攪拌翼およびバイオリアクタ
【課題】装置内を効果的に攪拌しつつランニングコストを低減できる攪拌翼及びバイオリアクタの提供。
【解決手段】回転軸周りに複数の翼部を有すると共に、液中で浮上するガスを上記翼部で捕集し、上記捕集したガスの浮力により上記回転軸周りに回転して上記液中を攪拌する攪拌翼であって、上記翼部は、上記回転する方向の一方側に設けられて上記ガスを捕集する第１ガス捕集部と、上記回転する方向の他方側に設けられて上記ガスを捕集する第２ガス捕集部とを有し、上記複数ある翼部のうちの、第１の翼部の上記第１ガス捕集部と、第２の翼部の上記第２ガス捕集部とを互いに連通させて上記捕集したガスをバイパスするバイパス管を有するという構成を採用する。
【解決手段】回転軸周りに複数の翼部を有すると共に、液中で浮上するガスを上記翼部で捕集し、上記捕集したガスの浮力により上記回転軸周りに回転して上記液中を攪拌する攪拌翼であって、上記翼部は、上記回転する方向の一方側に設けられて上記ガスを捕集する第１ガス捕集部と、上記回転する方向の他方側に設けられて上記ガスを捕集する第２ガス捕集部とを有し、上記複数ある翼部のうちの、第１の翼部の上記第１ガス捕集部と、第２の翼部の上記第２ガス捕集部とを互いに連通させて上記捕集したガスをバイパスするバイパス管を有するという構成を採用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、攪拌翼およびバイオリアクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、バイオマス原料を糖化し、それを酵母（微生物）を用いて発酵することにより、エタノールを生産する装置（バイオリアクタ）が開示されている。この酵母を用いる装置では、エタノールを生産する工程において液中に二酸化炭素が発生する。
このように、微生物の反応を利用して有用物質を大量生産したり、特定の物質を変換したりするバイオリアクタは、効率良く、大量に、処理対象物を処理する必要性から、装置の大型化が進んでいる。装置が大型になると、装置内における処理対象物を微生物全体に偏りなく供給して反応効率を高める必要があるので、装置内の攪拌・混合が非常に重要となる。
【０００３】
従来の攪拌の方式としては、エアリフト型、強制攪拌型、強制循環型、曝気型が挙げられる。
エアリフト型は、液中のガスで装置内の液体を液面より持ち上げ（エアリフト効果）、持ち上げた液体を再び装置内に流入させることで、液体を循環して攪拌を行う方式である（例えば下記特許文献２参照）。なお、このエアリフト効果には、微生物が発生するガス（エタノールを生産する場合には二酸化炭素）を利用する場合もある。一方、強制攪拌型は、電力を用いてインペラを液中で回転させ、装置内の攪拌を行う方式である。また、強制循環型は、ポンプによって液体を循環させ、装置内の攪拌を行う方式である。そして、曝気型は、装置の底部からガス（装置内環境に応じて、空気、酸素、窒素等が用いられる）の気泡を発生させ、その気泡の上昇によって液体を流動させて装置内の攪拌を行う方式である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２５５７７号公報
【特許文献２】特開２００６−１３６７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、エアリフト型は、液体を循環できるものの、必ずしも効果的な攪拌が達成できる訳ではない。すなわち、エアリフト効果は、液体を装置内の液面よりも上部に持ち上げるだけなので、この液体を装置内へ分散流入させたとしても、装置内の一部、特に装置底部は攪拌されない場合があり、装置全体を効果的に攪拌することは難しい。なお、装置内に分散流入させる箇所を多くすれば、効果的な攪拌が可能となるかもしれないが、配管の配置が複雑になることや、多数の配管のそれぞれに均等に流量配分するのが困難になること等の理由から、現実的ではない。
【０００６】
また、強制攪拌型、強制循環型、曝気型では、攪拌に用いる電力消費量が増大するというランニングコストの問題がある。特に大量処理を前提とするバイオリアクタでは、水深が１０ｍ以上となることも珍しくないため、その水深に見合う仕事をするために大量の電力を必要とする。また、この攪拌のために用いたエネルギーは、装置内で仕事をするわけではないので、廃熱として捨てられることが多く、熱量が無駄になるばかりか、冷却のための装置が別途必要となる場合がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、装置内を効果的に攪拌しつつランニングコストを低減できる攪拌翼及びバイオリアクタの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、回転軸周りに複数の翼部を有すると共に、液中で浮上するガスを上記翼部で捕集し、上記捕集したガスの浮力により上記回転軸周りに回転して上記液中を攪拌する攪拌翼であって、上記翼部は、上記回転する方向の一方側に設けられて上記ガスを捕集する第１ガス捕集部と、上記回転する方向の他方側に設けられて上記ガスを捕集する第２ガス捕集部とを有し、上記複数ある翼部のうちの、第１の翼部の上記第１ガス捕集部と、第２の翼部の上記第２ガス捕集部とを互いに連通させて上記捕集したガスをバイパスするバイパス管を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、液中で浮上するガスを翼部で捕集し、そのガスの浮力を動力に利用して攪拌翼を動かす。また、翼部の回転方向両側にガス捕集部を設け、液中で大量のガスを捕集する。そして、捕集したガスを、複数の翼部のうちの第１の翼部の第１ガス捕集部と第２の翼部の第２ガス捕集部との間でバイパスさせ、両翼に作用するガスの浮力を不均衡にさせることにより、回転軸周りのモーメント（トルク）を生じさせて攪拌（回転）する動力を得る。この攪拌翼の動きを液体の循環として利用することで攪拌を行う。
【０００９】
また、本発明においては、上記バイパス管は、上記回転軸を挟んで互いに逆側に設けられている上記第１の翼部の上記第１ガス捕集部と上記第２の翼部の上記第２ガス捕集部とを互いに連通させるという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、第１ガス捕集部あるいは第２ガス捕集部において捕集したガスを、回転軸を挟んでバイパスさせることで、回転軸を挟んで両側の翼部に作用するトルクの相殺を抑制することができる。これにより、攪拌翼が、回転軸周りに効率よく回転する。
【００１０】
また、本発明においては、上記第１ガス捕集部は、上記第２ガス捕集部よりも上記ガスを捕集する容量が大きいという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、第１ガス捕集部が第２ガス捕集部より容量が大きくなるので、捕集したガスの浮力を不均衡にさせることができる。さらに、第１ガス捕集部は、第２ガス捕集部からバイパスしてきたガスを溢れなく捕集することができ、大きなトルクを得ることができる。
【００１１】
また、本発明においては、上記バイパス管は、上記第１の翼部が上記第２の翼部よりも上方となる高さ関係のときに、上記第２の翼部の上記第２ガス捕集部で捕集した上記ガスをその浮力により、上記第１の翼部の上記第１ガス捕集部に流通させる形状を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、第１の翼部が第２の翼部よりも上方となる高さ関係のときに、容量の小さい第２ガス捕集部で捕集したガスが、その浮力により自動的に、容量の大きい第１ガス捕集部に移送される。これにより、回転方向片側に大きなトルクを得ることができる。
【００１２】
また、本発明においては、上記バイパス管は、上記第１の翼部が上記第２の翼部よりも下方となる高さ関係のときに、上記第１の翼部の上記第１ガス捕集部で捕集した上記ガスをその浮力により、上記第２の翼部の上記第２ガス捕集部に流通させない逆流防止部を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、第１の翼部が第２の翼部よりも下方となる高さ関係のときに、容量の大きい第１ガス捕集部で捕集したガスが、その浮力により自動的に、容量の小さい第２ガス捕集部に移送されないようにする。これにより、トルクの相殺を抑制した、効率の良い回転が可能となる。
【００１３】
また、本発明においては、上記逆流防止部は、上記第１の翼部の上記第１ガス捕集部に連通する端部が、上記第１ガス捕集部内に所定長さ突出した上記バイパス管の形状であるという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、バイパス管の端部を第１ガス捕集部内に所定長さ突出させると、突出させない場合と比べて、捕集したガスがバイパス管を介して逆流しにくくなる。また、このようにバイパス管の端部の形状で逆流防止部を構成することで、別途、逆流防止弁等を設けることがなく、コスト安に寄与することができる。
【００１４】
また、本発明においては、上記複数の翼部は、上記回転軸周りに等間隔で奇数配置されているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、複数の翼部の配置が回転軸を挟んで対称とならない位置関係とすることができるため、捕集したガスの浮力を不均衡にしてトルクを生じさせることができる。
