(57)【要約】【課題】本発明は、超微細気泡技術を利用するために高濃度ガス溶解液やリアクター用超微細気泡含有液を具現化するとともに、これを利用した新規なケミカルリアクター装置やバイオリアクター装置を提供せんとするものである。【解決手段】  【請求項３】渦流ポンプにより、気体を吸引し，液体中に気体を加圧しながら通気・攪拌・混合・移送を同時におこない、液体中に気体を多量に含有させるようにした高濃度ガス溶解液となし、これを一時備蓄し、必要に応じて減圧調整しながら放出することにより、原水中に超微細気泡の発生した超微細気泡含有液となし、その超微細気泡の特性を利用して、生体の培養の生産効率を上げたり、化学反応処理を効率的に行うための装置を具現化するものである。【選択図】      図４
2005152763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロバブル発生装置によって発生させたマイクロバブルを液体中に通気混入し、加圧雰囲気中で液体中にガスが高濃度に溶解するようにした高圧高濃度ガス溶解液となし、これを必要に応じてより減圧するか、または大気圧の水または溶液などの液体中に放出することにより溶解した気体が超微細な気泡となって液体中に発生させ、これを拡散、浮遊する状態にしたことを特徴とする超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液。
【請求項２】
渦流ポンプにより、気体を吸引しながら、液体中に気体を加圧しながら通気・攪拌・混合・移送を同時におこない、液体中に気体を溶解させた高圧高濃度ガス溶解液となし、これを必要に応じてより減圧するか、または大気中の水または溶液などの液体中に放出することにより溶解した気体が超微細な気泡となって液体中に発生させ、これを拡散、浮遊する状態にしたことを特徴とする超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液。
【請求項３】
超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液が、バイオリアクター用又はケミカルリアクター用であることを特徴とする請求項1又は請求項２に記載するリアクター用気液混合溶液。
【請求項４】
渦流ポンプにより、気体を吸引しながら、液体中に気体を加圧しながら通気・攪拌・混合・移送を同時におこない、液体中に気体が混合溶解された気液混合溶解液となし、
これを余剰気体分離槽に収納貯留して、上部に浮上滞留する余剰気体と加圧された状態で気体が液体中に多量に溶解した高圧高濃度ガス溶解液とに分離し、当該余剰気体分離槽内の余剰気体は抜気弁を作動させて排出調製するようになすとともに、余剰気体分離内の高圧高濃度ガス溶解液は、これを減圧調整弁を介して大気圧のリアクター槽内に放出し得るようになし、
高圧高濃度ガス溶解液を減圧しながら大気圧のリアクター槽内の水または溶液などの液体中に放出することにより、キャビテーション現象による超微細気泡を発生させ、これを拡散、浮遊する状態にしたことを特徴とする超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液の製造方法。
【請求項５】
気体を吸引し液体中に気体を加圧しながら通気・攪拌・混合・移送を同時におこない、液体中に気体が混合溶解された気液混合溶解液となす渦流ポンプと、
当該渦流ポンプと連通し当該渦流ポンプが調製した気液混合溶解液を収納貯留して、上部に浮上滞留する余剰気体と加圧された状態で気体が液体中に多量に溶解した高圧高濃度ガス溶解液とに分離する余剰気体分離槽であって、当該余剰気体分離槽の上部に抜気弁を設け、当該余剰気体分離槽内に滞留する余剰気体は抜気弁を作動させて抜気調整するようになすとともに、下部には高圧高濃度ガス溶解液の送出口を設け、余剰気体分離槽内の高圧高濃度ガス溶解液を送出口を介して移送しえるように構成した余剰気体分離槽と、
化学反応処理するための液体を収納する反応処理槽には、前記余剰気体分離槽の送出口と連通し途中に減圧調整弁を有する連通管路が連結されており、その連通管路の先端部には高濃度ガス溶解液と超微細気泡とを反応処理槽内に流入することができる放出口を設けてなるリアクター槽とからなり、
