(57)【要約】【課題】供給するガスを混合槽内の液中に効率的に溶解させることができる、通気型の撹拌槽を提供する。【解決手段】混合槽内に撹拌装置３を備えてなる撹拌槽である。撹拌装置３は、撹拌軸４と撹拌軸４に取り付けられた撹拌翼５とを有してなる。撹拌翼５には、その内部にガスを通気するための翼側通気孔２１が形成されている。翼側通気孔２１には、撹拌翼５の端縁部にガスを給気するための給気口２０ａ、２０ｂが設けられている。翼側通気孔２１には、翼側通気孔２１内にガスを供給するためのガス供給手段１４、１５が接続されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合槽内に撹拌装置を備えてなる撹拌槽であって、
前記撹拌装置は、撹拌軸と該撹拌軸に取り付けられた撹拌翼とを有してなり、
前記撹拌翼には、その内部にガスを通気するための翼側通気孔が形成され、該翼側通気孔には、前記撹拌翼の端縁部に前記ガスを給気するための給気口が設けられ、
前記翼側通気孔には、該翼側通気孔内にガスを供給するためのガス供給手段が接続されていることを特徴とする撹拌槽。
【請求項２】
前記撹拌軸には、前記翼側通気孔に連通する軸側通気孔がその内部に形成され、
前記ガス供給手段は、前記軸側通気孔を介して前記翼側通気孔に接続していることを特徴とする請求項１記載の撹拌槽。
【請求項３】
前記撹拌翼は前記撹拌軸に対して放射状に設けられてなり、
前記給気口は、前記撹拌翼の前記放射方向における長さの中心より外側に、配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の撹拌槽。
【請求項４】
前記給気口は、少なくとも前記撹拌翼の前記放射方向における最外部に、配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の撹拌槽。
【請求項５】
前記撹拌軸は鉛直方向に沿って配置されてなり、
前記撹拌翼は、水平方向に回転するよう前記撹拌軸に取り付けられ、かつ、下降流を生じさせるようその回転方向に対して翼が下向きに取り付けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の撹拌槽。
【請求項６】
前記混合槽が動物細胞培養槽であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の撹拌槽。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合槽内にガスを通気する撹拌槽に関する。
【背景技術】
【０００２】
混合槽での混合操作は、化学工業等において重要な操作の一つである。例えば、食品、化粧品、医薬、製薬、塗料等の現場では、反応・抽出・吸収・混合などの種々の処理において、混合操作が広く利用されている。また、バイオリアクターなどでは、通気を行うことで空気等のガスを混合槽内に供給し、ガス成分（例えば酸素）を混合槽内の液中に溶解させている。
【０００３】
このような通気型の撹拌槽としては、槽の底部にエアストーンやリングスパージャなどの通気装置を設置し、槽内に気泡を吹き込むのが一般的である。すなわち、通気型の撹拌槽の主目的は、槽内を均一に混合することに加え、気泡内のガス成分（例えば酸素）を液中に溶解させることにあるからである。例えば、バイオリアクターとしての動物細胞培養槽では、槽内に酸素供給源の気泡や栄養源などを供給し、これを液中に均一に注入・分散（溶解）させるため、槽内を撹拌して混合している（例えば、特許文献１〜８参照）。このような動物細胞培養槽では、撹拌による動物細胞の破壊・死滅を抑制する目的で、低剪断・高溶解の撹拌方法が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２８０８０３６号公報
【特許文献２】特開２００４−２６１６５９号公報
【特許文献３】特開平３−２９７３７５号公報
【特許文献４】特公平７−４２２７号公報
【特許文献５】特開２００２−２０５０３８号公報
【特許文献６】特開平３−６９５０５号公報
【特許文献７】特開平３−６９５０４号公報
