ガス供給装置
【課題】バイオリアクタに用いられる装置であって、気相部に含まれるガス成分を、発泡を抑制しつつ少ないエネルギーで処理液中に溶け込ませることを可能とするガス供給装置を提供する。
【解決手段】液体中にガスを溶存させるガス供給装置１Ａであって、処理液Ｓを貯留する貯留槽１０と、処理液Ｓの内部に外周面の一部を除いて浸漬された撹拌器１２Ａと、撹拌器１２Ａを撹拌器１２Ａの長手方向と平行な回転軸Ｆの周りに回転させる駆動装置１４と、を有することを特徴とする。
【解決手段】液体中にガスを溶存させるガス供給装置１Ａであって、処理液Ｓを貯留する貯留槽１０と、処理液Ｓの内部に外周面の一部を除いて浸漬された撹拌器１２Ａと、撹拌器１２Ａを撹拌器１２Ａの長手方向と平行な回転軸Ｆの周りに回転させる駆動装置１４と、を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発泡を抑制しつつ反応溶液中に気体（ガス）を溶け込ませるガス供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、酵素反応や微生物を用いた生物反応等を利用して、溶液状態の原料から物質の合成や分解を行う装置、所謂バイオリアクタに関する技術が盛んに開発されている。
【０００３】
一般に生物反応は、化学反応のように高温・高圧を必要としないため省エネルギー性に優れること、反応設備を耐熱・耐圧とする必要がないこと、反応に用いる生物種に応じて副反応が少ない反応系を構築できること、などの特長を備えており、工業的に有利な点が多く注目を浴びている。他にも、好気性微生物群を主成分とする活性汚泥を用い、排水中の有機性汚濁を浄化させる設備（活性汚泥槽）が知られており、生活排水や工業排水などを処理する設備として利用されている。
【０００４】
これらのバイオリアクタであって、用いる微生物が生物反応において特定の気体を必要とするものは、用いられる原料液や排水などの反応溶液に含まれる溶存ガス成分を生物反応により消費する。例えば、好気性反応では原料液や排水に含まれる溶存酸素を消費し、メタン発酵を行う嫌気性反応では溶存二酸化炭素を消費する。生物反応を継続するためには、このように消費されるガス成分を供給する必要があるため、通常、必要とするガス成分を反応溶液中に吹き込む曝気処理によって溶存ガス濃度を高めることとしている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平７−７７９９号公報
【特許文献２】特開２００４−１４１７３０号公報
【特許文献３】特開２００２−５９１８９号公報
【特許文献４】特開平５−１７７１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記方法では反応溶液が発泡するおそれがある。このような泡は、反応に用いる微生物を巻き込んで液面に滞留し、反応溶液中での微生物の活動を阻害することがある。例えば、活性汚泥により生活排水の処理をする場面では、排水中に洗剤が含まれていることが多く、曝気処理によって液面に多量の泡が滞留する。屋外の活性汚泥施設では、液面の泡が風で飛ばされ、周囲を汚すおそれがある。
【０００７】
このような発泡を抑制するためには、反応溶液に消泡剤を添加する対策が考えられるが、泡の発生を抑制することから曝気のための泡そのものの発生も同時に抑制され、曝気効率が低下する。あるいは、消泡剤を用いることによりランニングコストが増加すること、医薬品のような有用物質生産のためのバイオリアクタでは消泡剤の使用ができないこと、など消泡剤によっては課題が解決できない、または新たな課題が生じる場合がある。
【０００８】
また、曝気によって反応溶液中に放たれた多量の気泡は、液体中を激しく流動させながら上昇するため、細胞培養に用いるバイオリアクタでは、培養している細胞が激しい液体の流動によって損傷するおそれがある。損傷した細胞は死滅することが多く、生産効率の低下につながる。
【０００９】
さらに、上記方法では、液面下にガスを供給するためにガスを加圧する必要があり、加圧のためのエネルギーが必要となる。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、バイオリアクタに用いられる装置であって、発泡を抑制しつつ少ないエネルギーで、処理液中にガスを溶け込ませることを可能とするガス供給装置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】
【００１１】
上記の課題を解決するため、本発明のガス供給装置は、液体中にガスを溶存させるガス供給装置であって、前記液体を貯留する貯留槽と、前記液体の内部に外周面の一部を除いて浸漬された筒状部材と、前記筒状部材を該筒状部材の長手方向と平行な回転軸の周りに回転させる駆動装置と、を有することを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、筒状部材が回転する際、筒状部材の表面は、液面上方のガスとの摩擦により多くのガスを巻き込みながら液体内に浸入する。あるいは、液体との摩擦によって多くの液体を液面の上方へ引き上げながら、液面上方へ露出することとなる。
【００１３】
また、筒状部材の回転により液面を波立たせると、液面では気液接触面が増えるため液体へのガス成分の溶け込みが促進される。さらに、筒状部材は内部が中空であるため、筒状部材を配設することによる貯留槽の貯留量の減少を極力抑えることができる。
【００１４】
これらの作用が合わさることにより、液体にガスを供給する効率が高くなり、液面上方のガスを加圧することなく効率的に液体に溶け込ませることが可能となる。そのため、発泡を抑制しつつ少ないエネルギーで液面上方のガスを液体中に溶け込ませることが可能なガス供給装置とすることができる。
【００１５】
本発明においては、前記回転軸が前記液体の液面と平行に設定されていることが望ましい。
この構成によれば、筒状部材が液面から長手方向で露出するため、筒状部材と液面上方のガスとが広い面積で接触する。そのため、筒状部材の表面と液面上方のガスとの摩擦が増え、液体中に効率的にガスを供給することができる。
【００１６】
本発明においては前記筒状部材の外周面には、前記筒状部材の回転方向に延在する凸条部が設けられていることが望ましい。
この構成によれば、筒状部材の外周面において表面積が増えるため、筒状部材の表面と液面上方のガスとの摩擦が増え、効率的にガスを供給することができる。
【００１７】
本発明においては、前記筒状部材の内周面の一部が、前記液体の液面から露出していることが望ましい。
この構成によれば、筒状部材の外周面に加え、内周面も液面上方のガスと接触するため、内周面が液体の液面を通過する際にも液体へのガス供給が行われ、効率的にガス供給を行うことができる。
【００１８】
本発明においては、前記筒状部材の内周面には、前記筒状部材の回転方向に延在する凸条部を有することが望ましい。
この構成によれば、筒状部材の内周面において表面積が増えるため、筒状部材の表面と液面上方のガスとの摩擦が増え、効率的にガスを供給することができる。
【００１９】
本発明においては、前記筒状部材は、前記回転軸に直交する平面による断面形状が円環であることが望ましい。
この構成によれば、筒状部材の表面の液体への浸入、および液中からの露出が滑らかな動きとなり、発泡を抑制して液体中にガスを供給することができる。
【００２０】
本発明においては、前記駆動装置は、前記筒状部材に挿通され、前記筒状部材を内部から支えて吊り下げる軸部と、前記軸部を回転させるモーターと、を有することが望ましい。
