特許 7396624 微細気泡発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-04

(45)【発行日】2023-12-12

(54)【発明の名称】微細気泡発生装置

(51)【国際特許分類】

   B01F 25/21 20220101AFI20231205BHJP

   B01F 23/2375 20220101ALI20231205BHJP

   C12M 1/04 20060101ALI20231205BHJP

   B01F 35/71 20220101ALI20231205BHJP

【ＦＩ】

B01F25/21

B01F23/2375

C12M1/04

B01F35/71

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019182483

(22)【出願日】2019-10-02

(65)【公開番号】P2021058816

(43)【公開日】2021-04-15

【審査請求日】2022-09-13

(73)【特許権者】

【識別番号】508231256

【氏名又は名称】株式会社西研デバイズ

(74)【代理人】

【識別番号】110002217

【氏名又は名称】弁理士法人矢野内外国特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】西 進

【審査官】河野 隆一朗

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－０８８７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－１９６８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－００７０５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１３７４５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０５８１９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｆ ２３／２３ － ２３／２３７５

Ｂ０１Ｆ ２７／８０ － ２７／９６

Ｂ０１Ｆ ２７／２１ － ２７／２１３

Ｂ０１Ｆ ２５／４５ － ２５／４５２

Ｂ０１Ｆ ３５／７１

Ｃ１２Ｍ １／００ － １／１０

Ｃ０２Ｆ ３／２０

Ａ０１Ｋ ６３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータと、
前記モータと連結されており、中央部に回転軸内通路を設けた回転軸と、
前記回転軸の下部に回転軸と相対回転不能に設けられた少なくとも一以上の回転体と、
前記回転軸内通路に気体を圧送する気体圧送装置と、
を備え、
前記モータは、回転速度を変化可能に構成し、
前記気体圧送装置は、圧送する気体圧力を変更可能に構成し、
前記回転体は、円柱または円筒状に形成され、
前記回転体は、数μｍ～数十μｍの孔径を有する多数の微細孔を有し、炭素を含む複合素材によって形成され、
前記回転軸は、モータの駆動力を伝達する第一の回転軸と、回転体に接続された第二の回転軸と、前記第一の回転軸及び第二の回転軸を相対回転不能に連結する接続用治具と、を有し、
数百ｎｍ～数十μｍの微細気泡を発生させる
微細気泡発生装置。

【請求項2】

前記モータの下方に固定用治具が設けられ、固定用治具に対して、前記モータ、前記モータを格納するモータカバー、及び前記第一の回転軸が、固定用治具に取り外し可能に固定されている、
請求項１に記載の微細気泡発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液中において微細な気泡を発生させる微細気泡発生装置の技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、水道水や湖沼・河川、海水等の液中において気泡のサイズ（直径）が数百ｎｍから数十μｍの微細気泡を使用する技術が注目されている。前記微細気泡は、表面積が非常に大きい特性及び自己加圧効果などの物理化学的な特性を有しており、その特性を生かして、排水浄化、洗浄、浴槽内での身体ケア及び魚介類の養殖等に使用する技術が開発されている。特に排水浄化及び魚介類の養殖等の分野においては、空気を効率よく水中に溶存させる技術が求められており、その解決策として微細気泡を使用する技術が注目されている。

【0003】

前記特性を持った微細気泡の発生方法として、従来から、バブルを含む液体の流れを整流部で整えた後、この液体を絞り部に通過させることで、極めて小さな粒径のマイクロバブルを発生させる方法は公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
また、水中で露出した回転体を回転させて、回転体を支持する中空の回転軸の内部を通じて空気を送り込み、前記回転体から空気を放出させ、水中に気泡を拡散させる装置が公知となっている（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－８９５４７号公報