【特許文献８】特開昭５９−３２１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、一般に生産量を増やすためには、槽のスケールアップが必要となり、実機では容量が数十ｍ３規模のものが製造され、用いられるようになってきている。しかし、このように槽が大規模化すると、例えば酸素溶解速度を上げるためには、気泡と槽内の液とをより長く（多く）接触させるべく、気泡を微細化したりその滞留時間を長くする必要がある。
【０００６】
ところが、槽のスケールアップに伴って撹拌翼の周速度を増加させ、撹拌効果を高めることで気泡を微細化し、酸素溶解速度を上げようとすると、撹拌翼によって発生する回転流と周囲の静止流体との間の速度差が大きくなり、剪断力が増大して動物細胞の破壊・死滅が多くなってしまう。このような現象は、高性能な撹拌装置として知られている、エレファントイヤーと呼ばれる特殊な形状の撹拌翼を用いた場合でも、一般的なタービン翼やプロペラ翼、パドル翼を用いた場合と同様に、起きてしまう。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、供給するガスを混合槽内の液中に効率的に溶解させることができ、しかも、例えば動物細胞の破壊・死滅を抑制するべく撹拌翼の周速度の増加を抑えることのできる、通気型の撹拌槽を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の撹拌槽は、混合槽内に撹拌装置を備えてなる撹拌槽であって、
前記撹拌装置は、撹拌軸と該撹拌軸に取り付けられた撹拌翼とを有してなり、
前記撹拌翼には、その内部にガスを通気するための翼側通気孔が形成され、該翼側通気孔には、前記撹拌翼の端縁部に前記ガスを給気するための給気口が設けられ、
前記翼側通気孔には、該翼側通気孔内にガスを供給するためのガス供給手段が接続されていることを特徴としている。
【０００９】
この撹拌槽によれば、撹拌翼の端縁部に給気口が設けられているので、ガス供給手段から翼側通気孔を通って前記給気口より供給されるガスが、撹拌翼の直近に気泡として供給されるようになる。すると、この気泡は、撹拌翼の回転によって撹拌翼の端部（翼端）近傍に生じている強い剪断流中に供給されることから、この剪断流によって微細化される。したがって、微細化された気泡は、その表面積が増加し、また、浮上速度が低下して混合槽内での滞留時間が長くなる。
【００１０】
また、前記撹拌槽においては、前記撹拌軸に、前記翼側通気孔に連通する軸側通気孔がその内部に形成され、前記ガス供給手段が、前記軸側通気孔を介して前記翼側通気孔に接続しているのが好ましい。
このようにすれば、ガス供給手段より供給するガスが、撹拌装置の動作に干渉することなく、撹拌翼の端縁部に設けられた給気口から供給されるようになる。
【００１１】
また、前記撹拌槽においては、前記撹拌翼が前記撹拌軸に対して放射状に設けられてなり、前記給気口が、前記撹拌翼の前記放射方向における長さの中心より外側に、配置されているのが好ましい。
撹拌翼の回転によって生じる剪断流は、撹拌軸から遠くなる撹拌翼の外側においてより強くなる。したがって、給気口を撹拌翼の外側に配置することで、給気口から供給された気泡を効率的に微細化することができる。
【００１２】
また、前記撹拌槽においては、前記給気口が、少なくとも前記撹拌翼の前記放射方向における最外部に、配置されているのが好ましい。
撹拌翼の回転によって生じる剪断流は、撹拌軸から最も遠くなる撹拌翼の最外部において最も強くなる。したがって、給気口を撹拌翼の最外部に配置することで、給気口から供給された気泡をより効率的に微細化することができる。
【００１３】
また、前記撹拌槽においては、前記撹拌軸が鉛直方向に沿って配置されてなり、前記撹拌翼が、水平方向に回転するよう前記撹拌軸に取り付けられ、かつ、下降流を生じさせるようその回転方向に対して翼が下向きに取り付けられているのが好ましい。
このようにすれば、撹拌翼の端部近傍において剪断流で微細化された気泡が、下降流に同伴されることによって液面まで浮上する時間が長くなり、したがって混合槽内での滞留時間が長くなる。