【００１５】
また、本発明においては、上記回転軸は、水平方向に延在しているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、捕集したガスの浮力を、翼部で効率良くトルクに変換して回転することができる。
【００１６】
また、本発明においては、処理対象物を液中で生物学的に処理し、該処理において液中にガスが生じるバイオリアクタであって、上記液中を攪拌する攪拌翼として、先に記載の攪拌翼を有するバイオリアクタを採用する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、回転軸周りに複数の翼部を有すると共に、液中で浮上するガスを上記翼部で捕集し、上記捕集したガスの浮力により上記回転軸周りに回転して上記液中を攪拌する攪拌翼であって、上記翼部は、上記回転する方向の一方側に設けられて上記ガスを捕集する第１ガス捕集部と、上記回転する方向の他方側に設けられて上記ガスを捕集する第２ガス捕集部とを有し、上記複数ある翼部のうちの、第１の翼部の上記第１ガス捕集部と、第２の翼部の上記第２ガス捕集部とを互いに連通させて上記捕集したガスをバイパスするバイパス管を有するという構成を採用して、液中で浮上するガスを翼部で捕集し、そのガスの浮力を動力に利用して攪拌翼を動かす。また、翼部の回転方向両側にガス捕集部を設け、液中で大量のガスを捕集する。そして、捕集したガスを、複数の翼部のうちの第１の翼部の第１ガス捕集部と第２の翼部の第２ガス捕集部との間でバイパスさせ、両翼に作用するガスの浮力を不均衡にさせることにより、回転軸周りのモーメント（トルク）を生じさせて攪拌（回転）する動力を得る。この攪拌翼の動きを液体の循環として利用することで攪拌を行う。
したがって、本発明では、装置内を効果的に攪拌し、且つ、ランニングコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態におけるバイオリアクタの構成を示す正面図である。
【図２】本発明の実施形態における攪拌翼を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態における翼部の第１ガス捕集部を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態における翼部の第２ガス捕集部を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施形態における攪拌翼の要部構成を説明するための正面図である。
【図６】図５における攪拌翼の平面図である。
【図７】図５における線視Ａ−Ａ断面図である。
【図８】図７における線視Ｂ−Ｂ断面図である。
【図９】図５における線視Ｃ−Ｃ断面図である。
【図１０】図９における線視Ｄ−Ｄ断面図である。
【図１１】本発明の実施形態におけるバイパス管の作用を説明する図である。
【図１２】本発明の実施形態における攪拌翼の動作を説明する図である。
【図１３】本発明の実施形態における攪拌翼の動作を説明する図である。
【図１４】本発明の実施形態における攪拌翼の動作を説明する図である。
【図１５】本発明の別実施形態におけるバイオリアクタの構成を示す図である。
【図１６】本発明の別実施形態における攪拌翼の構成を示す正面図である。
【図１７】図１６における線視Ｅ−Ｅ断面図である。
【図１８】図１７における線視Ｆ−Ｆ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態の攪拌翼及びバイオリアクタの構成について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態におけるバイオリアクタの構成を示す正面図である。図２は、本発明の実施形態における攪拌翼を示す斜視図である。図３は、本発明の実施形態における翼部の第１ガス捕集部を示す斜視図である。図４は、本発明の実施形態における翼部の第２ガス捕集部を示す斜視図である。
【００２０】
また、図５は、本発明の実施形態における攪拌翼の要部構成を説明するための正面図である。なお、図５では、図１における２枚の翼部（翼部３０ａ及び翼部３０ｄ）と、この２枚の翼部の間に設けられたバイパス管４０ａとを抜き出して示している。
図６は、図５における攪拌翼の平面図である。図７は、図５における線視Ａ−Ａ断面図である。図８は、図７における線視Ｂ−Ｂ断面図である。図９は、図５における線視Ｃ−Ｃ断面図である。図１０は、図９における線視Ｄ−Ｄ断面図である。
【００２１】
図１に示すように、バイオリアクタ１は、微生物が存在する液中で処理対象物を生物学的に処理・反応させることで、有用物質の生産、特定の物質の変換等を行う装置である。
本実施形態のバイオリアクタ１は、バイオマス原料を処理対象物とし、バイオマス原料をアルコール発酵させる酵母を液中に有する構成となっている。アルコール発酵は、グルコースやショ糖等の糖分を分解して、エタノールと二酸化炭素とを生成する代謝反応であり、この反応によりバイオリアクタ１の装置内の液中全体にガスＧ（二酸化炭素）が発生する。
【００２２】
バイオリアクタ１は、微生物の反応によって装置全体に略均一に発生するガスＧを利用して、装置内の液体を攪拌する攪拌翼１０を有する（図１及び図２参照）。攪拌翼１０は、液中で回転自在に軸支される回転軸２０と、回転軸２０の周りに複数設けられて浮上するガスＧを捕集する翼部３０とを有する。また、回転軸２０は、内部に中空空間２１を有する円筒形状を有し、その中空空間２１には、バイパス管４０（後述）が複数配設されている。これら攪拌翼１０の各構成部は、回転を円滑にさせるため、軽量のプラスチック材から形成されている。
【００２３】
回転軸２０は、水平方向（図１において紙面垂直方向）に延びる軸周りに回転自在に軸支されており、翼部３０により捕集したガスＧの浮力を、効率良くトルクに変換して回転できるような構成となっている。
翼部３０は、浮上するガスＧを効果的に捕集すべく、回転軸２０の軸心に直交する半径方向に対し、回転方向の一方（反時計回り）側に所定角度で傾いた形状となっている。また、翼部３０は、図６に示すように、バイオリアクタ１の装置内の全体を効果的に攪拌できるように、装置内の幅と略同一の幅を有する。
【００２４】
翼部３０は、回転軸２０の外周部に等間隔で奇数配置され、本実施形態では、回転軸２０周りに計５枚配置されている。翼部３０を等間隔に奇数配置すると、翼部３０が回転軸２０を挟んで対称とならない位置関係とすることができ、図６に示すように、液中の全体から浮上するガスＧを捕集する際に、有効となる下方に向く翼部３０の面積が回転軸２０を挟んで等しくならないため、捕集したガスＧの浮力を不均衡にして回転軸２０周りのモーメント（トルク）を生じさせることができる。
なお、翼部３０には、図１に示す左側から時計回りの順に、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの符号を付し、それらの符号を用いて以下説明する場合がある。
【００２５】
翼部３０は、回転方向の一方（反時計回り）側に設けられて液中で浮上するガスＧを捕集する第１ガス捕集部３１と、回転方向の他方（時計回り）側に設けられて液中で浮上するガスＧを捕集する第２ガス捕集部３２とを有する。この翼部３０は、回転方向両側にガス捕集部を備えて、駆動源となる大量のガスＧを捕集する構成となっている。
この第１ガス捕集部３１と第２ガス捕集部３２とを備える翼部３０は、図７（あるいは図９）に示すように、断面視で略Ｗ字形状（あるいは略Ｍ字形状）を呈する。
【００２６】
第１ガス捕集部３１は、図３に示すように、翼部３０の反時計回り側中央部に、その全長に亘って設けられた溝である。第１ガス捕集部３１は、図７に示す断面視では円形を、図８に示す断面視では台形を呈している。
一方の第２ガス捕集部３２は、図４、図９及び図１０に示すように、翼部３０の時計回り側両端部（第１ガス捕集部３１の裏側両脇）に、その全長に亘って設けられた一対の溝である。第２ガス捕集部３２は、翼部３０の幅方向において対向する両辺をそれぞれ屈曲させて時計回り側に所定距離延在させることで形成される。
【００２７】
第１ガス捕集部３１は、第２ガス捕集部３２よりもガスＧを捕集する容量が大きくなるように構成されている。この構成により、第１ガス捕集部３１が第２ガス捕集部３２よりもガスＧを大量に捕集でき、図５のように翼部３０ａの第１ガス捕集部３１と翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２とが、略均等に浮上するガスＧを同時に捕集した場合であっても、捕集したガスＧの浮力を、回転軸２０を挟んで不均衡にさせることができるため、トルクを生じさせることができる。さらに、この構成により、第１ガス捕集部３１は、第２ガス捕集部３２から、後述するバイパス管４０を介してバイパスしてきたガスＧを溢れなく捕集することができ、大きなトルクを得ることができる。
【００２８】
次に、バイパス管４０の構成について説明する。
図１（あるいは図５）に示すように、複数の翼部３０のうちの第１の翼部（例えば翼部３０ａ）の第１ガス捕集部３１と第２の翼部（例えば翼部３０ｄ）の第２ガス捕集部３２とは、バイパス管４０により互いに連通しており、捕集したガスＧがそれらの間を行き来できる構成となっている。
【００２９】
