(57)【要約】【課題】成分調整前の液体に成分調整用気体を吸収させて気液交換を行う気液交換装置において、液体に対する気体の過飽和状態を防止しつつその必要十分量の気液交換は確保できるようにする。【解決手段】内部に閉鎖状態とされた合流室１５が形成された気液合流容器１６と、これを液体槽１３へ連通接続させる気液搬送管２０とを有し、合流室１５に、液体を点滴状に滴下させる液滴発生部１０と、気体を導入させる気体導入部１１と、液滴１４及び気体を交互に回収する液滴回収部１２とが設けられたものとした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体供給部（２）からの液体及び気体供給部（３）からの気体を受け入れる気液合流容器（１６）と、この気液合流容器（１６）を液体槽（１３）へ連通接続させる気液搬送管（２０）とを有しており、上記気液合流容器（１６）の内部には、液体供給部（２）によって供給される液体を点滴状に滴下させる液滴発生部（１０）と、気体供給部（３）によって供給される気体を導入させる気体導入部（１１）と、上記液滴発生部（１０）から滴下される液滴（１４）及び上記気体導入部（１１）から導入される気体を交互に回収する液滴回収部（１２）とが設けられていると共に、これら液滴発生部（１０）、気体導入部（１１）、及び液滴回収部（１２）が設けられる以外は閉鎖状態とされた合流室（１５）が形成されていることを特徴とする気液交換装置。
【請求項２】
前記液滴発生部（１０）は、気液合流容器（１６）の上部から内部の合流室（１５）へ向けて差し込まれて下端部（１７ａ）が宙に浮いた状態とされたノズル（１７）を有しており、前記気体導入部（１１）は、気液合流容器（１６）の側部から内部の合流室（１５）へ向けて差し込まれた気体供給管（１８）を有しており、この気体供給管（１８）の先端が液滴発生部（１０）のノズル（１７）側面に面する位置付けとされていることを特徴とする請求項１記載の気液交換装置。
【請求項３】
気体搬送管（２０）が連通接続されている以外は閉鎖状態とされた合流室（１５）に対し予め気体の供給状態を保持させておき、この合流室（１５）に対し液体を点滴状に滴下する状態で供給させ、滴下後の液滴（１４）を上記気液搬送管（２０）へ導いて液体槽（１３）へ搬送させ、この搬送過程で気体搬送管（２０）内において液滴（１４）と気体との脈送り的な交互搬送状態を生じさせ、しかる後、気液搬送管（２０）から吐出される液滴（１４）を液体槽（１３）内へ溜めると共に気体は排気することを特徴とする気液交換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液交換により液体への酸素の溶解、或いは成分調整（ｐＨ調整など）を行う場合等に使用可能な気液交換装置及び気液交換方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
組織培養などを行うためのシステムでは、そのシステム中で液体（ここでは培養液）の成分調整をし、液体へ酸素を溶解させたりｐＨ値を所定値に合わせたりすることがある。この場合、最も代表的なものの一つにバブリング方式の採用が挙げられる（例えば、特許文献１等参照）。
このバブリング方式は、例えば酸素、二酸化炭素、窒素など、成分調整に用いる気体の気体供給部（ボンベ等）に繋げられたチューブの先端に軽石状の気体噴出具を連結し、このチューブの気体噴出具側を、成分調整前の例えばＤＭＥＭやαＭＥＭなどの液体が溜められた処理槽へ沈み込ませ、上記気体供給部からの気体を、チューブ及び気体噴出具を介して処理槽中へ圧送するというものである。
【０００３】
気体が圧送された処理槽内では、液体中で気体が小さな気泡となって噴出することになる。このようにして液体中に噴出された気泡は、その気泡全表面が液体により加圧接触された状態となるので迅速且つ高効率で液中へと吸収されてゆく。すなわち気液交換されることになる。
【特許文献１】特開平６−９８７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
バブリング方式を採用したものでは、成分調整用気体が液体中に小さな気泡として噴出されることで、むしろ、この気体（気泡）と液体との接触面積が必要以上に過大となり、その結果、液体に対して成分調整用気体が吸収されすぎるという不都合が起こっていた。すなわち、このような気液交換によって成分調整された液体は、成分調整用気体が過飽和状態になってしまっていることがあった。
