TWI325401B - Vessel structure - Google Patents

Description

1325401 ， 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種容器結構，特別是可以在不經由 外部壓力進、排氣的情況下而可與外界進行進氣與排氣過 程之容器結構。 【先前技術】 做為燒瓶反應物（flask contents)之恆溫振盪器 (incubating shakers)係可透過迴轉（rotary)或往復式搖動 (reciprocating shaking motion)之攪拌、混合下以產生氣液 間之質量輸送(gas-to-liquid mass transfer)及獲得所需之反 應溫度。燒瓶振盪的振幅(throws)範圍通常介於12.5-50 mm 之間（亦即’ 0.5-2英寸之間），亦即是燒瓶上任一作用點 (point)行進的最大線性距離（maximum linear distance)。一 般而言，往復次數（reciprocation)約為每分鐘100次 (cycles/min)，而迴轉搖動（rotary shaking)之範圍係約為每 分鐘150至300轉(rev/min)(Pirt，1975)。振盪器係利用機 械式驅動（mechanical drive)與軸機構(shaft mechanism)來 振盪一堅固的金屬平台，而燒瓶容器（flask vessels)則被爽 持於此一振盛平台（plateform)之上，藉由平台的迴轉或往 復移動方式對燒瓶内多相之反應物進行搖動混拌。舉例而 言，於微生物發酵工業（microbial fermentation industry)對 於燒瓶與平台進行振盪之目的有二，一為將實驗室培養資 料（laboratory culture data)轉換成為工廠操作（plant 1325401 ^ operation)模擬，亦即規模放大(scale up)實驗，提供關鍵聯 結(key link)，另一則是反向模擬工廠規模設備(plant-scale equipment)，將之縮小至可於相類似環境條件 (environmental conditions)下於實驗室規模（bench-top size equipment)進行經常性的實驗探討及改善計畫。基於在任一 方向上皆可被模擬或複製的設計目標情況下，上述振盪器 的使用係在確保製程的改良研究（improvement studies)是 可被實施的（Aiba, Humphrey and Millis, 1973)。 然而，一般的搖瓶振盪反應.，其内容氣相（gas phase) 中之氣體是無法與周遭氣體進行有效的、且有時屬必要的 交換的。此必要性，有時是須周遭氣體持續的參與反應， 以免限制反應進行的速率；有時是反應所生氣體，須持續 排出瓶外，以免產生抑制反應進行的效應。前者如微生物 喜氣發酵時所須的氧氣，後者則有如呼吸反應後所產生的 二氧化碳氣體。在一般搖瓶振盪反應過程中，搖瓶反應容 益有的只是一個用蓋子蓋住或透氣塞子塞住而能與外界互 通的瓶口；因瓶口内外並無壓差，就氣體交換而言，它有 的是有限的分子滲透交換(diffusive exchange)，而無具體的 氣體流量輸送（convective flux)。所以，在上述規模放大及 規模縮小的雙向模擬反應實驗工作上，搖瓶反應容器中反 應氣體與外界的交換和更新，就仍然是一個根本待解決的 問題。 解決這個問題’標準的攪拌槽反應器（standarci siirred tank reactor，STR)通常仰賴外部氣體供給管線與外力（例 7 1325401 • · 如：壓差設備）提供反應氣體與外界的交換和更新，例如使 .· 用打氣管（sPar§er)、透氣膜（membrane)、反應室加壓 (pressurization)、空氣或氣體幫浦（air〇rgaspump)等設備。 