バイパス管４０は、複数設けられ、回転軸２０を挟んで互いに逆側に設けられている第１の翼部の第１ガス捕集部３１と第２の翼部の第２ガス捕集部３２との間を、回転軸２０を貫通して直線的に連通させる流路を形成する。なお、各バイパス管４０は、回転軸２０内で軸方向（奥行き方向）においてズレて交差配置されており、全体で五芒星（ペンタグラム）の形状を呈する（図１参照）。
【００３０】
本実施形態では、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１と翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２との間にはバイパス管４０ａが、翼部３０ｂの第１ガス捕集部３１と翼部３０ｅの第２ガス捕集部３２との間にはバイパス管４０ｂが、翼部３０ｃの第１ガス捕集部３１と翼部３０ａの第２ガス捕集部３２との間にはバイパス管４０ｃが、翼部３０ｄの第１ガス捕集部３１と翼部３０ｂの第２ガス捕集部３２との間にはバイパス管４０ｄが、翼部３０ｅの第１ガス捕集部３１と翼部３０ｃの第２ガス捕集部３２との間にはバイパス管４０ｅが、設けられる。
【００３１】
各バイパス管４０は、接続位置が異なるが、同一の構成をなす。このため、以下では、そのうちのバイパス管４０ａに着目して説明する。バイパス管４０ａは、図６に示すように、管部材４０ａ１及び管部材４０ａ２から構成される。
管部材４０ａ１及び管部材４０ａ２は、２つの溝で構成される第２ガス捕集部３２と１つの溝で構成される第１ガス捕集部３１とを連通させるべく、一対となって設けられている。
【００３２】
具体的には、翼部３０ｄの付け根側であって、第２ガス捕集部３２の一方側の底溝に対応する位置には管部材４０ａ１の一端部が、第２ガス捕集部３２の他方側の底溝に対応する位置には管部材４０ａ２の一端部が、回転軸２０の周面に面一で露出するように設けられている（図４、図９及び図１０参照）。
一方の、管部材４０ａ１及び管部材４０ａ２の両他端部は、翼部３０ａの付け根部側の第１ガス捕集部３１内であって、その内部空間に浮く形で、回転軸２０の周面から所定長さ突出して設けられている（図３、図７及び図８参照）。
【００３３】
このように構成されたバイパス管４０ａの作用を、図１１を参照して説明する。
図１１（ａ）は、翼部３０ａが翼部３０ｄよりも上方となる高さ関係のときのバイパス管４０ａの作用を説明する図である。図１１（ｂ）は、翼部３０ａが翼部３０ｄよりも下方となる高さ関係のときのバイパス管４０ａの作用を説明する図である。
【００３４】
図１１（ａ）における姿勢では、液中で浮上するガスＧが、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１及び翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２の両者に堰き止められ捕集されることとなる。
翼部３０ｄにおいて捕集されたガスＧは、第２ガス捕集部３２の両溝に移動してから上昇し、バイパス管４０ａ（管部材４０ａ１及び管部材４０ａ２）の一端部が設けられている付け根部に到達する。
【００３５】
付け根部に到達したガスＧは、その浮力により、バイパス管４０ａの一端部から流入し、傾斜したバイパス管４０ａ内部を通過して、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１内に突出するバイパス管４０ａ（管部材４０ａ１及び管部材４０ａ２）の他端部から流出する。
翼部３０ａの第１ガス捕集部３１は、自身で捕集したガスＧ、さらには、バイパス管４０ａを介して翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２からバイパスしてきたガスＧの両者を捕集する。また、第１ガス捕集部３１は、両者のガスＧを捕集できるだけの容量を有している。
【００３６】
第１ガス捕集部３１で大量のガスＧを捕集した翼部３０ａには、ガスＧの浮力により上方に大きな力が作用する。一方の翼部３０ｄには、第２ガス捕集部３２で捕集したガスＧが順次自動的に翼部３０ａ側に移送されるため、実質的にガスＧが溜まらず、ガスＧにより上方に作用する力はゼロもしくは微力となる。
すなわち、バイパス管４０ａは、回転軸２０を挟んで両側の翼部３０において捕集したガスＧの浮力を不均衡、さらには翼部３０ａ側（左側）にのみ作用にさせ、回転軸２０を挟んで作用するトルクの相殺を抑制する。このため、時計回りに大きなトルクが働き、攪拌翼１０全体（各翼部３０及び回転軸２０）が時計回りに回転することで、液中が攪拌されることとなる。
【００３７】
一方、図１１（ｂ）における姿勢では、液中で浮上するガスＧが、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１のみに堰き止められ捕集される。
なお、第２ガス捕集部３２の先端には壁がなく開状態となっているため、翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２に入ったガスＧは、第２ガス捕集部３２に捕集されることなく、先端から上方に抜けていく。
翼部３０ａにおいて捕集されたガスＧは、第１ガス捕集部３１の溝に沿って上昇し、付け根部近傍の角部に溜まり、その浮力により翼部３０ａを上方に持ち上げる力を作用させる。
【００３８】
このとき、翼部３０ａが翼部３０ｄよりも下方となる高さ関係であるため、第１ガス捕集部３１で捕集したガスＧが、その浮力により自動的にバイパス管４０ａを介して、第２ガス捕集部３２に移送される（逆流する）ことが懸念される。
しかし、バイパス管４０ａ（管部材４０ａ１及び管部材４０ａ２）の他端部は、第１ガス捕集部３１内に所定長さ突出した形状となっているため、その他端部の開口位置が、捕集したガスＧで形成される液面より下方に位置することとなり、結果、ガスＧの逆流を防止する逆流防止弁（逆流防止部）の作用を奏することとなる。
【００３９】
続いて、図１２〜図１４を参照して、本実施形態の攪拌翼１０の全体の動作について説明する。
図１２及び図１３は、攪拌翼１０の動作を、時間の経過に合わせて順に示した図であり、図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）、次に、図１３（ａ）、図１３（ｂ）、図１３（ｃ）の順に攪拌翼１０の姿勢が変化する。なお、図１２及び図１３においては、視認性の向上を図るため有効に作用するバイパス管４０の一部のみを示している。
図１４は、攪拌翼１０の回転により、捕集されたガスＧが水面近傍に達して、大気中へ開放される様子を示す。
【００４０】
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）における姿勢では、翼部３０ａが翼部３０ｄよりも上方となる高さ関係となっており、さらに、翼部３０ｂが翼部３０ｅよりも上方となる高さ関係となっている。
この姿勢のとき、液中で浮上するガスＧは、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１及び翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２の両者、さらに、翼部３０ｂの第１ガス捕集部３１及び翼部３０ｅの第２ガス捕集部３２の両者に堰き止められ捕集される。
【００４１】
翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２において捕集されたガスＧは、バイパス管４０ａのバイパス作用により、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１に移送される。また、翼部３０ｅの第２ガス捕集部３２において捕集されたガスＧは、バイパス管４０ｂのバイパス作用により、翼部３０ｂの第１ガス捕集部３１に移送される。
上記のようなガスＧの移送により、回転軸２０の左側（翼部３０ａ及び翼部３０ｂ）に大きな浮力が作用し、回転軸２０の右側（翼部３０ｄ及び翼部３０ｅ）に浮力がほぼ作用しない状態を形成することができる。したがって、攪拌翼１０は、トルクの相殺を抑制した効果的な回転が可能となる。
【００４２】
図１３（ａ）〜図１３（ｃ）における姿勢では、翼部３０ａが翼部３０ｄよりも上方となる高さ関係となっており、また、翼部３０ｅが翼部３０ｃよりも下方となる高さ関係となっている。
この姿勢のとき、液中で浮上するガスＧは、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１及び翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２の両者、さらに、翼部３０ｅの第１ガス捕集部３１に堰き止められ捕集される。なお、翼部３０ｃの第２ガス捕集部３２には、ガスＧが捕集されることなく、先端から上方に抜けていく。
【００４３】
翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２において捕集されたガスＧは、バイパス管４０ａのバイパス作用により、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１に移送される。一方、翼部３０ｅの第１ガス捕集部３１において捕集されたガスＧは、バイパス管４０ｅの逆流防止作用により、翼部３０ｃの第２ガス捕集部３２に移送されずに、翼部３０ｅの第１ガス捕集部３１に溜まる。
上記のようなガスＧの移送により、回転軸２０の左側（翼部３０ａ及び翼部３０ｅ）に大きな浮力が作用し、回転軸２０の右側（翼部３０ｃ及び翼部３０ｄ）に浮力がほぼ作用しない状態を形成することができる。したがって、攪拌翼１０は、トルクの相殺を抑制した効果的な回転が可能となる。