このように成分調整用気体が過飽和状態になっている液体は、その後の各種処理過程や移送過程において気体成分を原因とする泡の発生に繋がり、種々の弊害を招来することになっていた。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、成分調整前の液体に成分調整用気体を吸収させて気液交換を行うに際し、液体に対する気体の過飽和状態を防止しつつその必要十分量の気液交換は確保できるようにした気液交換装置及び気液交換方法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】
前記目的を達成するために、本発明は次の手段を講じた。
即ち、本発明に係る気液交換装置１は、互いに連通接続される気液合流容器１６と気液搬送管２０とを有している。気液合流容器１６には、液体供給部２から液体が供給されるようになっていると共に、気体供給部３から気体が供給されるようになっている。また気液搬送管２０では、この気液合流容器１６から液体槽１３へ向けて液体及び気体を搬送できるようになっている。
気液合流容器１６の内部には閉鎖状態とされた合流室１５が形成されている。ただ閉鎖状態であるといっても、この合流室１５には、上記したように液体供給部２によって供給される液体の入り口としての液滴発生部１０と、気体供給部３によって供給される気体の入り口としての気体導入部１１と、気液搬送管２０へ向けた出口としての液滴回収部１２とが設けられている。
【０００７】
液滴発生部１０は液体を点滴状に滴下させることができるようになっている。液滴回収部１２は、液滴発生部１０から滴下される液滴１４を回収することができるだけでなく、この液滴１４が滴下していないときには、当然に、気体導入部１１から引き込まれる気体を回収することもできる。
このような構成の気液交換装置１では、液体供給部２から気液合流容器１６の合流室１５内へ供給された液体が液滴発生部１０によって点滴状の液滴１４とされる。この液滴１４は液滴回収部１２によって回収され、気液搬送管２０を経て液体槽１３へと送られることになるが、合流室１５への供給状態が点滴状とされていることから、気液搬送管２０内では液滴１４と液滴１４との相互間が離れた脈送り的な搬送状態になる。そして、この液滴１４と液滴１４との相互間には、合流室１５内へ供給された気体が挟まれるかたちになっている。
【０００８】
気液搬送管２０内において、上記したように個々の液滴１４は独立した塊を維持するようになるため、各液滴１４には管路摩擦による攪拌作用が常時付与されることになる。しかも、液滴１４と液滴１４との間に気体が挟まれることで、各液滴１４には気体が適度な圧縮状態となって押し付けられている。従って、液滴１４において気体に面した臨界面は常に刷新され、この臨界面で液滴１４に対する気体の吸収が促進される。このとき、液滴１４の気体に面した臨界面の面積は、気液搬送管２０の内径によって適度に小さく制限されていることになるので、気体の吸収を適度に抑えられ過飽和には繋がらない。
【０００９】
液滴発生部１０は、気液合流容器１６の上部から内部合流室１５へ向けて差し込まれて下端部１７ａが宙に浮いた状態とされたノズル１７を有したものとし、また気体導入部１１は、気液合流容器１６の側部から内部の合流室１５へ向けて差し込まれた気体供給管１８を有したものとして、且つこの気体供給管１８の先端が液滴発生部１０のノズル１７側面に面する位置付けとさせるのが好適である。
このようにすることで、気体供給管１８から気液合流容器１６の合流室１５内へ吹き出された気体がノズル１７から滴下する液滴１４に直接に当たるようになるのを防止できる。そのため、液滴１４が合流室１５の内壁面にぶち当たり、破裂したりこの内壁面に沿って流下したりするのを防止できることになる。すなわち、気液搬送管２０に回収される各液滴１４の体積（液量）を確保し、その表面積（気体との接触面積）を略一定に保つことができる。そのため、各液滴１４に対する気液交換率（吸収気体量）を略一定化できることになる。
【００１０】
一方、本発明に係る気液交換方法は、気体搬送管２０が連通接続されている以外は閉鎖状態とされた合流室１５に対し、予め、気体の供給状態を保持させておく。そして、この合流室１５に対し、液体を点滴状に滴下する状態で供給させる。これにより、滴下後の液滴１４を上記気液搬送管２０へ導いて液体槽１３へ搬送させる。この搬送過程で気体搬送管２０内において液滴１４と気体との脈送り的な交互搬送状態を生じさせる。しかる後、気液搬送管２０から吐出される液滴１４を液体槽１３内へ溜めると共に、気体は排気する。
【００１１】