前記渦流ポンプが調製した気液混合溶解液を余剰気体分離槽内に収納貯留し、余剰気体と高圧高濃度ガス溶解液とに分離したうえ、前記余剰気体を抜気弁を作動して適度に抜気することにより当該余剰気体分離槽内の圧力を一定に保ち、これによって高圧高濃度ガス溶解液の状態を維持しながら備蓄しておき、必要に応じて連通管路の減圧調整放出弁を操作して反応処理槽内の反応処理するための液体中に放出口から高圧高濃度ガス溶解液を減圧調整しながら放出供給して、キャビテーション現象による超微細気泡を発生させ、これを拡散、浮遊するようにした超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液の中でケミカル反応処理をするようにしたことを特徴とするケミカルリアクター装置。
【請求項６】
空気又は酸素を吸引し液体中に空気又は酸素を加圧しながら通気・攪拌・混合・移送を同時におこない、液体中に空気又は酸素が混合溶解された気液混合溶解液となす渦流ポンプと、
当該渦流ポンプと連通し当該渦流ポンプが調製した気液混合溶解液を収納貯留して、上部に浮上滞留する余剰気体と加圧された状態で空気又は酸素が液体中に多量に溶解した高圧高濃度ガス溶解液とに分離する余剰気体分離槽であって、当該余剰気体分離槽の上部に抜気弁を設け、当該余剰気体分離槽内に滞留する余剰気体は抜気弁を作動させて抜気調整するようになすとともに、下部には高圧高濃度ガス溶解液の送出口を設け、余剰気体分離槽内の高圧高濃度ガス溶解液を送出口を介して移送し得るように構成した余剰気体分離槽と、
微生物培養液を収納する培養処理槽には、前記余剰気体分離槽の送出口と連通し途中に減圧調整弁を有する連通管路が連結されており、その連通管路の先端部には高濃度ガス溶解液と超微細気泡とを培養処理槽内に流入することができる放出口を設けてなるリアクター槽とからなり、
前記渦流ポンプが調製した気液混合溶解液を余剰気体分離槽内に収納貯留し、余剰気体と高圧高濃度ガス溶解液とに分離したうえ、前記余剰気体を抜気弁を作動することにより適度に抜気して当該余剰気体分離槽内の圧力を一定に保ち、これによって高圧高濃度ガス溶解液の状態を維持しながら備蓄しておき、必要に応じて連通管路の減圧調整放出弁を操作して放出口から培養処理槽内の微生物培養液中に前記高圧高濃度ガス溶解液を減圧調整しながら放出供給して、キャビテーション現象による空気又は酸素の超微細気泡を発生させ、これを拡散、浮遊するようにした超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液の中で微生物を培養するようにしたことを特徴とするバイオリアクター装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応処理したり好気性生体触媒や微生物を培養したりする液体として処理効率や生産効率を上げるのに好適な機能性に優れた超微細気泡が混在するリアクター用気液混合溶液を具現化するとともに、そのリアクター用気液混合溶液を利用した高効率ケミカルリアクター装置や高効率バイオリアクター装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロバブルの特性が明らかにされるにつれて、その特徴を生かしたマイクロバブル技術の有用性が注目され、そのための研究が各方面でなされはじめている。
【０００３】
【非特許文献１】例えば、２０００年には、大成博文氏から、マイクロバブル発生技術による船舶の乱流摩擦抵抗軽減に関する研究の報告がなされ、２００１年、２００２年には、同大成博文氏から、マイクロバブル技術による水産養殖実験（養殖カキ）の報告があり、開口現象や成長促進の効果があると記載されている。また、２０００年には、同氏からマイクロバブル発生技術による閉鎖水域の水質浄化と水環境組成に関する研究という報告があり、２００１年には、マイクロバブル・エアレータによるダム貯水池の水質改善工法の論文発表があった。このように、マイクロバブルは、その優れたガス溶解能力を利用した酸欠環境の改善技術や、その電気特性や粒子の濡れ性を利用した汚染物質の捕集・除去技術や、その生理活性効果を利用した健康管理技術又は養殖技術やガスハイドレートの生成と分解技術などへの応用が期待されている。
【０００４】
【特許文献１】また、マイクロバブル発生装置として、特開平０８−２２９３７０号、特開２００２−１５３７４１号、特開２００３−１１７３６５号、特開２００３−１２６６６５号等が開発されており、また、高濃度ガス溶解液調製する渦流ポンプとして特公平８−１９９１４号が開発されている。更に、マイクロバブル水耕栽培システムとして、特開２０００−２３６７６２号などの特許文献として存在している。
【０００５】