【００４４】
なお、最終的に、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１に捕集されたガスＧは、図１４に示す姿勢のときに、翼部３０ａの先端から抜けた後、水面近傍に達して、大気中へ開放されることとなる。
【００４５】
このように、本実施形態の攪拌翼１０では、５枚の翼部３０全てが図１１で説明した関係を有するため、時計回りのトルクが常に発生し、装置内の略全ての空間を翼部３０が定期的に通過するので、装置内全体が効果的に攪拌され、反応に寄与しない部位を最小限にすることができる。
【００４６】
したがって、上述した本実施形態によれば、バイオリアクタ１の液中で浮上するガスＧを翼部３０で捕集し、この捕集したガスＧの浮力により回転軸２０周りに回転して液中を攪拌する攪拌翼１０を用いることによって、装置内を効果的に攪拌し、且つ、電力を消費する動力が不要となり、ランニングコストを低減することができる。
【００４７】
また、本実施形態によれば、翼部３０が、回転する方向の一方側に設けられてガスＧを捕集する第１ガス捕集部３１と、回転する方向の他方側に設けられてガスＧを捕集する第２ガス捕集部３２とを有し、複数ある翼部３０のうちの、第１の翼部（例えば翼部３０ａ）の第１ガス捕集部３１と、第２の翼部（例えば翼部３０ｄ）の第２ガス捕集部３２とを互いに連通させて捕集したガスＧをバイパスするバイパス管４０を有するという構成を採用し、翼部３０の回転方向両側にガス捕集部を設けて液中で大量のガスＧを捕集して、その捕集したガスＧを、複数の翼部３０のうちの第１の翼部の第１ガス捕集部３１と第２の翼部の第２ガス捕集部３２との間でバイパスさせ、両翼に作用するガスＧの浮力を不均衡にさせることにより、効果的に回転軸２０周りのモーメント（トルク）を生じさせて攪拌（回転）する動力を得ることができる。
【００４８】
また、本実施形態によれば、バイパス管４０が、回転軸２０を挟んで互いに逆側に設けられている第１の翼部の第１ガス捕集部３１と第２の翼部の第２ガス捕集部３２とを互いに連通させるよう構成され、第２ガス捕集部３２において捕集したガスＧを、回転軸２０を挟んで逆側にある第１ガス捕集部３１にバイパスさせることにより、回転軸２０を挟んで両側の翼部３０に作用するトルクの相殺を抑制でき、効率のよい回転を実現できる。
【００４９】
また、本実施形態によれば、第１ガス捕集部３１が、第２ガス捕集部３２よりもガスＧを捕集する容量が大きいという構成を採用し、捕集したガスＧによる浮力を両翼で不均衡にさせ、さらに、第１ガス捕集部３１が第２ガス捕集部３２からバイパスしてきたガスＧを溢れなく捕集することができるため、大きなトルクを得ることができる。
【００５０】
また、本実施形態によれば、バイパス管４０が、第１の翼部が第２の翼部よりも上方となる高さ関係のときに、第２の翼部の第２ガス捕集部３２で捕集したガスＧをその浮力により、第１の翼部の第１ガス捕集部３１に流通させる形状を有するという構成を採用し、容量の小さい第２ガス捕集部３２で捕集したガスＧを、その浮力により自動的に、容量の大きい第１ガス捕集部３１に移送させることで、回転方向片側（時計回り）に大きなトルクを得ることができる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、バイパス管４０が、第１の翼部が第２の翼部よりも下方となる高さ関係のときに、第１の翼部の第１ガス捕集部３１で捕集したガスＧをその浮力により、第２の翼部の第２ガス捕集部３２に流通させない逆流防止部を有するという構成を採用し、容量の大きい第１ガス捕集部３１で捕集したガスＧが、その浮力により自動的に、容量の小さい第２ガス捕集部３２に移送されないようにすることで、トルクの相殺を抑制した、効率の良い回転が可能となる。
【００５２】
また、本実施形態によれば、逆流防止部が、第１の翼部の第１ガス捕集部３１に連通する端部が、第１ガス捕集部３１内に所定長さ突出したバイパス管４０の形状であるという構成を採用し、バイパス管４０の端部の長さで逆流防止部を構成することで、別途、逆流防止弁等を設けることがなく、コスト安に寄与することができる。
【００５３】
また、本実施形態によれば、複数の翼部が、回転軸２０周りに等間隔で奇数配置されているという構成を採用することによって、複数の翼部の配置が回転軸２０を挟んで対称とならない位置関係とすることができるため、捕集したガスＧの浮力を不均衡にしてトルクを生じさせることができる。
【００５４】
また、本実施形態によれば、回転軸２０が、水平方向に延在しているという構成を採用することによって、本実施形態では、捕集したガスＧの浮力を、翼部３０で効率良くトルクに変換して回転することができる。
【００５５】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態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。
【００５６】
例えば、上記実施形態では、バイオリアクタ１に対して攪拌翼１０が１つだけ設けられる構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
一例として、図１５に示す別実施形態のように、バイオリアクタ１に小型の攪拌翼１０を複数設ければ、ガスＧが攪拌翼１０の動作に寄与しない装置内の部位を減じることが可能となる。
【００５７】
また、例えば、上記実施形態では、翼部３０の第１ガス捕集部３１の形状は、図８に示すようにＢ−Ｂ断面視で台形であると説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、ガスＧの発生量等に応じて細部を設計変更することにより、ガス捕集量の増加、すなわち、より大きなトルクを得ることが可能となる。
一例として、第１ガス捕集部３１を、図１６〜図１８に示す別実施形態のように、Ｅ−Ｅ断面視では同じく円形であるが、Ｆ−Ｆ断面視では台形でなく円形（円弧）とする構成を採用してもよい。この構成によれば、第１ガス捕集部３１の形状が、長球を半分にしたような形状となるので、上記実施形態よりもガス捕集量が増加し、攪拌力を向上させることができる。
【００５８】
また、例えば、上記実施形態では、攪拌翼１０が５枚の翼部３０を有する構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、翼部３０が５枚よりも多い構成であってもよい。翼部３０が多いと、回転のためのトルクが安定するが、一方で液体との摩擦が増えてトルクが減少するので、装置内のガス発生量や容量等を鑑みて、実験的に翼部３０の枚数を決定するのが好ましい。
【００５９】
また、例えば、上記説明に用いた図においては、バイパス管４０の構成がわかり易いように、バイパス管４０及び回転軸２０を含む円筒部の比率を大きくして示している。この円筒部は、装置内の反応に寄与しないので、実際には可能な限り小さく構成するのが好ましい。
【符号の説明】
【００６０】
１…バイオリアクタ、１０…攪拌翼、２０…回転軸、３０…翼部、３１…第１ガス捕集部、３２…第２ガス捕集部、４０…バイパス管、Ｇ…ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、攪拌翼およびバイオリアクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、バイオマス原料を糖化し、それを酵母（微生物）を用いて発酵することにより、エタノールを生産する装置（バイオリアクタ）が開示されている。この酵母を用いる装置では、エタノールを生産する工程において液中に二酸化炭素が発生する。
このように、微生物の反応を利用して有用物質を大量生産したり、特定の物質を変換したりするバイオリアクタは、効率良く、大量に、処理対象物を処理する必要性から、装置の大型化が進んでいる。装置が大型になると、装置内における処理対象物を微生物全体に偏りなく供給して反応効率を高める必要があるので、装置内の攪拌・混合が非常に重要となる。
【０００３】
従来の攪拌の方式としては、エアリフト型、強制攪拌型、強制循環型、曝気型が挙げられる。
エアリフト型は、液中のガスで装置内の液体を液面より持ち上げ（エアリフト効果）、持ち上げた液体を再び装置内に流入させることで、液体を循環して攪拌を行う方式である（例えば下記特許文献２参照）。なお、このエアリフト効果には、微生物が発生するガス（エタノールを生産する場合には二酸化炭素）を利用する場合もある。一方、強制攪拌型は、電力を用いてインペラを液中で回転させ、装置内の攪拌を行う方式である。また、強制循環型は、ポンプによって液体を循環させ、装置内の攪拌を行う方式である。そして、曝気型は、装置の底部からガス（装置内環境に応じて、空気、酸素、窒素等が用いられる）の気泡を発生させ、その気泡の上昇によって液体を流動させて装置内の攪拌を行う方式である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２５５７７号公報