【００１４】
また、前記撹拌槽においては、前記混合槽が動物細胞培養槽であってもよい。
前記したように剪断流によって気泡を効率良く微細化しているので、撹拌翼の周速度の増加を抑えても、供給するガスを混合槽内の液中に効率的に溶解させることが可能になる。したがって、撹拌翼の周速度の増加を抑えることにより、動物細胞の破壊・死滅を抑制することが可能になる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の撹拌槽にあっては、撹拌翼の端縁部に給気口を設け、これによって該給気口から供給した気泡を剪断流によって微細化し、その表面積を増加させるとともに、その浮上速度を低下させて混合槽内での滞留時間が長くなるようにしたので、例えば槽をスケールアップした場合に撹拌翼の周速度の増加を抑えても、供給するガスを混合槽内の液中に効率的に溶解させることができる。したがって、例えば混合槽を動物細胞培養槽とした場合に、撹拌翼の周速度の増加を抑えることにより、動物細胞の破壊・死滅を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の撹拌槽の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る撹拌装置の一例の概略構成図である。
【図３】（ａ）は図２の要部拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の撹拌槽を詳しく説明する。
図１は、本発明の撹拌槽の一実施形態を示す図であり、図１中符号１は撹拌槽である。なお、以下の図面では、各部材の認識を容易にするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
この撹拌槽１は、混合槽２内に撹拌装置３を備えたもので、混合槽２を動物細胞培養槽としたものであり、この混合槽２内に空気（ガス）を通気する通気型のものである。
【００１８】
動物細胞培養槽である混合槽２は、例えば医薬抗体の生成に用いられるもので、微生物、動・植物、あるいはそれらの細胞から単離した酵素などの種々の生体触媒を用い、動物細胞の培養を行うものである。すなわち、この混合槽２は、後述するガス供給手段や図示しない栄養源供給手段を有することにより、培養液Ｌ中に酸素供給源の気泡や栄養源などを供給しつつ、動物細胞の培養を行うものである。
【００１９】
このような混合槽２内には、気泡や栄養源などを均一に混合させるため、撹拌装置３が設けられている。この撹拌装置３は、図２に示すように鉛直方向に沿って配置された撹拌軸４と、この撹拌軸４に取り付けられて水平方向に回転する撹拌翼５と、を有してなるものである。撹拌軸４は、ギア６ａ、ギア６ｂを介して駆動軸７に連結されたものである。駆動軸７は、図１に示すようにモータ等の駆動手段８によって所定の速度（回転速度）で回転し、これによって撹拌軸４を一体に回転させるものである。また、撹拌軸４は、図２に示すようにパイプ状に形成されたもので、その内部に、長さ方向に沿って貫通する軸側通気孔９を形成したものである。
【００２０】
また、撹拌軸４には、図３（ａ）に示すようにその上部に、前記軸側通気孔９に連通して送気管１４が回動可能に連結されており、さらにこの送気管１４には送気ポンプ等の給気源１５が接続されている。このような構成のもとに撹拌軸４の軸側通気孔９内には、給気源１５から送気管１４を介して空気が供給されるようになっている。ここで、給気源１５と送気管１４とから、本発明のガス供給手段が構成されている。
【００２１】
なお、撹拌軸４と駆動軸７との間に設けられたこれらを連結するギア６ａ、ギア６ｂについては、図３（ａ）に示した構成以外にも、例えば図３（ｂ）に示すような構成のものを採用することができる。
【００２２】