この構成によれば、筒状部材の構成を簡略化し、簡単な構成の駆動装置とすることができる。
【００２１】
本発明においては、前記軸部は、前記液体の液面の上方に配置されていることが望ましい。
この構成によれば、軸部が液面よりも上方に配置されているため、連続運転を行ったとしても軸部が液体に浸漬することにより生じ得る錆などによる劣化が抑制され、信頼性の高いガス供給装置とすることができる。
【００２２】
本発明においては、前記筒状部材は、前記筒状部材の周方向に沿って設けられた、極性が交互に反転する磁化領域を有し、前記駆動装置は、前記磁化領域に対向する電磁石を有し、前記電磁石は、通電して生じる磁界の極性が時間的に交互に反転する様に電力が供給されるが望ましい。
この構成によれば、筒状部材を回転させる駆動力がコイルから発生する磁力であり、筒状部材の駆動装置であるコイルが、液体に触れない構成とすることができる。そのため、液体に浸漬することにより生じ得る破損を抑制し、信頼性の高いガス供給装置とすることができる。
【００２３】
本発明においては前記筒状部材の回転速度を制御する制御部と、前記液体に溶存する前記ガスの濃度を測定する測定手段と、を有し、前記制御部は、前記測定手段により測定される前記ガスの濃度が所定の目標値に近づくように前記筒状部材の回転速度を制御することが望ましい。
この構成によれば、液体中のガス濃度を所望の濃度に維持することが容易となる。
【００２４】
本発明においては、前記貯留槽の底部は、前記回転軸に交差する平面による断面形状が、半円筒形状であることが望ましい。
この構成によれば、筒状部材の回転を阻害することなく、底部の端で液体の対流が停滞したり、固形物が堆積したりする箇所を無くすことができる。
【００２５】
本発明においては、前記貯留槽の上部は蓋で閉じられており、前記蓋と前記液体の液面との間の空間に、前記ガスを供給する供給手段を有することが望ましい。
この構成によれば、蓋と液体の液面との間の空間に供給されたガスの濃度を高く維持し、効率的に液体中にガスを供給することができる。例えば該空間に酸素を供給する場合、酸素濃度を大気中よりも高濃度に保つことができるため、効率良く液体に酸素を供給することができる。
【発明の効果】
【００２６】
この発明によれば、発泡を抑制しつつ少ないエネルギーで、液体中にガスを溶け込ませることを可能とするガス供給装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガス供給装置の説明図である。
【図２】第１実施形態のガス供給装置の要部を示す斜視図である。
【図３】ガス供給装置の変形例を示す説明図である。
【図４】ガス供給装置の変形例を示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るガス供給装置の説明図である。
【図６】実施例の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
［第１実施形態］
以下、図１〜図４を参照しながら、本発明の実施形態に係るガス供給装置について説明する概略断面図である。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。
【００２９】
図１，２は、本実施形態のガス供給装置の説明図であり、図１はガス供給装置１Ａについての断面図、図２はガス供給装置１Ａの要部を示す概略斜視図である。
【００３０】
図１，２に示すように、本実施形態のガス供給装置１Ａは、ガスを供給処理する対象である処理液（液体）Ｓを貯留する貯留槽１０と、自身を貫通する回転軸Ｆ回りを回転することで貯留槽１０内の処理液Ｓを撹拌する撹拌器（筒状部材）１２Ａと、撹拌器１２Ａを回転させる駆動装置１４と、を有している。
【００３１】
処理液Ｓは、生物反応によって消費される原料と、該原料を代謝する生物反応を起こす菌類などの生物や培養される動物細胞などが含まれるものである。
【００３２】
貯留槽１０は、上部１０ａに蓋がされ底部１０ｂが略半円筒形状を呈する平面視矩形の容器である。貯留槽１０の対向する側壁には貫通孔１０１，１０２が設けられており、両貫通孔を貫通して駆動装置１４の一部であるシャフト１４１が設けられている。貫通孔１０１には、処理液Ｓの原液を貯留槽１０内に供給する供給配管１６が設けられている。供給配管１６は、貯留槽１０の長手方向および短手方向の中央付近に端部が設置され、貯留槽１０の中央付近に処理液Ｓの原液を供給するように設けられている。
【００３３】
また、貫通孔１０１または貫通孔１０２からは、処理液Ｓに供給するガスが貯留槽１０内の気相部Ｇに供給される。図では、ガスを供給する供給装置（供給手段）１７が貫通孔１０１を介してガスを供給することとしている。供給するガスの種類は、処理液Ｓに供給するガスに種類に応じて種々選択することができ、例えば処理液Ｓが好気性細菌の培養に用いる培養液である場合、空気や酸素を選択することができる。本実施形態では、供給装置１７から酸素を供給することとしている。
【００３４】
貯留槽１０は上部１０ａに蓋がされているため、気相部Ｇに供給されたガス濃度を高く維持することができる。例えば処理液Ｓが好気性細菌の培養に用いる培養液である場合、気相部Ｇに酸素を供給すると、気相部Ｇの酸素濃度を大気中よりも高濃度に保つことができるため、効率良く処理液Ｓに酸素を供給することができ、細菌の培養を効率的に行うことができる。その意味において、供給するガスが空気である場合、貯留槽１０の上部１０ａに蓋は不要である。もちろん、埃などの異物混入防止のため、貯留槽１０に蓋を設けることとしても構わない。
【００３５】
貯留槽１０の底部１０ｂは、半円筒形状に設計されており、撹拌器１２Ａの回転軸Ｆに直交する方向に端部が丸くなっている。このような底部形状とすることで、底部の端で対流が停滞したり、固形物が堆積したりすることを防いでいる。もちろん、底部の形状は丸く無くても良い。
【００３６】
さらに、貯留槽１０の底部１０ｂには、貯留槽１０から処理液Ｓを排出するための排出口１０９が設けられ、排出配管１９が接続されている。排出配管１９は、貯留槽１０の底部１０ｂにおいて長手方向および短手方向の中央付近に設けられている。貯留槽１０内でガスが供給された処理液Ｓは、排出配管１９を介して下流の設備へと排出される。
【００３７】
貯留槽１０の平面視中央付近に供給された処理液の原液は、撹拌器１２Ａによって撹拌されながら撹拌器１２Ａの端部を介して、同じく貯留槽１０の平面視中央付近に設けられた排出口１０９から排出される。そのため、例えば貯留槽１０の側壁に処理液Ｓの原液の供給口が設けられている場合や、排出口１０９が側壁近くに設けられている場合と比べ、
貯留槽内の処理液は、長い流動経路を経て排出されるため、長時間に渡って撹拌器１２Ａで撹拌され、多くの酸素が供給されることとなる。
【００３８】
貯留槽内に浮遊する固形分により排出口１０９が閉塞しやすい場合など、必要に応じて排出配管１９側から処理液を流す構成としても良い。この場合、本実施形態において貯留槽１０内から処理液を排出するために用いている排出口１０９から処理液を供給することとなるため、貯留槽１０内から気体供給処理を行った処理液を排出するために、排出口１０９や排出配管１９とは別の排出口や排出配管を適宜設けると良い。
【００３９】
ガス供給装置を構成する撹拌器１２Ａは、回転軸Ｆと直交する平面での断面形状が円環である筒状の部材であり、図では両端が開口した中空の円筒状の凝集器を示している。撹拌器１２Ａは、貯留槽１０内において処理液Ｓの液面から少なくとも一部が露出し、残る部分が処理液Ｓに浸漬する状態となるように配置されている。本実施形態では、撹拌器１２Ａの外壁および内壁が処理液Ｓの液面に接するよう撹拌器１２Ａが液面から露出しているが、少なくとも外壁の一部が液面から露出していれば良い。