【特許文献２】特開２００６−１３６７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、エアリフト型は、液体を循環できるものの、必ずしも効果的な攪拌が達成できる訳ではない。すなわち、エアリフト効果は、液体を装置内の液面よりも上部に持ち上げるだけなので、この液体を装置内へ分散流入させたとしても、装置内の一部、特に装置底部は攪拌されない場合があり、装置全体を効果的に攪拌することは難しい。なお、装置内に分散流入させる箇所を多くすれば、効果的な攪拌が可能となるかもしれないが、配管の配置が複雑になることや、多数の配管のそれぞれに均等に流量配分するのが困難になること等の理由から、現実的ではない。
【０００６】
また、強制攪拌型、強制循環型、曝気型では、攪拌に用いる電力消費量が増大するというランニングコストの問題がある。特に大量処理を前提とするバイオリアクタでは、水深が１０ｍ以上となることも珍しくないため、その水深に見合う仕事をするために大量の電力を必要とする。また、この攪拌のために用いたエネルギーは、装置内で仕事をするわけではないので、廃熱として捨てられることが多く、熱量が無駄になるばかりか、冷却のための装置が別途必要となる場合がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、装置内を効果的に攪拌しつつランニングコストを低減できる攪拌翼及びバイオリアクタの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、回転軸周りに複数の翼部を有すると共に、液中で浮上するガスを上記翼部で捕集し、上記捕集したガスの浮力により上記回転軸周りに回転して上記液中を攪拌する攪拌翼であって、上記翼部は、上記回転する方向の一方側に設けられて上記ガスを捕集する第１ガス捕集部と、上記回転する方向の他方側に設けられて上記ガスを捕集する第２ガス捕集部とを有し、上記複数ある翼部のうちの、第１の翼部の上記第１ガス捕集部と、第２の翼部の上記第２ガス捕集部とを互いに連通させて上記捕集したガスをバイパスするバイパス管を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、液中で浮上するガスを翼部で捕集し、そのガスの浮力を動力に利用して攪拌翼を動かす。また、翼部の回転方向両側にガス捕集部を設け、液中で大量のガスを捕集する。そして、捕集したガスを、複数の翼部のうちの第１の翼部の第１ガス捕集部と第２の翼部の第２ガス捕集部との間でバイパスさせ、両翼に作用するガスの浮力を不均衡にさせることにより、回転軸周りのモーメント（トルク）を生じさせて攪拌（回転）する動力を得る。この攪拌翼の動きを液体の循環として利用することで攪拌を行う。
【０００９】
また、本発明においては、上記バイパス管は、上記回転軸を挟んで互いに逆側に設けられている上記第１の翼部の上記第１ガス捕集部と上記第２の翼部の上記第２ガス捕集部とを互いに連通させるという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、第１ガス捕集部あるいは第２ガス捕集部において捕集したガスを、回転軸を挟んでバイパスさせることで、回転軸を挟んで両側の翼部に作用するトルクの相殺を抑制することができる。これにより、攪拌翼が、回転軸周りに効率よく回転する。
【００１０】
また、本発明においては、上記第１ガス捕集部は、上記第２ガス捕集部よりも上記ガスを捕集する容量が大きいという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、第１ガス捕集部が第２ガス捕集部より容量が大きくなるので、捕集したガスの浮力を不均衡にさせることができる。さらに、第１ガス捕集部は、第２ガス捕集部からバイパスしてきたガスを溢れなく捕集することができ、大きなトルクを得ることができる。
【００１１】
また、本発明においては、上記バイパス管は、上記第１の翼部が上記第２の翼部よりも上方となる高さ関係のときに、上記第２の翼部の上記第２ガス捕集部で捕集した上記ガスをその浮力により、上記第１の翼部の上記第１ガス捕集部に流通させる形状を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、第１の翼部が第２の翼部よりも上方となる高さ関係のときに、容量の小さい第２ガス捕集部で捕集したガスが、その浮力により自動的に、容量の大きい第１ガス捕集部に移送される。これにより、回転方向片側に大きなトルクを得ることができる。
【００１２】
また、本発明においては、上記バイパス管は、上記第１の翼部が上記第２の翼部よりも下方となる高さ関係のときに、上記第１の翼部の上記第１ガス捕集部で捕集した上記ガスをその浮力により、上記第２の翼部の上記第２ガス捕集部に流通させない逆流防止部を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、第１の翼部が第２の翼部よりも下方となる高さ関係のときに、容量の大きい第１ガス捕集部で捕集したガスが、その浮力により自動的に、容量の小さい第２ガス捕集部に移送されないようにする。これにより、トルクの相殺を抑制した、効率の良い回転が可能となる。
【００１３】
また、本発明においては、上記逆流防止部は、上記第１の翼部の上記第１ガス捕集部に連通する端部が、上記第１ガス捕集部内に所定長さ突出した上記バイパス管の形状であるという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、バイパス管の端部を第１ガス捕集部内に所定長さ突出させると、突出させない場合と比べて、捕集したガスがバイパス管を介して逆流しにくくなる。また、このようにバイパス管の端部の形状で逆流防止部を構成することで、別途、逆流防止弁等を設けることがなく、コスト安に寄与することができる。
【００１４】
また、本発明においては、上記複数の翼部は、上記回転軸周りに等間隔で奇数配置されているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、複数の翼部の配置が回転軸を挟んで対称とならない位置関係とすることができるため、捕集したガスの浮力を不均衡にしてトルクを生じさせることができる。
【００１５】
また、本発明においては、上記回転軸は、水平方向に延在しているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、捕集したガスの浮力を、翼部で効率良くトルクに変換して回転することができる。
【００１６】
また、本発明においては、処理対象物を液中で生物学的に処理し、該処理において液中にガスが生じるバイオリアクタであって、上記液中を攪拌する攪拌翼として、先に記載の攪拌翼を有するバイオリアクタを採用する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、回転軸周りに複数の翼部を有すると共に、液中で浮上するガスを上記翼部で捕集し、上記捕集したガスの浮力により上記回転軸周りに回転して上記液中を攪拌する攪拌翼であって、上記翼部は、上記回転する方向の一方側に設けられて上記ガスを捕集する第１ガス捕集部と、上記回転する方向の他方側に設けられて上記ガスを捕集する第２ガス捕集部とを有し、上記複数ある翼部のうちの、第１の翼部の上記第１ガス捕集部と、第２の翼部の上記第２ガス捕集部とを互いに連通させて上記捕集したガスをバイパスするバイパス管を有するという構成を採用して、液中で浮上するガスを翼部で捕集し、そのガスの浮力を動力に利用して攪拌翼を動かす。また、翼部の回転方向両側にガス捕集部を設け、液中で大量のガスを捕集する。そして、捕集したガスを、複数の翼部のうちの第１の翼部の第１ガス捕集部と第２の翼部の第２ガス捕集部との間でバイパスさせ、両翼に作用するガスの浮力を不均衡にさせることにより、回転軸周りのモーメント（トルク）を生じさせて攪拌（回転）する動力を得る。この攪拌翼の動きを液体の循環として利用することで攪拌を行う。
したがって、本発明では、装置内を効果的に攪拌し、且つ、ランニングコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態におけるバイオリアクタの構成を示す正面図である。
【図２】本発明の実施形態における攪拌翼を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態における翼部の第１ガス捕集部を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態における翼部の第２ガス捕集部を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施形態における攪拌翼の要部構成を説明するための正面図である。
【図６】図５における攪拌翼の平面図である。
【図７】図５における線視Ａ−Ａ断面図である。
【図８】図７における線視Ｂ−Ｂ断面図である。
【図９】図５における線視Ｃ−Ｃ断面図である。
【図１０】図９における線視Ｄ−Ｄ断面図である。
【図１１】本発明の実施形態におけるバイパス管の作用を説明する図である。
【図１２】本発明の実施形態における攪拌翼の動作を説明する図である。
【図１３】本発明の実施形態における攪拌翼の動作を説明する図である。
【図１４】本発明の実施形態における攪拌翼の動作を説明する図である。
【図１５】本発明の別実施形態におけるバイオリアクタの構成を示す図である。
【図１６】本発明の別実施形態における攪拌翼の構成を示す正面図である。
【図１７】図１６における線視Ｅ−Ｅ断面図である。