【文献】特開２０１２－１１３５５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、例えば、微生物の大量培養に用いる容器（ジャーファーメンター）において、バブルを含む液体の流れを整流部で整えた後、この液体を絞り部に通過させることで、極めて小さな粒径のマイクロバブルを発生させた場合は、気泡の発生量が少なく微生物の培養効率が向上しなかった。また、回転体から空気を放出させる微細気泡発生装置を使用する場合には、攪拌羽根の回転によって回転流が発生し、当該回転流が微生物にストレスを与えることとなり、培養効率が低下するという問題があった。

【0006】

そこで、本発明はかかる課題に鑑み、ジャーファーメンター等で利用する際に、微生物にストレスをかけることなく大量に微細気泡を発生させることができる微細気泡発生装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

【0008】

即ち、本発明においては、前記モータと連結されており、中央部に回転軸内通路を設けた回転軸と、前記回転軸の下部に回転軸と相対回転不能に設けられた少なくとも一以上の回転体と、前記回転軸内通路に気体を圧送する気体圧送装置と、を備え、前記モータは、回転速度を変化可能に構成し、前記気体圧送装置は、圧送する気体圧力を変更可能に構成し、前記回転体は、円柱または円筒状に形成され、前記回転体は、数μｍ～数十μｍの孔径を有する多数の微細孔を有し、炭素を含む複合素材によって形成され、前記回転軸は、モータの駆動力を伝達する第一の回転軸と、回転体に接続された第二の回転軸と、前記第一の回転軸及び第二の回転軸を相対回転不能に連結する接続用治具と、を有し、数百ｎｍ～数十μｍの微細気泡を発生させるものである。

【0009】

また、本発明においては、前記モータの下方に固定用治具が設けられ、固定用治具に対して、前記モータ、前記モータを格納するモータカバー、及び前記第一の回転軸が、固定用治具に取り外し可能に固定されているものであってもよい。

【発明の効果】

【0010】

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

【0011】

本発明においては、ジャーファーメンター等で利用する際に、微生物にストレスをかけることなく大量に微細気泡を発生させることができる。また、中央に回転軸内通路を設けたことにより、気体が通る通路を一本化することで、気体の運動エネルギーのロスをなくすことができる。また、回転体が、円柱または円筒状に形成されたことにより、回転体表面と液との抵抗が少なくなる。また、回転体の遠心力により、微細気泡が発生しやすくなり、さらに攪拌渦が発生するので、多機能性を備えることができる。例えば、気泡発生媒体を強制的に回転移動させて微細気泡を発生させる場合と比べ、軸回転させるだけなので、エネルギーが少なくてよい。また、例えば、気泡発生媒体を強制的に回転移動させて微細気泡を発生させる場合と比べ、回転移動用のシャフト等の強度を強固にする必要がなくコストを低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第一の実施形態におけるジャーファーメンターおよび微細気泡発生装置に係る正面一部断面図。

【図2】本発明の第一の実施形態における微細気泡発生装置に係る断面図。

【図3】本発明の別の実施形態における微細気泡発生装置に係る拡大図。

【図4】本発明のさらに別の実施形態における微細気泡発生装置に係る拡大図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

次に、発明の実施の形態を説明する。

【0014】

＜第一の実施形態＞
まず、本発明の第一の実施形態にかかる微細気泡発生装置１について図１および図２を用いて説明する。
微細気泡発生装置１は、液中において気泡のサイズ（直径）が数百ｎｍから数十μｍの微細気泡を発生させる装置である。液体は例えば、海水や河川水、排水、薬液等であってもよい。本実施形態においては、微生物を培養するための培養液において、気泡のサイズ（直径）が数百ｎｍから数十μｍの微細気泡を発生させるものである。培養液は、微生物の大量培養に用いる容器（ジャーファーメンター５０）に入れられる。

【0015】

図１に示すように、ジャーファーメンター５０は、微生物の増殖や物質生産に最適な生育環境にコントロールする機能を備えた培養装置である。ジャーファーメンター５０は透明な筒状の容器本体５１と、容器本体５１の上端に設けられた金属製の蓋取付部５１ａと、金属製の蓋５２と、を備える。また、容器本体５１の下面には温度調整装置５３が設けられており、蓋５２には、好気性微生物に対して酸素を微細気泡として供給する微細気泡発生装置１が取り付けられている。

