(57)【要約】【課題】低せん断応力で気泡の均一分散が可能な攪拌槽を提供する。【解決手段】攪拌装置３は、軸部４と軸部４の先端に一体に設けられた翼部５とからなり、軸部４から翼部５にわたってガスを通す通気路６が形成された攪拌翼７と、攪拌翼７を回転させる回転手段８と、通気路６にガスを供給するガス供給手段９と、を備え、翼部５は、通気路６からのガスを液体Ｓ中に吹き出す複数の吹出口１２が軸部４の半径方向に沿って形成された本体部１３を有し、本体部１３は、その少なくとも回転方向前方の面が、下方から上方にかけて回転方向後方に傾斜した傾斜面１４に形成される。【選択図】図１
2013063362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体が貯留される混合槽と、該混合槽に貯留される前記液体中にガスを吹き込みつつ前記液体を攪拌し、前記ガスを前記液体中に溶解させる攪拌装置と、を備えた攪拌槽において、
前記攪拌装置は、軸部と該軸部の先端に一体に設けられた翼部とからなり、前記軸部から前記翼部にわたって前記ガスを通す通気路が形成された攪拌翼と、該攪拌翼を回転させる回転手段と、前記通気路に前記ガスを供給するガス供給手段と、を備え、
前記翼部は、前記通気路からの前記ガスを前記液体中に吹き出す複数の吹出口が前記軸部の半径方向に沿って形成された本体部を有し、
前記本体部は、その少なくとも回転方向前方の面が、下方から上方にかけて回転方向後方に傾斜した傾斜面に形成される
ことを特徴とする攪拌槽。
【請求項２】
前記本体部は、断面視で、上方から下方にかけて幅が広がる台形状に形成される
請求項１記載の攪拌槽。
【請求項３】
前記翼部は、円盤状に形成された支持部を有し、
前記本体部は、前記支持部の上面に、前記支持部の半径方向に沿って形成された凸状のリブからなる
請求項１または２記載の攪拌槽。
【請求項４】
前記支持部の内部に、前記軸部から供給された前記ガスを一時的に貯留するチャンバを形成した
請求項３記載の攪拌槽。
【請求項５】
前記支持部は、その外径が、前記混合槽の内径の０．５〜０．８倍に形成される
請求項３または４記載の攪拌槽。
【請求項６】
前記傾斜面の傾斜角度が、４５度以下である
請求項１〜５いずれかに記載の攪拌槽。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細胞培養槽、曝気槽、バイオリアクタ等として用いられる攪拌槽に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
攪拌槽として、液体が貯留される混合槽と、混合槽に貯留される液体中にガス（例えば酸素）を吹き込みつつ液体を攪拌し、ガスを液体中に溶解させる攪拌装置（通気装置）と、を備えたものが知られている。
【０００３】
攪拌装置としては、混合槽の底部にエアストーン、リングスパージャなどを設置し、混合槽内に気泡を吹き込みつつ攪拌翼で混合槽内の液体を攪拌するよう構成されたものが一般的である。
【０００４】
しかし、このような従来の攪拌槽では、混合槽内に設ける攪拌翼の寸法に限りがあるため、混合槽内の気泡の分布及び溶存気体の分布が不均一となってしまう問題があった。特に混合槽の内壁の近傍では、気泡はほとんど存在しない場合があった。
【０００５】
そこで、特許文献１では、攪拌翼の端縁部にガスを給気する給気口を設け、翼端で生じる強いせん断流れを利用して気泡を微細化することにより、気泡を均一分散させる攪拌装置が開示されている。
【０００６】
特許文献２では、内部に気体導通路が形成された断面矩形状の攪拌翼の上部に、その回転軸の半径方向に沿って気体吹出し孔を設けた攪拌装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−４１８９６号公報
【特許文献２】実開平１−１５１８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１では、気泡を均一に分散させるためには攪拌翼の回転速度を増加する必要があり、回転速度の増加に伴い、攪拌翼の回転によりせん断応力が増大してしまうという問題がある。さらに、攪拌翼内の通気構造の加工が困難であるため、製造コストが高くなってしまうという問題もある。
【０００９】
特許文献２では、比較的低い回転速度で気泡を均一に分散させることが可能であるが、攪拌翼の断面形状が矩形状であるために、攪拌翼を回転させた際のせん断応力が大きくなってしまう問題がある。
【００１０】
