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JP7546426B2 - A multi-nozzle for use in a biological reactor that uses fine and ultra-fine bubbles containing gases useful for culturing microorganisms or cells. - Google Patents
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JP7546426B2 - A multi-nozzle for use in a biological reactor that uses fine and ultra-fine bubbles containing gases useful for culturing microorganisms or cells. - Google Patents

A multi-nozzle for use in a biological reactor that uses fine and ultra-fine bubbles containing gases useful for culturing microorganisms or cells. Download PDF

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Description

本発明は、微生物または細胞(以下、「微生物等」ともいう。)の培養に有用な気体を含有するファインバブル・ウルトラファインバブルが適用される生物反応装置に用いられるマルチノズル、より具体的には、培養槽に収容された、培養液と微生物等を含有する生物培養液(以下、「生物培養液」ともいう。)に、微生物等の培養に有用な気体を含むファインバブル・ウルトラファインバブルを含有させる生物反応装置に適用されるマルチノズルに関し、撹拌機を使用することなく、培養槽に収容された生物培養液(以下、「培養槽の生物培養液」ともいう。)を撹拌するために用いられるものである。 The present invention relates to a multi-nozzle used in a biological reaction device to which fine and ultra-fine bubbles containing a gas useful for culturing microorganisms or cells (hereinafter also referred to as "microorganisms, etc.") are applied, more specifically, to a multi-nozzle used in a biological reaction device that causes fine and ultra-fine bubbles containing a gas useful for culturing microorganisms, etc. to be added to a biological culture solution (hereinafter also referred to as "biological culture solution") that contains a culture solution and microorganisms, etc., contained in a culture tank, and is used to stir the biological culture solution (hereinafter also referred to as "biological culture solution in the culture tank") contained in the culture tank without using a stirrer.

生物反応は、化学反応と異なり、反応自体は遅いが、多大なエネルギーや多くの化学物質を使用しないので、環境にとって温和で有意義な反応である。 Biological reactions are different from chemical reactions in that the reactions themselves are slow, but they do not use a lot of energy or chemicals, making them gentle and beneficial to the environment.

しかしながら、生物反応は、一般的に反応が遅いという問題がある。すなわち、化学反応は、1時間以内の反応で十分な場合が多いのに対して、生物反応の場合は、数時間から長い場合は数日または特に長い場合数週間以上の反応時間を要する場合もある。このため、生物反応を効率的、経済的に行うことが求められている。 However, biological reactions generally have the problem of being slow. That is, while a chemical reaction is often sufficient within an hour, biological reactions can take from a few hours to several days, or even several weeks in particularly long cases. For this reason, there is a demand for biological reactions to be carried out efficiently and economically.

本発明者等は、特許文献1~4等において、酸素含有気体のマイクロナノバブルを用いて、微生物等の生物反応を効率的かつ経済的に行うことを提案している。なお、本件の特許請求の範囲および明細書では、従来の「マイクロバブル」、「ナノバブル」を、それぞれ、「ファインバブル」、「ウルトラファインバブル」と称する。 In Patent Documents 1 to 4, the present inventors have proposed using micro-nano bubbles of oxygen-containing gas to efficiently and economically carry out biological reactions of microorganisms, etc. In the claims and specifications of this patent, the conventional "micro-bubbles" and "nano-bubbles" are referred to as "fine bubbles" and "ultra-fine bubbles", respectively.

しかしながら、特許文献1~4の生物反応装置では、撹拌機を使用して、培養槽の生物培養液を撹拌することから、
a)ストレス・ダメージを受けて、微生物等の活性が低下したり、増殖が阻害されたりする、
b)生物反応前の培地滅菌が行いにくい箇所(撹拌機の回転軸のシール部、回転軸の軸受部、撹拌翼、バッフル・邪魔板等)が生じ、雑菌混入(コンタミネーション)を防止するのが難しい、
c)撹拌機の設置、運転、維持・管理等にコストを要する
等の問題が生じる。
However, in the biological reaction apparatuses of Patent Documents 1 to 4, a stirrer is used to stir the biological culture solution in the culture tank,
a) Stress or damage reduces the activity of microorganisms or inhibits their growth.
b) There are some areas where it is difficult to sterilize the medium before biological reaction (the seal of the agitator's rotating shaft, the bearing of the rotating shaft, the agitator blades, baffles, baffles, etc.), making it difficult to prevent contamination.
c) Problems arise such as the costs involved in installing, operating, maintaining and managing the agitator.

特許文献5および6では、撹拌機を使用しない微生物等の培養方法が提案されている。しかしながら、特許文献5では、菌体の流加培養(菌体の増殖に伴って培地の量を増加させる)という特殊な培養において、培養タンク本体内に設けるという特殊な構造を採用して、内筒内外の液の比重差を利用して自然循環流が行われる。また、特許文献6では、細胞の培養を、鉛直な一対の培養筒の下部を連結した反応槽という特殊な反応槽を用いて、両培養筒の下部に接続したガス吹込手段から交互にガスを吹き込んで培養液を撹拌するという特殊な方法で撹拌が行われる。このように、特許文献5および6に開示された撹拌手法は、培養槽内の構造が複雑となり、雑菌の混入防止が困難であることから、一般的な培養槽を用いる生物反応装置では採用できないものである。 Patent Documents 5 and 6 propose a method for culturing microorganisms and the like that does not use an agitator. However, Patent Document 5 uses a special structure installed in the main body of the culture tank in a special culture called fed-batch culture of bacteria (increasing the amount of medium as the bacteria grow), and natural circulation is performed by utilizing the specific gravity difference between the liquid inside and outside the inner cylinder. In addition, Patent Document 6 uses a special reaction tank in which the lower parts of a pair of vertical culture cylinders are connected, and the culture liquid is stirred by alternately blowing gas from a gas blowing means connected to the lower parts of both culture cylinders. In this way, the stirring methods disclosed in Patent Documents 5 and 6 cannot be adopted in a biological reaction device that uses a general culture tank because the structure inside the culture tank is complicated and it is difficult to prevent the inclusion of unwanted bacteria.

また、特許文献7には、図21に示すように、担体201に付着させた細胞202を培養する培養槽203において、培養槽203の培養液中で攪拌流が形成されるように、培養槽203の培養液中に、拡大した吐出口204の内側に整流板205を備えた吐出ノズル206を配置し、該吐出ノズル206からマイクロバブルを含有させた培養液を吐出するようにした付着性細胞培養装置が記載されている。しかしながら、特許文献7の付着性細胞培養装置では、段落[0005]に記載されているように、付着性細胞を培養する場合の特殊事情(攪拌羽を回転させて培養液を攪拌すると、その攪拌羽の機械的なせん断力により担体201から細胞202が剥離してしまう虞がある)に鑑み、上記のような特殊な攪拌手法が採用されているものであり、培養槽203の培養液の攪拌力は小さく、一般的な生物反応装置では採用できないものである。さらに、培養槽203の培養液中に吐出ノズル206等を設けることから、雑菌の混入防止が困難となり、一般的な生物反応装置では採用できないものである。 In addition, Patent Document 7 describes an adherent cell culture device in which, as shown in FIG. 21, a discharge nozzle 206 equipped with a baffle plate 205 is arranged inside an enlarged discharge port 204 in the culture solution of the culture tank 203 in which cells 202 attached to a carrier 201 are cultured, and a culture solution containing microbubbles is discharged from the discharge nozzle 206 so that an agitation flow is formed in the culture solution of the culture tank 203. However, in the adherent cell culture device of Patent Document 7, as described in paragraph [0005], in consideration of special circumstances when culturing adherent cells (when the culture solution is agitated by rotating the agitator blades, there is a risk that the cells 202 will be detached from the carrier 201 due to the mechanical shear force of the agitator blades), the above-mentioned special agitation method is adopted, and the agitation force of the culture solution in the culture tank 203 is small, which cannot be adopted in a general biological reaction device. Furthermore, since a discharge nozzle 206 etc. is provided in the culture solution in the culture tank 203, it is difficult to prevent the inclusion of unwanted bacteria, and this cannot be adopted in general biological reaction devices.

本発明者等は、次の事項を見いだし、本発明をなしたものである。
1)従来の生物反応装置では、撹拌機は、i)培養槽に供給される気体の気泡を細かく剪断する目的、およびii)培養槽の生物培養液を均一に混合する目的で用いられているが、特許文献1~4のような、酸素含有気体のファインバブル・ウルトラファインバブルを用いる生物反応装置では、既に上記i)の目的は十分に達成されていることから、上記ii)の目的が達成できれば、撹拌機を使用する必要性が乏しいこと。
2)上記ii)の目的は、培養槽に還流される、上記ファインバブル・ウルトラファインバブルを含有させた生物培養液を、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出するように設けられている複数の吐出口を備えたマルチノズルを用いて培養槽に向けて吐出することにより、経済的かつ効率的に達成できること。
3)上記ファインバブル・ウルトラファインバブルに含有させる気体として、特許文献1~4のような<好気性または通性嫌気性微生物等>の培養では酸素を含有する気体が用いられるが、これに限らず、<偏性嫌気性微生物等>の培養では、窒素を含有する気体を用いて、また、天然ガス由来の炭素ガス(炭酸ガス、メタンガス等)から有機物(アミノ酸、有機酸、タンパク質等)を生成する微生物<有機物合成微生物等>の培養では、炭酸ガス、メタンガス等の天然ガス由来の炭素ガスを用いて、同様に、撹拌機を使用することなく培養が行えること。
The present inventors have discovered the following and have made the present invention.
1) In conventional biological reactors, agitators are used for the purposes of i) finely shearing the gas bubbles supplied to the culture tank, and ii) uniformly mixing the biological culture solution in the culture tank. However, in biological reactors that use fine or ultrafine bubbles of oxygen-containing gas as described in Patent Documents 1 to 4, the purpose of i) above is already sufficiently achieved, and therefore if the purpose of ii) above can be achieved, there is little need to use agitators.
2) The objective of ii) above can be achieved economically and efficiently by discharging the biological culture solution containing the fine and ultra-fine bubbles, which is to be returned to the culture tank, toward the culture tank using a multi-nozzle equipped with a plurality of outlets arranged to discharge in multiple directions at angles of 0° to 90° with respect to the central axis of the multi-nozzle toward the culture tank.
3) As the gas to be contained in the fine and ultra-fine bubbles, in the cultivation of <aerobic or facultative anaerobic microorganisms, etc.> as described in Patent Documents 1 to 4, an oxygen-containing gas is used. However, the invention is not limited to this. In the cultivation of <obligate anaerobic microorganisms, etc.>, a nitrogen-containing gas is used. In the cultivation of microorganisms <organic matter synthesizing microorganisms, etc.> that produce organic matter (amino acids, organic acids, proteins, etc.) from carbon gases derived from natural gas (carbon dioxide, methane, etc.), carbon dioxide, methane, and other carbonaceous gases derived from natural gas are used. In this manner, cultivation can be carried out without the use of a stirrer.