【００４０】
撹拌器１２Ａの回転軸Ｆは、略水平方向（貯留槽１０に貯留される処理液Ｓの液面と平行な方向）に設定されている。撹拌器１２Ａは、回転軸Ｆまわりを円周方向に回転することで、処理液Ｓと貯留槽１０の気相部Ｇとの界面を撹拌し、気相部Ｇのガスを処理液Ｓに供給する。回転軸Ｆは、水平方向から傾いて設定されていても良い。
【００４１】
回転軸Ｆに交差する方向での撹拌器１２Ａと貯留槽１０の内壁との距離は、処理液Ｓの内容によって適した距離を選択することとする。例えば、撹拌器１２Ａと貯留槽１０の内壁との隙間が狭くなるほど、当該隙間では高い剪断力が生じ激しく処理液を撹拌する。そのため、処理液Ｓ内に動物細胞が含まれ、該動物細胞を培養して増やす場合、高い剪断力によって動物細胞が損傷するおそれが生じるため、隙間を広く設定するほうが良い。逆に、剪断力によって処理液の内容物が損傷するおそれがない場合には、隙間を狭くしておくと、高い剪断力によって多くのガス成分（例えば酸素）が処理液に供給されることが期待される。
【００４２】
駆動装置１４は、撹拌器１２Ａの内側を貫通するシャフト（軸部）１４１と、シャフト１４１の複数箇所（図では２箇所）に設けられたローラー１４２と、シャフト１４１の端部に設けられ、シャフト１４１を軸周りに回転させるモーター１４３と、を有している。
【００４３】
シャフト１４１は、撹拌器１２Ａの内壁にローラー１４２を介して接しており、撹拌器１２Ａを内部から支えて吊り下げている。シャフト１４１が回転することにより、ローラー１４２と撹拌器１２Ａの内壁との間の摩擦を生じさせ、該摩擦力によってシャフト１４１の回転方向と同方向に撹拌器１２Ａを回転させるようになっている。
【００４４】
シャフト１４１は液面と平行に配置されている。また、液面よりも上方に配置されているため、連続運転を行ったとしても処理液Ｓに浸漬することにより生じ得る錆などの破損が抑制される。
【００４５】
このような構成のガス供給装置１Ａでは、気相部Ｇに露出する撹拌器１２Ａの表面が、回転により処理液Ｓに侵入する際、撹拌器１２Ａの表面は、気相部Ｇのガス成分との摩擦によって多くのガス成分を巻き込みながら処理液Ｓ内に浸入する。また、撹拌器１２Ａの表面が処理液Ｓ内から気相部Ｇへと出る際には、撹拌器１２Ａの表面は、処理液Ｓとの摩擦によって多くの処理液Ｓを気相部Ｇへ引き上げながら気相部Ｇへと露出する。
【００４６】
さらに、撹拌器１２Ａは回転軸に直交する平面での断面形状が円環であり、円環の中心と撹拌器１２Ａの回転軸とが一致しているため、撹拌器１２Ａの回転による撹拌器表面の処理液Ｓへの浸入、処理液Ｓからの露出は滑らかな動きとなり、発泡を起こさずに液面を波立たせる。すると、液面では気液接触面が増えることにより、処理液Ｓへのガス成分の溶け込みが促進される。
【００４７】
これらの作用が合わさることにより、撹拌器１２Ａが処理液Ｓ内に浸入し処理液Ｓを撹拌すると、処理液Ｓにガス成分を供給する効率が高くなり、気相部Ｇのガス成分を加圧することなく効率的に処理液Ｓに溶け込ませることが可能となる。
【００４８】
ガス供給装置１Ａは、他にも、処理液Ｓの溶存ガス濃度を測定する測定装置（測定手段）１８ａを有している。このような測定装置１８ａとしては、例えば処理液Ｓの溶存酸素濃度を測定するための溶存酸素計を例示することができる。このような測定装置１８ａの測定結果は、撹拌器の回転を制御する制御部１８に伝えられ、制御部１８は溶存酸素濃度を所望の目標値とするために撹拌器の回転を制御する。
【００４９】
例えば、溶存酸素濃度が目標値より低い場合、気相部Ｇの酸素をより多く処理液Ｓに供給するため、制御部１８は、撹拌器１２Ａの角速度を早めることにより、処理液Ｓの液面をより波立たせ、酸素の溶解が促進されるように制御する。逆に、溶存酸素濃度が目標値より高い場合には、制御部１８は、撹拌器１２Ａの角速度を遅くし、または停止させることにより、処理液Ｓへの酸素の溶解を緩やかにするように制御する。
【００５０】
以上のような構成のガス供給装置１Ａによれば、気相部Ｇに含まれるガス成分を、発泡を抑制しつつ少ないエネルギーで反応溶液中に溶け込ませることが可能となる。
【００５１】
なお、本実施形態においては、ローラー１４２と撹拌器１２Ａの内壁との摩擦によってシャフト１４１の回転を撹拌器１２Ａに伝え、撹拌器１２Ａを回転させることとしたが、これに限らない。他にも、ローラー１４２に代えて歯車を設けるとともに、該歯車と噛み合う歯車を撹拌器１２Ａの内壁にも設けることによりシャフト１４１の回転を撹拌器１２Ａに伝えることとしても良い。
【００５２】
また、本実施形態においては、液面の上方に配置されたシャフト１４１の回転を撹拌器１２Ａに伝えることで撹拌器１２Ａを回転させることとしたが、これに限らず、撹拌器１２Ａを支える支持軸を撹拌器１２Ａの回転中心に重なる位置に設け、この支持軸を回転させることで撹拌器１２Ａを回転させることとしても良い。この場合、液面が支持軸よりも上方に位置する場合には支持軸が処理液に浸漬されることとなるが、気相部Ｇのガス成分を発泡を抑制しつつ処理液Ｓに溶け込ませるという効果は得ることができる。
【００５３】
また、本実施形態のガス供給装置１Ａは、撹拌器１２Ａを一つ備えることとしたが、これに限らず、撹拌器の回転軸に交差する方向に複数の撹拌器を配列する構成としても構わない。この場合、大型化に適した構成となる。例えば、下水処理施設のような大型の貯留槽内を隈無く撹拌し、効果的にガス供給を行って生物反応をおこさせることができる。
【００５４】
（変形例）
また、発泡を抑えながら気相部のガス成分を処理液Ｓに溶け込ませるために、筒状の撹拌器を用いて撹拌するという本発明の趣旨から、撹拌器の形状や撹拌器を回転させる装置を変更可能であることは明らかである。以下、いくつかの変形例を説明する。図３，４は撹拌器の変形例を示す図である。
【００５５】
図３（ａ）に示す撹拌器１２Ｂは、外周面に円周方向に沿って設けられた複数の凸条部１２１を有している。その断面図としては、図３（ｂ）に示すように、撹拌器１２Ｂは内部には凹凸形状が設けられておらず、図１で示した撹拌器１２Ａと同様に、撹拌器１２Ｂの内壁にローラー１４２が接し撹拌器１２Ｂを内部から支えて吊り下げている。
【００５６】
その他の変形例として、図４に示すように、撹拌器の内周面に円周方向に沿って設けられた複数の凸条部１２２を有する撹拌器１２Ｃとしても良く（図４（ａ）、撹拌器の内周面および外周面に複数の凸条部１２３が設けられた撹拌器１２Ｄとしても良い（図４（ｂ）。
【００５７】
このように撹拌器の表面に凸条部を有する構成とすると、撹拌器表面と気相部でのガス成分との接触面積が広がる。このように接触面積が拡大することにより、撹拌器の気相部に露出する面が、回転により処理液に侵入する際、撹拌器の表面は、ガス成分との摩擦によって多くのガス成分を巻き込みながら処理液を撹拌する。そのため、ガス成分を供給する効率が高くなり、効率良くガス成分を処理液に溶け込ませることが可能となる。
【００５８】
図３，４に示した凸条部は、延在方向に直交する断面の形状を適宜選択することができ、用いる処理液Ｓの種類に応じて適した形状を選択することができる。例えば、処理液Ｓが動物細胞を用いた培養液であり、ガス供給装置１Ａを用いて細胞培養を行う場合には、培養する細胞を破損しないために、凸条部の断面形状が丸みを帯びた曲線（例えば放物線や半円形状）であることが望ましい。
【００５９】
