な値に維持することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
まず、本発明の一実施形態に係る攪拌装置Ａの構成を、図１を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る攪拌装置Ａの全体構成を示す側面図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態に係る攪拌装置Ａは、動植物細胞を培養するための培養槽として用いられている。
攪拌装置Ａは、液体を貯留する貯留槽１と、上記液体内に気体を供給する給気部２と、上記液体を攪拌する攪拌部３と、攪拌部３を回転させる駆動部４と、複数の邪魔板５とを有している。
【００１５】
貯留槽１は、有底の略円筒状を呈し下端は略球状曲面となっている容器であり、内部に液体Ｍが貯留されている。液体Ｍは、培養対象となる動植物細胞を含むと共に、該細胞を培養する上で必要となる各種の栄養素を含む培養液である。
【００１６】
給気部２は、貯留槽１内の下部に設けられたリングスパージャー２１と、リングスパージャー２１に気体を供給する気体供給機２２とを有している。
リングスパージャー２１は、表面に多数の孔部を有している管が略円環状に配置された形状を呈しており、気体供給機２２から供給された気体を上記孔部から噴射する。
気体供給機２２は、空気をリングスパージャー２１に供給するポンプである。
【００１７】
攪拌部３は、貯留槽１内の略中央に垂下された駆動軸３１と、駆動軸３１の下端部に一体的に接続された攪拌翼３２とを有している。
駆動軸３１は、鉛直方向に延びる棒状部材であり、その上端部は後述する駆動部４に軸周りで回転自在に接続されている。
攪拌翼３２は、複数の平板状の翼が駆動軸３１を中心として放射状に設けられており、全ての翼は駆動軸３１の軸方向に平行している。
【００１８】
駆動部４は、貯留槽１の上方に設けられており、駆動軸３１の上端部に一体的に接続されている。この駆動部４は、駆動軸３１を軸周りで回転させる電動機である。
【００１９】
邪魔板５は、貯留槽１における側壁内側の２箇所に鉛直方向で延在し、貯留槽１の内周面に直交して設けられた帯状平板である。２枚の邪魔板５は、攪拌を均一化するために、貯留槽１の周方向に関して略等間隔で設けられている。
【００２０】
続いて、本実施形態に係る攪拌装置Ａの動作・作用を説明する。
まず、攪拌部３及び邪魔板５による液体Ｍの攪拌について説明し、次に、給気部２により供給される酸素の液体Ｍへの溶入について説明する。
【００２１】
駆動部４が、攪拌部３の駆動軸３１及び攪拌翼３２を回転させる。攪拌翼３２が回転することにより、液体Ｍは周方向で回転し攪拌される。液体Ｍが攪拌されることで、液体Ｍの酸素移動容量係数（ＫＬａ）は上昇する。
邪魔板５は、液体Ｍの攪拌方向の流れに直交して立設しているため、攪拌方向の流れを上下方向や径方向等の他の方向に変換し、液体Ｍはさらに攪拌される。よって、ＫＬａはさらに上昇する。
【００２２】
次に、給気部２により供給される酸素の液体Ｍへの溶入について説明する。
攪拌部３の作動と共に、給気部２の気体供給機２２がリングスパージャー２１に酸素が含まれる気体（空気）を供給する。リングスパージャー２１は、供給された空気をその表面に設けられた孔部から噴射する。噴射された空気は、液体Ｍ内では気泡となり、攪拌部３によって気泡と液体Ｍとが共に攪拌される。
気泡には酸素が含まれており、気泡と液体Ｍとが共に攪拌されることで酸素が液体Ｍに溶入する。ここで、溶存酸素濃度はＫＬａに依存するため、ＫＬａが上昇している状態では、溶存酸素濃度は高い値に維持される。
以上より、邪魔板の諸元を適切に設定することで、ＫＬａの値を上昇させることができる。
【００２３】
一方、邪魔板による流れの変換が少なくなるように邪魔板の諸元を設定した場合には、攪拌は促進されないためＫＬａの邪魔板の作用による上昇は生じない。以上より、本実施形態では、邪魔板の諸元を変更することで、ＫＬａを適切な値に維持することができる。
【００２４】
続いて、貯留槽１の幅に対する邪魔板５の幅の比率と、ＫＬａの値とが略線形的な関係となる範囲について説明する。
貯留槽１の幅Ｄ（図１参照）に対する邪魔板５の幅Ｗｂ（図１参照）の比率Ｗｂ／Ｄを変化させ、それぞれの場合における液体ＭのＫＬａを実際に計測した。