このようにして液体槽１３内に溜めた液体は気液交換が終了したものであり、また余剰の気体は除去（排気）されたものであるので、次工程へ供給することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る気液交換装置及び気液交換方法では、成分調整前の液体に成分調整用気体を吸収させて気液交換を行うに際して、液体に対する気体の過飽和状態を防止しつつ、そのうえで必要十分量の気液交換ができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る気液交換装置１の一実施形態を示している。この気液交換装置１は、その使用時には成分調整前の液体を蓄えたタンクや槽又はこれらに繋がる配管などの液体供給部２と接続されて、これから液体の供給を受けるようになっている。またこの気液交換装置１は、その使用時には成分調整用の気体を蓄えたボンベ又はこれに繋がる配管などの気体供給部３と接続されて、これから気体の供給を受けるようになっている。また更にこの気液交換装置１は、その使用時には液体槽１３と接続されて、気液交換が済んだ後の液体を次工程での使用に向けて供給準備するようになっている。
【００１４】
本実施形態では組織培養を行うためのシステムに適用するものとした。そのため、液体供給部２が供給する液体はＤＭＥＭやαＭＥＭなどの培養液であり、また気体供給部３が供給する気体は酸素、二酸化炭素、窒素などであって、これらの気液交換により液体へ酸素を溶解させたりｐＨ調整をしたりするためのものとしてある。
この気液交換装置１は、液体供給部２からの液体及び気体供給部３からの気体を受け入れる気液合流容器１６と、この気液合流容器１６を液体槽１３へ連通接続させる気液搬送管２０とを有している。
【００１５】
気液合流容器１６の内部には合流室１５が形成されている。この合流室１５には、液体供給部２と相互連通する液滴発生部１０が設けられ、また気体供給部３と相互連通する気体導入部１１が設けられている。この合流室１５には更に、液体槽１３と相互連通する液滴回収部１２が設けられている。この合流室１５は、これら液滴発生部１０、気体導入部１１、及び液滴回収部１２が設けられている以外は、閉鎖状態にある。
液滴発生部１０は、液体供給部２から供給される液体を液滴１４にしつつ点滴状態で滴下させるところである。この液滴発生部１０は、気液合流容器１６の上端部から内部の合流室１５内へ向けてノズル１７が下向きに差し込まれることによって形成されている。ノズル１７の下端部１７ａは合流室１５内で宙に浮いた状態とされている。このノズル１７から合流室１５内で滴下される液滴１４は、表面張力を伴って球形になろうとするために粒径（液量）が統一される。
【００１６】
なお本実施形態において、この気液合流容器１６は上下方向に長細く形成されたものとし、その上下方向の中間あたりにノズル１７の下端部１７ａが位置付けられるようにしてある。
気体導入部１１は、気体供給部３から供給される気体を導入するところである。この気体導入部１１は、上記した気液合流容器１６の側面部から内部の合流室１５内へ向けて気体供給管１８が横向きに接続されることによって形成されている。
気体供給管１８の先端１８ａは、好ましくは液滴発生部１０のノズル１７に対してその側面に面するように位置付けられている。この位置付けにすると、気体供給管１８から気液合流容器１６の合流室１５内へ吹き出された気体がノズル１７から滴下する液滴１４に直接に当たるようになるのを防止できる。そのため、液滴１４が合流室１５の内壁面にぶち当てられて破裂したりこの内壁面に沿って流下したりするのを防止できることになる。すなわち、各液滴１４の体積（液量）を略一定化できることになる。
【００１７】
液滴回収部１２は、液滴発生部１０から滴下される液滴１４と、気体導入部１１から導入される気体とを交互に回収するところである。この液的回収部１２は、上記した気液合流容器１６の下端部から合流室１５外へ向けて気液搬送管２０が下向きに接続されることによって形成されている。
気液搬送管２０には例えば可撓性を有したチューブなどが用いられている。勿論、硬質管でもよい。この気液搬送管２０は、その長さを十分長くとるのが好適とされ、またその管内径は、液滴１４がその表面張力によって塊になるときの直径を上限の目安とすればよい。この目安よりも管内径が大きすぎると液滴１４が塊にならないことを原因として、気液交換の効果が薄れるおそれがある。
【００１８】
液体槽１３は、液滴回収部１２で回収され気液搬送管２０によって搬送された液滴１４（気液交換によって成分調整が済んだ液体）を溜めて、元の液体状態で暫時的に貯留すると共に、気液交換に関して余剰となった気体を液体とは分離し、排気するところである。この液体槽１３には吐出部２１が設けられ、この吐出部２１からポンプ２２等を介すか又は介さないで気液交換後（成分調整後）の液体が所定の供給先へと送り出されるようになっている。