マイクロバブルとは、液体の中で発生する気泡のうち、その発生時における気泡径がマイクロメートルサイズとごく微細な気泡のことをいう。これは、気泡の径がミリメートルサイズのミリバブルや気泡の径がセンチメートルサイズのセンチバブルとは、その物理・化学特性が大きく相違する。そのため技術的には両者は区別して認識され取り扱われている。例えば、ミリバブルやミリメートルサイズの以上の径を有する気泡は、鉛直方向の上昇速度が速く、すぐに水面に到着して消失してしまう。これに対し、マイクロバブルは、上昇速度が非常に遅く、その上昇過程あるいは拡散過程で殆ど消失し、水面に到達しないことが多い。このようにマイクロバブルが水中で消失するのは「溶解」するためと考えられる。また、マイクロバブルは、マイクロバブル同士の接触や合体をほとんど起こすことが無く、優れた均一性と分散性を有している。また、マイクロバブルを供給すると、養殖貝類では、開口現象や成長促進や血流促進などの生理作用を起こすとの注目すべき報告もされている。これらの特性は、ミリバブル以上の径をもつ気泡にはみられない物理的・化学的特性である。従って、マイクロバブル特性をうまく利用すれば、当該特性に依存する種々の機能性が期待できるとかんがえられる。しかし、マイクロバブルについては、その電気的、化学的、音響学的、流体学的特性について、いまだ充分に究明はなされていない面も多い。もし、これらの特性が明らかになるにしたがって多方面への有益な応用や利用が期待されるものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、このようなマイクロバブルの特性や技術に着目して、鋭意研究を進めた結果、次のような超微細気泡含有液の有用性についての技術的知見を得た。
【０００７】
当該超微細気泡含有液は、第１に、気体を液体中に通気混入すると、広い表面積と表面張力効果によりフラッデイングを起こさずに効率良く多量の気体を溶解させることができる。当該高濃度ガス溶解液は、圧力や温度制御によって簡単に核形成が補助され気相核を多量に含むため、液体を高速で回転させたり攪拌したりすることなく均等な超微細な気泡を簡単に発生させ、当該超微細気泡含有液を製造することができる。
【０００８】
第2に、当該高濃度ガス溶解液や超微細気泡含有液は、従来以上に効率良く好気性生体触媒の培養や、魚介類の養殖を促進することができたり、大量の空気溶解力を利用して好気性微生物の活性化による廃水処理やダム貯水池などの貧・無酸素水域の改善や水質浄化ができたり、微小気泡の電気的特性による浮上分離作用を利用した洗浄・除菌などを効率的に行うことができる。
【０００９】
特に、当該高濃度ガス溶解液は、その圧力や温度制御をするだけで、飽和溶解率を変化させることができるとともに、液体中に均等な径の超微細気泡を大量に発生させたり、これを液体中に均一に分散させたり、長時間滞留させたりする事が出来るので、超微細気泡含有液を比較的容易に製造し、維持管理することができる。また、超微細気泡含有液は、生体の生理活性作用を起こさせることができるので、この中で生物の培養や養殖をおこなうと、従来の培養液や養殖用水の中で行うより効率的に培養や養殖の生産をすることができるし、微生物を利用した発酵・分解処理などを効率的におこなうことができる。
【００１０】
本発明者らは、超微細気泡含有液を利用して、培養反応処理や化学反応処理をすると、上記のように多くの有益性を有することに着目して、超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液や、その製造方法や、ケミカルリアクター装置や、バイオリアクター装置を具現化することとした。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
特許を受けようとする第１発明は、マイクロバブル発生装置によって発生させたマイクロバブルを液体中に通気混入し、加圧雰囲気中で液体中にガスが高濃度に溶解するようにした高圧高濃度ガス溶解液となし、これを必要に応じてより減圧するか、または大気圧の水または溶液などの液体中に放出することにより溶解した気体が超微細な気泡となって液体中に発生させ、これを拡散、浮遊する状態にしたことを特徴とする超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液である。
【００１２】
特許を受けようとする第２発明は、渦流ポンプにより、気体を吸引しながら、液体中に気体を加圧しながら通気・攪拌・混合・移送を同時におこない、液体中に気体を溶解させた高圧高濃度ガス溶解液となし、これを必要に応じてより減圧するか、または大気中の水または溶液などの液体中に放出することにより溶解した気体が超微細な気泡となって液体中に発生させ、これを拡散、浮遊する状態にしたことを特徴とする超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液である。