【００２５】
まず、計測条件を説明する。
貯留槽１の幅Ｄは０．５ｍ、深さは０．４ｍであり、液体Ｍの深さは０．３ｍとした。なお、液体Ｍの量は凡そ６０Ｌ（リットル）である。邪魔板５の枚数は、２枚又は４枚とし、攪拌翼３２は、ディスクタービン翼又はピッチパドル翼とした。攪拌部３の攪拌回転数は、５０ｒｐｍとし、リングスパージャー２１からの空気の供給量は６．０Ｌ／ｍｉｎとした。液体ＭのＫＬａは、ｇａｓｓｉｎｇ−ｏｕｔ法により計測した。なお、攪拌時の動力を、軸トルク値により計測した。
【００２６】
まず、邪魔板５の枚数を２枚、攪拌翼３２をディスクタービン翼としたときの、貯留槽１の幅Ｄに対する邪魔板５の幅Ｗｂの比率Ｗｂ／Ｄと、液体ＭのＫＬａ及び攪拌動力との関係を表１に示す。なお、邪魔板５の幅Ｗｂの値も記載する。
【表１】
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また、表１に示した結果を、図２に示した。図２は、邪魔板５の枚数が２枚、攪拌翼３２がディスクタービン翼のときの、比率Ｗｂ／Ｄと、ＫＬａ及び攪拌動力との関係を示す概略図である。
【００２７】
表１及び図２に示すように、Ｗｂ／Ｄの値が０．０７から０．１２までの範囲にあるときは、ＫＬａの値はほぼ最大値となり、その範囲から外れるに従い、ＫＬａの値は徐々に減少した。よって、Ｗｂ／Ｄの値を適切に設定することで、最大のＫＬａとして凡そ１０［ｈ−１］程度の値を確保することができる。
また、Ｗｂ／Ｄの値を０．１５以上としたときは、攪拌動力が急激に増えている。よって、Ｗｂ／Ｄの値を０．０５以下に設定することで、攪拌動力を上げることなく低いＫＬａを確保することができる。
【００２８】
以上より、Ｗｂ／Ｄの値が０．１２以下の範囲にあるときは、Ｗｂ／Ｄの値に応じてＫＬａはほぼ増加するため、ＫＬａを凡そ６．０［ｈ−１］から１１［ｈ−１］までの範囲で調整でき、適切な値に維持することができる。
なお、攪拌回転数を、１０、２０、１００、１５０及び２００ｒｐｍに設定した場合でも、上記結果と同様の結果が得られた。
【００２９】
次に、邪魔板５の枚数を２枚、攪拌翼３２をピッチパドル翼としたときの、貯留槽１の幅Ｄに対する邪魔板５の幅Ｗｂの比率Ｗｂ／Ｄと、液体ＭのＫＬａ及び攪拌動力との関係を表２に示す。なお、邪魔板５の幅Ｗｂの値も記載する。
【表２】
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また、表２に示した結果を、図３に示した。図３は、邪魔板５の枚数が２枚、攪拌翼３２がピッチパドル翼のときの、比率Ｗｂ／Ｄと、ＫＬａ及び攪拌動力との関係を示す概略図である。
【００３０】
表２及び図３に示すように、Ｗｂ／Ｄの値が０．０７から０．１２までの範囲にあるときは、ＫＬａの値はほぼ最大値となり、その範囲から外れるに従い、ＫＬａの値は徐々に減少した。よって、Ｗｂ／Ｄの値を適切に設定することで、最大のＫＬａとして凡そ１０［ｈ−１］程度の値を確保することができる。
また、Ｗｂ／Ｄの値を０．１５以上としたときは、攪拌動力が急激に増えている。よって、Ｗｂ／Ｄの値を０．０５以下に設定することで、攪拌動力を上げることなく低いＫＬａを確保することができる。
【００３１】
以上より、Ｗｂ／Ｄの値が０．１２以下の範囲にあるときは、Ｗｂ／Ｄの値に応じてＫＬａはほぼ増加するため、ＫＬａを凡そ４．５［ｈ−１］から１１［ｈ−１］までの範囲で調整でき、適切な値に維持することができる。
なお、攪拌回転数を、１０、２０、１００、１５０及び２００ｒｐｍに設定した場合でも、上記結果と同様の結果が得られた。
【００３２】
さらに、邪魔板５の枚数を４枚、攪拌翼３２をディスクタービン翼としたときの、貯留槽１の幅Ｄに対する邪魔板５の幅Ｗｂの比率Ｗｂ／Ｄと、液体ＭのＫＬａ及び攪拌動力との関係を表３に示す。なお、邪魔板５の幅Ｗｂの値も記載する。
【表３】
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また、表３に示した結果を、図４に示した。図４は、邪魔板５の枚数が４枚、攪拌翼３２がディスクタービン翼のときの、比率Ｗｂ／Ｄと、ＫＬａ及び攪拌動力との関係を示す概略図である。
【００３３】