その他、撹拌器の形状の変形例として、撹拌器の一端側の直径と他方側の直径とが異なる中空の円錐台形状とすることもできる。このような撹拌器を用いる場合、貯留槽の底部形状を撹拌器の形状に適宜合わせても良い。その場合、底部に設けられる排出口は、底部の最深部に設けることとすると、貯留する処理液の払い出しを完全に行うことができるため好ましい。
【００６０】
［第２実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態に係るガス供給装置１Ｂの説明図であり、撹拌器の回転軸に直交する断面での断面図である。本実施形態のガス供給装置１Ｂは、第１実施形態のガス供給装置１Ａと一部共通しており、撹拌器の構成が異なっている。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００６１】
ガス供給装置１Ｂが有する撹拌器１２Ｅは、円周方向に交互に極性が反転する状態で永久磁石（磁化領域）が設けられている。図では、撹拌器１２Ｅの外側に向けて、Ｎ極の磁性を示す永久磁石と、Ｓ極の磁性を示す永久磁石と、が交互に配列している様子をＮ、Ｓの文字を交互に繰り返すことで示している。また、貯留槽１０の外側には、永久磁石に対向して、通電することで磁性を有する電磁石１５が設置されている。
【００６２】
電磁石１５には、電磁石１５に通電して生じる磁界の極性が、撹拌器１２Ｅに設けられた永久磁石の磁界の極性と反撥し合う極性となる様に時間的に交互に反転する様に電力が供給される。これにより、撹拌器１２Ｅは、貯留槽１０内でモーターのように回転軸Ｆ回りを円周方向に回転し、処理液Ｓを撹拌する。この場合、撹拌器１２Ｅが処理液に浮かぶように撹拌器１２Ｅの材料や構造を選択することにより、撹拌器１２Ｅを支える軸部が不要となる。このような撹拌器１２Ｅとしては、撹拌器１２Ｅの構造材に発泡材料を用いる構成を例示することができる。
【００６３】
以上のような構成のガス供給装置１Ｂによれば、撹拌器１２Ｅを回転させるための駆動力が電磁石１５から発生する磁力であり、駆動装置である電磁石１５が処理液Ｓに触れない構成とすることができる。そのため、処理液Ｓに浸漬することにより生じ得る錆などによる劣化を抑制し、信頼性の高いガス供給装置２Ｂとすることができる。
【００６４】
なお、撹拌器の形状については、第１実施形態で示したように表面に凸状部を有する構成とすることができる。
【００６５】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【実施例】
【００６６】
以下、実施例を示しながら、本発明を更に具体的に説明する。以下に示す実施例では、小型のガス供給容器として丸底フラスコを用いたモデル実験を行い、本発明により容器内に貯留した処理液に対し効率的にガスを供給することができることについて確認を行った。本実施例では、回転するフラスコが本発明の撹拌器に相当し、フラスコの内壁が本発明の撹拌器の内壁に相当する。
【００６７】
５００ｍｌ丸底フラスコに水を入れてロータリーエバポレータに取り付け、フラスコの気相部の酸素濃度が６０％となるように酸素を供給しつつ２５℃に保温して回転させ、フラスコ内の水へ溶け込む酸素量を確認した。実験は、水量を２００ｍｌと２５０ｍｌの２水準、回転速度を２０，４０，８０，１２０，１６０ｒｐｍの５水準で行った。水へ溶け込む酸素量については、総括酸素移動容量係数（ＫＬａ）を指標として用い評価した。総括酸素移動容量係数ＫＬａは、以下の式１に基づいて算出した。
【００６８】
【数１】
ＫＬａ：総括酸素移動容量（１／ｈｒ）、Ｃ１：ｔ１ｍｉｎ後の溶存酸素濃度（ｍｇ／ｌ）、Ｃ２：ｔ２ｍｉｎ後の溶存酸素濃度（ｍｇ／ｌ）、Ｃｓ：飽和溶存酸素濃度（ｍｇ／ｌ）
【００６９】
溶存酸素濃度は、蛍光式溶存酸素計（LDO-HQ10、HACH社製）を用いて測定した。また、実験には水道水を用い、実験開始前に予めＮ２バブリングを行って、溶存酸素計による検出値として溶存酸素がゼロを示すことを確認してから試験を行った。
【００７０】
実験の結果、いずれの水準においてもフラスコの回転によって気相部の酸素が水中に溶け込んでいることが確認された（図６参照）。また、フラスコが回転している間、液面は多少波立つが発泡は見られなかった。そのため、本発明によって処理液を発泡させることなく、処理液へのガス供給が可能であることが確かめられた。
【符号の説明】
【００７１】
１Ａ，１Ｂ…ガス供給装置、１０…貯留槽、１０ａ…上部、１０ｂ…底部、１２Ａ〜１２Ｅ…撹拌器（筒状部材）、１４…駆動装置、１５…電磁石、１７…供給装置（供給手段）、１８…制御部、１８ａ…測定装置（測定手段）、１２１，１２２，１２３…凸条部、１４１…シャフト（軸部）、１４３…モーター、Ｆ…回転軸、Ｓ…処理液、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発泡を抑制しつつ反応溶液中に気体（ガス）を溶け込ませるガス供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、酵素反応や微生物を用いた生物反応等を利用して、溶液状態の原料から物質の合成や分解を行う装置、所謂バイオリアクタに関する技術が盛んに開発されている。
【０００３】
一般に生物反応は、化学反応のように高温・高圧を必要としないため省エネルギー性に優れること、反応設備を耐熱・耐圧とする必要がないこと、反応に用いる生物種に応じて副反応が少ない反応系を構築できること、などの特長を備えており、工業的に有利な点が多く注目を浴びている。他にも、好気性微生物群を主成分とする活性汚泥を用い、排水中の有機性汚濁を浄化させる設備（活性汚泥槽）が知られており、生活排水や工業排水などを処理する設備として利用されている。
【０００４】
これらのバイオリアクタであって、用いる微生物が生物反応において特定の気体を必要とするものは、用いられる原料液や排水などの反応溶液に含まれる溶存ガス成分を生物反応により消費する。例えば、好気性反応では原料液や排水に含まれる溶存酸素を消費し、メタン発酵を行う嫌気性反応では溶存二酸化炭素を消費する。生物反応を継続するためには、このように消費されるガス成分を供給する必要があるため、通常、必要とするガス成分を反応溶液中に吹き込む曝気処理によって溶存ガス濃度を高めることとしている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平７−７７９９号公報
【特許文献２】特開２００４−１４１７３０号公報
【特許文献３】特開２００２−５９１８９号公報
【特許文献４】特開平５−１７７１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記方法では反応溶液が発泡するおそれがある。このような泡は、反応に用いる微生物を巻き込んで液面に滞留し、反応溶液中での微生物の活動を阻害することがある。例えば、活性汚泥により生活排水の処理をする場面では、排水中に洗剤が含まれていることが多く、曝気処理によって液面に多量の泡が滞留する。屋外の活性汚泥施設では、液面の泡が風で飛ばされ、周囲を汚すおそれがある。
【０００７】
このような発泡を抑制するためには、反応溶液に消泡剤を添加する対策が考えられるが、泡の発生を抑制することから曝気のための泡そのものの発生も同時に抑制され、曝気効率が低下する。あるいは、消泡剤を用いることによりランニングコストが増加すること、医薬品のような有用物質生産のためのバイオリアクタでは消泡剤の使用ができないこと、など消泡剤によっては課題が解決できない、または新たな課題が生じる場合がある。
【０００８】