然而，振盪搖瓶之最大優點在於能夠經濟的進行少量多樣 的平行比較實驗，由一燒瓶至另一燒瓶或一恆溫振盪器至 另一恆溫振盪斋時之反應條件，例如：反應物成份 (composition)、溫度、振盪攪拌速度等之改變是可輕易完 成的。所以，除了具有準備與操作簡易性，低購置與耗材 ► 成本之外，恒溫振盪器中之反應容器（例如：燒瓶、瓶子、 燒杯（beakers))可在重覆操作（repeated mns)下迅速的取得 •大量的反應研究、模擬與改善之相關實驗數據。上述仰^ • 外部氣體供給管線與外力的氣體交換解決方案，除了大大 提高相關的設備成本與操作困難度外，基本上也無法滿足 搖瓶振盪反應器（shake flask reactor)簡易、小型、量化之♦ 求，所以它還是不能解決搖瓶反應容器的氣體交換問題。 【發明内容】 1 本發明係提出了一種容器結構，包括了具有一反應室 之一谷納單元’反應室係用以容納至少一液體與至少—氣 體，並且反應室係於實質上定義出相互連通之一吸氣區與 一排氣區’其特徵在於：在不經由外力進氣的情況下，氣 體係可進入反應室之吸氣區且與液體於反應室進行混拌反 應，並且反應室之排氣區係可藉此混拌動力與外界之間進 行排氣，進而與外界產生氣體交換。 容器結構更可包括一開口與一傳動裝置，開口係連接 1325401 反應室至外界，氣體係可經由開口進入反應室，並且氣體 經由該混拌動力的傳動裝置之驅動而被混入至液體之中。 該傳動裝置可以手動或機械為之，機械裝置可為一葉輪， 葉輪係設置於液體之中，或亦可為實驗室習用之振盪器 (shaker)。 容器結構更可包括一馬達，馬達係用以驅動葉輪。容 納單元之反應室平面可具有一中央垂直軸線，葉輪係沿著 一轉動軸心進行轉動，轉動軸心可相同或不相同於中央垂 直轴線，亦可平行或不平行於中央垂直轴線。 容器結構更可包括一開口與一或多個擋流板（baffle plates)，開口係連接反應室至外界，氣體係可經由開口進 入反應室，並且氣體經由混拌動力與擋流板之間的牵拌驅 動而被混入至液體之中。 容器結構更可包括一隔離部，隔離部係連接於外界與 反應室之液體，藉由隔離部將反應室中所混拌之氣體排放 至外界。隔離部係將反應室之一部分隔離使成為排氣區。 容器結構更可包括一振盪器，振盪器係自外部提供混拌動-力的能量.至容納單元，藉此使得氣體與液體之間進行混拌 與排、進氣。 容器結構更可包括一往復式振盪器（reciprocating shaker)，在一個混拌動力方向下的一吸氣區與一排氣區， 在下一個反方向的混拌動力下，原吸氣區就變成一排氣 區，而原排氣區就變成一吸氣區；也就是說往復式混拌方 向的連續變化，產生吸、排氣方向的連續變化。 9 1325401 · 谷納早元係可為·—燒杯、一燒瓶或一貯液瓶。反應包 • 括任何氣、液多相混摔下之物理、化學或生物學反靡。 為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更 明顯易懂’下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖示，作 詳細說明如下： 【實施方式】 第1A圖係表示本發明之一容器結構E1(具有液體Fl) 鲁 之立體圖，第1B圖係表不根據第.1A圖之容器結構e 1 (不 具有液體F1)之分解圖。容器結構E1包括一動力組件μ;、 一容納單元1、一傳動裝置2、一擋流組件3、一進氣組件 4與一排氣組件5。 請同時參閱第ΙΑ、1B圖。動力組件Μ包括一馬達mi、 一軸聯結器（shaft coupler)m2與一快速連接用殼體 (quick-connect housing)m3。馬達ml係連接於軸聯結器 m2，並且馬達ml與軸聯結器m2係設置於快速連接用殼 鲁 體m3之上。於本實施例中’馬達ml係為掌型尺寸 (palm-size)型之具碳刷（carbon brush)或不具碳刷之12_24 VDC馬達。當利用一多段直流電壓(VDC)輸出之交流電源