上記1)~3)の着想に基づいて成された本発明のマルチノズルは、微生物等の培養に有用な気体を含有するファインバブル・ウルトラファインバブルが適用される生物反応装置において採用した場合、撹拌機を使用することなく、生物培養液に、空気、酸素、窒素、二酸化炭素、天然ガス由来の炭素ガス、火力発電所から排出される炭酸ガス等の微生物等の培養に有用な気体(以下、「有用気体」ともいう。)を含有する気体のファインバブル・ウルトラファインバブル(以下、「微細気泡」ともいう。)を含有させた生物培養液を、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出できることを特徴とするものであり、これにより、微生物等の活性を低下させずに、上記a)~c)の問題が解決できると共に、撹拌を経済的かつ効率的に行うことができる。 The multi-nozzle of the present invention, which was developed based on the ideas 1) to 3) above, is characterized in that when it is used in a biological reaction device to which fine and ultra-fine bubbles containing gases useful for culturing microorganisms and the like are applied, it can discharge, without the use of an agitator, biological culture liquid containing fine and ultra-fine bubbles (hereinafter also referred to as "fine bubbles") of gases useful for culturing microorganisms and the like (hereinafter also referred to as "useful gases") such as air, oxygen, nitrogen, carbon dioxide, carbon dioxide gas derived from natural gas, and carbon dioxide gas emitted from thermal power plants, in multiple directions at angles of 0° to 90° with respect to the direction of the culture tank side of the central axis of the multi-nozzle. This solves the problems a) to c) above without reducing the activity of microorganisms and the like, and allows for economical and efficient stirring.

本発明のマルチノズルは、特許請求の範囲の請求項1~13で規定した構造を有するものであり、a)培養槽から抜き出されて循環される生物培養液の水流を利用して、有用気体の微細気泡を発生させると共に、b)有用気体の微細気泡を含有させた生物培養液(以下、「微細気泡含有生物培養液」ともいう。)を、複数の吐出口から、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出することにより、培養槽の生物培養液を撹拌し、培養槽中の有用気体の微細気泡を始め生物培養液を均一に混合するものである。本発明のノズルは、搬送管路/吐出管路/吐出口を備えたノズルを複数本束ねた構造をしていることから、マルチノズルと称する。 The multi-nozzle of the present invention has a structure as defined in claims 1 to 13 of the claims, and a) uses the water flow of the biological culture solution extracted from the culture tank and circulated to generate fine bubbles of useful gas, and b) discharges the biological culture solution containing the fine bubbles of useful gas (hereinafter also referred to as "biological culture solution containing fine bubbles") from multiple outlets in multiple directions at angles of 0° to 90° with respect to the direction of the central axis of the multi-nozzle toward the culture tank, thereby stirring the biological culture solution in the culture tank and uniformly mixing the biological culture solution including the fine bubbles of useful gas in the culture tank. The nozzle of the present invention is called a multi-nozzle because it has a structure in which multiple nozzles each equipped with a transport pipe/discharge pipe/discharge port are bundled together.

特許第5985114号公報Patent No. 5985114 特許第6087476号公報Patent No. 6087476 特許第6138390号公報Patent No. 6138390 特許第6499203号公報Patent No. 6499203 特開平6-327460号公報Japanese Patent Application Publication No. 6-327460 特開2012-115232号公報JP 2012-115232 A 特開2011-120535号公報JP 2011-120535 A

本発明のマルチノズルの課題は、有用気体を含有する気体の微細気泡が適用される生物反応装置に適用した場合、撹拌機を使用せずに培養槽の生物培養液を十分に撹拌でき、微生物等の活性を維持できると共に、撹拌機を使用しないことにより、生物反応装置の培養槽の内部構造を簡素化でき、洗浄性の向上および雑菌汚染の防止を図ることができる、ひいては、撹拌を経済的かつ効率的に行うことのできるマルチノズルを提供することにある。 The objective of the multi-nozzle of the present invention is to provide a multi-nozzle that, when applied to a biological reactor using fine bubbles of gas containing a useful gas, can adequately stir the biological culture liquid in the culture tank without using an agitator, maintaining the activity of microorganisms, etc., and by not using an agitator, can simplify the internal structure of the culture tank of the biological reactor, improve cleanability, and prevent contamination by bacteria, thereby enabling economical and efficient stirring.

前記課題を解決するため、本発明のマルチノズルは、生物培養液に、有用気体を含有する気体の微細気泡を含有させる微細気泡発生装置、および培養槽側の出口に設けられた複数の吐出口を備え、複数の吐出口から、微細気泡含有生物培養液を、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出することにより、培養槽の生物培養液を撹拌することができる。 To solve the above problems, the multi-nozzle of the present invention is equipped with a micro-bubble generator that causes the biological culture solution to contain micro-bubbles of a gas that contains a useful gas, and multiple outlets provided at the outlet on the culture tank side, and can stir the biological culture solution in the culture tank by discharging the micro-bubble-containing biological culture solution from the multiple outlets in multiple directions at angles of 0° to 90° with respect to the direction of the central axis of the multi-nozzle toward the culture tank.

本発明のマルチノズルは、上記のように、有用気体を含有する気体の微細気泡を含有する生物培養液を、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出することにより、撹拌機を使用せずに、培養槽の生物培養液を十分に撹拌でき、微生物等の活性を維持することができる。 As described above, the multi-nozzle of the present invention discharges biological culture liquid containing fine bubbles of useful gas in multiple directions at angles of 0° to 90° with respect to the direction of the central axis of the multi-nozzle toward the culture tank, thereby allowing the biological culture liquid in the culture tank to be sufficiently stirred without the use of an agitator, and the activity of microorganisms, etc. to be maintained.

さらに、本発明のマルチノズルを微生物等の培養に有用な気体を含有する微細気泡が適用される生物反応装置において採用した場合、上記のように撹拌機を使用する必要がなくなり、生物反応装置の培養槽の内部構造を簡素化でき、洗浄性の向上および雑菌汚染の防止を図ることができる。 Furthermore, when the multi-nozzle of the present invention is used in a biological reactor that uses fine bubbles containing gases useful for culturing microorganisms, etc., it becomes unnecessary to use an agitator as described above, and the internal structure of the culture tank of the biological reactor can be simplified, improving cleanability and preventing bacterial contamination.

そして、撹拌機を使用しないことにより、a)微生物等がストレス・ダメージを受け微生物等の活性が低下したり、増殖が阻害されたりする、b)生物反応前の滅菌が行いにくい箇所(撹拌機の回転軸のシール部、回転軸の軸受部、撹拌翼、バッフル・邪魔板等)が生じ雑菌混入(コンタミネーション)を防止するのが難しい、c)撹拌機の設置、運転、維持・管理等にコストを要する等の従来の問題を解決することができる。 By not using an agitator, it is possible to solve the following problems that were previously encountered: a) microorganisms are stressed and damaged, which reduces their activity or inhibits their growth; b) there are areas that are difficult to sterilize before a biological reaction (seal parts of the agitator's rotating shaft, bearing parts of the rotating shaft, agitator blades, baffles, baffles, etc.), making it difficult to prevent contamination; and c) the costs involved in installing, operating, maintaining, and managing the agitator.

このように、撹拌機を使用せず本発明のマルチノズルを用いることにより、培養槽の生物培養液の撹拌を、経済的かつ効率的に行うことができる。 In this way, by using the multi-nozzle of the present invention without using an agitator, the biological culture solution in the culture tank can be agitated economically and efficiently.

本発明のマルチノズルの概要を示す断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an overview of a multi-nozzle according to the present invention. 図1のX-X’断面を示す断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the X-X' cross section of FIG. 図1の左端面を示す外観模式図である。FIG. 2 is a schematic external view showing the left end surface of FIG. 1 . 本発明のマルチノズルにおける搬送管路と吐出管路が成す鋭角側の角度を説明するための模式図である。10 is a schematic diagram for explaining an acute angle formed between a conveying pipe and a discharge pipe in a multi-nozzle of the present invention. FIG. 本発明のマルチノズルにおける搬送管路と吐出管路が成す鋭角側の角度を説明するための模式図である。10 is a schematic diagram for explaining an acute angle formed between a conveying pipe and a discharge pipe in a multi-nozzle of the present invention. FIG. 本発明のマルチノズルが適用された生物反応装置の第1実施形態の概要を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an overview of a first embodiment of a biological reaction apparatus to which a multi-nozzle of the present invention is applied. 本発明のマルチノズルが適用された生物反応装置の第2実施形態の概要を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an overview of a second embodiment of a biological reaction apparatus to which a multi-nozzle of the present invention is applied. 本発明のマルチノズルが適用された生物反応装置の第3実施形態の概要を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing an overview of a third embodiment of a biological reaction apparatus to which the multi-nozzle of the present invention is applied. 本発明のマルチノズルで用いられる微細気泡発生装置の概要を示す断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an outline of a fine bubble generating device used in the multi-nozzle of the present invention. 本発明のマルチノズルで好適に用いられる微細気泡発生装置の第1例を示す外観模式図である。FIG. 1 is a schematic external view showing a first example of a fine bubble generating device suitably used in the multi-nozzle of the present invention. 図10の微細気泡発生装置の作動状態を示す断面模式図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the operating state of the micro-bubble generating device of FIG. 図11における、I-I断面を示す模式図である。12 is a schematic diagram showing a cross section taken along line II in FIG. 11. 気体供給部を設けた、図10の微細気泡発生装置の外見を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing the appearance of the micro-bubble generating device of FIG. 10 provided with a gas supply unit. 本発明のマルチノズルで好適に用いられる微細気泡発生装置の第2例を示す断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a second example of a fine bubble generating device suitably used in the multi-nozzle of the present invention. 本発明のマルチノズルで好適に用いられる微細気泡発生装置の第3例を示す断面模式図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a third example of a fine bubble generating device that can be suitably used in the multi-nozzle of the present invention. 本発明のマルチノズルで好適に用いられる微細気泡発生装置の第4例を示す断面模式図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a fourth example of a fine bubble generating device that can be suitably used in the multi-nozzle of the present invention. 従来の微細気泡発生装置の外観を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the appearance of a conventional fine bubble generating device. 従来の微細気泡発生装置の断面を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross section of a conventional fine bubble generating device. 図18における、II-II断面を示す模式図である。19 is a schematic diagram showing a cross section taken along line II-II in FIG. 18. 従来の撹拌機を用いた生物反応装置を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a biological reaction apparatus using a conventional agitator. 特許文献7の付着性細胞培養装置を示す構成図である。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an adherent cell culture device described in Patent Document 7.