攪拌槽を細胞培養槽、曝気槽、バイオリアクタ等として用いる場合、せん断応力が大きくなると、混合槽内の液体に混入させている物体の損壊が増加してしまう。特に細胞培養やバイオリアクタ等、生物培養対象に攪拌槽を用いる場合、せん断応力の増減と培養物の生存率・生産率には緊密な関連があることが知られており、出来る限りせん断応力を低くすることが望まれる。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、低せん断応力で気泡の均一分散が可能な攪拌槽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】
【００１２】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、液体が貯留される混合槽と、該混合槽に貯留される前記液体中にガスを吹き込みつつ前記液体を攪拌し、前記ガスを前記液体中に溶解させる攪拌装置と、を備えた攪拌槽において、前記攪拌装置は、軸部と該軸部の先端に一体に設けられた翼部とからなり、前記軸部から前記翼部にわたって前記ガスを通す通気路が形成された攪拌翼と、該攪拌翼を回転させる回転手段と、前記通気路に前記ガスを供給するガス供給手段と、を備え、前記翼部は、前記通気路からの前記ガスを前記液体中に吹き出す複数の吹出口が前記軸部の半径方向に沿って形成された本体部を有し、前記本体部は、その少なくとも回転方向前方の面が、下方から上方にかけて回転方向後方に傾斜した傾斜面に形成される攪拌槽である。
【００１３】
前記本体部は、断面視で、上方から下方にかけて幅が広がる台形状に形成されてもよい。
【００１４】
前記翼部は、円盤状に形成された支持部を有し、前記本体部は、前記支持部の上面に、前記支持部の半径方向に沿って形成された凸状のリブからなってもよい。
【００１５】
前記支持部の内部に、前記軸部から供給された前記ガスを一時的に貯留するチャンバを形成してもよい。
【００１６】
前記支持部は、その外径が、前記混合槽の内径の０．５〜０．８倍に形成されてもよい。
【００１７】
前記傾斜面の傾斜角度が、４５度以下であってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、低せん断応力で気泡の均一分散が可能な攪拌槽を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る攪拌槽を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は攪拌翼の斜視図である。
【図２】図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１の攪拌槽において、軸部の上部の構造を示す拡大図である。
【図４】本発明において、本体部近傍のせん断応力の分布の解析結果を示す図であり、（ａ）は本体部を断面視で矩形状に形成した場合、（ｂ）は本体部を断面視で台形状に形成した場合を示す図である。
【図５】図１（ｂ）の攪拌翼の一変形例を示す斜視図である。
【図６】図１（ｂ）の攪拌翼の一変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２１】
図１は、本実施の形態に係る攪拌槽を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は攪拌翼の斜視図である。また、図２は、図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００２２】
図１，２に示すように、攪拌槽１は、液体Ｓが貯留される混合槽２と、混合槽２に貯留される液体Ｓ中にガスを吹き込みつつ液体Ｓを攪拌し、ガスを液体Ｓ中に溶解させる攪拌装置３と、を備えている。
【００２３】
攪拌槽１は、例えば、細胞培養槽、曝気槽、バイオリアクタ等として用いられるものである。液体Ｓは、例えば細胞等の物体を含む培養液であり、液体Ｓ中に溶解させるガスは、例えば酸素である。
【００２４】
攪拌装置３は、軸部４と、軸部４の先端（下端）に一体に設けられた翼部５とからなり、軸部４から翼部５にわたってガスを通す通気路６が形成された攪拌翼７と、軸部４の基端部（上端部）に設けられ攪拌翼７を回転させる回転手段８と、通気路６にガスを供給するガス供給手段９と、を備えている。
【００２５】
回転手段８は、例えば電動モータからなる。図３に示すように、軸部４の上端部には、回転手段８である電動モータにより駆動される歯車３１が一体に設けられており、歯車３１を介して、軸部４が回転駆動されるようになっている。
【００２６】
また、軸部４の上端部は、回転継手３２により軸支されており、ガス供給手段９からのガスは、回転継手３２を介して軸部４に導入されるようになっている。ガス供給手段９は、例えば酸素ボンベである。
【００２７】