図２に示すように撹拌翼５は、本実施形態ではプロペラからなっており、前記撹拌軸４の下端に取り付けられた連結部１６と、この連結部１６に外周部に一体に取り付けられた複数（例えば２枚、４枚、６枚等）のプロペラ翼１７と、からなっている。連結部１６は、円柱状、あるいはプロペラ翼の枚数に対応した角柱状のもので、その内部に、前記撹拌軸４内の軸側通気孔９に連通する連結部通気孔１８を形成したものである。なお、この連結部１６は、撹拌軸４に対して一体に取り付けられていてもよく、着脱可能に取り付けられていてもよい。
【００２３】
連結部通気孔１８は、連結部１６の上面側からその厚さ方向（鉛直方向）の中心部にかけて延びる第１孔１８ａと、前記中心部から各プロペラ翼１７に向かって放射状に延びる第２孔１８ｂと、からなっている。第１孔１８ａは、連結部１６の上面側において、前記軸側通気孔９に連通したものである。第２孔１８ｂは、第１孔１８ａに連通し、かつ、連結部１６の側面にまで延びて形成されたものである。
【００２４】
プロペラ翼１７は、本実施形態ではその回転方向に向く面が下向きに傾斜して配設され、したがって回転方向に対して下向きに取り付けられおり、これによってプロペラ翼１７は、下降流を生じるようになっている。ただし、回転方向に向く面が上向きに傾斜して配設され、したがって回転方向に対して上向きに取り付けられおり、これによってプロペラ翼１７は、上昇流を生じるようになっていてもよいのはもちろんである。
また、これらプロペラ翼１７には、前記連結部通気孔１８の第２孔１８ｂに連通するプロペラ通気孔１９が形成されている。
【００２５】
プロペラ通気孔１９は、連結部１６に対するプロペラ翼１７の接続部から該プロペラ翼１７の最外部にまで延び、したがって前記撹拌軸４を中心に放射状に延びて形成された第３孔１９ａと、該第３孔１９ａから分岐してプロペラ翼１７の側端縁にまで延びる第４孔１９ｂと、からなっている。第３孔１９ａは、連結部１６に対する接続部において前記第２孔１８ｂに連通したものである。また、この第３孔１９ａの前記第２孔１８ｂと反対の側は、プロペラ翼１７の最外部に開口しており、この開口は第１給気口２０ａとなっている。なお、前記第３孔１９ａについては、前記第２孔１８ｂと反対の側が開口することなく、したがって前記第１給気口２０ａが形成されていなくてもよい。
【００２６】
第４孔１９ｂは、前記撹拌軸４を中心にして放射状に延びた第３孔１９ａの、その放射方向における長さの中心より外側の複数の部位から、該第４孔１９ｂの長さ方向と直交して、プロペラ翼１７の側端縁にまで延びて形成されたものである。したがって、この第４孔１９ｂはプロペラ翼１７の側端縁で開口しており、この開口が第２給気口２０ｂとなっている。
【００２７】
このような構成のもとに、これら第２給気口２０ｂと前記第１給気口２０ａとは、前記ガス供給手段（給気源１５）から供給された空気を、混合槽２内の培養液Ｌ中に供給するようになっている。また、前記第１孔１８ａ及び第２孔１８ｂからなる連結部通気孔１８と、前記第３孔１９ａ及び第４孔１９ｂからなるプロペラ通気孔１９とにより、本発明の翼側通気孔２１が構成されている。
【００２８】
このような構成からなる撹拌槽１は、図１に示したように駆動軸７及び撹拌軸４が鉛直方向に沿って配置されるよう、混合槽２内において立てて配置され、その上端側が混合槽２の蓋体２２に回転可能に保持固定されている。
【００２９】
このような撹拌槽１において、動物細胞培養槽である混合槽２を稼働させるには、図示しない栄養源供給手段によって培養液Ｌ中に栄養源などを供給するとともに、ガス供給手段を構成する給気源１５より空気を送り込み、酸素供給源となる空気の気泡を培養液Ｌ中に供給する。すなわち、給気源１５より送気管１４、連通孔１３、連通室１２、軸側通気孔９を介して翼側通気孔２１に空気を送り、第１給気口２０ａ、第２給気口２０ｂから培養液Ｌ中に空気を供給することにより、空気からなる気泡を培養液Ｌ中に流出する。なお、栄養源供給手段については、その栄養源を、ガス供給手段で供給される空気に同伴させることで、この空気とともに、培養液Ｌ中に供給するように構成してもよい。
【００３０】