以下、本発明の実施形態を、添付の図面も参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The following describes in detail the embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to these.

<本発明のマルチノズルの一般的事項>
まず、本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置の一般的事項について説明する。
<General aspects of the multi-nozzle of the present invention>
First, general aspects of a biological reaction apparatus to which the multi-nozzle of the present invention is applied will be described.

本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置は、[好気性または通性嫌気性微生物等]の培養に好適に用いることができる。具体的には、醸造、発酵等による食品、薬品、化学品等の製造、バイオマスを利用したバイオエタノールの製造等の微生物等による反応生成物の製造のみならず、微生物等の増殖にも適用できる。[好気性または通性嫌気性微生物等]を培養する場合には、有用気体として酸素を含有する気体が用いられる。 The biological reaction device to which the multi-nozzle of the present invention is applied can be suitably used for culturing [aerobic or facultative anaerobic microorganisms, etc.]. Specifically, it can be applied not only to the production of reaction products by microorganisms, such as the production of food, pharmaceuticals, chemicals, etc. by brewing, fermentation, etc., and the production of bioethanol using biomass, but also to the proliferation of microorganisms, etc. When culturing [aerobic or facultative anaerobic microorganisms, etc.], a gas containing oxygen is used as the useful gas.

[好気性または通性嫌気性微生物等]を用いた生物反応は、培養槽に収容した微生物等を含有する培養液中において、培養液を栄養源として、微生物等に反応生成物を生成させたり、微生物等を増殖させるものである。 Biological reactions using [aerobic or facultative anaerobic microorganisms, etc.] involve causing the microorganisms to produce reaction products or grow in a culture solution that contains the microorganisms, etc., contained in a culture tank, using the culture solution as a nutrient source.

[好気性または通性嫌気性微生物等]の培養液としては、糖類、窒素源が含有されたものを用いる。糖類としては、通常、マルトース、スクロース、グルコース、フルクトース、これらの混合物等の糖類、エタノール等が用いられ、培養液における糖類の濃度は、特に限定されないものの、0.1~10w/v%とするのが好ましい。また、窒素源としては、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウムまたはコーンスティープリカー、酵母エキス、肉エキス、ペプトン等が用いられ、0.1~10w/v%とするのが好ましい。さらに、培養液には糖類、窒素源以外にも、必要に応じて、ビタミン、無機塩類等を添加することが好ましい。 The culture medium for [aerobic or facultative anaerobic microorganisms, etc.] contains sugars and a nitrogen source. As sugars, typically, maltose, sucrose, glucose, fructose, mixtures of these, ethanol, etc. are used, and the concentration of sugars in the culture medium is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 10 w/v%. As nitrogen sources, ammonium chloride, ammonium sulfate, corn steep liquor, yeast extract, meat extract, peptone, etc. are used, and is preferably 0.1 to 10 w/v%. Furthermore, in addition to the sugars and nitrogen sources, it is preferable to add vitamins, inorganic salts, etc. to the culture medium as necessary.

[好気性または通性嫌気性微生物等]としては、醸造、発酵等の技術分野で従来用いられている、アスペルギルス菌等の麹菌、納豆菌、酢酸菌、酵母菌、乳酸菌等の好気性および通性嫌気性の微生物のほか、遺伝子組み換え技術で創り出される各種好気性および通性嫌気性の微生物を用いることができる。また、細胞としては、例えば、抗体医薬として使用される生理活性ペプチドまたは蛋白質を製造するための動物細胞、とりわけ遺伝子組換え動物細胞等が挙げられる。 [Aerobic or facultative anaerobic microorganisms, etc.] include aerobic and facultative anaerobic microorganisms such as Aspergillus and other koji molds, natto bacteria, acetic acid bacteria, yeast bacteria, and lactic acid bacteria that are conventionally used in technical fields such as brewing and fermentation, as well as various aerobic and facultative anaerobic microorganisms created by genetic engineering. In addition, examples of cells include animal cells, particularly genetically modified animal cells, for producing physiologically active peptides or proteins used as antibody drugs.

さらに、本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置は、ビフィズス菌等の大気レベルの濃度の酸素に暴露することにより生育が阻害される[偏性嫌気性微生物等]の培養にも用いることができる。[偏性嫌気性微生物等]を培養する場合には、有用気体として窒素が用いられる。 Furthermore, the bioreactor to which the multi-nozzle of the present invention is applied can also be used to cultivate [obligate anaerobic microorganisms, etc.] whose growth is inhibited by exposure to oxygen at atmospheric concentrations, such as bifidobacteria. When culturing [obligate anaerobic microorganisms, etc.], nitrogen is used as the useful gas.

さらに、本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置は、天然ガス由来の炭素ガス(炭酸ガス、メタンガス)、火力発電所から排出される炭酸ガス等から、アミノ酸、有機酸、タンパク質等の有機物を生成する[有機物合成微生物等]の培養にも用いることができる。[有機物合成微生物等]を培養する場合には、有用気体として、天然ガス由来の炭素ガス、火力発電所から排出される炭酸ガス等が用いられる。 Furthermore, the biological reactor to which the multi-nozzle of the present invention is applied can also be used to cultivate [organic matter synthesis microorganisms, etc.] that produce organic matter such as amino acids, organic acids, and proteins from carbon dioxide gases (carbon dioxide, methane gas) derived from natural gas and carbon dioxide gas discharged from thermal power plants. When culturing [organic matter synthesis microorganisms, etc.], useful gases are used, such as carbon dioxide gases derived from natural gas and carbon dioxide gas discharged from thermal power plants.

<本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置において用いられる微細気泡>
次に、本発明のマルチノズル、および、本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置において用いられる微細気泡について説明する。
<Fine bubbles used in a biological reaction device to which the multi-nozzle of the present invention is applied>
Next, the multi-nozzle of the present invention and the fine bubbles used in the biological reaction device to which the multi-nozzle of the present invention is applied will be described.

本発明のマルチノズル、および、本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置において用いられる「ファインバブル・ウルトラファインバブル」(微細気泡)とは、「ファインバブル」および/または「ウルトラファインバブル」を意味する。「通常の気泡」は水中を急速に上昇して表面で破裂して消えるのに対し、「ファインバブル」といわれる直径100μm以下の微小気泡は、水中で縮小していって消滅し、この際に、フリーラジカルと共に、直径1μm以下の極微小気泡である「ウルトラファインバブル」を発生し、この「ウルトラファインバブル」は比較的長時間水中に残存する。 The term "fine bubbles/ultra-fine bubbles" (microbubbles) used in the multi-nozzle of the present invention and in the biological reaction device to which the multi-nozzle of the present invention is applied means "fine bubbles" and/or "ultra-fine bubbles". While "normal bubbles" rise rapidly in the water and burst at the surface and disappear, "fine bubbles", microscopic bubbles with a diameter of 100 μm or less, shrink in the water and disappear, and at that time, together with free radicals, generate "ultra-fine bubbles", which are extremely small bubbles with a diameter of 1 μm or less, and these "ultra-fine bubbles" remain in the water for a relatively long time.

本発明のマルチノズル、および、本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置においては、個数平均直径が100μm以下の気泡を「ファインバブル」といい、個数平均直径が1μm以下の気泡を「ウルトラファインバブル」という。「ファインバブル・ウルトラファインバブル」(微細気泡)の気泡径を測定する方法としては、画像解析法、レーザー回折散乱法、電気的検知帯法、共振式質量測定法、光ファイバープローブ法等が一般に用いられ、ナノバブルの気泡径を測定する方法としては、動的光散乱法、ブラウン運動トラッキング法、電気的検知帯法、共振式質量測定法等が一般に用いられている。 In the multi-nozzle of the present invention and in the biological reaction device to which the multi-nozzle of the present invention is applied, bubbles with a number-average diameter of 100 μm or less are called "fine bubbles", and bubbles with a number-average diameter of 1 μm or less are called "ultra-fine bubbles". Image analysis, laser diffraction scattering, electrical detection zone method, resonance mass measurement method, optical fiber probe method, etc. are commonly used methods for measuring the bubble diameter of "fine bubbles/ultra-fine bubbles" (microbubbles), and dynamic light scattering, Brownian motion tracking method, electrical detection zone method, resonance mass measurement method, etc. are commonly used methods for measuring the bubble diameter of nanobubbles.

<本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置の特徴>
まず、従来用いられている、酸素含有気体の微細気泡を含有させて微生物等を培養する生物反応装置について説明する。
<Characteristics of a biological reactor to which the multi-nozzle of the present invention is applied>
First, a conventional bioreactor for cultivating microorganisms and the like by incorporating fine bubbles of an oxygen-containing gas will be described.

図20に示すように、従来の生物反応装置では、培養槽ポンプ101により培養槽102から生物培養液103を抜き出し、酸素含有気体aが供給される微細気泡発生装置104により酸素含有気体aの微細気泡を含有させて、培養槽102に還流すると共に、撹拌機105により培養槽102中の生物培養液103を撹拌している。また、培養槽ポンプ101と微細気泡発生装置104との間にろ過器(図示せず)を配置して、培養槽102から抜き出した生物培養液103から分離したろ過液を、微細気泡発生装置104に供給することも行われている。 As shown in FIG. 20, in a conventional biological reaction device, a culture tank pump 101 extracts biological culture liquid 103 from a culture tank 102, and a fine bubble generator 104, to which an oxygen-containing gas a is supplied, causes fine bubbles of oxygen-containing gas a to be contained in the biological culture liquid 103, which is then returned to the culture tank 102, while an agitator 105 stirs the biological culture liquid 103 in the culture tank 102. In addition, a filter (not shown) is disposed between the culture tank pump 101 and the fine bubble generator 104, and the filtrate separated from the biological culture liquid 103 extracted from the culture tank 102 is supplied to the fine bubble generator 104.

本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置は、図6の第1実施形態のように、生物培養液1を収容する培養槽2、培養槽ポンプ3等により生物培養液1を培養槽2から抜き出す抜出管路4を備えており、マルチノズル5は、抜出管路4と培養槽2との間に配され、生物培養液1を培養槽2に還流する。マルチノズル5は、生物培養液1に、有用気体を含有する気体Aの微細気泡を含有させる微細気泡発生装置5-1、および培養槽2側の出口に設けられた複数の吐出口5-2を備えており、複数の吐出口5-2が、微細気泡含有生物培養液を、マルチノズル5の中心軸Bの培養槽2側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出するように設けられていることを特徴とするものである。 As shown in the first embodiment of FIG. 6, the biological reaction apparatus to which the multi-nozzle of the present invention is applied includes a culture tank 2 that contains a biological culture solution 1, and an extraction pipeline 4 that extracts the biological culture solution 1 from the culture tank 2 using a culture tank pump 3 or the like. The multi-nozzle 5 is disposed between the extraction pipeline 4 and the culture tank 2, and returns the biological culture solution 1 to the culture tank 2. The multi-nozzle 5 includes a micro-bubble generator 5-1 that causes the biological culture solution 1 to contain micro-bubbles of gas A that contains a useful gas, and a plurality of discharge ports 5-2 provided at the outlet on the culture tank 2 side, and is characterized in that the plurality of discharge ports 5-2 are provided to discharge the micro-bubble-containing biological culture solution in multiple directions that are 0° to 90° with respect to the direction of the culture tank 2 side of the central axis B of the multi-nozzle 5.