變壓器（multi-VDC-output AC/DC adaptor)做為 12-24 VDC 馬達之電源時，馬達的速度是多段可變的。 容納單元1主要包括一本體10、一蓋體U與一密封 組件12 ’其中’密封組件12係為設置於本體1 〇與蓋體11 之間的一密封用結構。上述之傳動裝置2、擋流組件3、進 1325401 . 氣組件4與排氣組件5係設置於密封組件12且藉由密封組 件12而定位於本體1〇與蓋體u之上。 容納單元1之本體10係為具有一開口 1〇〇之一中空元 件（例如：燒杯、燒瓶或貯液瓶(Carb〇y)等容器）。本體1〇 包括一瓶身（bottle part)101與一頸部(neck)i〇2，其中，頸 部102係延伸於瓶身ιοί且具有一外鎖合部ι〇2〇，並且開 口 100係位於頸部102之一侧。於瓶身ιοί内部具有用以 容納流體（例如··液體F1與氣體F2)之一反應室1010，其 中’開口 100係連接反應室1〇1〇至外界W，氣體F2係可 經由開口 100進入反應室1〇1〇，並且反應室1〇1〇之平面 具有一中央垂直軸線al-al。於反應室1〇1〇係可於實質上 定義出相互連通之一吸氣區rl與一排氣區r2,其中，吸氣 區rl係為經由傳動裝置2對於瓶身ιοί内部之液體F1進 行驅動下所形成之一假設柱狀區域，而排氣區r2係為定義 在排氣組件5内部之一部分空間區域。吸氣區ri係為具 氣、液之多相反應混合物（multi-phased reaction mixture)之 區域。值得注意的是，本體10是可採用市售實驗室玻璃器 皿之一寬頸玻璃瓶（commercially available off-the-shelf wide neck glass bottle)(例如：Schott Duran 所售之 GLS 60 系列（GLS 60 series)中之頸尺寸(neck size)為直徑80 mm之 瓶子，瓶子係於0.5至20公升之間有6種不同的尺寸變 化），或是採用可與專用小型DC馬達攪拌器（dedicated small DC motor stirrer)搭配之具有相近尺寸及容積（volume) 之市售或訂製容器（vessels)，例如：玻璃、金屬或塑膠製 1325401 '之瓶子(bottle)、燒杯(beaker)及燒瓶(flask)等。本發明之本 體10所採用之瓶子、燒杯與燒瓶等容器除了可達到相同或 超出於習用搖瓶（shaken flasks)及振盪器（shakers)之内部攪 拌反應效用之外，更可促成本發明在實驗室廣泛且經濟地 應用。 容納單元1之蓋體11係為可結合固定於本體10之一 中空鎖環(capping ring)。蓋體11具有兩開口 111、112與 一内鎖合部1100，其中，兩開口 111、112係相互連通， 並且内鎖合部1100係位於兩開口 11.1、112之間所形成之 空間的之内側壁面上。蓋體11之内鎖合部1100係以可分 離方式結合於頸部102之外鎖合部1020。 容納單元1之密封組件12係用以設置於本體10之開 口 100。密封組件12包括一柱狀止擒件（stopper)121與一 環狀凸緣(flange)122，其中，凸緣122係位於止擋件121 之外周緣。止擋件121包括一第一端面1210fl、一第二端 面 1210Ω、一第一通孔 1211hl、一第二通孔 1211h2、一第 三通孔1211h3與一第四通孔1211h4，其中，第一通孔 1211M、第二通孔1211h2、第三通孔1211h3與第四通孔 1211h4係為貫穿第一端面l21〇fl與第二端面1210f2之四 個孔洞（openings)，此四個孔洞121 lhl-1211h4係可採用預 成型或鑽孔(pre-formed or drilled)的方式形成於第一端面 1210fl與第二端面1210Ω之上。於本實施例中，止擋件 121係由橡膠(rubber)或塑膠(plastics)所製成，凸緣122係 由橡膠所製成。此外，於凸緣122之底部係更可增設一 〇 12 1325401 · - 型環(0_ηη§)(未圖不）。當密封組件12設置於本體10與蓋 — 體11之間且將盍體11之内鎖合部1100係結合於頸部102 之外鎖合部1020時’被夾合於本體1〇與蓋體u之間的密 封組件12與Ο型環產生變形，藉此以達到迫緊之不漏氣 密合(airtight seal)的效果。 