【図１８】図１７における線視Ｆ−Ｆ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態の攪拌翼及びバイオリアクタの構成について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態におけるバイオリアクタの構成を示す正面図である。図２は、本発明の実施形態における攪拌翼を示す斜視図である。図３は、本発明の実施形態における翼部の第１ガス捕集部を示す斜視図である。図４は、本発明の実施形態における翼部の第２ガス捕集部を示す斜視図である。
【００２０】
また、図５は、本発明の実施形態における攪拌翼の要部構成を説明するための正面図である。なお、図５では、図１における２枚の翼部（翼部３０ａ及び翼部３０ｄ）と、この２枚の翼部の間に設けられたバイパス管４０ａとを抜き出して示している。
図６は、図５における攪拌翼の平面図である。図７は、図５における線視Ａ−Ａ断面図である。図８は、図７における線視Ｂ−Ｂ断面図である。図９は、図５における線視Ｃ−Ｃ断面図である。図１０は、図９における線視Ｄ−Ｄ断面図である。
【００２１】
図１に示すように、バイオリアクタ１は、微生物が存在する液中で処理対象物を生物学的に処理・反応させることで、有用物質の生産、特定の物質の変換等を行う装置である。
本実施形態のバイオリアクタ１は、バイオマス原料を処理対象物とし、バイオマス原料をアルコール発酵させる酵母を液中に有する構成となっている。アルコール発酵は、グルコースやショ糖等の糖分を分解して、エタノールと二酸化炭素とを生成する代謝反応であり、この反応によりバイオリアクタ１の装置内の液中全体にガスＧ（二酸化炭素）が発生する。
【００２２】
バイオリアクタ１は、微生物の反応によって装置全体に略均一に発生するガスＧを利用して、装置内の液体を攪拌する攪拌翼１０を有する（図１及び図２参照）。攪拌翼１０は、液中で回転自在に軸支される回転軸２０と、回転軸２０の周りに複数設けられて浮上するガスＧを捕集する翼部３０とを有する。また、回転軸２０は、内部に中空空間２１を有する円筒形状を有し、その中空空間２１には、バイパス管４０（後述）が複数配設されている。これら攪拌翼１０の各構成部は、回転を円滑にさせるため、軽量のプラスチック材から形成されている。
【００２３】
回転軸２０は、水平方向（図１において紙面垂直方向）に延びる軸周りに回転自在に軸支されており、翼部３０により捕集したガスＧの浮力を、効率良くトルクに変換して回転できるような構成となっている。
翼部３０は、浮上するガスＧを効果的に捕集すべく、回転軸２０の軸心に直交する半径方向に対し、回転方向の一方（反時計回り）側に所定角度で傾いた形状となっている。また、翼部３０は、図６に示すように、バイオリアクタ１の装置内の全体を効果的に攪拌できるように、装置内の幅と略同一の幅を有する。
【００２４】
翼部３０は、回転軸２０の外周部に等間隔で奇数配置され、本実施形態では、回転軸２０周りに計５枚配置されている。翼部３０を等間隔に奇数配置すると、翼部３０が回転軸２０を挟んで対称とならない位置関係とすることができ、図６に示すように、液中の全体から浮上するガスＧを捕集する際に、有効となる下方に向く翼部３０の面積が回転軸２０を挟んで等しくならないため、捕集したガスＧの浮力を不均衡にして回転軸２０周りのモーメント（トルク）を生じさせることができる。
なお、翼部３０には、図１に示す左側から時計回りの順に、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの符号を付し、それらの符号を用いて以下説明する場合がある。
【００２５】
翼部３０は、回転方向の一方（反時計回り）側に設けられて液中で浮上するガスＧを捕集する第１ガス捕集部３１と、回転方向の他方（時計回り）側に設けられて液中で浮上するガスＧを捕集する第２ガス捕集部３２とを有する。この翼部３０は、回転方向両側にガス捕集部を備えて、駆動源となる大量のガスＧを捕集する構成となっている。
この第１ガス捕集部３１と第２ガス捕集部３２とを備える翼部３０は、図７（あるいは図９）に示すように、断面視で略Ｗ字形状（あるいは略Ｍ字形状）を呈する。
【００２６】
第１ガス捕集部３１は、図３に示すように、翼部３０の反時計回り側中央部に、その全長に亘って設けられた溝である。第１ガス捕集部３１は、図７に示す断面視では円形を、図８に示す断面視では台形を呈している。
一方の第２ガス捕集部３２は、図４、図９及び図１０に示すように、翼部３０の時計回り側両端部（第１ガス捕集部３１の裏側両脇）に、その全長に亘って設けられた一対の溝である。第２ガス捕集部３２は、翼部３０の幅方向において対向する両辺をそれぞれ屈曲させて時計回り側に所定距離延在させることで形成される。
【００２７】
第１ガス捕集部３１は、第２ガス捕集部３２よりもガスＧを捕集する容量が大きくなるように構成されている。この構成により、第１ガス捕集部３１が第２ガス捕集部３２よりもガスＧを大量に捕集でき、図５のように翼部３０ａの第１ガス捕集部３１と翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２とが、略均等に浮上するガスＧを同時に捕集した場合であっても、捕集したガスＧの浮力を、回転軸２０を挟んで不均衡にさせることができるため、トルクを生じさせることができる。さらに、この構成により、第１ガス捕集部３１は、第２ガス捕集部３２から、後述するバイパス管４０を介してバイパスしてきたガスＧを溢れなく捕集することができ、大きなトルクを得ることができる。
【００２８】
次に、バイパス管４０の構成について説明する。
図１（あるいは図５）に示すように、複数の翼部３０のうちの第１の翼部（例えば翼部３０ａ）の第１ガス捕集部３１と第２の翼部（例えば翼部３０ｄ）の第２ガス捕集部３２とは、バイパス管４０により互いに連通しており、捕集したガスＧがそれらの間を行き来できる構成となっている。
【００２９】
バイパス管４０は、複数設けられ、回転軸２０を挟んで互いに逆側に設けられている第１の翼部の第１ガス捕集部３１と第２の翼部の第２ガス捕集部３２との間を、回転軸２０を貫通して直線的に連通させる流路を形成する。なお、各バイパス管４０は、回転軸２０内で軸方向（奥行き方向）においてズレて交差配置されており、全体で五芒星（ペンタグラム）の形状を呈する（図１参照）。
【００３０】
本実施形態では、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１と翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２との間にはバイパス管４０ａが、翼部３０ｂの第１ガス捕集部３１と翼部３０ｅの第２ガス捕集部３２との間にはバイパス管４０ｂが、翼部３０ｃの第１ガス捕集部３１と翼部３０ａの第２ガス捕集部３２との間にはバイパス管４０ｃが、翼部３０ｄの第１ガス捕集部３１と翼部３０ｂの第２ガス捕集部３２との間にはバイパス管４０ｄが、翼部３０ｅの第１ガス捕集部３１と翼部３０ｃの第２ガス捕集部３２との間にはバイパス管４０ｅが、設けられる。
【００３１】
各バイパス管４０は、接続位置が異なるが、同一の構成をなす。このため、以下では、そのうちのバイパス管４０ａに着目して説明する。バイパス管４０ａは、図６に示すように、管部材４０ａ１及び管部材４０ａ２から構成される。
管部材４０ａ１及び管部材４０ａ２は、２つの溝で構成される第２ガス捕集部３２と１つの溝で構成される第１ガス捕集部３１とを連通させるべく、一対となって設けられている。
【００３２】
具体的には、翼部３０ｄの付け根側であって、第２ガス捕集部３２の一方側の底溝に対応する位置には管部材４０ａ１の一端部が、第２ガス捕集部３２の他方側の底溝に対応する位置には管部材４０ａ２の一端部が、回転軸２０の周面に面一で露出するように設けられている（図４、図９及び図１０参照）。
一方の、管部材４０ａ１及び管部材４０ａ２の両他端部は、翼部３０ａの付け根部側の第１ガス捕集部３１内であって、その内部空間に浮く形で、回転軸２０の周面から所定長さ突出して設けられている（図３、図７及び図８参照）。
【００３３】
このように構成されたバイパス管４０ａの作用を、図１１を参照して説明する。
図１１（ａ）は、翼部３０ａが翼部３０ｄよりも上方となる高さ関係のときのバイパス管４０ａの作用を説明する図である。図１１（ｂ）は、翼部３０ａが翼部３０ｄよりも下方となる高さ関係のときのバイパス管４０ａの作用を説明する図である。
【００３４】
図１１（ａ）における姿勢では、液中で浮上するガスＧが、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１及び翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２の両者に堰き止められ捕集されることとなる。
翼部３０ｄにおいて捕集されたガスＧは、第２ガス捕集部３２の両溝に移動してから上昇し、バイパス管４０ａ（管部材４０ａ１及び管部材４０ａ２）の一端部が設けられている付け根部に到達する。
【００３５】
付け根部に到達したガスＧは、その浮力により、バイパス管４０ａの一端部から流入し、傾斜したバイパス管４０ａ内部を通過して、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１内に突出するバイパス管４０ａ（管部材４０ａ１及び管部材４０ａ２）の他端部から流出する。