<本発明のマルチノズルの設置>
本発明のマルチノズルは培養槽2の外側に設置されるが、培養槽2に収容された生物培養液1が適切に撹拌できるように、実験、シュミュレーション等により、マルチノズルの個数、マルチノズルの設置位置等の設定できる。例えば、図6の第1実施形態のように縦型培養槽2の底部にマルチノズル5を1個設置することもできるし、図7の第2実施形態のように縦型培養槽2の側面部にマルチノズル5を1個設置することもできるし、また、図8の第3実施形態のように横型培養槽2の底部にマルチノズル5を複数個設置することもできる。
<Installation of the multi-nozzle of the present invention>
The multi-nozzle of the present invention is installed outside the culture tank 2, but the number of multi-nozzles, the installation positions of the multi-nozzles, etc. can be set by experiments, simulations, etc. so that the biological culture solution 1 contained in the culture tank 2 can be appropriately stirred. For example, one multi-nozzle 5 can be installed at the bottom of the vertical culture tank 2 as in the first embodiment of Fig. 6, one multi-nozzle 5 can be installed at the side of the vertical culture tank 2 as in the second embodiment of Fig. 7, or multiple multi-nozzles 5 can be installed at the bottom of the horizontal culture tank 2 as in the third embodiment of Fig. 8.

本発明のマルチノズルが設置される培養槽の形状としては、一般に用いられている円筒形、立方体形、直方体形のものを用いることができるが、撹拌を均一・均質に行う観点からは、円筒形のものが好ましい。 The shape of the culture tank in which the multi-nozzle of the present invention is installed can be any commonly used cylindrical, cubic, or rectangular shape, but from the perspective of performing uniform and homogeneous stirring, a cylindrical shape is preferred.

また、本発明のマルチノズルが設置される培養槽としては、図6の第1実施形態および図7の第2実施形態のような縦型培養槽、または、図8の第3実施形態のような横型培養槽が挙げられるが、横型培養槽が好ましい。図8の第3実施形態のような横型培養槽に設置することにより、培養槽2に収容された生物培養液1が適切に撹拌できるように、実験、シュミュレーション等により、マルチノズル5の個数、マルチノズル5の設置位置等の設計を行う際の選択肢を増やすことができ、望ましい撹拌状態を実現しやすくなる。また、生物培養液1の単位体積当たりに供給される微細気泡の量を一定とすると、横型培養槽を用いた場合には、生物培養液1の表面当たりの微細気泡の量を小さくできるため、生物培養液1の表面に形成される泡の厚みを小さくすることができる。 In addition, examples of the culture tank in which the multi-nozzle of the present invention is installed include a vertical culture tank as in the first embodiment of FIG. 6 and the second embodiment of FIG. 7, or a horizontal culture tank as in the third embodiment of FIG. 8, but a horizontal culture tank is preferred. By installing the multi-nozzle in a horizontal culture tank as in the third embodiment of FIG. 8, the number of multi-nozzles 5 and the installation position of the multi-nozzle 5 can be increased by experiments, simulations, etc., so that the biological culture solution 1 contained in the culture tank 2 can be appropriately stirred, making it easier to achieve a desired stirring state. In addition, if the amount of fine bubbles supplied per unit volume of the biological culture solution 1 is constant, when a horizontal culture tank is used, the amount of fine bubbles per surface of the biological culture solution 1 can be reduced, so that the thickness of the bubbles formed on the surface of the biological culture solution 1 can be reduced.

<マルチノズルの設置数>
本発明のマルチノズル5は、培養槽2に複数個設けることが好ましい。マルチノズル5を複数個設けることにより、培養槽2に収容された生物培養液1が適切に撹拌できるように、実験、シュミュレーション等により、マルチノズルの個数、マルチノズルの設置位置等の設計を行う際の選択肢を増やすことができ、望ましい撹拌状態を実現しやすくなる。さらに、複数個のマルチノズルから吐出される、微細気泡含有生物培養液の吐出量を、複数個のマルチノズルにおいてそれぞれ独立して調整することにより、望ましい撹拌状態を実現するために設計を行う際の選択肢を更に増やすことができる。
<Number of multi-nozzles installed>
It is preferable that a plurality of multi-nozzles 5 of the present invention are provided in the culture tank 2. By providing a plurality of multi-nozzles 5, the number of multi-nozzles, the installation position of the multi-nozzles, etc. can be increased by experiments, simulations, etc., so that the biological culture solution 1 contained in the culture tank 2 can be appropriately stirred, and a desired stirring state can be easily realized. Furthermore, by independently adjusting the discharge amount of the microbubble-containing biological culture solution discharged from the plurality of multi-nozzles, the number of options when designing to realize a desired stirring state can be further increased.

このように、本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置では、有用気体を含有する気体Aの微細気泡含有生物培養液を、培養槽2に還流する際に、マルチノズル5の中心軸Bの培養槽2側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出することにより、撹拌機を使用することなく、微生物等の活性が維持できる生物反応装置および生物反応方法を提供することができる。そして、撹拌機を使用しないことにより、a)微生物等がストレス・ダメージを受け微生物等の活性が低下したり、増殖が阻害されたりする、b)生物反応前の滅菌が行いにくい箇所(撹拌機の回転軸のシール部、回転軸の軸受部、撹拌翼、バッフル・邪魔板等)が生じ雑菌混入(コンタミネーション)を防止するのが難しい、c)撹拌機の設置、運転、維持・管理等にコストを要する等の従来の問題を解決することができる。さらに、培養槽内面にバッフル・邪魔板等の部材を設ける必要がないことから、培養槽内面にテフロン加工(テフロン:登録商標)を施し、汚れの付着防止、雑菌混入(コンタミネーション)のリスク低減を図ることができる。このように、撹拌機を使用せずマルチノズルを用いることにより、培養槽の生物培養液の撹拌を、経済的かつ効率的に行うことができる。 In this way, in the bioreactor to which the multi-nozzle of the present invention is applied, when the microbubble-containing biological culture liquid of gas A containing useful gas is returned to the culture tank 2, the biological reaction apparatus and biological reaction method can be provided in which the activity of microorganisms and the like can be maintained without using an agitator by discharging in multiple directions at 0° to 90° with respect to the direction of the central axis B of the multi-nozzle 5 toward the culture tank 2. And, by not using an agitator, it is possible to solve the conventional problems such as a) the microorganisms and the like being stressed and damaged, the activity of the microorganisms and the like being reduced or their growth being inhibited, b) the occurrence of places where it is difficult to sterilize before the biological reaction (seal part of the rotating shaft of the agitator, the bearing part of the rotating shaft, the agitator blades, baffles, baffles, etc.), making it difficult to prevent contamination, and c) the installation, operation, maintenance, management, etc. of the agitator. Furthermore, since there is no need to provide members such as baffles and baffles on the inner surface of the culture tank, the inner surface of the culture tank can be treated with Teflon (Teflon: registered trademark) to prevent adhesion of dirt and reduce the risk of contamination. In this way, by using a multi-nozzle without using a stirrer, the biological culture solution in the culture tank can be stirred economically and efficiently.

本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置では、抜出管路4とマルチノズル5との間に、培養槽2から抜き出した生物培養液1を、ろ過液とろ過液を除いた生物培養液とに分離するろ過器を配置し、このろ過液を、マルチノズル5に供給することができる。このように、微生物等を除いたろ過液に有用気体を含有する気体Aの微細気泡を含有させ、マルチノズル5の吐出口5-2から吐出することにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減することができる。ろ過液を除いた生物培養液は、回収されるか、または、別の管路を通じて培養槽2に還流される。 In a biological reaction apparatus to which the multi-nozzle of the present invention is applied, a filter is placed between the extraction pipeline 4 and the multi-nozzle 5 to separate the biological culture liquid 1 extracted from the culture tank 2 into a filtrate and the biological culture liquid excluding the filtrate, and this filtrate can be supplied to the multi-nozzle 5. In this way, the filtrate excluding the microorganisms, etc. is made to contain fine bubbles of gas A containing a useful gas, and discharged from the discharge port 5-2 of the multi-nozzle 5, thereby reducing the stress and damage suffered by the microorganisms, etc. The biological culture liquid excluding the filtrate is either recovered or returned to the culture tank 2 through a separate pipeline.

<本発明のマルチノズルの好適な態様>
次に、本発明のマルチノズルの好適な態様について、図1~図5を用いて説明する。
<Preferred embodiment of the multi-nozzle of the present invention>
Next, preferred embodiments of the multi-nozzle of the present invention will be described with reference to FIGS.

好適なマルチノズル5としては、図1に示すように、
1)抜出管路4に接続された下端部5-3、
2)培養槽2に接続された上端部5-4、
3)下端部5-3に供給された生物培養液1を分流し、上端部5-4側に搬送する、ノズルの中心軸Bに沿って設けられた複数の搬送管路5-5、
4)各搬送管路5-5に接続された、複数の吐出管路5-6、および
5)各吐出管路5-6の培養槽2側の出口に設けられた、複数の吐出口5-2
を備えており、複数の吐出口5-2が、微細気泡含有生物培養液を、マルチノズル5の中心軸Bの培養槽2側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出するように設けられていることを特徴とする。
As a preferred multi-nozzle 5, as shown in FIG.
1) the lower end 5-3 connected to the withdrawal pipeline 4;
2) Upper end portion 5-4 connected to culture tank 2;
3) A plurality of transport pipes 5-5 provided along the central axis B of the nozzle for dividing the biological culture solution 1 supplied to the lower end 5-3 and transporting it to the upper end 5-4 side;
4) a plurality of discharge pipelines 5-6 connected to each of the transport pipelines 5-5; and 5) a plurality of discharge ports 5-2 provided at the outlets of the discharge pipelines 5-6 on the culture tank 2 side.
The nozzle is characterized in that the nozzle 5 has a plurality of discharge ports 5-2 that are arranged to discharge the microbubble-containing biological culture solution in multiple directions at an angle of 0° to 90° with respect to the direction of the central axis B of the multi-nozzle 5 toward the culture tank 2.