表３及び図４に示すように、Ｗｂ／Ｄの値が０．０７から０．１２までの範囲にあるときは、ＫＬａの値はほぼ最大値となり、その範囲から外れるに従い、ＫＬａの値は徐々に減少した。よって、Ｗｂ／Ｄの値を適切に設定することで、最大のＫＬａとして凡そ１０［ｈ−１］程度の値を確保することができる。
また、Ｗｂ／Ｄの値を０．１２以上としたときは、攪拌動力が急激に増えている。よって、Ｗｂ／Ｄの値を０．０５以下に設定することで、攪拌動力を上げることなく低いＫＬａを確保することができる。
【００３４】
以上より、Ｗｂ／Ｄの値が０．１２以下の範囲にあるときは、Ｗｂ／Ｄの値に応じてＫＬａはほぼ増加するため、ＫＬａを凡そ７．５［ｈ−１］から１１［ｈ−１］までの範囲で調整でき、適切な値に維持することができる。
なお、攪拌回転数を、１０、２０、１００、１５０及び２００ｒｐｍに設定した場合でも、上記結果と同様の結果が得られた。
【００３５】
なお、上記の実測テストにおいて、空気の供給量は６．０Ｌ／ｍｉｎであるが、細胞の死滅を発生させない範囲で供給量を増減してもよい。なお、ＫＬａは酸素供給量の０．４〜０．７乗に比例するのみであるため、空気の供給量が変更されてもＫＬａの最高値を導出するＷｂ／Ｄの値は変化しない。以上の結果は、供給する気体を空気ではなく、酸素とした場合も同様である。
また、上記の実測テストにおいて、邪魔板５の枚数は２枚又は４枚であったが、他の複数の枚数でもよい。例えば、邪魔板５を６枚としても上記テストと同様の傾向が得られる。
さらに、上記の実測テストにおいて、使用した攪拌翼３２はディスクタービン翼及びピッチパドル翼であったが、他の種類の攪拌翼、例えばプロペラ翼やエレファント翼でも上記テストと同様の傾向が得られる。
【００３６】
したがって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、貯留槽１内に存在する物の特性により、攪拌回転数や酸素供給量を容易に上昇できない条件下においても、ＫＬａを所定の範囲内で調整でき、適切な値に維持することができるという効果がある。
【００３７】
なお、前述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲においてプロセス条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３８】
例えば、上記実施形態における邪魔板５を、貯留槽１に対して着脱自在としてもよい。さらに、培養する動植物細胞の種類に応じて設定された液体ＭのＫＬａに基づいて、適切な幅の邪魔板５を選択して装着できる構成としてもよい。
このような構成を採用することで、異なる種類の細胞培養においても適切なＫＬａを確保することができる。
【００３９】
また、上記実施形態における給気部２はリングスパージャー２１を有しているが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、スパイラルスパージャ、エアストーン又は微細気泡放出用の高分子体等であってもよい。
【００４０】
また、上記実施形態では、攪拌装置Ａは動植物細胞の培養に用いられているが、本発明はこのような用途に限定されるものではなく、微生物の培養に用いてもよい。
また、攪拌装置Ａを培養槽として用いるだけでなく、反応時に酸素を必要とするような化学反応等を行う反応槽として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本実施形態に係る攪拌装置Ａの全体構成を示す側面図である。
【図２】邪魔板５の枚数が２枚、攪拌翼３２がディスクタービン翼のときの、比率Ｗｂ／Ｄと、ＫＬａ及び攪拌動力との関係を示す概略図である。
【図３】邪魔板５の枚数が２枚、攪拌翼３２がピッチパドル翼のときの、比率Ｗｂ／Ｄと、ＫＬａ及び攪拌動力との関係を示す概略図である。
【図４】邪魔板５の枚数が４枚、攪拌翼３２がディスクタービン翼のときの、比率Ｗｂ／Ｄと、ＫＬａ及び攪拌動力との関係を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４２】
Ａ…攪拌装置、１…貯留槽、２…給気部、３…攪拌部、５…邪魔板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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