【００１３】
特許を受けようとする第３発明は、超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液が、バイオリアクター用又はケミカルリアクター用であることを特徴とする第１発明又は第２発明に記載するリアクター用気液混合溶液である。
【００１４】
特許を受けようとする第４発明は、渦流ポンプにより、気体を吸引しながら、液体中に気体を加圧しながら通気・攪拌・混合・移送を同時におこない、液体中に気体が混合溶解された気液混合溶解液となし、これを余剰気体分離槽に収納貯留して、上部に浮上滞留する余剰気体と加圧された状態で気体が液体中に多量に溶解した高圧高濃度ガス溶解液とに分離し、当該余剰気体分離槽内の余剰気体は抜気弁を作動させて排出調製するようになすとともに、余剰気体分離内の高圧高濃度ガス溶解液は、これを減圧調整弁を介して大気圧のリアクター槽内に放出し得るようになし、高圧高濃度ガス溶解液を減圧しながら大気圧のリアクター槽内の水または溶液などの液体中に放出することにより、キャビテーション現象による超微細気泡を発生させ、これを拡散、浮遊する状態にしたことを特徴とする超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液の製造方法である。
【００１５】
特許を受けようとする第５発明は、気体を吸引し液体中に気体を加圧しながら通気・攪拌・混合・移送を同時におこない、液体中に気体が混合溶解された気液混合溶解液となす渦流ポンプと、当該渦流ポンプと連通し当該渦流ポンプが調製した気液混合溶解液を収納貯留して、上部に浮上滞留する余剰気体と加圧された状態で気体が液体中に多量に溶解した高圧高濃度ガス溶解液とに分離する余剰気体分離槽であって、当該余剰気体分離槽の上部に抜気弁を設け、当該余剰気体分離槽内に滞留する余剰気体は抜気弁を作動させて抜気調整するようになすとともに、下部には高圧高濃度ガス溶解液の送出口を設け、余剰気体分離槽内の高圧高濃度ガス溶解液を送出口を介して移送しえるように構成した余剰気体分離槽と、化学反応処理するための液体を収納する反応処理槽には、前記余剰気体分離槽の送出口と連通し途中に減圧調整弁を有する連通管路が連結されており、その連通管路の先端部には高濃度ガス溶解液と超微細気泡とを反応処理槽内に流入することができる放出口を設けてなるリアクター槽とからなり、前記渦流ポンプが調製した気液混合溶解液を余剰気体分離槽内に収納貯留し、余剰気体と高圧高濃度ガス溶解液とに分離したうえ、前記余剰気体を抜気弁を作動して適度に抜気することにより当該余剰気体分離槽内の圧力を一定に保ち、これによって高圧高濃度ガス溶解液の状態を維持しながら備蓄しておき、必要に応じて連通管路の減圧調整放出弁を操作して反応処理槽内の反応処理するための液体中に放出口から高圧高濃度ガス溶解液を減圧調整しながら放出供給して、キャビテーション現象による超微細気泡を発生させ、これを拡散、浮遊するようにした超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液の中でケミカル反応処理をするようにしたことを特徴とするケミカルリアクター装置である。
【００１６】
第５発明に係るケミカルリアクター装置は、高圧高濃度ガス溶解液の状態を維持しながら備蓄しておき、必要に応じて減圧調整放出弁を操作して反応処理槽内の反応処理するための液体中に放出口から高圧高濃度ガス溶解液を減圧調整しながら放出供給して、キャビテーション現象による超微細気泡を発生させ、これを拡散、浮遊するようにした超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液の中でケミカル反応処理をするようにしたものである。当該ケミカルリアクター装置は、超微細気泡の特性である優れたガス溶解能力を有し、その電気特性や粒子の濡れ性による汚染物質の捕集・浮上・除去作用を有し、超微細気泡の多量含有雰囲気中で、ガスハイドレートの生成と分解する環境の中で行われる化学反応処理をすることになる。このような超微細気泡の電気的、化学的、音響学的、流体学的特性雰囲気中でのケミカル反応をした場合には、普通のケミカル反応とは、当然異なる結果を得ることができる。例えば、メタンハイドレート開発による炭酸ガスの固定化とか、超微細発泡ポリマーの開発により、強度を保ったまま軽量化や、柔軟性、断熱性、高加工性など従来のものとは異なる物理特性をもった資材の具現化などができる。