また、曝気によって反応溶液中に放たれた多量の気泡は、液体中を激しく流動させながら上昇するため、細胞培養に用いるバイオリアクタでは、培養している細胞が激しい液体の流動によって損傷するおそれがある。損傷した細胞は死滅することが多く、生産効率の低下につながる。
【０００９】
さらに、上記方法では、液面下にガスを供給するためにガスを加圧する必要があり、加圧のためのエネルギーが必要となる。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、バイオリアクタに用いられる装置であって、発泡を抑制しつつ少ないエネルギーで、処理液中にガスを溶け込ませることを可能とするガス供給装置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】
【００１１】
上記の課題を解決するため、本発明のガス供給装置は、液体中にガスを溶存させるガス供給装置であって、前記液体を貯留する貯留槽と、前記液体の内部に外周面の一部を除いて浸漬された筒状部材と、前記筒状部材を該筒状部材の長手方向と平行な回転軸の周りに回転させる駆動装置と、を有することを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、筒状部材が回転する際、筒状部材の表面は、液面上方のガスとの摩擦により多くのガスを巻き込みながら液体内に浸入する。あるいは、液体との摩擦によって多くの液体を液面の上方へ引き上げながら、液面上方へ露出することとなる。
【００１３】
また、筒状部材の回転により液面を波立たせると、液面では気液接触面が増えるため液体へのガス成分の溶け込みが促進される。さらに、筒状部材は内部が中空であるため、筒状部材を配設することによる貯留槽の貯留量の減少を極力抑えることができる。
【００１４】
これらの作用が合わさることにより、液体にガスを供給する効率が高くなり、液面上方のガスを加圧することなく効率的に液体に溶け込ませることが可能となる。そのため、発泡を抑制しつつ少ないエネルギーで液面上方のガスを液体中に溶け込ませることが可能なガス供給装置とすることができる。
【００１５】
本発明においては、前記回転軸が前記液体の液面と平行に設定されていることが望ましい。
この構成によれば、筒状部材が液面から長手方向で露出するため、筒状部材と液面上方のガスとが広い面積で接触する。そのため、筒状部材の表面と液面上方のガスとの摩擦が増え、液体中に効率的にガスを供給することができる。
【００１６】
本発明においては前記筒状部材の外周面には、前記筒状部材の回転方向に延在する凸条部が設けられていることが望ましい。
この構成によれば、筒状部材の外周面において表面積が増えるため、筒状部材の表面と液面上方のガスとの摩擦が増え、効率的にガスを供給することができる。
【００１７】
本発明においては、前記筒状部材の内周面の一部が、前記液体の液面から露出していることが望ましい。
この構成によれば、筒状部材の外周面に加え、内周面も液面上方のガスと接触するため、内周面が液体の液面を通過する際にも液体へのガス供給が行われ、効率的にガス供給を行うことができる。
【００１８】
本発明においては、前記筒状部材の内周面には、前記筒状部材の回転方向に延在する凸条部を有することが望ましい。
この構成によれば、筒状部材の内周面において表面積が増えるため、筒状部材の表面と液面上方のガスとの摩擦が増え、効率的にガスを供給することができる。
【００１９】
本発明においては、前記筒状部材は、前記回転軸に直交する平面による断面形状が円環であることが望ましい。
この構成によれば、筒状部材の表面の液体への浸入、および液中からの露出が滑らかな動きとなり、発泡を抑制して液体中にガスを供給することができる。
【００２０】
本発明においては、前記駆動装置は、前記筒状部材に挿通され、前記筒状部材を内部から支えて吊り下げる軸部と、前記軸部を回転させるモーターと、を有することが望ましい。
この構成によれば、筒状部材の構成を簡略化し、簡単な構成の駆動装置とすることができる。
【００２１】
本発明においては、前記軸部は、前記液体の液面の上方に配置されていることが望ましい。
この構成によれば、軸部が液面よりも上方に配置されているため、連続運転を行ったとしても軸部が液体に浸漬することにより生じ得る錆などによる劣化が抑制され、信頼性の高いガス供給装置とすることができる。
【００２２】
本発明においては、前記筒状部材は、前記筒状部材の周方向に沿って設けられた、極性が交互に反転する磁化領域を有し、前記駆動装置は、前記磁化領域に対向する電磁石を有し、前記電磁石は、通電して生じる磁界の極性が時間的に交互に反転する様に電力が供給されるが望ましい。
この構成によれば、筒状部材を回転させる駆動力がコイルから発生する磁力であり、筒状部材の駆動装置であるコイルが、液体に触れない構成とすることができる。そのため、液体に浸漬することにより生じ得る破損を抑制し、信頼性の高いガス供給装置とすることができる。
【００２３】
本発明においては前記筒状部材の回転速度を制御する制御部と、前記液体に溶存する前記ガスの濃度を測定する測定手段と、を有し、前記制御部は、前記測定手段により測定される前記ガスの濃度が所定の目標値に近づくように前記筒状部材の回転速度を制御することが望ましい。
この構成によれば、液体中のガス濃度を所望の濃度に維持することが容易となる。
【００２４】
本発明においては、前記貯留槽の底部は、前記回転軸に交差する平面による断面形状が、半円筒形状であることが望ましい。
この構成によれば、筒状部材の回転を阻害することなく、底部の端で液体の対流が停滞したり、固形物が堆積したりする箇所を無くすことができる。
【００２５】
本発明においては、前記貯留槽の上部は蓋で閉じられており、前記蓋と前記液体の液面との間の空間に、前記ガスを供給する供給手段を有することが望ましい。
この構成によれば、蓋と液体の液面との間の空間に供給されたガスの濃度を高く維持し、効率的に液体中にガスを供給することができる。例えば該空間に酸素を供給する場合、酸素濃度を大気中よりも高濃度に保つことができるため、効率良く液体に酸素を供給することができる。
【発明の効果】
【００２６】
この発明によれば、発泡を抑制しつつ少ないエネルギーで、液体中にガスを溶け込ませることを可能とするガス供給装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガス供給装置の説明図である。
【図２】第１実施形態のガス供給装置の要部を示す斜視図である。
【図３】ガス供給装置の変形例を示す説明図である。
【図４】ガス供給装置の変形例を示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るガス供給装置の説明図である。
【図６】実施例の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
［第１実施形態］
以下、図１〜図４を参照しながら、本発明の実施形態に係るガス供給装置について説明する概略断面図である。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。
【００２９】
図１，２は、本実施形態のガス供給装置の説明図であり、図１はガス供給装置１Ａについての断面図、図２はガス供給装置１Ａの要部を示す概略斜視図である。
【００３０】
図１，２に示すように、本実施形態のガス供給装置１Ａは、ガスを供給処理する対象である処理液（液体）Ｓを貯留する貯留槽１０と、自身を貫通する回転軸Ｆ回りを回転することで貯留槽１０内の処理液Ｓを撹拌する撹拌器（筒状部材）１２Ａと、撹拌器１２Ａを回転させる駆動装置１４と、を有している。
【００３１】