傳動裝置2係為一攪拌裝置(stirrer)，藉由傳動裝置2 對於反應室1010之液體F1與氣體F2之間進行混拌反應。 傳動裝置2包括一軸件⑽aft)21、一葉輪(impeller)22、一 _ 軸承組23b、一錐型4由承用殼體(bearing housing)23、一頂 鎖合環（top locking ring)24、一底鎖合環（bottom locking ring)M、一彈餐加壓式機械軸封件（Spring_i〇aded mechanical seal)26 與一 e 型彈簧夾（E_shaped spring clip)27。 傳動裝置2之軸承用殼體23之外錐面具有一外鎖合部 230。軸承組23b係設置於軸承用殼體23之中且對於軸件 籲 21進行支承，如此使得軸件21可係沿著一轉動軸心Μ_Μ 進行轉動，並且轉動軸心bl-bl係可安置於反應室loio中 任何適當部位，而不一定相同於反應室1〇1〇之中央垂直軸 線al-al ’也不一定與之平行。於本實施例中，反應室1〇1〇 之中央垂直軸線al_al與轴件21之轉動軸心b 1 1係相互 平行。於其它實施例中，反應室1010之中央垂直軸線al-al 係可相同於軸件21之轉動軸心bl-bL·頂鎖合環24與彈簧 加壓式機械軸封件26係分別設置於轴承用殼體23之兩 側，並且轴件21係以可轉動方式通過頂鎖合環24與彈簧 13 1325401 •加壓式機械軸封件20，進而再利用：E型彈簧夾27將彈簧 ' 加壓式機械軸封件26定位於軸件21之上。底鎖合環25 之内側壁面上係具有一内鎖合部250，此底鎖合環25之内 鎖合部250係以可分離方式結合於軸承用殼體23之外鎖合 部 230 。 ' 當完成組裝後之軸件21、軸承用殼體23、頂鎖合環 彈^加壓式機械軸封件26與E型彈簧夾27之組裝後， 組合於軸承用殼體23、頂鎖合環24、彈簧加壓式機械軸封 件26與E型彈簧夾27等元件之上的軸件21之端部212 係先經由止擋件121之第一端面121〇fl而伸入第一通孔 _ 12Uhl ’並且使得軸承用殼體23通過且定位於止擋件121 . 之第一通孔1211hl之中，進而再利用底鎖合環25之内鎖 合部250結合於軸承用殼體23之外鎖合部230時，如此可 將組合後之軸件21、軸承用殼體23、頂鎖合環24、彈簧 加壓式機械軸封件26與E型彈簧夾27穩固地定位於止擋 φ 件121之上。隨後’將動力組件Μ之軸聯結器m2與葉輪 22分別地連接於軸件21之兩端部211、212，如此便完成 了傳動裝置2設置於密封組件12之組裝作業。葉輪22係 可為船用型（marine type)、Rushton型或其它類型之物件。 值得注得是’利用葉輪22之速度與葉輪22之幾何結構係 可提高氣、液間的攪拌效能。 播流組件3包括一或多片擋流板(baffle plate)30 (圖示 僅一片）與一定位部31。擋流板3〇係為一矩型板構件， 播流板30之一端係連接於定位部31，並且定位部31係經 14 1325401 由止擋件121之第二端面i210f2而設置於第三通孔i211h3 之中’如此便完成了擋流板3〇之定位。擋流板3〇之尺寸（例 如：長度、寬度）係根據容納單元〗之尺寸、容積大小與所 需之混拌強度（intensity 〇f mixing)而定。值得注意的是，除 了上述所提出之利用葉輪22之速度與葉輪22之幾何結構 以提高檀拌效能之外’於標準攪拌反應器（standard stirred tank reactor, STR)中之擋流板30之數目係可增加至4組， 藉由增加擋流面積的方式以提高攪拌效能。多個擋流板組 件之安裝可使用多個通孔安裝在止擋件121上。值得注意 的是’於其它實施例中更多的通孔或不設置擋流板3〇的通 孔亦可用來設置一溫度計槽(thermometer well)或供其它導 管及配件使用（但未圖示），藉此以對於反應室1〇1〇内部的 溫度進行量測或進行氣、液體或反應物之傳輸。