【0016】

図２に示すように、微細気泡発生装置１は、モータ２と、モータ２の駆動軸１１と連結されており、中央部に回転軸内通路３Ａを設けた回転軸３と、回転軸３の下部に回転軸３と相対回転不能に設けられた少なくとも一以上の回転体であるビット４と、を備える。ここで、本実施形態においては、回転軸３は、接続用治具８と、ビット４に接続されるビット接続軸１０と、を有する。

【0017】

モータ２は、回転体であるビット４を回転駆動する駆動源であり、図示せぬ電源によって駆動する。本実施形態においては、モータ２はトルク可変モータであり、回転速度および回転トルクを図示せぬ制御装置を用いて変化させることができる。

【0018】

また、モータ２は、中空軸付きモータであり、ロータリージョイント５が連結されている。ロータリージョイント５は、モータ２の回転駆動を上部の気体通路に伝えないように構成する部材であり、モータ駆動軸１１が駆動した場合であっても、気体通路６が回転するのを防止することができる。ロータリージョイント５は、ロータリージョイントカバー２１に格納されている。

【0019】

モータ２は、モータカバー１５内に格納されている。モータカバー１５は円筒形の容器である。
固定用治具７は、ジャーファーメンター５０の蓋５２に固定するための治具である。固定用治具７は円板状に形成された固定用板２５と、固定用板２５の中央部に設けられた、中継ボックス２６とによって構成されている。

【0020】

中継ボックス２６は、接続用治具８を格納する円筒状の容器であり、その上面において、モータカバー１５の底面を封止する。

【0021】

中継ボックス２６内には、接続用治具８が格納されている。接続用治具８は、モータ駆動軸１１の下端と、ビット接続軸１０の上端とを接続するための治具であり、円筒状に構成されている。

【0022】

中継ボックス２６の下面には、支持パイプ２９が設けられており、ビット接続軸１０およびビット接続軸１０をガイドするガイドパイプ３１が挿入されている。ガイドパイプ３１と支持パイプ２９とは図示せぬピンにより回動不能に固定されている。

【0023】

ガイドパイプ３１の内部には、複数の箇所に軸固定具３２が設けられている。軸固定具３２は円筒状の部材であり、ビット接続軸１０を回動可能に支持する部材である。

【0024】

ビット接続軸１０は、モータ２のモータ駆動軸１１と連結されており、中央部にビット接続軸内通路１０Ａを設けた管状の部材である。本実施形態においては、培養液内で錆びないように防錆加工が施された金属によって形成されている。ビット接続軸１０の長さは、ジャーファーメンター５０の深さに合わせて、培養液中にビット４を配置できる長さであればよい。

【0025】

ビット接続軸１０の下端には、回転体であるビット４が設けられている。ビット４は、円筒状に構成されており、その上面には上面を封止するための天板４Ａが設けられており、下面には下面を封止するための底板４Ｂが設けられている。ビット４、天板４Ａおよび底板４Ｂで仕切られた空間は気体が圧入される空間である。ビット４、天板４Ａおよび底板４Ｂは、数μｍ～数十μｍの孔径を有する多数の微細孔４Ｄを有し、炭素を含む高密度複合体によって形成される。微細孔は、炭素を含む高密度複合体の作成時に出現する空隙であり、当該空隙は水などの液体は内部に浸透しないが、気体が外部へ排出されるのに十分な大きさで構成される。
なお、ビット４は本実施形態においては、一つ設けられているがこれに限定されるものではなく、例えば直列に二つ以上並べることも可能である。