図１，２に戻り、翼部５の下部には、軸部４と同軸に下側軸部１０が設けられ、その下側軸部１０を混合槽２の底部に設けた下側軸受１１で軸支するように構成している。このように構成することで、翼部５を上下から軸支することができ、翼部５の振動を抑え、攪拌翼７を安定して回転させることが可能となる。なお、下側軸部１０と下側軸受１１は必須ではなく、省略可能である。
【００２８】
さて、本実施の形態に係る攪拌槽１では、翼部５は、通気路６からのガスを液体Ｓ中に吹き出す複数の吹出口１２が軸部４の半径方向に沿って形成された本体部１３を有し、本体部１３は、その少なくとも回転方向前方の面が、下方から上方にかけて回転方向後方に傾斜した傾斜面１４に形成される。
【００２９】
本実施の形態では、回転方向前方の面と、回転方向後方の面の両方を傾斜面１４とし、本体部１３を、断面視で、上方から下方にかけて幅が広がる台形状に形成した。本体部１３の内部には、通気路６の一部であり、吹出口１２と連通した中空部１５が形成されている。
【００３０】
傾斜面１４の傾斜角度（翼部５が回転する面に対する角度、ここでは翼部５が水平面に沿って回転するので、水平面に対する角度）θは、４５度以下であることが望ましい。これは、傾斜角度θが小さいほど、攪拌翼７を回転させた際に翼部５で発生するせん断応力を低くすることができるためである。ただし、傾斜角度θを小さくしすぎると攪拌効果が低下し、また製造が困難となるため、これらの点を考慮して傾斜角度θを決定するとよい。
【００３１】
吹出口１２は、本体部１３の軸部４側の端部から軸部４と反対側の端部にかけて、軸部４の半径方向に沿って等間隔に形成されており、軸部４の半径方向において均一にガスを供給できるように構成されている。このように構成することで、混合槽２の内壁の近傍でもガスを供給することが可能となり、混合槽２内の気泡や溶存気体の分布を均一に近づけることが可能になる。
【００３２】
また、本実施の形態では、断面視で台形状の本体部１３を、軸部４を中心として放射状に延びるように、軸部４の周方向を４等分する位置（軸部４の中心軸に対して９０度回転対称の位置）に配置し、全体として略十字状となるように本体部１３を形成した。ただし、これに限らず、軸部４の周方向を何等分する位置に本体部１３を設けるかは、適宜設定可能である。
【００３３】
さらに、本実施の形態では、翼部５が、円盤状に形成された支持部１６を有しており、本体部１３を、支持部１６の上面に、支持部１６の半径方向に沿って形成された凸状のリブで形成し、翼部５を所謂パルセータ型とした。つまり、ここでは、本体部１３を、支持部１６と一体に形成した。
【００３４】
支持部１６の内部には、軸部４の通気路６と、本体部１３の通気路６（中空部１５）間に介在するように設けられ、軸部４から供給されたガスを一時的に貯留するチャンバ１７が形成される。チャンバ１７を形成しない場合、例えばガスの供給圧力が不安定なときには、吹出口１２から吹き出すガス量が大きく変動してしまうが、チャンバ１７を形成することにより、チャンバ１７がガスを一次貯留するバッファとしての役割を果たし、吹出口１２から液体Ｓ中にガスを安定して吹き出すことが可能となる。せん断応力の発生に寄与しない支持部１６にチャンバ１７を形成することで、大容量のチャンバ１７を形成することが可能となり、より安定したガス供給が可能になる。なお、チャンバ１７の容積、および吹出口１２の数や径は、要求されるガスの供給量等に応じて適宜設定すればよい。
【００３５】
本実施の形態では、本体部１３の下面全体を開放して、中空部１５とチャンバ１７を連通させているが、本体部１３の下面の全体でなく一部のみを開放して、その開放部を介して中空部１５とチャンバ１７を連通させてもよい。
【００３６】
支持部１６の外径（つまり本体部１３全体の半径方向に沿った長さ）は、混合槽２の内径の０．５〜０．８倍に形成されることが望ましい。これは、支持部１６の外径が混合槽２の内径の０．５倍未満であると、吹出口１２から混合槽２の内壁までの距離が長くなって気泡を均一分散させることが困難となり、０．８倍を超えると、攪拌翼７を回転駆動させる際の駆動エネルギが無駄に大きくなってしまうためである。なお、従来よりバイオリアクタに一般に使用されているタービン式攪拌翼の直径は、混合槽２の内径の０．３〜０．５倍程度であり、本発明で用いる攪拌翼７は従来と比較してかなり大型であるといえる。
【００３７】
本実施の形態の作用を説明する。
【００３８】
本実施の形態に係る攪拌槽１では、攪拌翼７の翼部５が、吹出口１２が軸部４の半径方向に沿って形成された本体部１３を有しており、本体部１３は、その少なくとも回転方向前方の面が、下方から上方にかけて回転方向後方に傾斜した傾斜面１４に形成されている。
【００３９】