同時，任 何浸入液體F1或吸氣區ri中之物件，依據其垂直於流體 流動方向之的截面積大小，都有一定比例的擋流板混拌效 應。 進氟組件4包括一導管（c〇nduit)40、一第一管件（first tubmg)41、—第二管件（sec〇nd tubing)42與一預級袭氣體過 濾器（pre、fab gas filter)43。導管40係可藉由其端部4〇1或 402穿過止擋件121之第二通孔121.1112且設置於第二通孔 1211h2之中。第一管件41之端部411係連接於導管4〇之 端部401 ’如此使得第一管件41與導管40之間產生連接。 預組裝氣體過濾器43係設置於第一管件41之端部412與 第二管件42之間，經由第二管件42所進入之氣體係可經 15 1325401 預組裝氣體過濾器43之過濾而進入第一管件41與導管 40。於本實施例中，第一管件41與第二管件42係由矽膠 材料所製成，預組裝氣體過濾器43係為無菌進氣而設，可 根據實際需求選購而設置。此外，於預組裝氣體過濾器43 部位使用一玻璃纖維過濾器（glass wool plug)(未圖示）替 代，可有較低通氣阻力。 排氣組件5包括一隔離部50與一塞子51，其中，隔 離部50係連接於外界W與反應室1010之液體F1，藉由 隔離部50將液體F1中所混拌之氣體F2排放至外界W。 於本實施例中，隔離部50係為一 360度隔離之中空管件， 藉此以達到排氣之效果，而塞子51係為一可阻絕外界雜菌 污染之透氣塞。於其它實施例中，隔離部係可將反應室之 一部分隔離，使成排氣區。 隔離部50具有兩開口 501、502，並且隔離部50係可 藉由其開口 501或502穿過止擋件121之第四通孔121 lh4 且設置於第四通孔1211h4之中。塞子51係以可分離方式 設置於隔離部50之開口 502。雖於本實施例中之擋流板30 係經由定位部31而定位於止擋件121之第三通孔 121 lh3，但擋流板30亦可直接貼附（例如：焊接）於排氣組 件5之隔離部50之上，藉此可有效地提高容納單元1空間 的運用。於其它實施例中，隔離部50之開口 502亦可使用 一般市售塑膠或不鏽鋼通氣試管蓋（standard test tube cap)(未圖示），藉此降低氣體流通的阻力與隔絕外物。此 外，玻璃纖維（未圖示）亦可用於隔離部50之開口 502 ’藉 16 1325401 以阻絕外物及雜菌的污染。 由第1A圖可知，當傳動裝置2、擋流組件3、進氣組 件4與排氣組件5定位於容納單元1之密封組件12之後， 利用盖體11之内鎖合部1100結合於頸部102之外鎖合部 1020的作用下是可以將密封組件12夹持於本體1〇與蓋體 11之間’如此使得傳動裝置2之葉輪22、擋流組件3之擋 流板30與排氣纟且件5之隔離部5〇可同時懸空設置於瓶身 101之反應室1010之中，使得傳動裝置2之葉輪22與隔 離部50之開口 501均局部浸入於反應室1〇1〇之液體F1 之中’而連接於傳動裝置2之動力組件Μ、進氣組件4之 第一管件41、第二管件42與預組裝氣體過濾器43、排氣 組件5之部分的隔離部5〇與塞子51係呈現於外界胃。 本發明之容器結構Ε1之特徵在於：在不經由外力（例 如：壓力差）進氣的情況下，氣體F2係可進入反應室1〇1〇 之吸氣區rl且與液體F1於反應室1010進行混拌反應，並 且反應室1010之排氣區r2係可與外界W之間進行排氣。 相關的反應係亦可包括任何氣、液多相下之物理、化學或 生物學反應。 詳而言之’當動力組件Μ對於傳動裝置2之軸件21 進行驅動下’連接於軸件21之葉輪22係對於容納單元1 之瓶身101内部所容納之液體F1進行攪拌，並且由於藉由 設置於開口 100之止擋件121之進氣組件4係將反應室 1010連接至外界W氣體F2，外界w氣體F2不需任何動 力作用下納單元1連續排氣的吸引，由進氣組件4 17 1325401 進入反應室1〇10。再透過旋轉葉片的吸引力強迫反應室 1010中之氣體！?2浸入於反應室1〇1〇之液體之中（第2 圖）。