マルチノズル5の複数の吐出口5-2は、上記のように、通常は、微細気泡含有生物培養液を、マルチノズル5の中心軸Bの培養槽2側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出するように設けられるが、複数の吐出口5-2が培養槽2の壁面より内側に突出して設置される場合には、微細気泡含有生物培養液を、中心軸Bの培養槽2側方向に対して90°を超え180°未満となる方向に吐出することもできる。このように、微細気泡含有生物培養液を中心軸Bの培養槽2側方向に対して90°を超え180°未満となる方向に吐出すると、培養槽2の内壁面に微細気泡含有生物培養液が衝突する、微細気泡の浮上を抑制する等の作用が生じることから、培養槽2に収容された生物培養液1を適切に撹拌するための設計を行う際の選択肢を増やすことができる。 As described above, the multiple outlets 5-2 of the multi-nozzle 5 are usually provided so as to discharge the microbubble-containing biological culture fluid in multiple directions at 0° to 90° with respect to the direction of the culture tank 2 side of the central axis B of the multi-nozzle 5. However, when the multiple outlets 5-2 are installed so as to protrude inward from the wall surface of the culture tank 2, the microbubble-containing biological culture fluid can also be discharged in a direction that is greater than 90° and less than 180° with respect to the direction of the culture tank 2 side of the central axis B. In this way, when the microbubble-containing biological culture fluid is discharged in a direction that is greater than 90° and less than 180° with respect to the direction of the culture tank 2 side of the central axis B, the microbubble-containing biological culture fluid collides with the inner wall surface of the culture tank 2, and the floating of the microbubbles is suppressed, etc., so that the options for designing to appropriately stir the biological culture fluid 1 contained in the culture tank 2 can be increased.

図2は、図1のX-X’断面を示す断面模式図であるが、このように、複数の搬送管路5-5は、マルチノズル5の中心軸Bに沿って設けられる。また、図3は、図1の左端面を示す外観模式図であるが、このように、複数の吐出口5-2は、マルチノズル5の中心軸Bに対して対称的に、上端部5-4の周囲に沿って配置されるのが好ましい。 Figure 2 is a schematic cross-sectional view showing the X-X' cross section of Figure 1, and in this way, the multiple transport pipes 5-5 are arranged along the central axis B of the multi-nozzle 5. Also, Figure 3 is a schematic external view showing the left end face of Figure 1, and in this way, the multiple discharge ports 5-2 are preferably arranged symmetrically with respect to the central axis B of the multi-nozzle 5 and along the periphery of the upper end 5-4.

図1には、微細気泡発生装置5-1を図示していないが、微細気泡発生装置5-1の設置の態様としては、
a)下端部5-3と搬送管路5-5の間に、1つの微細気泡発生装置5-1を設ける態様、
b)各吐出管路5-6に、それぞれ微細気泡発生装置5-1を設ける態様、または
c)各搬送管路5-5に、それぞれ微細気泡発生装置5-1を設ける態様
を採用することができる。
Although the fine bubble generating device 5-1 is not shown in FIG. 1, the fine bubble generating device 5-1 may be installed in the following manner.
a) An embodiment in which one fine bubble generating device 5-1 is provided between the lower end portion 5-3 and the transport pipe 5-5;
b) A mode in which a fine bubble generator 5-1 is provided in each discharge pipeline 5-6, or c) A mode in which a fine bubble generator 5-1 is provided in each transport pipeline 5-5, can be adopted.

上記a)の態様は、設置、維持等のコストの観点から好ましく、上記b)およびc)の態様は、各吐出口5-2から吐出される生物培養液1の微細気泡量を個別に調整できる観点から好ましい。 The above embodiment a) is preferred from the viewpoint of installation, maintenance, and other costs, while the above embodiments b) and c) are preferred from the viewpoint of being able to individually adjust the amount of microbubbles in the biological culture solution 1 discharged from each discharge port 5-2.

<微細気泡含有生物培養液の吐出>
本発明のマルチノズルでは、複数の吐出口は、微細気泡含有生物培養液を、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出するように設けられている。これにより、複数の吐出口から吐出される微細気泡含有生物培養液により、撹拌機を使用することなく、培養槽の生物培養液を十分に撹拌でき、微生物等の活性を維持することができる。
<Discharge of biological culture solution containing fine bubbles>
In the multi-nozzle of the present invention, the multiple outlets are provided to discharge the microbubble-containing biological culture solution in multiple directions at angles of 0° to 90° with respect to the direction of the central axis of the multi-nozzle toward the culture tank. This allows the biological culture solution in the culture tank to be sufficiently stirred by the microbubble-containing biological culture solution discharged from the multiple outlets without using a stirrer, thereby maintaining the activity of microorganisms, etc.

微細気泡含有生物培養液を、マルチノズル5の中心軸Bの培養槽2側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出するために、接続された一対の搬送管路5-5および吐出管路5-6の位置関係を次のように設定することができる。 In order to discharge the microbubble-containing biological culture liquid in multiple directions at angles of 0° to 90° with respect to the direction of the central axis B of the multi-nozzle 5 toward the culture tank 2, the positional relationship between the pair of connected transport pipes 5-5 and discharge pipes 5-6 can be set as follows.

[位置関係A]
図4および図5に示すように、接続された一対の搬送管路5-5および吐出管路5-6を含む各平面Cにおいて、搬送管路5-5と吐出管路5-6が成す鋭角側の角度αを90°を超え180°未満に設定する。
[Positional relationship A]
As shown in Figures 4 and 5, in each plane C including a pair of connected conveying pipelines 5-5 and discharge pipelines 5-6, the acute angle α formed by the conveying pipelines 5-5 and discharge pipelines 5-6 is set to be greater than 90° and less than 180°.

この位置関係Aにより、各吐出口5-2から吐出される、微細気泡含有生物培養液の方向を、マルチノズル5の中心軸Bから遠ざかる多方向として、培養槽2に収容された生物培養液1を撹拌することができる。 This positional relationship A allows the direction of the microbubble-containing biological culture solution discharged from each discharge port 5-2 to be in multiple directions away from the central axis B of the multi-nozzle 5, thereby stirring the biological culture solution 1 contained in the culture tank 2.

吐出口5-2の数をn個とすると、接続された搬送管路5-5および吐出管路5-6の各対1~nにおける角度α1~αnは、90°を超え180°未満の範囲において個別に適宜設定することができる。 If the number of discharge ports 5-2 is n, the angles α1 to αn of each pair 1 to n of the connected conveying pipeline 5-5 and discharge pipeline 5-6 can be individually set as appropriate within the range of more than 90° and less than 180°.

[位置関係B]
図5に示すように、接続された一対の搬送管路5-5および吐出管路5-6を含む各平面Cと、各平面Cに含まれる搬送管路およびマルチノズルの中心軸Bを含む平面Dが成す鋭角側の角度βを0°を超え90°未満に設定する。
[Positional relationship B]
As shown in Figure 5, the acute angle β formed by each plane C including a pair of connected conveying pipelines 5-5 and discharge pipelines 5-6 and a plane D including the conveying pipelines and the central axis B of the multi-nozzle included in each plane C is set to be greater than 0° and less than 90°.

この位置関係Bにより、各吐出口5-2から吐出される、微細気泡含有生物培養液の方向を、中心軸Bを中心とする多方向として、培養槽2に収容された生物培養液1を撹拌することができる。 This positional relationship B allows the direction of the microbubble-containing biological culture solution discharged from each discharge port 5-2 to be in multiple directions around the central axis B, thereby stirring the biological culture solution 1 contained in the culture tank 2.

吐出口5-2の数をn個とすると、平面Cとこれに対応する平面Dはn対存在するが、各対における角度β1~βnは、0°を超え90°未満の範囲において個別に適宜設定することができる。 If the number of outlets 5-2 is n, there are n pairs of planes C and their corresponding planes D, and the angles β1 to βn in each pair can be individually set as appropriate within the range of more than 0° and less than 90°.

上記角度α1~αnおよび角度β1~βnは、培養槽2の形状、吐出口5-2の個数・設置位置等に応じて、培養槽2に収容された生物培養液1が適切に撹拌できるように、実験、シュミュレーション等により適宜設定することができる。 The angles α1 to αn and angles β1 to βn can be set appropriately through experiments, simulations, etc., depending on the shape of the culture tank 2, the number and installation positions of the discharge ports 5-2, etc., so that the biological culture solution 1 contained in the culture tank 2 can be appropriately stirred.

<マルチノズルに設けられる微細気泡発生装置>
本発明のマルチノズルで用いる微細気泡発生装置としては、公知または市販されている、水流方式の微細気泡発生装置を用いることができる。
<Micro-bubble generating device installed in multi-nozzle>
As the fine bubble generating device used in the multi-nozzle of the present invention, a publicly known or commercially available water flow type fine bubble generating device can be used.

水流方式の微細気泡発生装置としては、図9に示すようなものが挙げられる。この微細気泡発生装置6では、圧をかけた状態で微細気泡発生装置6の入口部6-1から生物培養液を供給し、管路の径を絞って流速を上げながら、のど部6-2で乱流を発生させる。この状態で、有用気体を含有する気体Aを気体入口6-3から供給し、吸引部6-4において生物培養液と混合し、水流により微細気泡となり、出口部6-5から、有用気体を含有する気体Aの微細気泡を含有する生物培養液が排出される。 An example of a water flow type micro-bubble generator is shown in Figure 9. In this micro-bubble generator 6, biological culture liquid is supplied from the inlet 6-1 of the micro-bubble generator 6 under pressure, and turbulence is generated at the throat 6-2 while the diameter of the pipe is narrowed to increase the flow rate. In this state, gas A containing useful gas is supplied from the gas inlet 6-3, mixed with the biological culture liquid at the suction section 6-4, and turned into micro-bubbles by the water flow, and the biological culture liquid containing micro-bubbles of gas A containing useful gas is discharged from the outlet 6-5.

<本発明のマルチノズルで好適に用いられる微細気泡発生装置>
本発明のマルチノズルでは、図10~図13に示す第1例、図14に示す第2例、図15に示す第3例、および図16に示す第4例のような微細気泡発生装置6を好適に用いることができる。
<Micro-bubble generating device suitable for use in the multi-nozzle of the present invention>
In the multi-nozzle of the present invention, a fine bubble generator 6 such as the first example shown in Figures 10 to 13, the second example shown in Figure 14, the third example shown in Figure 15, and the fourth example shown in Figure 16 can be suitably used.

図17~図18に示すような従来の微細気泡発生装置6では、筒状体からなる本体6-6内を流れる液体に対して、本体6-6の中心軸に垂直な面に沿って、側面に設けられた複数の空気噴出口9から吹き込まれた気体は、気体の複数の帯G’を形成して本体6-6の内面に沿って流れ出口部6-5付近で微細気泡H’となるため、微細気泡の生成効率が悪く、液体の微細気泡含有率を効率良く十分に高めることは難しい。 In a conventional micro-bubble generator 6 as shown in Figures 17 and 18, gas is blown into the liquid flowing inside the cylindrical main body 6-6 from multiple air outlets 9 on the side of the main body 6-6 along a plane perpendicular to the central axis of the main body 6-6, forming multiple bands of gas G' that flow along the inner surface of the main body 6-6 and become micro-bubbles H' near the outlet 6-5. This results in poor efficiency in generating micro-bubbles, making it difficult to efficiently and sufficiently increase the micro-bubble content of the liquid.

