(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通気撹拌を行う撹拌槽で使用する気泡上昇を防止する円盤を有する吐出流型の撹拌翼において、該撹拌翼の先端部に固定されて撹拌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。
【請求項２】
撹拌軸と一体回転する多孔円筒の開口率が３０〜５０％であることを特徴とする請求項１記載の撹拌翼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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ャ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。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。
【０００２】
【従来の技術】
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−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。
（Ind.Eng.Chem., 45, P.2554-(1944)）
ＫＬａ ∝ Ｐv＾α・Ｕs＾β
ここで、ＫＬ：液境膜の物質移動係数
ａ：単位体積あたりの気液界面積
Ｐv：単位体積あたりの撹拌動力
Ｕs：通気線速
α，β：定数
ガス吸収を向上するためには、上記式のＫＬ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Ｐvを大きくする，通気量Ｕsを大きくするなどが容易に考えられる。
【０００３】
更には、撹拌動力や通気量の増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０５−１０３９５６）、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（ＫＬａ）を向上する発酵槽改良法（特公平３−４１９６），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５７−６０８９２）、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り撹拌混合効率が良好となる撹拌羽根（特公平６−８５８６２）、等が考案されその効果が確認されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
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り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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
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３０〜５０％であることが好ましい。
【発明の実施の形態】
【０００８】
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る。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り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ってしまうため、効率的ではない。
【０００９】
本発明の撹拌翼に使用される内部撹拌翼としては、フラットタービン翼，ピッチドタービン翼，CONCAVE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。
【００１０】
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３０〜５０％好ましくは３５〜４５％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１．０１〜１．０５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。
【００１１】
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って行えば良く、特に通気方法は限定されなし。
【００１２】
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。
【００１３】
【実施例】
以下、実施例にて、本発明を具体的に説明する。
＜実施例１＞
本発明の実施例を図２に基づき説明する。
図２は測定に用いた撹拌槽の全体装置図である。撹拌槽は７０Ｌ透明アクリル製蓋付き円筒撹拌槽であり、底部には鏡加工（１０％皿型鏡底）を施している。また、槽壁に３０ｍｍ幅のバッフルを８枚対称的に取り付けた。液深ＨLについては槽径Ｄに対し、ＨL／Ｄ＝１（ここで、Ｄ＝４００ｍｍ）とした。上記撹拌槽を用い、亜硫酸ソーダ法にて撹拌翼の酸素供給性能ＯＴＲ（Oxygen Transfer Rateの略称：ＯＴＲ∝ＫＬａ）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ャーノズルの真上に設置され、スパージャーノズルより０．８５ＶＶＭ（１分あたりの通気量／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＝１１０ｍｍ，羽根幅ｂ＝２１ｍｍ）を使用し、また、多孔円筒には直径ｒ＝１１５ｍｍ，高さｈ＝５０ｍｍ，開口率３８％，孔径２ｍｍのパンチングメタルを用いた。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「ＥＧＳＴＡＲ」（商品名、エイブル（株）製）翼に比べ同一撹拌動力下（Ｐv＝１ｋＷ／ｍ3）において酸素供給性能ＯＴＲが最大２６％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＝１１０ｍｍ，羽根幅ｂ＝２１ｍｍ）であり、また「ＥＧＳＴＡＲ」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＝２００ｍｍ，円筒高さＬ＝２００ｍｍ）（特公平６−８５８６２に記載の撹拌羽根である。）である。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
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ＯＴＲの変化を測定した。多孔円筒の開口率を０，３０，３５，４４，５０、５５％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ＯＴＲは撹拌動力１ｋＷ／ｍ3の時の数値を示している。表２より、開口率が３０〜５０％のとき、８枚タービン翼よりも高い酸素供給性能を示すことが判る。開口率がこれより大きく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。
【００１６】
【表２】
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【００１７】
＜実施例２＞
２．５ｍ3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ＯＴＲを測定した。撹拌条件は、液量１．５ｍ3，通気量１／３ＶＶＭ，温度３０゜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ャ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＝５００ｍｍ，羽根幅ｂ＝８０ｍｍ）を使用し、多孔円筒には、直径ｒ＝５１０ｍｍ，高さｈ＝１９０ｍｍ，開口率４０％，孔径５ｍｍ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枚タービン翼（翼径ｄ＝５００ｍｍ，羽根幅ｂ＝８０ｍｍ）を使用して同様の実験を行った。
【００１８】
以上の条件で実施した結果、単位体積当たりの撹拌動力１ｋＷ／ｍ3の条件下において、酸素供給性能は、タービン翼が８６．４ｍｏｌ／ｍ3・ｈｒであったのに対し、本発明翼では１０７．７ｍｏｌ／ｍ3・ｈｒと約２５％向上した。
【００１９】
＜使用例１＞
２．５ｍ3発酵槽に本発明を取り付け、特公昭５２−０２４５９３に記載のブレビバクテリウム・フラバム（Brevibacterium flavum）ＱＢS−４菌（ＦＥＲＭＰ−２３０８）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２０ｍｌずつを５００ｍｌ容振とうフラスコに分注し、１１５℃で１０分加熱殺菌した後、Ｓｅｅｄ培養を行った。
【００２０】
【表３】
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【００２１】
次に表４に示すＭａｉｎ培地を調整し、１１５℃で１０分殺菌した後Ｓｅｅｄ培養液を接種し、培養温度３１．５℃にて２．５ｍ3発酵槽を用いＭａｉｎ培養を行った。ここで、撹拌条件は回転数１７５ｒｐｍ，通気量１／２ＶＶＭで行った。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ャ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＝５００ｍｍ，羽根幅ｂ＝８０ｍｍ）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＝５００ｍｍ，羽根幅ｂ＝８０ｍｍ）を使用し、多孔円筒には直径ｒ＝５１０ｍｍ，高さｈ＝１９０ｍｍ，開口率４０％，孔径５ｍｍ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ｐＨ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。
【００２２】
【表４】
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【００２３】
【表５】
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【００２４】
その結果、表５に示す通り本発明翼を用いることにより酸素供給速度が向上し、Ｌ−グルタミン酸生成速度を２．５１ｇ／ｌ／ｈｒから３．１４ｇ／ｌ／ｈｒへと約２５％向上することができた。
【００２５】
【発明の作用・効果】
本発明の撹拌翼は、吐出流型の翼の周りに軸と一体回転する開口率３０〜５０％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、また省エネルギーに貢献する。
【００２６】
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，発酵槽の増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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の撹拌翼の概略図（内部撹拌翼が円筒翼の場合）である。
【図２】実施例１における本発明の撹拌槽への取付け例である。
【符号の説明】
１  内部撹拌翼
２  多孔円筒
３  羽根
４  撹拌軸
５  本発明翼
６  スパージャー
７  バッフル
ｂ  羽根幅
Ｌ  多孔円筒高さ
ｒ  多孔円筒直径
Ｄ  槽径
ＨL 液深
【図１】
0003695033.tif 000007
【図２】
0003695033.tif 000008