また、このような供給に並行して、撹拌装置３を駆動させる。すなわち、駆動手段８を駆動させ、駆動軸７及び撹拌軸４を介してプロペラ翼１７を回転させる。すると、プロペラ翼１７は水平方向に回転して回転流を生じ、特に、このプロペラ翼１７の近傍において強い回転流を生じる。このようにして回転流を生じると、前記第１給気口２０ａ、第２給気口２０ｂから流出した気泡（空気）は、プロペラ翼１７の直近に供給されることで、前記の回転流による強い剪断力を受け、微細化される。特に、剪断流は撹拌軸４から遠くなるプロペラ翼１７の外側においてより強くなるため、第２給気口２０ｂから供給された気泡は効率的に微細化され、さらに第１供給口２０ａから供給された気泡はより効率的に微細化される。
【００３１】
また、プロペラ翼１７は、例えば回転方向に対して下向きに取り付けられている場合には、回転によって図１中矢印Ａで示すような下降流を生じる。したがって、プロペラ翼１７の直近に供給され、強い剪断力によって微細化された気泡は、この下降流に乗って一旦下降し、その後、混合槽２の内壁面に沿って上昇し、液面側に向かうようになる。
【００３２】
その際、微細化された気泡は、微細化される前に比べて単位体積当たりの表面積が増加し、したがって空気の体積に対して表面積が大きくなっているため、培養液Ｌとの接触面積が大になり、単位体積当たりの培養液Ｌへの酸素（空気）の溶解速度が速くなる。また、微細化されたことで気泡はその浮上速度が低下し、混合槽２内での滞留時間が長くなる。よって、培養液Ｌとの接触時間が長くなることから、培養液Ｌ中への酸素（空気）の溶解量が多くなる。
さらに、プロペラ翼１７によって下降流を生じさせているので、微細化された気泡がこの下降流に同伴されることにより、液面まで浮上する時間が長くなる。したがって、混合槽２内での滞留時間が長くなり、これによっても培養液Ｌ中への酸素（空気）の溶解量が多くなる。
【００３３】
このような撹拌槽１にあっては、プロペラ翼１７の端縁部に給気口２０ａ、２０ｂを設け、これによって該給気口２０ａ、２０ｂから供給した気泡を剪断流によって微細化し、その表面積を増加させるとともに、その浮上速度を低下させて混合槽２内での滞留時間が長くなるようにしたので、供給した空気（酸素）を混合槽２内の培養液Ｌ中に効率的に溶解させることができる。したがって、混合槽２をスケールアップした場合に、プロペラ翼１７の周速度の増加を抑えても、供給する空気を混合槽２内の培養液Ｌ中に効率的に溶解させることができる。よって、プロペラ翼１７の周速度の増加を抑えることにより、混合槽２内の動物細胞の破壊・死滅を抑制することができる。
【００３４】
なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態では撹拌装置３を、混合槽２の上方からつり下げることで該混合槽２に取り付けるようにしたが、逆に、混合槽２の底部側から混合槽２内に突き出した状態で、撹拌装置３を取り付けるようにしてもよい。
【００３５】
また、前記実施形態では、本発明の撹拌槽を動物細胞培養槽に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、通気を必要とし、したがって気液接触による液中へのガスの溶解（あるいは分散）を目的とする、各種の撹拌槽に適用することができる。したがって、ガス供給手段についても、空気（酸素）を供給するものに限定されることなく、例えばオゾンなど、空気以外のガスを供給するものであってもよい。
さらに、前記実施形態では撹拌翼としてプロペラ翼１７を採用したが、本発明の撹拌翼としては、プロペラ翼以外にも、例えばタービン翼やパドル翼、エレファントイヤーなどを採用することもできる。
【符号の説明】
【００３６】
１…撹拌槽、２…混合槽（動物細胞培養槽）、３…撹拌装置、４…撹拌軸、５…撹拌翼、９…軸側通気孔、１４…送気管（ガス供給手段）、１５…給気源（ガス供給手段）、１７…プロペラ翼、１８…連結部通気孔、１８ａ…第１孔、１８ｂ…第２孔、１９…プロペラ通気孔、１９ａ…第３孔、１９ｂ…第４孔、２０ａ…第１給気口、２０ｂ…第２給気口、２１…翼側通気孔、Ｌ…培養液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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