一方、図10~図13に示す第1例、図14に示す第2例、図15に示す第3例、および図16に示す第4例のような微細気泡発生装置6では、図11および図12に示すように、本体6-6内を流れる液体に対して、本体6-6の中心軸に垂直な面に沿って、側面に連続して設けられたスリット7から吹き込まれた気体は、本体6-6の内面に沿って気体の連続する幅広の薄層G(以下、「薄層G」ともいう。)を形成して本体6-6の内面に沿って流れ、微細気泡Hが徐々に形成されると共に、出口部6-5付近で多量の微細気泡Hが形成されるため、微細気泡の生成効率を向上させ、液体の微細気泡含有率を効率良く十分に高めることができる。さらに、薄層Gが、微生物等が微細気泡発生装置6の内面に衝突するのを防止するクッションの役割を果たすため、微生物等がストレス・ダメージを受けたりするのを低減することができる。 On the other hand, in the microbubble generator 6 such as the first example shown in Fig. 10 to Fig. 13, the second example shown in Fig. 14, the third example shown in Fig. 15, and the fourth example shown in Fig. 16, as shown in Fig. 11 and Fig. 12, the gas blown into the liquid flowing in the main body 6-6 from the slits 7 provided continuously on the side along a plane perpendicular to the central axis of the main body 6-6 forms a continuous wide thin layer G of gas (hereinafter also referred to as "thin layer G") along the inner surface of the main body 6-6 and flows along the inner surface of the main body 6-6, and microbubbles H are gradually formed, and a large amount of microbubbles H is formed near the outlet portion 6-5, so that the generation efficiency of microbubbles is improved and the microbubble content of the liquid can be efficiently and sufficiently increased. Furthermore, the thin layer G acts as a cushion to prevent microorganisms, etc. from colliding with the inner surface of the microbubble generator 6, so that stress and damage to the microorganisms, etc. can be reduced.

微細気泡発生装置6の本体6-6の筒状体6-6aの断面形状は、円形または矩形とすることができるが、円形とするのが好ましい。断面形状を円形とすることにより、薄層Gの厚さを均等なものとでき、液体の微細気泡含有率を効率良く高められる傾向にある。本体6-6の筒状体6-6aの断面形状は、図12に示すように真円形であってもよいし、略真円形または楕円形であってもよい。 The cross-sectional shape of the cylindrical body 6-6a of the main body 6-6 of the micro-bubble generator 6 can be circular or rectangular, but is preferably circular. By making the cross-sectional shape circular, the thickness of the thin layer G can be made uniform, which tends to efficiently increase the micro-bubble content of the liquid. The cross-sectional shape of the cylindrical body 6-6a of the main body 6-6 may be a perfect circle as shown in FIG. 12, or may be an approximately perfect circle or an ellipse.

なお、微細気泡発生装置6において、スリット7は、「本体6-6の中心軸に垂直な面(以下、「垂直面」ともいう。)に沿って設けられる」が、これは、垂直面に大凡沿って設けられることを意味する。また、微細気泡発生装置6において、スリット7は、「本体6-6の側面に連続して設けられる」が、後で述べるように、本体6-6を1本の筒状体6-6aで形成するような場合、スリット7を設けることにより本体6-6が分離しないように、一部に接続部を残すこともできる。 In the micro-bubble generator 6, the slit 7 is "provided along a plane perpendicular to the central axis of the main body 6-6 (hereinafter also referred to as the "vertical plane")," which means that it is provided roughly along the vertical plane. Also, in the micro-bubble generator 6, the slit 7 is "provided continuously on the side of the main body 6-6," but as will be described later, in cases where the main body 6-6 is formed from a single cylindrical body 6-6a, it is possible to leave a connection in part so that the main body 6-6 does not separate by providing the slit 7.

また、筒状体6-6aからなる本体6-6には、その中心軸に沿って棒状体、好ましくは断面形状が円形の棒状体を配することが好ましい。これにより、本体6-6への液体の供給量が同じであっても、本体6-6内を流れる液体の流速(以下、「液体の流速」ともいう。)を高くできるので、薄層Gを安定的に形成することができ、また、ファインバブル乃至ウルトラファインバブルの微細気泡を含有する液体を効率良く生成することができる。 In addition, it is preferable that the main body 6-6, which is made of a cylindrical body 6-6a, has a rod-shaped body, preferably a rod-shaped body with a circular cross-sectional shape, arranged along its central axis. This makes it possible to increase the flow rate of the liquid flowing through the main body 6-6 (hereinafter also referred to as the "liquid flow rate") even if the amount of liquid supplied to the main body 6-6 is the same, so that the thin layer G can be formed stably and liquid containing fine bubbles, such as fine bubbles or ultra-fine bubbles, can be efficiently produced.

微細気泡発生装置6において、薄層Gを円滑に形成するためには、
1)液体の流速、および
2)本体6-6内の液体の流れに直交する方向への、スリット7から吹き込まれる気体の流速(以下、「気体の流速」ともいう。)
のバランスを適切なものとすることが必要である。液体の流速に比べ気体の流速が大きすぎる場合には、本体6-6の中心軸近くまで気体が吹き込まれ、薄層Gを形成するのが困難となる。一方、液体の流速に比べ気体の流速が小さすぎる場合には、液体がスリット7から本体6-6の外部に漏れ出すこととなる。
In order to smoothly form the thin layer G in the fine bubble generating device 6,
1) the flow velocity of the liquid, and 2) the flow velocity of the gas blown through the slit 7 in a direction perpendicular to the flow of the liquid in the main body 6-6 (hereinafter also referred to as the "gas flow velocity").
It is necessary to strike an appropriate balance between the above. If the flow rate of the gas is too high compared to the flow rate of the liquid, the gas will be blown close to the central axis of the main body 6-6, making it difficult to form the thin layer G. On the other hand, if the flow rate of the gas is too low compared to the flow rate of the liquid, the liquid will leak out of the main body 6-6 through the slit 7.

<気体供給部>
図13に示すように、本発明において用いられる微細気泡発生装置6においては、スリット7に加圧された気体(例えば、加圧された空気および/または酸素)を供給する気体供給部8が接続される。好適には、気体供給部8は、スリット7を囲むように、本体6-6の外部に気密に設けられる。
<Gas supply section>
13, in the fine-bubble generator 6 used in the present invention, a gas supply unit 8 that supplies pressurized gas (e.g., pressurized air and/or oxygen) is connected to the slit 7. Preferably, the gas supply unit 8 is provided airtightly outside the main body 6-6 so as to surround the slit 7.

気体供給部8に供給される気体の圧力(以下、「気体の圧力」ともいう。)は、基本的には、液体がスリット7から本体6-6の外部に漏れ出さないようにするために、本体6-6内を流れる液体の圧力よりも高くすることが好ましい。 The pressure of the gas supplied to the gas supply unit 8 (hereinafter also referred to as "gas pressure") is preferably higher than the pressure of the liquid flowing within the main body 6-6, in order to prevent the liquid from leaking out of the main body 6-6 through the slit 7.

一方、気体の圧力を高くするとこれに伴い気体の流速が大きくなるため、気体の圧力を高くしすぎると、液体の流速に比べ気体の流速が大きくなりすぎ、薄層Gを形成するのが困難となる傾向にある。 On the other hand, increasing the gas pressure also increases the gas flow rate, so if the gas pressure is too high, the gas flow rate will be too high compared to the liquid flow rate, making it difficult to form the thin layer G.

気体の圧力は、これらの要素を考慮して適切な値を設定することができるが、通常は、液体がスリット7から本体6-6の外部に漏れ出さない圧力(例えば、1.5atm)を下限値とし、3.0atmを上限値とするのが好ましい。 The gas pressure can be set to an appropriate value taking these factors into consideration, but it is usually preferable to set the lower limit at a pressure that prevents liquid from leaking out of the main body 6-6 through the slit 7 (e.g., 1.5 atm) and the upper limit at 3.0 atm.

<スリット>
微細気泡発生装置6のスリット7は、図10~11および図14~16に示すように、本体6-6の中心軸に垂直な面に沿って、側面に連続して設けられた細孔である。
<Slit>
As shown in FIGS. 10 to 11 and 14 to 16, the slit 7 of the fine bubble generator 6 is a fine hole provided continuously on the side surface along a plane perpendicular to the central axis of the main body 6-6.

スリット7の間隙は、液体の流速、気体の流速、気体の圧力も考慮して、薄層Gを形成できる適切な値を設定することができる。 The gap of the slit 7 can be set to an appropriate value that allows the formation of a thin layer G, taking into consideration the liquid flow rate, gas flow rate, and gas pressure.

また、スリット7の間隙は、狭すぎると微細気泡Hの生成効率が低下し、広すぎると出口部6-5付近で薄層Gから微細気泡Hが形成されにくくなるので、これらの要素も考慮して適切な値を設定することができる。 In addition, if the gap of the slit 7 is too narrow, the efficiency of generating fine bubbles H decreases, and if it is too wide, it becomes difficult for fine bubbles H to form from the thin layer G near the outlet portion 6-5, so an appropriate value can be set taking these factors into consideration.

スリット7の間隙は、これらの要素を考慮して適切な値を設定することができるが、通常は0.5mm~2.0mm、好ましくは0.5mm~1.5mm、より好ましくは0.5mm~0.8mmの範囲に設定することができる。 The gap of the slit 7 can be set to an appropriate value taking these factors into consideration, but can usually be set in the range of 0.5 mm to 2.0 mm, preferably 0.5 mm to 1.5 mm, and more preferably 0.5 mm to 0.8 mm.

液体の微細気泡含有率を効率良く高めるためには、気体の流速を大きくして気体の吹き込み量を増加することが好ましいが、一方で、上記<マルチノズルに設けられる微細気泡発生装置>で説明したように、気体の流速を液体の流速に比べて大きくするに伴い、薄層Gを形成するのが困難となる。 In order to efficiently increase the microbubble content of the liquid, it is preferable to increase the amount of gas injected by increasing the gas flow rate. However, as explained above in the section <Microbubble generating device installed in a multi-nozzle>, it becomes difficult to form a thin layer G as the gas flow rate is increased compared to the liquid flow rate.