【0026】

ビット４の天板４Ａには、ビット接続軸１０を固定するための固定部４Ｅが設けられている。固定部４Ｅは、中央に円形の孔が設けられており、ビット接続軸１０は、固定部４Ｅに挿入され、固定ピンなどの固定部材によって固定される。これにより、ビット４、天板４Ａおよび底板４Ｂはビット接続軸１０に相対回転不能に固定される。

【0027】

このように構成することにより、モータ２の回転駆動が、モータ駆動軸１１、ビット接続軸１０を介してビット４に伝達される。

【0028】

次に、微細気泡発生装置１のジャーファーメンター５０への取付構造について図１および図２を用いて説明する。

【0029】

ジャーファーメンター５０の蓋５２の中央には、微細気泡発生装置１を貫入するための貫入孔５２Ａが設けられている。ジャーファーメンター５０の蓋５２の上面と、固定用治具７の下面とをパッキン等の封止部材を介して接触させた状態でねじ等の固定部材を用いて固定することにより、微細気泡発生装置１は、ジャーファーメンター５０に固定される。また、ジャーファーメンター５０内の気密性を確保しつつ微細気泡を培養液内で発生させることができる。

【0030】

次に、ジャーファーメンター５０内での微細気泡発生装置１を用いた微細気泡発生工程について図２を用いて説明する。

【0031】

微細気泡発生装置１を駆動したとき、外部の気体圧送装置６０から気体が挿入される。気体圧送装置６０は、ポンプであり、気体は例えば空気である。気体は、酸素を含む気体であればよく、例えば、純粋酸素であってもよい。

【0032】

圧送された気体は、ロータリージョイント５内の気体通路を通り、モータ２内を通過する。さらに、気体は、ビット接続軸１０内のビット接続軸内通路１０Ａを通って、ビット４内の内部空間に圧力がかかった状態で送られる。

【0033】

ピット４内の気体は、圧力がかかった状態で、ビット４側面の数μｍ～数十μｍの孔径を有する多数の微細孔からビット４外部へと押し出される。ビット４は、モータ２の駆動力により回転しているため、回転速度が上がるにつれて、ビット４外側面の微細孔から押し出された微細気泡が培養液内に離間する。これにより、微細気泡が培養液内に拡散される。また、ビット４の回転速度を調整することにより、微細気泡の径と気泡の発生量を変更することが可能となる。

【0034】

例えば、ビット４の回転速度を速くしたときは、ビット４の外側面から出る微細気泡の生長するサイズがまだ小さいときに、ビット４外側面から気泡が離間するため、気泡の直径が数百ｎｍ～数μｍサイズの微細気泡を発生させることができる。

【0035】

例えば、ビット４の回転速度を遅くしたときは、ビット４の外側面から出る微細気泡の生長するサイズが十分に大きくなったときに、ビット４外側面から気泡が離間するため、気泡の直径が数十μｍ以上のサイズの微細気泡を発生させることができる。さらに、数百μｍ以上の通常サイズの気泡も混合させることができるため、培養液面へ浮上するタイプの気泡を作成することも可能となる。
なお、気体圧送装置６０から送られる気体圧力を変更することによっても、気泡の直径を変更させることもできる。

【0036】

ビット４の回転速度を速くすることにより、軸の円周方向および下方に渦状の液流を発生させることもできる。これにより、培養液を攪拌することもできる。ただし、ジャーファーメンター５０において培養する好気性細菌にとって、過度な液流はストレスとなり活動を阻害する要因となる。そこで、攪拌羽根を設けることなく、ビット４の回転によって液流を発生させることで、好気性細菌へストレスを与えることなく酸素を供給することができるものである。また、過度な攪拌を行うことなく微細気泡を拡散させることで、発生した微細気泡が溶存して培養液内に残留しやすくなるため、好気性細菌に酸素を供給しやすくなる。
また攪拌羽根を設ける構成と異なり、回転エネルギーが少なくてすむという利点もある。また、攪拌羽根程度の強度がなくとも、円筒形状であれば渦流を発生させることができるため、低コストで生産することが可能である。