【００１７】
特許を受けようとする第６発明は、空気又は酸素を吸引し液体中に空気又は酸素を加圧しながら通気・攪拌・混合・移送を同時におこない、液体中に空気又は酸素が混合溶解された気液混合溶解液となす渦流ポンプと、当該渦流ポンプと連通し当該渦流ポンプが調製した気液混合溶解液を収納貯留して、上部に浮上滞留する余剰気体と加圧された状態で空気又は酸素が液体中に多量に溶解した高圧高濃度ガス溶解液とに分離する余剰気体分離槽であって、当該余剰気体分離槽の上部に抜気弁を設け、当該余剰気体分離槽内に滞留する余剰気体は抜気弁を作動させて抜気調整するようになすとともに、下部には高圧高濃度ガス溶解液の送出口を設け、余剰気体分離槽内の高圧高濃度ガス溶解液を送出口を介して移送し得るように構成した余剰気体分離槽と、微生物培養液を収納する培養処理槽には、前記余剰気体分離槽の送出口と連通し途中に減圧調整弁を有する連通管路が連結されており、その連通管路の先端部には高濃度ガス溶解液と超微細気泡とを培養処理槽内に流入することができる放出口を設けてなるリアクター槽とからなり、前記渦流ポンプが調製した気液混合溶解液を余剰気体分離槽内に収納貯留し、余剰気体と高圧高濃度ガス溶解液とに分離したうえ、前記余剰気体を抜気弁を作動することにより適度に抜気して当該余剰気体分離槽内の圧力を一定に保ち、これによって高圧高濃度ガス溶解液の状態を維持しながら備蓄しておき、必要に応じて連通管路の減圧調整放出弁を操作して放出口から培養処理槽内の微生物培養液中に前記高圧高濃度ガス溶解液を減圧調整しながら放出供給して、キャビテーション現象による空気又は酸素の超微細気泡を発生させ、これを拡散、浮遊するようにした超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液の中で微生物を培養するようにしたことを特徴とするバイオリアクター装置である。
【００１８】
当該第６発明に係るバイオリアクター装置は、超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液の中で微生物を培養するようにしたことを特徴とするが、当該培養液中は溶存酸素量が高いので、好気性生体触媒や微生物の増殖と育成に好適な環境を整えることができる。しかも、当該培養液中には、常に含有されている超微細気泡が、気液接触面積を増加させるとともに、それに伴って物質移動を増大させて酸素を急速に溶解して微生物などが消費した酸素を効率良く補給することができるので、常に好気性生体触媒や微生物の生理活性効果を維持向上させ続けることが出来る。更にまた、好気性生体触媒や微生物の排泄物や死骸や塵などの汚染物質が発生しても、当該汚染物質を超微細気泡の電気的特性による捕集・浮上分離作用を利用して簡単に除去することができるので、培養液の水質浄化改善を簡単に行うことができる。
【００１９】
本件発明に係るバイオリアクター装置は、これらの相乗効果によって、従来より菌体収量を増加させたり、好気性生体触媒や微生物の培養効率を向上させたりすることができるようになった。
【００２０】
また、本件発明に係るバイオリアクター装置は、培養液中へ気体の溶解効率のよい超微細気泡を強い攪拌や回転を伴わずに多量に発生させることができるので、廃水中の有機質物を分解する微生物を破壊することがなく、有存酸素量を高めて微生物の高密度繁殖を実現することができる。しかも、このような微生物を活性化する環境条件を簡単に整えることが出来る
【発明の効果】
【００２１】
第１発明乃至第３発明は、加圧雰囲気中で液体中にガスが高濃度に溶解するようにした高圧高濃度ガス溶解液となし、これを必要に応じてより減圧するか、または大気圧の水または溶液などの液体中に放出することにより溶解した気体が超微細な気泡となって液体中に発生させ、これを拡散、浮遊する状態にしたことを特徴とする超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液である。
【００２２】
このように高圧高濃度ガス溶解液から減圧操作することによって発生される気泡は、常にほぼ１０〜４０μｍ程度の均一な径をもった超微細気泡になる。このような超微細気泡は、収縮・圧壊現象により優れたガス溶解能力を発揮するとか、気泡が収縮するにつれて温度・圧力が急上昇するとか、圧壊時には数千度・数千気圧になるとか、核形成するとか、微細気泡は互いに合体しにくく分散性がある、急速には浮上しない等の特性がある。