翼部３０ａの第１ガス捕集部３１は、自身で捕集したガスＧ、さらには、バイパス管４０ａを介して翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２からバイパスしてきたガスＧの両者を捕集する。また、第１ガス捕集部３１は、両者のガスＧを捕集できるだけの容量を有している。
【００３６】
第１ガス捕集部３１で大量のガスＧを捕集した翼部３０ａには、ガスＧの浮力により上方に大きな力が作用する。一方の翼部３０ｄには、第２ガス捕集部３２で捕集したガスＧが順次自動的に翼部３０ａ側に移送されるため、実質的にガスＧが溜まらず、ガスＧにより上方に作用する力はゼロもしくは微力となる。
すなわち、バイパス管４０ａは、回転軸２０を挟んで両側の翼部３０において捕集したガスＧの浮力を不均衡、さらには翼部３０ａ側（左側）にのみ作用にさせ、回転軸２０を挟んで作用するトルクの相殺を抑制する。このため、時計回りに大きなトルクが働き、攪拌翼１０全体（各翼部３０及び回転軸２０）が時計回りに回転することで、液中が攪拌されることとなる。
【００３７】
一方、図１１（ｂ）における姿勢では、液中で浮上するガスＧが、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１のみに堰き止められ捕集される。
なお、第２ガス捕集部３２の先端には壁がなく開状態となっているため、翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２に入ったガスＧは、第２ガス捕集部３２に捕集されることなく、先端から上方に抜けていく。
翼部３０ａにおいて捕集されたガスＧは、第１ガス捕集部３１の溝に沿って上昇し、付け根部近傍の角部に溜まり、その浮力により翼部３０ａを上方に持ち上げる力を作用させる。
【００３８】
このとき、翼部３０ａが翼部３０ｄよりも下方となる高さ関係であるため、第１ガス捕集部３１で捕集したガスＧが、その浮力により自動的にバイパス管４０ａを介して、第２ガス捕集部３２に移送される（逆流する）ことが懸念される。
しかし、バイパス管４０ａ（管部材４０ａ１及び管部材４０ａ２）の他端部は、第１ガス捕集部３１内に所定長さ突出した形状となっているため、その他端部の開口位置が、捕集したガスＧで形成される液面より下方に位置することとなり、結果、ガスＧの逆流を防止する逆流防止弁（逆流防止部）の作用を奏することとなる。
【００３９】
続いて、図１２〜図１４を参照して、本実施形態の攪拌翼１０の全体の動作について説明する。
図１２及び図１３は、攪拌翼１０の動作を、時間の経過に合わせて順に示した図であり、図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）、次に、図１３（ａ）、図１３（ｂ）、図１３（ｃ）の順に攪拌翼１０の姿勢が変化する。なお、図１２及び図１３においては、視認性の向上を図るため有効に作用するバイパス管４０の一部のみを示している。
図１４は、攪拌翼１０の回転により、捕集されたガスＧが水面近傍に達して、大気中へ開放される様子を示す。
【００４０】
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）における姿勢では、翼部３０ａが翼部３０ｄよりも上方となる高さ関係となっており、さらに、翼部３０ｂが翼部３０ｅよりも上方となる高さ関係となっている。
この姿勢のとき、液中で浮上するガスＧは、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１及び翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２の両者、さらに、翼部３０ｂの第１ガス捕集部３１及び翼部３０ｅの第２ガス捕集部３２の両者に堰き止められ捕集される。
【００４１】
翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２において捕集されたガスＧは、バイパス管４０ａのバイパス作用により、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１に移送される。また、翼部３０ｅの第２ガス捕集部３２において捕集されたガスＧは、バイパス管４０ｂのバイパス作用により、翼部３０ｂの第１ガス捕集部３１に移送される。
上記のようなガスＧの移送により、回転軸２０の左側（翼部３０ａ及び翼部３０ｂ）に大きな浮力が作用し、回転軸２０の右側（翼部３０ｄ及び翼部３０ｅ）に浮力がほぼ作用しない状態を形成することができる。したがって、攪拌翼１０は、トルクの相殺を抑制した効果的な回転が可能となる。
【００４２】
図１３（ａ）〜図１３（ｃ）における姿勢では、翼部３０ａが翼部３０ｄよりも上方となる高さ関係となっており、また、翼部３０ｅが翼部３０ｃよりも下方となる高さ関係となっている。
この姿勢のとき、液中で浮上するガスＧは、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１及び翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２の両者、さらに、翼部３０ｅの第１ガス捕集部３１に堰き止められ捕集される。なお、翼部３０ｃの第２ガス捕集部３２には、ガスＧが捕集されることなく、先端から上方に抜けていく。
【００４３】
翼部３０ｄの第２ガス捕集部３２において捕集されたガスＧは、バイパス管４０ａのバイパス作用により、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１に移送される。一方、翼部３０ｅの第１ガス捕集部３１において捕集されたガスＧは、バイパス管４０ｅの逆流防止作用により、翼部３０ｃの第２ガス捕集部３２に移送されずに、翼部３０ｅの第１ガス捕集部３１に溜まる。
上記のようなガスＧの移送により、回転軸２０の左側（翼部３０ａ及び翼部３０ｅ）に大きな浮力が作用し、回転軸２０の右側（翼部３０ｃ及び翼部３０ｄ）に浮力がほぼ作用しない状態を形成することができる。したがって、攪拌翼１０は、トルクの相殺を抑制した効果的な回転が可能となる。
【００４４】
なお、最終的に、翼部３０ａの第１ガス捕集部３１に捕集されたガスＧは、図１４に示す姿勢のときに、翼部３０ａの先端から抜けた後、水面近傍に達して、大気中へ開放されることとなる。
【００４５】
このように、本実施形態の攪拌翼１０では、５枚の翼部３０全てが図１１で説明した関係を有するため、時計回りのトルクが常に発生し、装置内の略全ての空間を翼部３０が定期的に通過するので、装置内全体が効果的に攪拌され、反応に寄与しない部位を最小限にすることができる。
【００４６】
したがって、上述した本実施形態によれば、バイオリアクタ１の液中で浮上するガスＧを翼部３０で捕集し、この捕集したガスＧの浮力により回転軸２０周りに回転して液中を攪拌する攪拌翼１０を用いることによって、装置内を効果的に攪拌し、且つ、電力を消費する動力が不要となり、ランニングコストを低減することができる。
【００４７】
また、本実施形態によれば、翼部３０が、回転する方向の一方側に設けられてガスＧを捕集する第１ガス捕集部３１と、回転する方向の他方側に設けられてガスＧを捕集する第２ガス捕集部３２とを有し、複数ある翼部３０のうちの、第１の翼部（例えば翼部３０ａ）の第１ガス捕集部３１と、第２の翼部（例えば翼部３０ｄ）の第２ガス捕集部３２とを互いに連通させて捕集したガスＧをバイパスするバイパス管４０を有するという構成を採用し、翼部３０の回転方向両側にガス捕集部を設けて液中で大量のガスＧを捕集して、その捕集したガスＧを、複数の翼部３０のうちの第１の翼部の第１ガス捕集部３１と第２の翼部の第２ガス捕集部３２との間でバイパスさせ、両翼に作用するガスＧの浮力を不均衡にさせることにより、効果的に回転軸２０周りのモーメント（トルク）を生じさせて攪拌（回転）する動力を得ることができる。
【００４８】
また、本実施形態によれば、バイパス管４０が、回転軸２０を挟んで互いに逆側に設けられている第１の翼部の第１ガス捕集部３１と第２の翼部の第２ガス捕集部３２とを互いに連通させるよう構成され、第２ガス捕集部３２において捕集したガスＧを、回転軸２０を挟んで逆側にある第１ガス捕集部３１にバイパスさせることにより、回転軸２０を挟んで両側の翼部３０に作用するトルクの相殺を抑制でき、効率のよい回転を実現できる。
【００４９】
また、本実施形態によれば、第１ガス捕集部３１が、第２ガス捕集部３２よりもガスＧを捕集する容量が大きいという構成を採用し、捕集したガスＧによる浮力を両翼で不均衡にさせ、さらに、第１ガス捕集部３１が第２ガス捕集部３２からバイパスしてきたガスＧを溢れなく捕集することができるため、大きなトルクを得ることができる。
【００５０】
また、本実施形態によれば、バイパス管４０が、第１の翼部が第２の翼部よりも上方となる高さ関係のときに、第２の翼部の第２ガス捕集部３２で捕集したガスＧをその浮力により、第１の翼部の第１ガス捕集部３１に流通させる形状を有するという構成を採用し、容量の小さい第２ガス捕集部３２で捕集したガスＧを、その浮力により自動的に、容量の大きい第１ガス捕集部３１に移送させることで、回転方向片側（時計回り）に大きなトルクを得ることができる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、バイパス管４０が、第１の翼部が第２の翼部よりも下方となる高さ関係のときに、第１の翼部の第１ガス捕集部３１で捕集したガスＧをその浮力により、第２の翼部の第２ガス捕集部３２に流通させない逆流防止部を有するという構成を採用し、容量の大きい第１ガス捕集部３１で捕集したガスＧが、その浮力により自動的に、容量の小さい第２ガス捕集部３２に移送されないようにすることで、トルクの相殺を抑制した、効率の良い回転が可能となる。