処理液Ｓは、生物反応によって消費される原料と、該原料を代謝する生物反応を起こす菌類などの生物や培養される動物細胞などが含まれるものである。
【００３２】
貯留槽１０は、上部１０ａに蓋がされ底部１０ｂが略半円筒形状を呈する平面視矩形の容器である。貯留槽１０の対向する側壁には貫通孔１０１，１０２が設けられており、両貫通孔を貫通して駆動装置１４の一部であるシャフト１４１が設けられている。貫通孔１０１には、処理液Ｓの原液を貯留槽１０内に供給する供給配管１６が設けられている。供給配管１６は、貯留槽１０の長手方向および短手方向の中央付近に端部が設置され、貯留槽１０の中央付近に処理液Ｓの原液を供給するように設けられている。
【００３３】
また、貫通孔１０１または貫通孔１０２からは、処理液Ｓに供給するガスが貯留槽１０内の気相部Ｇに供給される。図では、ガスを供給する供給装置（供給手段）１７が貫通孔１０１を介してガスを供給することとしている。供給するガスの種類は、処理液Ｓに供給するガスに種類に応じて種々選択することができ、例えば処理液Ｓが好気性細菌の培養に用いる培養液である場合、空気や酸素を選択することができる。本実施形態では、供給装置１７から酸素を供給することとしている。
【００３４】
貯留槽１０は上部１０ａに蓋がされているため、気相部Ｇに供給されたガス濃度を高く維持することができる。例えば処理液Ｓが好気性細菌の培養に用いる培養液である場合、気相部Ｇに酸素を供給すると、気相部Ｇの酸素濃度を大気中よりも高濃度に保つことができるため、効率良く処理液Ｓに酸素を供給することができ、細菌の培養を効率的に行うことができる。その意味において、供給するガスが空気である場合、貯留槽１０の上部１０ａに蓋は不要である。もちろん、埃などの異物混入防止のため、貯留槽１０に蓋を設けることとしても構わない。
【００３５】
貯留槽１０の底部１０ｂは、半円筒形状に設計されており、撹拌器１２Ａの回転軸Ｆに直交する方向に端部が丸くなっている。このような底部形状とすることで、底部の端で対流が停滞したり、固形物が堆積したりすることを防いでいる。もちろん、底部の形状は丸く無くても良い。
【００３６】
さらに、貯留槽１０の底部１０ｂには、貯留槽１０から処理液Ｓを排出するための排出口１０９が設けられ、排出配管１９が接続されている。排出配管１９は、貯留槽１０の底部１０ｂにおいて長手方向および短手方向の中央付近に設けられている。貯留槽１０内でガスが供給された処理液Ｓは、排出配管１９を介して下流の設備へと排出される。
【００３７】
貯留槽１０の平面視中央付近に供給された処理液の原液は、撹拌器１２Ａによって撹拌されながら撹拌器１２Ａの端部を介して、同じく貯留槽１０の平面視中央付近に設けられた排出口１０９から排出される。そのため、例えば貯留槽１０の側壁に処理液Ｓの原液の供給口が設けられている場合や、排出口１０９が側壁近くに設けられている場合と比べ、
貯留槽内の処理液は、長い流動経路を経て排出されるため、長時間に渡って撹拌器１２Ａで撹拌され、多くの酸素が供給されることとなる。
【００３８】
貯留槽内に浮遊する固形分により排出口１０９が閉塞しやすい場合など、必要に応じて排出配管１９側から処理液を流す構成としても良い。この場合、本実施形態において貯留槽１０内から処理液を排出するために用いている排出口１０９から処理液を供給することとなるため、貯留槽１０内から気体供給処理を行った処理液を排出するために、排出口１０９や排出配管１９とは別の排出口や排出配管を適宜設けると良い。
【００３９】
ガス供給装置を構成する撹拌器１２Ａは、回転軸Ｆと直交する平面での断面形状が円環である筒状の部材であり、図では両端が開口した中空の円筒状の凝集器を示している。撹拌器１２Ａは、貯留槽１０内において処理液Ｓの液面から少なくとも一部が露出し、残る部分が処理液Ｓに浸漬する状態となるように配置されている。本実施形態では、撹拌器１２Ａの外壁および内壁が処理液Ｓの液面に接するよう撹拌器１２Ａが液面から露出しているが、少なくとも外壁の一部が液面から露出していれば良い。
【００４０】
撹拌器１２Ａの回転軸Ｆは、略水平方向（貯留槽１０に貯留される処理液Ｓの液面と平行な方向）に設定されている。撹拌器１２Ａは、回転軸Ｆまわりを円周方向に回転することで、処理液Ｓと貯留槽１０の気相部Ｇとの界面を撹拌し、気相部Ｇのガスを処理液Ｓに供給する。回転軸Ｆは、水平方向から傾いて設定されていても良い。
【００４１】
回転軸Ｆに交差する方向での撹拌器１２Ａと貯留槽１０の内壁との距離は、処理液Ｓの内容によって適した距離を選択することとする。例えば、撹拌器１２Ａと貯留槽１０の内壁との隙間が狭くなるほど、当該隙間では高い剪断力が生じ激しく処理液を撹拌する。そのため、処理液Ｓ内に動物細胞が含まれ、該動物細胞を培養して増やす場合、高い剪断力によって動物細胞が損傷するおそれが生じるため、隙間を広く設定するほうが良い。逆に、剪断力によって処理液の内容物が損傷するおそれがない場合には、隙間を狭くしておくと、高い剪断力によって多くのガス成分（例えば酸素）が処理液に供給されることが期待される。
【００４２】
駆動装置１４は、撹拌器１２Ａの内側を貫通するシャフト（軸部）１４１と、シャフト１４１の複数箇所（図では２箇所）に設けられたローラー１４２と、シャフト１４１の端部に設けられ、シャフト１４１を軸周りに回転させるモーター１４３と、を有している。
【００４３】
シャフト１４１は、撹拌器１２Ａの内壁にローラー１４２を介して接しており、撹拌器１２Ａを内部から支えて吊り下げている。シャフト１４１が回転することにより、ローラー１４２と撹拌器１２Ａの内壁との間の摩擦を生じさせ、該摩擦力によってシャフト１４１の回転方向と同方向に撹拌器１２Ａを回転させるようになっている。
【００４４】
シャフト１４１は液面と平行に配置されている。また、液面よりも上方に配置されているため、連続運転を行ったとしても処理液Ｓに浸漬することにより生じ得る錆などの破損が抑制される。
【００４５】
このような構成のガス供給装置１Ａでは、気相部Ｇに露出する撹拌器１２Ａの表面が、回転により処理液Ｓに侵入する際、撹拌器１２Ａの表面は、気相部Ｇのガス成分との摩擦によって多くのガス成分を巻き込みながら処理液Ｓ内に浸入する。また、撹拌器１２Ａの表面が処理液Ｓ内から気相部Ｇへと出る際には、撹拌器１２Ａの表面は、処理液Ｓとの摩擦によって多くの処理液Ｓを気相部Ｇへ引き上げながら気相部Ｇへと露出する。
【００４６】
さらに、撹拌器１２Ａは回転軸に直交する平面での断面形状が円環であり、円環の中心と撹拌器１２Ａの回転軸とが一致しているため、撹拌器１２Ａの回転による撹拌器表面の処理液Ｓへの浸入、処理液Ｓからの露出は滑らかな動きとなり、発泡を起こさずに液面を波立たせる。すると、液面では気液接触面が増えることにより、処理液Ｓへのガス成分の溶け込みが促進される。
【００４７】
これらの作用が合わさることにより、撹拌器１２Ａが処理液Ｓ内に浸入し処理液Ｓを撹拌すると、処理液Ｓにガス成分を供給する効率が高くなり、気相部Ｇのガス成分を加圧することなく効率的に処理液Ｓに溶け込ませることが可能となる。
【００４８】
ガス供給装置１Ａは、他にも、処理液Ｓの溶存ガス濃度を測定する測定装置（測定手段）１８ａを有している。このような測定装置１８ａとしては、例えば処理液Ｓの溶存酸素濃度を測定するための溶存酸素計を例示することができる。このような測定装置１８ａの測定結果は、撹拌器の回転を制御する制御部１８に伝えられ、制御部１８は溶存酸素濃度を所望の目標値とするために撹拌器の回転を制御する。
【００４９】