上記の「液体の微細気泡含有率の向上」と「薄層Gの安定的な形成」とを両立させるためには、図14に示す第2例、図15に示す第3例、および図16に示す第4例の微細気泡発生装置のように、スリット7を本体6-6の中心軸に垂直な面に対して上流側に傾斜させることが好ましい。これにより、気体の流速自体を大きくしても、薄層Gの形成を妨げる、本体6-6内の液体の流れに直交する方向への気体の流速を低減できる作用が生じる。本体6-6の中心軸に垂直な面に対して上流側に傾斜する角度θ(以下、「傾斜角度θ」ともいう。)は、液体の流速、気体の流速等に応じて薄層Gを安定的に形成できるように鋭角とすることができる。傾斜角度θは、上記作用を考慮して、0°以上80°以下とするのが好ましく、60°以上80°以下とするのがより好ましく、70°以上80°以下とするのがさらに好ましい。 In order to achieve both the above-mentioned "improvement of the microbubble content of the liquid" and the "stable formation of the thin layer G", it is preferable to incline the slit 7 upstream with respect to a plane perpendicular to the central axis of the main body 6-6, as in the microbubble generators of the second example shown in FIG. 14, the third example shown in FIG. 15, and the fourth example shown in FIG. 16. This reduces the gas flow rate in a direction perpendicular to the liquid flow in the main body 6-6, which prevents the formation of the thin layer G even if the gas flow rate itself is increased. The angle θ (hereinafter also referred to as the "inclination angle θ") of the inclination upstream with respect to the plane perpendicular to the central axis of the main body 6-6 can be set to an acute angle so that the thin layer G can be stably formed according to the liquid flow rate, gas flow rate, etc. In consideration of the above-mentioned action, the inclination angle θ is preferably 0° or more and 80° or less, more preferably 60° or more and 80° or less, and even more preferably 70° or more and 80° or less.

また、上記の「液体の微細気泡含有率の向上」と「薄層Gの安定的な形成」とを両立させるためには、スリット7を本体6-6に複数段設けることも好ましい。これにより、気体の流速自体を大きくしなくても、気体の吹き込み量を増加することができる。スリット7の段数は、気体の吹き込み量を増加する観点からは多い方が好ましいが、多すぎるとノズルの構造が複雑になり製造コスト・メンテナンスコストが高くなることから、これらの要素を考慮して適宜設定することができる。スリット7の段数は、通常、1~3段とするのが好ましい。 In order to achieve both the above-mentioned "improvement of the fine bubble content of the liquid" and the "stable formation of the thin layer G", it is also preferable to provide multiple stages of slits 7 in the main body 6-6. This allows the amount of gas blown in to be increased without increasing the gas flow rate itself. From the viewpoint of increasing the amount of gas blown in, it is preferable to have a large number of stages of slits 7, but if there are too many stages, the nozzle structure becomes complicated and manufacturing and maintenance costs increase, so these factors can be taken into consideration when setting the number of stages appropriately. It is usually preferable for the number of stages of slits 7 to be 1 to 3.

<スリットの形成>
スリット7は、図10~図13に示す第1例のように、本体6-6を1本の筒状体6-6aで形成し、一部に接続部を残して筒状体の周面を切削して形成することもできるし、また、図14に示す第2例、図15に示す第3例、および図16に示す第4例のように、本体6-6を2本以上の筒状体6-6b、6-6c等で形成し、これらの筒状体6-6b、6-6c等の接続部に形成することもできる。
<Slit formation>
The slit 7 can be formed by cutting the peripheral surface of the cylindrical body while leaving a connection portion in part, as in the first example shown in Figures 10 to 13, in which the main body 6-6 is formed from a single cylindrical body 6-6a, or by forming the main body 6-6 from two or more cylindrical bodies 6-6b, 6-6c, etc., and forming the slit 7 at the connection portion of these cylindrical bodies 6-6b, 6-6c, etc., as in the second example shown in Figure 14, the third example shown in Figure 15, and the fourth example shown in Figure 16.

図14に示す第2例では、本体6-6を2本の断面形状が円形の筒状体6-6b、6-6cで形成し、これらの筒状体6-6b、6-6c等の接続部に傾斜角度θのスリット7を形成しているが、この第2例では、断面積の小さいスリット7が長くなることに伴い、スリット7の洗浄がやりにくくなる、本体6-6内に供給される気体の圧力が圧力損失により低下する等の懸念がある。 In the second example shown in FIG. 14, the main body 6-6 is formed from two cylindrical bodies 6-6b, 6-6c with a circular cross section, and a slit 7 with an inclination angle θ is formed at the connection between these cylindrical bodies 6-6b, 6-6c, etc. However, in this second example, as the slit 7 with a small cross section becomes longer, there are concerns that cleaning the slit 7 will become more difficult and that the pressure of the gas supplied to the main body 6-6 will decrease due to pressure loss.

図15に示す第3例は、上記懸念を解消するものであり、断面形状が円形の筒状体6-6cにおいて、断面形状が円形の筒状体6-6bとの接続部の先端部を切除することにより、スリット7の長さを短くしたものである。これにより、スリット7の洗浄を容易にし、本体6-6内に供給される気体の圧力損失を低減することができる。 The third example shown in Figure 15 addresses the above concerns by shortening the length of the slit 7 by cutting off the tip of the connection between the cylindrical body 6-6c, which has a circular cross-sectional shape, and the cylindrical body 6-6b, which also has a circular cross-sectional shape. This makes it easier to clean the slit 7 and reduces the pressure loss of the gas supplied into the main body 6-6.

<出口部>
図11に示すように、出口部6-5付近で、薄層Gが本体6-6の内面から離れて微細気泡Hが形成されるが、薄層Gが本体6-6の内面から離れやすくするために、出口部6-5付近における本体6-6の内径を、下流側に向けて漸次拡張することができる。
<Exit>
As shown in FIG. 11, near the outlet 6-5, the thin layer G separates from the inner surface of the main body 6-6 to form fine bubbles H. In order to make it easier for the thin layer G to separate from the inner surface of the main body 6-6, the inner diameter of the main body 6-6 near the outlet 6-5 can be gradually expanded toward the downstream side.

また、図16に示す第4例のように、出口部6-5付近の本体6-6の内面に凹凸を形成し、液体の流れに乱流を生じさせることにより、微細気泡Hの形成を促進することができる。本体6-6の内面に凹凸を形成する手段としては、本体6-6の内面を切削して凹部を形成する手段、本体6-6の内面にコイル状の部材を接合して凸部を形成する手段等が挙げられる。 Also, as in the fourth example shown in Figure 16, by forming irregularities on the inner surface of the main body 6-6 near the outlet 6-5 and generating turbulence in the liquid flow, it is possible to promote the formation of fine bubbles H. Methods for forming irregularities on the inner surface of the main body 6-6 include cutting the inner surface of the main body 6-6 to form recesses, joining a coil-shaped member to the inner surface of the main body 6-6 to form protrusions, etc.

<その他>
微生物等の培養に有用な気体として酸素を用いる場合、微細気泡の酸素含有率の上限値は60%未満であり、55%以下が好ましく、50%以下がより好ましく、45%以下が最も好ましい。微細気泡の酸素含有率を60%以上と過度に大きくすると、酸素の酸化作用により微生物等が受けるストレス・ダメージが大きくなってしまう。また、微細気泡の酸素含有率の下限値は23%以上であり、25%以上が好ましく、27%以上がより好ましく、30%以上が最も好ましい。微細気泡の酸素含有率を23%未満と過度に小さくすると、溶存酸素濃度が低下し、微生物等微生物等の活性を高めることが困難となる。酸素含有率を高めた微細気泡を形成する気体を得るためには、通常、吸着剤を用いたPSA法、VSA法等、水の電気分解法、深冷分離法、膜分離法、化学吸着法等の公知の酸素富化手段を用いて気体の酸素含有率を高めることが好ましく、経済的観点からは、酸素富化膜を用いるのが好ましい。
<Other>
When oxygen is used as a gas useful for culturing microorganisms, the upper limit of the oxygen content of the fine bubbles is less than 60%, preferably 55% or less, more preferably 50% or less, and most preferably 45% or less. If the oxygen content of the fine bubbles is excessively increased to 60% or more, the stress and damage that the microorganisms, etc. receive due to the oxidizing action of oxygen will increase. In addition, the lower limit of the oxygen content of the fine bubbles is 23% or more, preferably 25% or more, more preferably 27% or more, and most preferably 30% or more. If the oxygen content of the fine bubbles is excessively reduced to less than 23%, the dissolved oxygen concentration will decrease, making it difficult to increase the activity of microorganisms, etc. In order to obtain a gas that forms fine bubbles with an increased oxygen content, it is usually preferable to increase the oxygen content of the gas using known oxygen enrichment means such as the PSA method, VSA method, etc. using an adsorbent, water electrolysis method, cryogenic separation method, membrane separation method, chemical adsorption method, etc., and from an economical point of view, it is preferable to use an oxygen enrichment membrane.

また、生物培養液を培養槽から抜き出すための培養槽ポンプとして、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、ダイアフラムポンプ、スクリューポンプ、ロータリーポンプ等の容積式ポンプを好適に用いることができる。 In addition, as a culture tank pump for extracting the biological culture solution from the culture tank, a positive displacement pump such as a tube pump, diaphragm pump, screw pump, or rotary pump, which causes relatively little stress or damage to microorganisms, etc., can be suitably used.

また、本発明のマルチノズルの素材としては、耐食性に優れるステンレス、チタン等の金属、耐熱性・耐薬品性に優れるテフロン(登録商標)等の合成樹脂を用いることが好ましい。 In addition, it is preferable to use metals such as stainless steel and titanium, which have excellent corrosion resistance, and synthetic resins such as Teflon (registered trademark), which have excellent heat and chemical resistance, as materials for the multi-nozzle of the present invention.

<まとめ>
以上に説明したように、本発明のマルチノズルでは、有用気体を含有する気体の微細気泡を含有する生物培養液を、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出することにより、撹拌機を使用せずに、培養槽の生物培養液を十分に撹拌でき、微生物等の活性を維持することができる。
<Summary>
As described above, in the multi-nozzle of the present invention, the biological culture solution containing fine bubbles of a gas containing a useful gas is discharged in multiple directions at angles of 0° to 90° relative to the direction of the central axis of the multi-nozzle toward the culture tank. This allows the biological culture solution in the culture tank to be sufficiently stirred without the use of a stirrer, and the activity of microorganisms, etc. can be maintained.