【００２３】
また、高圧高濃度ガス溶解液には気相核が多量に含まれており、温度や圧力の操作で簡単に微細気泡が大量に発生する。急速な液体の攪拌や径の大きな気泡のせん断など物理的な負荷を与えることなく、高圧高濃度ガス溶解液全体から湧き上がるように微細気泡が発生するので、当該溶液中に混在する物質に無用な負荷がかからない。即ち刺激や負荷がなく、容易に超微細気泡を発生させることができる。
【００２４】
第５発明は、高圧高濃度ガス溶解液を減圧して超微細な気泡となって液体中に発生させ、これを拡散、浮遊する状態にした超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液を利用したケミカルリアクターであり、第６発明は同様なバイオリアクターである。
【００２５】
このような静かな環境下で製造された超微細気泡の混在する混相液の実現は、好気性生体触媒や微生物の増殖と育成に好適な環境を整えたことになる。すなわち、微生物などのように微小な生き物にとっては、液体が穏やかな状態のままで、微細気泡が湧き出してくる状態であり、多量の気泡の存在により液体中の固体物質に対する摩擦抵抗が小さくなり、溶存酸素が豊富にある状態になるので、増殖と育成が盛んとなる条件がそろった好環境となる。その結果、微生物の有する発酵・分解能力や、増殖能力が最大限発揮されることになるのである。即ち、超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液という混相液は、バイオリアクターの反応処理環境としては好ましい条件がそろっていることになり、バイオリアクターとしての効率を高めることになる。また、超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液という混相液を利用したケミカルリアクターの場合には、気液反応を同時に行うような場合に特に有効であり、そのような化学反応処理環境として好ましいものであった。
【００２６】
また、超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液という混相液は、上記のように、強いガス溶解能力と、溶存ガス補給能力を有し、超微細気泡の汚染物質の捕集・浮上分離作用、気泡の圧壊による高温高圧の発生など電気的、化学的、音響学的、流体学的な特性を有しているので、このよう特性をいかした化学反応処理やバイオ反応処理をおこなうケミカルリアクター装置やバイオリアクター装置というのは、従来のリアクター装置より高効率、高性能なものとなるのである。
【実施例１】
【００２７】
本発明者らは、マイクロバブルを発生させる元になる高濃度ガス溶解液を調製するために渦流ポンプ（特公平８−１９９１４号）を用いた。当該渦流ポンプは、図1に示すように、吸込口Aおよび吐出口Bに連通する環状の昇圧通路Cを有するケーシングDと、このケーシングDの昇圧通路C内に回転移動可能に小羽根Eを嵌合した羽根車Fとを備え、羽根車Fの回転により吸込口Aから昇圧通路Cに吸込んだ液体を昇圧して吐出口Bから吐出させる渦流ポンプにおいて、前記昇圧通路Cの入口部Gに、液体の流入方向に沿って気体を導入させる気体吸込口Hを有する導管Iを突設したことを特徴とするものである。
【００２８】
この渦流ポンプは、昇圧通路Cに吸込まれる液体の流速が速く圧力が低くなる昇圧通路Cの入口部Gに気体吸込口Hを設けたので、気体吸込口Hから液体内への気体の吸込効率がよくなり、液体吸込量に対する気体吸込量の割合を増加でき、しかも、昇圧通路Cの入口部に突設された導管Iにて気体吸込口Hから液体の流入方向に沿って気体が導入されるため、液体内への気体の吸込みがスムーズに行なえ、液体吸込量に対する気体吸込量の割合をより増加できる。これによって、液体に含まれる気泡の量を多くし、マイクロバブルを発生させるのである。つまり、ポンプ吸込側より液体と気体を同時に吸引し、渦流ポンプにより、混合と攪拌と加圧とを行う事により高濃度ガス溶解液を調製した。その圧力を一定に保つことで、タンク内に高濃度ガス溶解液を保持する。当該高濃度ガス溶解液にはガスが溶解しているだけでなく気泡の基になる核が多量に形成されているため、それを必要に応じて減圧放出することで過飽和となったガスが超微細な気泡となって多量に現れることになる。
【００２９】