吹出口１２を軸部４の半径方向に沿って形成することにより、比較的低い回転速度で気泡を均一分散させ、混合槽２内の気泡や溶存気体の分布を均一とすることが可能となる。また、本体部１３の回転方向前方の面を傾斜面１４に形成することにより、翼部５を回転させた際の液体Ｓの流れを平滑とし、翼部５に発生するせん断応力を低くすることが可能となる。つまり、本発明によれば、低せん断応力で気泡の均一分散が可能な攪拌槽１を実現できる。さらには、本発明の攪拌槽１で用いる翼部５は構造が簡単であるため、製造コストも抑制できる。
【００４０】
ここで、本体部１３近傍のせん断応力の分布の解析を行った結果を説明する。
【００４１】
図４（ａ）は、本体部を断面視で矩形状（１０ｍｍ×１０ｍｍ）に形成した場合（従来例）、図４（ｂ）は、本体部１３を断面視で台形状（上辺１０ｍｍ、下辺３０ｍｍ、傾斜角度θ＝４５°）に形成した場合（本発明）のせん断応力の分布の解析結果を示す図である。液体Ｓの流れは図示左側から右側（回転方向は図示右側から左側）であり、液体Ｓの流速は０．５ｍ／ｓ（約５０ｒｐｍ相当）とした。
【００４２】
図４（ａ），（ｂ）に示すように、回転方向前方の面を傾斜面１４とすることにより、せん断応力を低くすることが可能であり、この場合、最大せん断応力が０．６３Ｐａから０．５０Ｐａに、最大歪み速度が約６３０（１／ｓ）から５００（１／ｓ）に低下することが確認できた。
【００４３】
なお、本体部１３の回転方向前方の面のみならず、回転方向後方の面も傾斜面１４に形成し、本体部１３を断面視で台形状に形成することで、本体部１３の回転方向後方にて剥離渦や回り込み渦が発生してしまうことを抑制でき、さらなる低せん断応力を実現することが可能となる。
【００４４】
また、円盤状に形成された支持部１６を備え、本体部１３を、支持部１６の上面に形成された凸状のリブで形成することにより、本体部１３の機械的な強度を支持部１６で補強し、本体部１３を小型化（つまり細長く）することが可能になる。よって、大型の混合槽２に適用する場合でも、本体部１３を小型とし、低せん断応力で気泡の均一分散が可能な攪拌槽１を実現できる。
【００４５】
さらに、支持部１６の内部に、軸部４から供給されたガスを一時的に貯留するチャンバ１７を形成することにより、チャンバ１７がバッファの役割を果たし、吹出口１２から液体Ｓ中にガスを安定して吹き出すことが可能になる。
【００４６】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【００４７】
例えば、上記実施の形態では、傾斜面１４を平面状（断面視で直線状）に形成する場合を示したが、傾斜面１４は、曲面状（断面視で曲線状）に形成しても構わない。
【００４８】
また、上記実施の形態では、軸部４を介して翼部５の上方からガスを供給する場合を説明したが、これに限らず、下側軸部１０を介して翼部５の下方からガスを供給することも可能である。
【００４９】
さらに、上記実施の形態では、本体部１３を支持部１６と一体に形成したが、図５に示すように、本体部１３を支持部１６に対して着脱可能に構成することも可能である。
【００５０】
この場合、本体部１３の下部にフランジ５１を設けると共に、支持部１６にフランジ５１を収容する溝５２を設け、フランジ５１を溝５２に収容した状態でフランジ５１をボルト等で支持部１６に固定することで、本体部１３を支持部１６に固定するよう構成すればよい。また、溝５２にチャンバ１７と連通する貫通孔５３を形成すると共に、フランジ５１に中空部１５に連通する貫通孔（図示せず）を形成し、本体部１３を支持部１６に固定した際に、チャンバ１７と中空部１５とが両貫通孔を介して連通するように構成すればよい。
【００５１】
このように構成することで、吹出口１２の数や径等が異なる本体部１３を複数用意しておけば、用途に応じて使用する本体部１３を適宜選択することが可能となり、汎用性を向上させることができる。
【００５２】
さらにまた、図６に示すように、支持部１６を省略することも可能である。この場合、軸部４の通気路６は、本体部１３の中空部１５に直接接続されることになる。
【符号の説明】
【００５３】
１  攪拌槽
２  混合槽
３  攪拌装置
４  軸部
５  翼部
６  通気路
７  攪拌翼
８  回転手段
９  ガス供給手段
１０  下側軸部
１１  下側軸受
１２  吹出口
１３  本体部
１４  傾斜面
１５  中空部
１６  支持部
１７  チャンバ
【図１】
2013063362.tif 000003
【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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