また、この液体槽１３には排気部２３が設けられており、この排気部２３が、気液搬送管２０から液滴１４と液滴１４との相互間に挟まれた状態で液体槽１３へ吐き出される気体（この気体は気液交換には使われなかった余剰の気体である）を排気するために用いられる。排気先は大気解放としてもよいし、気体供給部３へ戻すようにしてもよい。
【００１９】
次に、この気液交換装置１を用いる場合に基づいて、本発明に係る気液交換方法を説明する。
まず気体供給部３から気液合流容器１６へ気体を供給する。これで気液合流容器１６の合流室１５では、気体導入部１１の気体供給管１８を介してその先端１８ａから気体が噴出され、合流室１５が気体で充満する。この状態で液体供給部２から気液合流容器１６へ液体を供給する。これで気液合流容器１６の合流室１５内では、液滴発生部１０のノズル１７を介してその下端部１７ａから液体が液滴１４として点滴状に滴下する。
【００２０】
なお、このとき気体供給部３から気液合流容器１６へ向けた気体の供給流量は、液体供給部２から気液合流容器１６へ向けた液体の供給流量を基準において設定するが、この液体の供給流量は、液体の粘度や液滴発生部１０のノズル１７の内径、液体供給圧などによって液滴１４を生じさせるための諸条件（液量及び滴下速度）を満たす観点で決定されることになる。
気液搬送管２０の管内径には、上記したように液滴１４が気液搬送管２０内で塊を維持して搬送されるようにするための条件が与えられている。そのため、この気液搬送管２０の管内径を考慮したうえで、液滴１４に必要とされる気体の量（気液搬送管２０内において液滴１４と液滴１４との間に挟まれる気体の量）が決定でき、これに基づいて気体供給部３から気液合流容器１６へ向けた気体の供給流量を決定できることになるのである。
【００２１】
気液合流容器１６の合流室１５を上記のような気体及び液体の供給状態におくと、液滴発生部１０から滴下された液滴１４が順次、液滴回収部１２によって回収され、気液搬送管２０を経て液体槽１３へと送られることになるが、合流室１５への供給状態が点滴状とされていることから、気液搬送管２０内では液滴１４と液滴１４との相互間が離れた脈送り的な搬送状態になる。そして、この液滴１４と液滴１４との相互間には、合流室１５内へ供給された気体が挟まれるかたちになっている。換言すれば、各液滴１４が気体で挟まれることによって独立した塊を維持するようになっている。
【００２２】
このように、気液搬送管２０内において独立した塊とされた各液滴１４には、管路摩擦による攪拌作用が常時付与されることになる。しかも、液滴１４と液滴１４との間に気体が挟まれることで、各液滴１４には気体が適度な圧縮状態で押し付けられる状態が得られる。従って、液滴１４において気体に面した臨界面は常に刷新され、この臨界面で液滴１４に対する気体の吸収が促進される。すなわち、気液交換が行われることになる。
このとき、液滴１４の気体に面した臨界面の面積は、気液搬送管２０の内径によって適度に小さく制限されていることになるので、気体の吸収は適度に抑えられ、液滴１４が気体の過飽和状態に陥ることはない。従って、液体の成分調整（ｐＨ調整など）は適切に進行されることになる。
【００２３】
このようにして気液交換された液滴１４は気液搬送管２０から液体槽１３へと吐き出され、この液体槽１３で溜められることになる。気液交換には使われなかった余剰の気体は、この液体槽１３から排気部２３を介して排気され、気液交換後の液体と分離されるので、その後、気液交換後の液体が気体を吸収して過飽和になることはない。この液体槽１３に貯留された液体はその後、必要に応じて次工程へと供給される。
ところで、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施の形態に応じて適宜変更可能である。勿論、用途的にも組織培養装置などでの使用が限定されるものではなく、例えば魚の飼育など酸素の溶解を必要とする場合の水循環に適用する場合をはじめとして、液体に気体を吸収させる場合において高い汎用性を有している。
【００２４】
気液合流容器１６の構造、形状、材質、大きさ等は、対象とする液体や気体の成分、流量等に応じて適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る気液交換装置の一実施形態を示した側断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  気液交換装置
１０  液滴発生部
１１  気体供給部
１２  液滴回収部
１３  液体槽
１４  液滴
１５  合流室
１６  気液合流容器
１７  ノズル
１７ａ  ノズルの下端部
１８  気体供給管
２０  気液搬送管
【図１】
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