このようにして渦流ポンプにより、気体を吸引しながら、液体中に気体を加圧しながら通気・攪拌・混合・移送を同時におこない、液体中に気体を溶解させた高圧高濃度ガス溶解液となし、これを必要に応じてより減圧するか、または大気中の水または溶液などの液体中に放出することにより溶解した気体が超微細な気泡となって液体中に発生させ、これを拡散、浮遊する状態にしたことを特徴とする超微細気泡の混在するリアクター用気液混合溶液である。
【００３０】
こうして出来た本件発明に係るリアクター用気液混合溶液の中に拡散、浮遊する超微細気泡は、気泡径がマイクロメートルサイズとごく微細気泡となっており、「サイズ効果」が生じている。すなわち超微細気泡は、強いガス溶解能力と、溶存ガス補給能力を有し、超微細気泡の汚染物質の捕集・浮上分離作用、気泡の圧壊による高温高圧の発生など電気的、化学的、音響学的、流体学的な特性を有している。このような特性をいかした化学反応処理やバイオ反応処理をおこなうケミカルリアクター装置やバイオリアクター装置というのは、従来のリアクター装置より高効率、高性能なものとなると考え、本件発明に係るリアクター用気液混合溶液の特性について実験により確認することとした。
【００３１】
本発明に係るリアクター用気液混合溶液における総括物質移動容量係数ｋＬａの測定結果を、図2に示す。気体には、炭酸ガス、液体は水道水を使用し、ミクロバブルスと単一孔スパージャによる通気で物質移動の比較を行った。マイクロバブルを使用すると同じ通気量でスパージャよりも約三倍、スパージャとデイスクタービン（１００ｒｐｍ）を併用した場合に比べても約二倍、気体供給能力がすぐれていることが示された。
【実施例２】
【００３２】
次に、リアクター用気液混合溶液における超微細気泡は、前記のように、気液接触面積増加に伴う物質移動の増大の他に様々な生理活性効果が期待される。そこで、当該超微細気泡が生態にどのような影響をもたらすかを、実際にマンナンの培養を行い、リングスパージャによる従来の方法とマイクロバブルとの比較、検討をおこなった。
【００３３】
＜実験＞
マンナン（Rodotorula &szlig;-1,3;1,4-Mannan）は、赤色酵母（Rodotorula muchilaginosa）を培養することで生産・蓄積される。培養槽には７０．０lのファーメンターを用いた。
培地成分を図３に示す．滅菌は、12３℃で１５分行った。培養は５日間行い、１日毎にサンプリングを行った。培養条件は、通気量４０．０l／ｍｉｎ（通気法はリングスパージャ）で、回転数３５０ｒｐｍで攪拌（ディスクタービン二段翼）したときが最も生産効率の高いことが確認されているので、今回はこの条件を標準培養とし、マイクロバブル培養と比較することにした。その他、培養条件として、（１）培養液ｐHを２．０以下にすること、（２）十分な溶存酸素量が必要なこと、（３）菌体収量が増加すること、（４）窒素源は硫酸アンモ二ウムが最適であること、などが確認されている。
【００３４】
＜実験結果＞
図４に菌体重量の時間を示す。マイクロバブルの流量は約０．２l／ｍｉｎである。マイクロバブルではリングスパージャによる通気の１／２００の空気量で、ほぼ同量の菌体が生産されることがわかった。また、回転速度が１５０ｒｐｍでは、生産された菌体重量が約半分であった。この結果から攪拌に関しては，以下のことが確認された。
リアクター内のせん断が大きいほど生産される菌体重量が多い。
培養には、リアクター内の攪拌によるせん断が効いており，ポンプ内のせん断はあまり関係がない。
【００３５】
また上記実験から、培養に関して、従来の方法と比較したマイクロバブルの効用として、次のことが解った。なお、図７は、本実験結果であって、図中ａがマンナンを通常（スパージャ方式）培養した電子顕微鏡写真であり、図中ｂがマンナンのマイクロバブル培養した電子顕微鏡写真である。
イ)約 １／２００の通気量で、ほぼ同量の菌体が培養されることがわかった。
ロ）最終的な培地の粘度が低い。
ハ)消泡剤が殆どいらない（リングスパージャの約１／１０）。
これらの結果は、培養装置のスケールアップ設計をした場合、コンプレッサーやポンプの小型化、或いは)消泡剤の除去工程の省略など大幅なコストダウンができる。
【実施例３】
【００３６】
図５は、ケミカルリアクター装置の基本構成を示す説明図である。
【００３７】