【００５２】
また、本実施形態によれば、逆流防止部が、第１の翼部の第１ガス捕集部３１に連通する端部が、第１ガス捕集部３１内に所定長さ突出したバイパス管４０の形状であるという構成を採用し、バイパス管４０の端部の長さで逆流防止部を構成することで、別途、逆流防止弁等を設けることがなく、コスト安に寄与することができる。
【００５３】
また、本実施形態によれば、複数の翼部が、回転軸２０周りに等間隔で奇数配置されているという構成を採用することによって、複数の翼部の配置が回転軸２０を挟んで対称とならない位置関係とすることができるため、捕集したガスＧの浮力を不均衡にしてトルクを生じさせることができる。
【００５４】
また、本実施形態によれば、回転軸２０が、水平方向に延在しているという構成を採用することによって、本実施形態では、捕集したガスＧの浮力を、翼部３０で効率良くトルクに変換して回転することができる。
【００５５】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態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。
【００５６】
例えば、上記実施形態では、バイオリアクタ１に対して攪拌翼１０が１つだけ設けられる構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
一例として、図１５に示す別実施形態のように、バイオリアクタ１に小型の攪拌翼１０を複数設ければ、ガスＧが攪拌翼１０の動作に寄与しない装置内の部位を減じることが可能となる。
【００５７】
また、例えば、上記実施形態では、翼部３０の第１ガス捕集部３１の形状は、図８に示すようにＢ−Ｂ断面視で台形であると説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、ガスＧの発生量等に応じて細部を設計変更することにより、ガス捕集量の増加、すなわち、より大きなトルクを得ることが可能となる。
一例として、第１ガス捕集部３１を、図１６〜図１８に示す別実施形態のように、Ｅ−Ｅ断面視では同じく円形であるが、Ｆ−Ｆ断面視では台形でなく円形（円弧）とする構成を採用してもよい。この構成によれば、第１ガス捕集部３１の形状が、長球を半分にしたような形状となるので、上記実施形態よりもガス捕集量が増加し、攪拌力を向上させることができる。
【００５８】
また、例えば、上記実施形態では、攪拌翼１０が５枚の翼部３０を有する構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、翼部３０が５枚よりも多い構成であってもよい。翼部３０が多いと、回転のためのトルクが安定するが、一方で液体との摩擦が増えてトルクが減少するので、装置内のガス発生量や容量等を鑑みて、実験的に翼部３０の枚数を決定するのが好ましい。
【００５９】
また、例えば、上記説明に用いた図においては、バイパス管４０の構成がわかり易いように、バイパス管４０及び回転軸２０を含む円筒部の比率を大きくして示している。この円筒部は、装置内の反応に寄与しないので、実際には可能な限り小さく構成するのが好ましい。
【符号の説明】
【００６０】
１…バイオリアクタ、１０…攪拌翼、２０…回転軸、３０…翼部、３１…第１ガス捕集部、３２…第２ガス捕集部、４０…バイパス管、Ｇ…ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸周りに複数の翼部を有すると共に、液中で浮上するガスを前記翼部で捕集し、前記捕集したガスの浮力により前記回転軸周りに回転して前記液中を攪拌する攪拌翼であって、
前記翼部は、前記回転する方向の一方側に設けられて前記ガスを捕集する第１ガス捕集部と、前記回転する方向の他方側に設けられて前記ガスを捕集する第２ガス捕集部とを有し、
前記複数ある翼部のうちの、第１の翼部の前記第１ガス捕集部と、第２の翼部の前記第２ガス捕集部とを互いに連通させて前記捕集したガスをバイパスするバイパス管を有することを特徴とする攪拌翼。
【請求項２】
前記バイパス管は、前記回転軸を挟んで互いに逆側に設けられている前記第１の翼部の前記第１ガス捕集部と前記第２の翼部の前記第２ガス捕集部とを互いに連通させることを特徴とする請求項１に記載の攪拌翼。
【請求項３】
前記第１ガス捕集部は、前記第２ガス捕集部よりも前記ガスを捕集する容量が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の攪拌翼。
【請求項４】
前記バイパス管は、前記第１の翼部が前記第２の翼部よりも上方となる高さ関係のときに、前記第２の翼部の前記第２ガス捕集部で捕集した前記ガスをその浮力により、前記第１の翼部の前記第１ガス捕集部に流通させる形状を有することを特徴とする請求項３に記載の攪拌翼。
【請求項５】
前記バイパス管は、前記第１の翼部が前記第２の翼部よりも下方となる高さ関係のときに、前記第１の翼部の前記第１ガス捕集部で捕集した前記ガスをその浮力により、前記第２の翼部の前記第２ガス捕集部に流通させない逆流防止部を有することを特徴とする請求項４に記載の攪拌翼。
【請求項６】
前記逆流防止部は、前記第１の翼部の前記第１ガス捕集部に連通する端部が、前記第１ガス捕集部内に所定長さ突出した前記バイパス管の形状であることを特徴とする請求項５に記載の攪拌翼。
【請求項７】
前記複数の翼部は、前記回転軸周りに等間隔で奇数配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の攪拌翼。
【請求項８】
前記回転軸は、水平方向に延在していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の攪拌翼。
【請求項９】
処理対象物を液中で生物学的に処理し、該処理において液中にガスが生じるバイオリアクタであって、
前記液中を攪拌する攪拌翼として、請求項１〜８のいずれか一項に記載の攪拌翼を有することを特徴とするバイオリアクタ。
【請求項１】
回転軸周りに複数の翼部を有すると共に、液中で浮上するガスを前記翼部で捕集し、前記捕集したガスの浮力により前記回転軸周りに回転して前記液中を攪拌する攪拌翼であって、
前記翼部は、前記回転する方向の一方側に設けられて前記ガスを捕集する第１ガス捕集部と、前記回転する方向の他方側に設けられて前記ガスを捕集する第２ガス捕集部とを有し、
前記複数ある翼部のうちの、第１の翼部の前記第１ガス捕集部と、第２の翼部の前記第２ガス捕集部とを互いに連通させて前記捕集したガスをバイパスするバイパス管を有することを特徴とする攪拌翼。
【請求項２】
前記バイパス管は、前記回転軸を挟んで互いに逆側に設けられている前記第１の翼部の前記第１ガス捕集部と前記第２の翼部の前記第２ガス捕集部とを互いに連通させることを特徴とする請求項１に記載の攪拌翼。
【請求項３】
前記第１ガス捕集部は、前記第２ガス捕集部よりも前記ガスを捕集する容量が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の攪拌翼。
【請求項４】
前記バイパス管は、前記第１の翼部が前記第２の翼部よりも上方となる高さ関係のときに、前記第２の翼部の前記第２ガス捕集部で捕集した前記ガスをその浮力により、前記第１の翼部の前記第１ガス捕集部に流通させる形状を有することを特徴とする請求項３に記載の攪拌翼。
【請求項５】
前記バイパス管は、前記第１の翼部が前記第２の翼部よりも下方となる高さ関係のときに、前記第１の翼部の前記第１ガス捕集部で捕集した前記ガスをその浮力により、前記第２の翼部の前記第２ガス捕集部に流通させない逆流防止部を有することを特徴とする請求項４に記載の攪拌翼。
【請求項６】
前記逆流防止部は、前記第１の翼部の前記第１ガス捕集部に連通する端部が、前記第１ガス捕集部内に所定長さ突出した前記バイパス管の形状であることを特徴とする請求項５に記載の攪拌翼。
【請求項７】
前記複数の翼部は、前記回転軸周りに等間隔で奇数配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の攪拌翼。
【請求項８】
前記回転軸は、水平方向に延在していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の攪拌翼。
【請求項９】
処理対象物を液中で生物学的に処理し、該処理において液中にガスが生じるバイオリアクタであって、
前記液中を攪拌する攪拌翼として、請求項１〜８のいずれか一項に記載の攪拌翼を有することを特徴とするバイオリアクタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１１−１０１８３５（Ｐ２０１１−１０１８３５Ａ）
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５７０７９（Ｐ２００９−２５７０７９）
【出願日】平成２１年１１月１０日（２００９．１１．１０）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１０日（２００９．１１．１０）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]