例えば、溶存酸素濃度が目標値より低い場合、気相部Ｇの酸素をより多く処理液Ｓに供給するため、制御部１８は、撹拌器１２Ａの角速度を早めることにより、処理液Ｓの液面をより波立たせ、酸素の溶解が促進されるように制御する。逆に、溶存酸素濃度が目標値より高い場合には、制御部１８は、撹拌器１２Ａの角速度を遅くし、または停止させることにより、処理液Ｓへの酸素の溶解を緩やかにするように制御する。
【００５０】
以上のような構成のガス供給装置１Ａによれば、気相部Ｇに含まれるガス成分を、発泡を抑制しつつ少ないエネルギーで反応溶液中に溶け込ませることが可能となる。
【００５１】
なお、本実施形態においては、ローラー１４２と撹拌器１２Ａの内壁との摩擦によってシャフト１４１の回転を撹拌器１２Ａに伝え、撹拌器１２Ａを回転させることとしたが、これに限らない。他にも、ローラー１４２に代えて歯車を設けるとともに、該歯車と噛み合う歯車を撹拌器１２Ａの内壁にも設けることによりシャフト１４１の回転を撹拌器１２Ａに伝えることとしても良い。
【００５２】
また、本実施形態においては、液面の上方に配置されたシャフト１４１の回転を撹拌器１２Ａに伝えることで撹拌器１２Ａを回転させることとしたが、これに限らず、撹拌器１２Ａを支える支持軸を撹拌器１２Ａの回転中心に重なる位置に設け、この支持軸を回転させることで撹拌器１２Ａを回転させることとしても良い。この場合、液面が支持軸よりも上方に位置する場合には支持軸が処理液に浸漬されることとなるが、気相部Ｇのガス成分を発泡を抑制しつつ処理液Ｓに溶け込ませるという効果は得ることができる。
【００５３】
また、本実施形態のガス供給装置１Ａは、撹拌器１２Ａを一つ備えることとしたが、これに限らず、撹拌器の回転軸に交差する方向に複数の撹拌器を配列する構成としても構わない。この場合、大型化に適した構成となる。例えば、下水処理施設のような大型の貯留槽内を隈無く撹拌し、効果的にガス供給を行って生物反応をおこさせることができる。
【００５４】
（変形例）
また、発泡を抑えながら気相部のガス成分を処理液Ｓに溶け込ませるために、筒状の撹拌器を用いて撹拌するという本発明の趣旨から、撹拌器の形状や撹拌器を回転させる装置を変更可能であることは明らかである。以下、いくつかの変形例を説明する。図３，４は撹拌器の変形例を示す図である。
【００５５】
図３（ａ）に示す撹拌器１２Ｂは、外周面に円周方向に沿って設けられた複数の凸条部１２１を有している。その断面図としては、図３（ｂ）に示すように、撹拌器１２Ｂは内部には凹凸形状が設けられておらず、図１で示した撹拌器１２Ａと同様に、撹拌器１２Ｂの内壁にローラー１４２が接し撹拌器１２Ｂを内部から支えて吊り下げている。
【００５６】
その他の変形例として、図４に示すように、撹拌器の内周面に円周方向に沿って設けられた複数の凸条部１２２を有する撹拌器１２Ｃとしても良く（図４（ａ）、撹拌器の内周面および外周面に複数の凸条部１２３が設けられた撹拌器１２Ｄとしても良い（図４（ｂ）。
【００５７】
このように撹拌器の表面に凸条部を有する構成とすると、撹拌器表面と気相部でのガス成分との接触面積が広がる。このように接触面積が拡大することにより、撹拌器の気相部に露出する面が、回転により処理液に侵入する際、撹拌器の表面は、ガス成分との摩擦によって多くのガス成分を巻き込みながら処理液を撹拌する。そのため、ガス成分を供給する効率が高くなり、効率良くガス成分を処理液に溶け込ませることが可能となる。
【００５８】
図３，４に示した凸条部は、延在方向に直交する断面の形状を適宜選択することができ、用いる処理液Ｓの種類に応じて適した形状を選択することができる。例えば、処理液Ｓが動物細胞を用いた培養液であり、ガス供給装置１Ａを用いて細胞培養を行う場合には、培養する細胞を破損しないために、凸条部の断面形状が丸みを帯びた曲線（例えば放物線や半円形状）であることが望ましい。
【００５９】
その他、撹拌器の形状の変形例として、撹拌器の一端側の直径と他方側の直径とが異なる中空の円錐台形状とすることもできる。このような撹拌器を用いる場合、貯留槽の底部形状を撹拌器の形状に適宜合わせても良い。その場合、底部に設けられる排出口は、底部の最深部に設けることとすると、貯留する処理液の払い出しを完全に行うことができるため好ましい。
【００６０】
［第２実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態に係るガス供給装置１Ｂの説明図であり、撹拌器の回転軸に直交する断面での断面図である。本実施形態のガス供給装置１Ｂは、第１実施形態のガス供給装置１Ａと一部共通しており、撹拌器の構成が異なっている。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００６１】
ガス供給装置１Ｂが有する撹拌器１２Ｅは、円周方向に交互に極性が反転する状態で永久磁石（磁化領域）が設けられている。図では、撹拌器１２Ｅの外側に向けて、Ｎ極の磁性を示す永久磁石と、Ｓ極の磁性を示す永久磁石と、が交互に配列している様子をＮ、Ｓの文字を交互に繰り返すことで示している。また、貯留槽１０の外側には、永久磁石に対向して、通電することで磁性を有する電磁石１５が設置されている。
【００６２】
電磁石１５には、電磁石１５に通電して生じる磁界の極性が、撹拌器１２Ｅに設けられた永久磁石の磁界の極性と反撥し合う極性となる様に時間的に交互に反転する様に電力が供給される。これにより、撹拌器１２Ｅは、貯留槽１０内でモーターのように回転軸Ｆ回りを円周方向に回転し、処理液Ｓを撹拌する。この場合、撹拌器１２Ｅが処理液に浮かぶように撹拌器１２Ｅの材料や構造を選択することにより、撹拌器１２Ｅを支える軸部が不要となる。このような撹拌器１２Ｅとしては、撹拌器１２Ｅの構造材に発泡材料を用いる構成を例示することができる。
【００６３】
以上のような構成のガス供給装置１Ｂによれば、撹拌器１２Ｅを回転させるための駆動力が電磁石１５から発生する磁力であり、駆動装置である電磁石１５が処理液Ｓに触れない構成とすることができる。そのため、処理液Ｓに浸漬することにより生じ得る錆などによる劣化を抑制し、信頼性の高いガス供給装置２Ｂとすることができる。
【００６４】
なお、撹拌器の形状については、第１実施形態で示したように表面に凸状部を有する構成とすることができる。
【００６５】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【実施例】
【００６６】
以下、実施例を示しながら、本発明を更に具体的に説明する。以下に示す実施例では、小型のガス供給容器として丸底フラスコを用いたモデル実験を行い、本発明により容器内に貯留した処理液に対し効率的にガスを供給することができることについて確認を行った。本実施例では、回転するフラスコが本発明の撹拌器に相当し、フラスコの内壁が本発明の撹拌器の内壁に相当する。
【００６７】
５００ｍｌ丸底フラスコに水を入れてロータリーエバポレータに取り付け、フラスコの気相部の酸素濃度が６０％となるように酸素を供給しつつ２５℃に保温して回転させ、フラスコ内の水へ溶け込む酸素量を確認した。実験は、水量を２００ｍｌと２５０ｍｌの２水準、回転速度を２０，４０，８０，１２０，１６０ｒｐｍの５水準で行った。水へ溶け込む酸素量については、総括酸素移動容量係数（ＫＬａ）を指標として用い評価した。総括酸素移動容量係数ＫＬａは、以下の式１に基づいて算出した。
【００６８】
【数１】
ＫＬａ：総括酸素移動容量（１／ｈｒ）、Ｃ１：ｔ１ｍｉｎ後の溶存酸素濃度（ｍｇ／ｌ）、Ｃ２：ｔ２ｍｉｎ後の溶存酸素濃度（ｍｇ／ｌ）、Ｃｓ：飽和溶存酸素濃度（ｍｇ／ｌ）
【００６９】
溶存酸素濃度は、蛍光式溶存酸素計（LDO-HQ10、HACH社製）を用いて測定した。また、実験には水道水を用い、実験開始前に予めＮ２バブリングを行って、溶存酸素計による検出値として溶存酸素がゼロを示すことを確認してから試験を行った。