図５中、１は、気体を吸引し液体中に気体を加圧しながら通気・攪拌・混合・移送を同時におこない、液体中に気体を多量に含有させた高濃度ガス溶解液に調製する渦流ポンプであり、２は、渦流ポンプと連通しておりマイクロバブルを含有した高濃度ガス溶解液を収納しておく備蓄タンク、３はマイクロバブルを含有した高濃度ガス溶解液を減圧調整しながら放出して超微細気泡を発生供給するように構成した処理槽である。前記備蓄タンク２にはそのタンク内の圧力を一定に保つように余剰ガス抜きバルブ４を設けるとともに、前記備蓄タンク２と処理槽３との連通路には減圧調整放出弁５を設けてある。尚、図中６は気体吸込用導管であり、その基端側には、逆止弁７を介して風量計８が設けられていて、前記渦流ポンプ1が吸込む気体を供給できるようになっており、その気体吸込用導管６の途中には気体吸込調整用の電磁弁９が設けられている。また、前記備蓄タンク２と処理槽３との連通路には原水供給管１０が連結されている。また、処理槽３の仕上げ水槽３ｆから渦流ポンプ２への循環通路１１が設けられており、その途中には、圧力調整弁１２と負圧計１３が配設されている。尚、渦流ポンプ１は、前記図１に示した通りの構成をしたものを用いている。
【００３８】
即ち、上記のように基本構成されたリアクター装置は、前記渦流ポンプ１によって気体を液体中に通気混入して、当該気体を高濃度に溶解した高濃度ガス溶解液となす。それを備蓄タンク２内に収納し、当該備蓄タンク２では必要に応じて前記余剰ガス抜きバルブ４から余剰ガスを抜いて、当該備蓄タンク２内の圧力を一定に保ち、これによって高濃度ガス溶解液の状態を維持しながら備蓄しておき、これを減圧調整放出弁５の操作をして、処理槽３内の原水中に高濃度ガス溶解液を減圧調整しながら放出供給して、過飽和となったガスがマイクロメートルサイズの微細な気泡となって原水中に現れるようにしたことを特徴とする装置である。
【実施例４】
【００３９】
第５発明のバイオリアクターは、図６に示すように、気体を吸引し液体中に気体を加圧しながら通気・攪拌・混合・移送を同時におこない、液体中に気体を多量に含有させた高濃度ガス溶解液に調製する渦流ポンプ１と、これと連通し当該渦流ポンプが調製した高濃度ガス溶解液を収納しておく備蓄タンク２と、当該備蓄タンク２と連通し高濃度ガス溶解液を減圧調整しながら放出して培養液中にマイクロバブルを発生供給するように構成した微生物培養槽３ａとからなり、前記備蓄タンク２にはそのタンク２内の圧力を一定に保つための余剰ガス抜きバルブ４を設けるとともに、前記備蓄タンク２と微生物培養槽３ａとの連通路には減圧調整放出弁５を設けておく。
【００４０】
前記渦流ポンプ１を作動させて調製した高濃度ガス溶解液を備蓄タンク２内に収納し、前記余剰ガス抜きバルブ４から余剰ガスを抜いて当該備蓄タンク２内の圧力を一定に保つことによって、高濃度ガス溶解液の状態を維持しながら備蓄しておき、減圧調整放出弁５の操作をして微生物培養槽３ａ内の培養液中に高濃度ガス溶解液を減圧調整しながら放出供給して、過飽和となったガスがマイクロメートルサイズの微細な気泡となって培養液中に現れるように構成して、バイオリアクターと成したものである。
【００４１】
【産業上の利用可能性】
【００４２】
叙上のように本発明は、超微細気泡の特性を利用するリアクター装置に関するもので、高効率なバイオリアクター装置及びケミカルリアクター装置を具現化したものであり、バイオ反応処理、ケミカル反応処理による生体の培養技術やバイオ処理生産技術、化学的処理技術などを向上する点で広い産業上の分野での利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】高濃度ガス溶解液調製する渦流ポンプの構成を示す断面説明図である。
【図２】実施例１におけるマイクロバブルの総括物質移動容量係数ｋLａの測定結果を示す表である。
【図３】実施例２のマイクロバブル培養実験における培地成分を示す表である。
【図４】実施例２のマイクロバブル培養実験結果として出来た菌体重量を示すグラフである。
【図５】第４発明に係るケミカルリアクター装置の一実施例を示す説明図である。
【図６】第5発明に係るバイオリアクター装置の一実施例を示す説明図である。
【図７】マンナンを通常（スパージャ方式）培養した場合とマイクロバブル培養した場合の電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００４４】
１：渦流ポンプ
２：備蓄タンク
３：処理槽
３ｆ：仕上槽
４：余剰ガス抜きバルブ
５：減圧調整放出弁
６：気体吸込用導管
７：逆止弁
８：風量計
９：気体吸込調整用電磁弁
１０：原水供給管
１１：渦流ポンプへの循環通路
１２：圧力調整弁
１３：負圧計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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