さらに、本発明のマルチノズルを適用した生物反応装置では、撹拌機を使用しないことにより、生物反応装置の培養槽の内部構造を簡素化でき、洗浄性の向上および雑菌汚染の防止を図ることができる。そして、撹拌機を使用しないことにより、a)微生物等がストレス・ダメージを受け微生物等の活性が低下したり、増殖が阻害されたりする、b)生物反応前の滅菌が行いにくい箇所(撹拌機の回転軸のシール部、回転軸の軸受部、撹拌翼、バッフル・邪魔板等)が生じ雑菌混入(コンタミネーション)を防止するのが難しい、c)撹拌機の設置、運転、維持・管理等にコストを要する等の問題を解決することができる。 Furthermore, in a biological reactor using the multi-nozzle of the present invention, by not using an agitator, the internal structure of the culture tank of the biological reactor can be simplified, and cleaning properties can be improved and contamination by bacteria can be prevented. By not using an agitator, problems such as a) stress and damage to microorganisms, which reduces their activity and inhibits their growth, b) difficulty in preventing contamination due to the presence of areas that are difficult to sterilize before biological reactions (sealing parts of the agitator's rotating shaft, bearing parts of the rotating shaft, agitator blades, baffles, baffles, etc.), and c) the costs involved in installing, operating, maintaining, and managing the agitator can be solved.

このように、撹拌機を使用せずマルチノズルを用いることにより、培養槽の生物培養液の撹拌を、経済的かつ効率的に行うことができる。 In this way, by using a multi-nozzle without using a stirrer, the biological culture solution in the culture tank can be stirred economically and efficiently.

1 (培養液、微生物等を含有する)生物培養液
2 培養槽
3 培養槽ポンプ
4 抜出管路
5 マルチノズル
5-1 ファインバブル・ウルトラファインバブル(微細気泡)発生装置
5-2 (複数の)吐出口
5-3 下端部
5-4 上端部
5-5 (複数の)搬送管路
5-6 (複数の)吐出管路
6 微細気泡発生装置
6-1 入口部
6-2 のど部
6-3 気体入口
6-4 吸引部
6-5 出口部
6-6 本体
6-6a 筒状体
6-6b 筒状体
6-6c 筒状体
7 スリット
8 気体供給部
9 空気噴出口
A 有用気体を含有する気体
B (マルチノズルの)中心軸
C 接続された一対の搬送管路および吐出管路を含む各平面
D 各平面Cに含まれる搬送管路およびマルチノズルの中心軸Bを含む平面
E 幅広の薄層
F 微細気泡
G (本体の内面に沿って形成される)気体の連続する幅広の薄層
G’ (本体の内面に沿って形成される)気体の複数の帯
H 微細気泡
H’ 微細気泡
α 各平面Cにおいて、搬送管路と吐出管路が成す鋭角側の角度
β 各平面Cと、各平面Cに含まれる搬送管路およびマルチノズルの中心軸Bを含む平面Dが成す鋭角側の角度
101 培養槽ポンプ
102 培養槽
103 生物培養液
104 微細気泡発生装置
105 撹拌機
a 酸素含有気体
201 担体
202 細胞
203 培養槽
204 吐出口
205 整流板
206 吐出ノズル
θ 傾斜角度
1 Biological culture fluid (containing culture fluid, microorganisms, etc.) 2 Culture tank 3 Culture tank pump 4 Extraction pipe 5 Multi-nozzle 5-1 Fine bubble / ultra-fine bubble (fine bubble) generator 5-2 (Multiple) discharge port 5-3 Lower end 5-4 Upper end 5-5 (Multiple) transport pipes 5-6 (Multiple) discharge pipes 6 Fine bubble generator 6-1 Inlet section 6-2 Throat section 6-3 Gas inlet 6-4 Suction section 6-5 Outlet section 6-6 Main body 6-6a Cylindrical body 6-6b Cylindrical body 6-6c Cylindrical body 7 Slit 8 Gas supply section 9 Air outlet A Gas containing useful gas B (of multi-nozzle) Central axis C Each plane D including a pair of connected transport pipes and discharge pipes Plane E including the transport pipes and central axis B of the multi-nozzle included in each plane C Wide thin layer F Fine bubbles G A continuous wide thin layer G' of gas (formed along the inner surface of the main body) A plurality of bands H of gas (formed along the inner surface of the main body) Fine bubbles H' Fine bubbles α Angle β on the acute angle side formed by the transport pipe and the discharge pipe in each plane C Angle 101 on the acute angle side formed by each plane C and a plane D including the transport pipe and the central axis B of the multi-nozzle included in each plane C Culture tank pump 102 Culture tank 103 Biological culture liquid 104 Fine bubble generator 105 Agitator a Oxygen-containing gas 201 Carrier 202 Cell 203 Culture tank 204 Discharge port 205 Straightening plate 206 Discharge nozzle θ Tilt angle

Claims (10)

微生物または細胞の培養に有用な気体を含有するファインバブル・ウルトラファインバブルが適用される生物反応装置において用いられるマルチノズルであって、
生物培養液を収容する培養槽から抜き出された生物培養液が供給される下端部、
上記培養槽に接続され、上記培養槽から抜き出された生物培養液を上記培養槽に還流する上端部、
上記下端部に接続され、上記下端部に供給された生物培養液を分流し上記上端部側に搬送する、中心軸に平行に設けられた複数の搬送管路、
上記各搬送管路に接続された、複数の吐出管路、および
上記各吐出管路の上記培養槽側の出口に設けられた、複数の吐出口を備えると共に、
上記各吐出管路または上記各搬送管路に、上記培養槽から抜き出された生物培養液にファインバブル・ウルトラファインバブルを含有させる、ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置を備えており、
上記複数の吐出口から、ファインバブル・ウルトラファインバブルを含有させた、上記培養槽から抜き出された生物培養液を、上記マルチノズルの中心軸の上記培養槽側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出することにより、上記培養槽に収容された生物培養液を撹拌することを特徴とするマルチノズル。
A multi-nozzle used in a biological reaction device to which fine bubbles or ultra-fine bubbles containing a gas useful for culturing microorganisms or cells are applied,
A lower end portion to which the biological culture solution extracted from the culture tank containing the biological culture solution is supplied;
An upper end portion connected to the culture tank and returning the biological culture solution extracted from the culture tank to the culture tank;
A plurality of transport pipes provided parallel to the central axis, which are connected to the lower end and divide the biological culture solution supplied to the lower end and transport it to the upper end side;
A plurality of discharge pipes connected to each of the transport pipes; and a plurality of discharge ports provided at the outlets of the discharge pipes on the culture tank side,
Each of the discharge pipelines or each of the transport pipelines is provided with a fine bubble/ultra-fine bubble generator that causes fine bubbles/ultra-fine bubbles to be contained in the biological culture solution extracted from the culture tank,
A multi-nozzle characterized in that the biological culture solution contained in the culture tank is stirred by discharging the biological culture solution extracted from the culture tank, containing fine bubbles and ultrafine bubbles, from the multiple discharge ports in multiple directions at angles of 0° to 90° with respect to the direction of the central axis of the multi-nozzle toward the culture tank.
接続された一対の上記搬送管路および上記吐出管路を含む各平面において、該搬送管路と該吐出管路が成す鋭角側の角度が、90°を超え180°未満であることを特徴とする、請求項1に記載のマルチノズル。 The multi-nozzle according to claim 1, characterized in that in each plane including the pair of connected conveying pipes and the discharge pipes, the acute angle formed by the conveying pipes and the discharge pipes is greater than 90° and less than 180°. 上記各平面が上記マルチノズルの中心軸を含む平面であることを特徴とする、請求項2に記載のマルチノズル。 The multi-nozzle according to claim 2, characterized in that each of the planes is a plane that includes the central axis of the multi-nozzle. 上記各平面が上記マルチノズルの中心軸を含まない平面であり、上記各平面と、上記各搬送管路および上記マルチノズルの中心軸を含む平面が成す鋭角側の角度が0°を超え90°未満であることを特徴とする、請求項2に記載のマルチノズル。 The multi-nozzle according to claim 2, characterized in that each of the planes does not include the central axis of the multi-nozzle, and the acute angle formed by each of the planes and a plane including the central axis of each of the conveying pipes and the multi-nozzle is greater than 0° and less than 90°. 上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置が、
上流側に、上記培養槽から抜き出された生物培養液が流入する入口部が設けられ、下流側に、ファインバブル・ウルトラファインバブルを含有させた該生物培養液を放出する出口部が設けられた筒状体からなる本体と、
上記本体の中心軸に垂直な面に沿って、側面に連続して設けられたスリットと、
上記スリットに接続され、上記スリットに気体を供給する気体供給部と、
を有することを特徴とする、請求項1~のいずれかに記載のマルチノズル。
The above fine bubble and ultra-fine bubble generator,
A main body consisting of a cylindrical body having an inlet portion on the upstream side through which the biological culture solution extracted from the culture tank flows in and an outlet portion on the downstream side through which the biological culture solution containing fine bubbles and ultrafine bubbles is discharged;
A slit is provided continuously on a side surface along a plane perpendicular to the central axis of the main body;
a gas supply unit connected to the slit and supplying a gas to the slit;
The multi-nozzle according to any one of claims 1 to 4 , characterized in that it comprises:
上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置において、上記スリットの、上記本体の中心軸に垂直な面に対して上流側に傾斜する角度θが、鋭角であることを特徴とする、請求項に記載のマルチノズル。 The multi-nozzle according to claim 5 , wherein in the fine bubble/ultra-fine bubble generator, the angle θ of the slit inclined toward the upstream side with respect to a plane perpendicular to the central axis of the main body is an acute angle. 上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置において、上記スリットが、上記本体に複数段設けられていることを特徴とする、請求項またはに記載のマルチノズル。 The multi-nozzle according to claim 5 or 6 , in the fine bubble/ultra-fine bubble generator, characterized in that the slits are provided in multiple stages in the main body. 上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置において、上記本体が1つの筒状体で形成されており、上記スリットが、一部に接続部を残し、上記1つの筒状体の周面を切削して設けられていることを特徴とする、請求項のいずれかに記載のマルチノズル。 A multi-nozzle according to any one of claims 5 to 7, characterized in that in the fine bubble/ultra - fine bubble generator, the main body is formed from a single cylindrical body, and the slits are provided by cutting the peripheral surface of the single cylindrical body while leaving a connection portion in a portion. 上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置において、上記本体が2本以上の筒状体で形成されており、上記スリットが、上記筒状体の接続部に形成されていることを特徴とする、請求項のいずれかに記載のマルチノズル。 A multi-nozzle as described in any one of claims 5 to 7, characterized in that in the fine bubble/ultra - fine bubble generator, the main body is formed of two or more cylindrical bodies, and the slit is formed at the connecting portion of the cylindrical bodies. 上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置において、上記出口部付近における上記本体の内径が、下流側に向けて漸次拡張されていることを特徴とする、請求項のいずれかに記載のマルチノズル。 A multi-nozzle according to any one of claims 5 to 9 , characterized in that in the fine bubble/ultra-fine bubble generator, the inner diameter of the main body in the vicinity of the outlet portion is gradually expanded toward the downstream side.
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