【００７０】
実験の結果、いずれの水準においてもフラスコの回転によって気相部の酸素が水中に溶け込んでいることが確認された（図６参照）。また、フラスコが回転している間、液面は多少波立つが発泡は見られなかった。そのため、本発明によって処理液を発泡させることなく、処理液へのガス供給が可能であることが確かめられた。
【符号の説明】
【００７１】
１Ａ，１Ｂ…ガス供給装置、１０…貯留槽、１０ａ…上部、１０ｂ…底部、１２Ａ〜１２Ｅ…撹拌器（筒状部材）、１４…駆動装置、１５…電磁石、１７…供給装置（供給手段）、１８…制御部、１８ａ…測定装置（測定手段）、１２１，１２２，１２３…凸条部、１４１…シャフト（軸部）、１４３…モーター、Ｆ…回転軸、Ｓ…処理液、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中にガスを溶存させるガス供給装置であって、
前記液体を貯留する貯留槽と、
前記液体の内部に外周面の一部を除いて浸漬された筒状部材と、
前記筒状部材を該筒状部材の長手方向と平行な回転軸の周りに回転させる駆動装置と、を有することを特徴とするガス供給装置。
【請求項２】
前記回転軸が前記液体の液面と平行に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のガス供給装置。
【請求項３】
前記筒状部材の外周面には、前記筒状部材の回転方向に延在する凸条部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のガス供給装置。
【請求項４】
前記筒状部材の内周面の一部が、前記液体の液面から露出していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項５】
前記筒状部材の内周面には、前記筒状部材の回転方向に延在する凸条部を有することを特徴とする請求項４に記載のガス供給装置。
【請求項６】
前記筒状部材は、前記回転軸に直交する平面による断面形状が円環であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項７】
前記駆動装置は、前記筒状部材に挿通され、前記筒状部材を内部から支えて吊り下げる軸部と、
前記軸部を回転させるモーターと、を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項８】
前記軸部は、前記液体の液面の上方に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のガス供給装置。
【請求項９】
前記筒状部材は、前記筒状部材の周方向に沿って設けられた、極性が交互に反転する磁化領域を有し、
前記駆動装置は、前記磁化領域に対向する電磁石を有し、
前記電磁石は、通電して生じる磁界の極性が時間的に交互に反転する様に電力が供給されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項１０】
前記筒状部材の回転速度を制御する制御部と、
前記液体に溶存する前記ガスの濃度を測定する測定手段と、を有し、
前記制御部は、前記測定手段により測定される前記ガスの濃度が所定の目標値に近づくように前記筒状部材の回転速度を制御することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項１１】
前記貯留槽は、前記回転軸に交差する平面による断面形状が、半円筒形状であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項１２】
前記貯留槽の上部は蓋で閉じられており、
前記蓋と前記液体の液面との間の空間に、前記ガスを供給する供給手段を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項１】
液体中にガスを溶存させるガス供給装置であって、
前記液体を貯留する貯留槽と、
前記液体の内部に外周面の一部を除いて浸漬された筒状部材と、
前記筒状部材を該筒状部材の長手方向と平行な回転軸の周りに回転させる駆動装置と、を有することを特徴とするガス供給装置。
【請求項２】
前記回転軸が前記液体の液面と平行に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のガス供給装置。
【請求項３】
前記筒状部材の外周面には、前記筒状部材の回転方向に延在する凸条部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のガス供給装置。
【請求項４】
前記筒状部材の内周面の一部が、前記液体の液面から露出していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項５】
前記筒状部材の内周面には、前記筒状部材の回転方向に延在する凸条部を有することを特徴とする請求項４に記載のガス供給装置。
【請求項６】
前記筒状部材は、前記回転軸に直交する平面による断面形状が円環であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項７】
前記駆動装置は、前記筒状部材に挿通され、前記筒状部材を内部から支えて吊り下げる軸部と、
前記軸部を回転させるモーターと、を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項８】
前記軸部は、前記液体の液面の上方に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のガス供給装置。
【請求項９】
前記筒状部材は、前記筒状部材の周方向に沿って設けられた、極性が交互に反転する磁化領域を有し、
前記駆動装置は、前記磁化領域に対向する電磁石を有し、
前記電磁石は、通電して生じる磁界の極性が時間的に交互に反転する様に電力が供給されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項１０】
前記筒状部材の回転速度を制御する制御部と、
前記液体に溶存する前記ガスの濃度を測定する測定手段と、を有し、
前記制御部は、前記測定手段により測定される前記ガスの濃度が所定の目標値に近づくように前記筒状部材の回転速度を制御することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項１１】
前記貯留槽は、前記回転軸に交差する平面による断面形状が、半円筒形状であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項１２】
前記貯留槽の上部は蓋で閉じられており、
前記蓋と前記液体の液面との間の空間に、前記ガスを供給する供給手段を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１８３３４８（Ｐ２０１１−１８３３４８Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３７３５（Ｐ２０１０−５３７３５）
【出願日】平成２２年３月１０日（２０１０．３．１０）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１０日（２０１０．３．１０）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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