【0037】

次に、微細気泡発生装置１の殺菌、滅菌工程について説明する。
微細気泡発生装置１は、ジャーファーメンター５０内に設置する部分と、ジャーファーメンター５０外に設置する部分とを分割して、殺菌、滅菌を行うことができるように構成されている。具体的には、ジャーファーメンター５０内に設置する部分のみの殺菌、滅菌を行うことで、電気機器に障害を生じさせることなく、オートクレープなどによる熱処理を行うことができる。

【0038】

本実施形態においては、固定用治具７、接続用治具８、ビット接続軸１０、およびビット４によって構成されるジャーファーメンター内に設置する部分が、モータ２、モータカバー１５、ロータリージョイント５、ロータリージョイントカバー２１によって構成されるジャーファーメンター５０外に設置される部分と分割可能に構成されている。
これにより、微細気泡発生装置１のうち、殺菌、滅菌が必要な部分のみを取り外すことが可能となるものである。

【0039】

また、本構成であれば、円筒形状のビットの回転駆動のために用いるモータの出力はビットの回転抵抗が少ないため大型化することはない。そして、本構成であれば、例えば他の実施例のように、ビット４の形状を用いる対象容器の大きさに合わせて図３や図４のように変更することができる。
図３に記載のビット４であれば、底が浅い容器や試験管などの小規模な容器で使用可能であり、図４に記載のビット４であれば、底の深い容器や、海中、河川中などの自然水の中での使用も可能となる。このように、本構成であれば、ビット４の形状を変更して様々な用途に用いることができる。

【0040】

以上のように、微細気泡発生装置１において、モータ２と、モータ２と連結されており、中央部に回転軸内通路３Ａを設けた回転軸３と、回転軸３の下部に回転軸３と相対回転不能に設けられた少なくとも一以上の回転体であるビット４と、を備え、モータ２は、回転速度を変化可能に構成し、ビット４は、円柱または円筒状に形成され、ビット４は、数μｍ～数十μｍの孔径を有する多数の微細孔を有し、炭素を含む高密度複合体によって形成され、回転軸３は、モータ２の駆動力を伝達する第一の回転軸であるモータ駆動軸１１と、ビットに接続された第二の回転軸であるビット接続軸１０と、モータ駆動軸１１及びビット接続軸１０を相対回転不能に連結する接続用治具８と、を有するものである。
このよう構成することにより、攪拌羽根を設けることなく、ビット４の回転によって液流を発生させることで、好気性細菌へストレスを与えることなく酸素を供給することができる。また、過度な攪拌を行うことなく微細気泡を拡散させることで、発生した微細気泡が溶存して培養液内に残留しやすくなるため、好気性細菌に酸素を供給しやすくなる。

【0041】

また、実施形態においては、モータ２の下方に固定用治具７が設けられ、固定用治具７に対して、モータ２、モータ２を格納するモータカバー１５、及びモータ駆動軸１１が、固定用治具７に取り外し可能に固定されていてもよい。
このように構成することにより、微細気泡発生装置１のうち、殺菌、滅菌が必要なジャーファーメンター５０内に設置する部分のみを取り外すことが可能となる。

【0042】

上述の実施形態は、代表的な形態を示したに過ぎず、一実施形態の骨子を逸脱しない範囲で変形して実施することができる。さらに種々の形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内の全ての変更を含む。

【符号の説明】

【0043】

１ 微細気泡発生装置
２ モータ
３ 回転軸
３Ａ 回転軸内通路
４ ビット（回転体）
５ ロータリージョイント
７ 固定用治具
８ 接続用治具
１０ ビット接続軸
１１ モータ駆動軸
１５ モータカバー
２１ ロータリージョイントカバー
２６ 中継ボックス
２９ 支持パイプ
３１ ガイドパイプ
３２ 軸固定具
５０ ジャーファーメンター
５１ 容器本体
５２ 蓋
６０ 気体圧送装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】