除了利用傳動裝置2之葉輪22驅動而將氣體F2混入 至液體F1之巾，同時可經由職板30對料(V(mex)之牵 摔驅動而將更多氣體F2混入至液體F1之中。 值知注意的是，由於密封組件12係以被壓迫方式夾持 於本體1G與蓋體11之間，產生彈性變形之密封組件12 係可對於其±蚊位之傳動裝置2、m件3、進氣組件 4與排氣組件5進行壓緊且夾持，同時可達到密封的效果。 另外，由於隔離部50係局部浸入於吸氣區rl，此局部浸入 於吸氣區Γΐ之隔離部50係可增加擋流面積的方式以提高 吸氣區rl之攪拌效能。再者，由於反應室1〇1〇之中央垂 直軸線a 1 - a 1與轉動軸心b丨_ b丨係相互平行且具有一既定距 離dl(亦即，軸件21係相對於反應室ι010之中央垂直軸線 al-al而以既定距離dl進行偏置），藉由偏置之軸件21所 帶動之葉輪22更可提高吸氣區rl之攪拌效能，並且藉由 偏置軸件21所帶動之葉輪22係可達到消渦（vortex suppression)與增加攪拌時所需之引入動力之效果。此外， 如果馬達動力輸入（motor power input)僅產生最小混拌的 >尚流(minimally mixed vortex) ’’則反應容器外部動力之高速 搖瓶振盪（high speed shaking)或内部動力之葉片攪拌 (stirring)必然不會產生理想的混合。如欲達到高表現混合 (high performance mixing) ’ 則需藉擋流板(baffle plates)將 最大馬達動力引入(maximal motor power drawn)於吸氣區 1325401 rl之中，並藉以產生更多更久的F2a (第2圖）氣泡懸浮。 第2圖係表示第1A圖之容器結構E1之側視圖。為便 於說明，第2圖係簡化第1A圖中之結構，並且於第2圖 中僅陳列出容納單元1、内部動力傳動裝置2、進氣組件4 與排氣組件5之部分元件之結構。 當氣體F2進入容納單元1之反應室1010 ’同時利用 傳動裝置2之旋轉葉輪22及固定不動的擋流板（未圖示） 對於容納單元1之瓶身101内之液體F1進行攪拌下，氣體 F2係以具.氣泡型式之氣體F2a被混入於液體F1之中。.、.當 傳動裝置2之葉輪22持續攪拌且位於液體F1中之具氣泡 型式之氣體F2a通過了隔離部50之開口 501時，具氣泡型 式之氣體F2a係藉其上升浮力被隔離部50之開口 501所捕 捉，而被捕捉之具氣泡型式之氣體F2b係經由隔離部50 之導引與匯集後，便經由設置於隔離部50之上的透氣塞或 試管蓋（未圖示）51進行過濾與輸出（如氣體F2c所示）一 一也就是說隔離部50之排氣區的被動力藉著吸氣區主動 力的驅使，而將容納單元1中的氣體排出至外界。 第3圖係表示第2圖之本發明之容器結構E1之另一變 化例之示意圖。與第2圖之不同處在於：容器結構Ela係 不配置有容器結構E1之動力組件Μ與傳動裝置2,而是 將一或複數個容納單元1與容納單元1之外侧固定件（未' 圖示）固定於一習用之搖瓶振盪器（flask shaker)的振盪板 6(shaker table or platform)之上，並據以提供液體反應物與 氣體混拌的外部動力。 19 1325401 在振盪益6之沿者方向R進行往復振盈作用之下，於 ’、 振盪時所產生的能量係藉固定於容納單元1中的一或複數 個擋流板（未圖示）傳遞至内容物中，藉此能量係可使得 氣體F2與液體F1之間進行擠壓與混拌——擠壓可以產生 内容氣體的位移流量F2b，混拌可以產生更多更久的氣泡 懸浮F2a。如此，容器結構Ela同樣可以進行上述第2圖 的内部與外部氣體交換作用，提供改善的氣液混合反應時 的質量輸送(mass transfer)。 第4、5圖係分別表示本發明之容器結構El之兩應用 例之示意圖。如第4圖所示’複數容器結構E1係以可分離 ' 方式經由一具溫控功能之濕式丨互溫槽（incubator bath)7a所 . 共同承接，複數容器結構El係浸於一工作流體L之中， 藉此係可使得複數容器'結構E1同時進行多個氣液混合反 應。如第5圖所示’複數容器結構E1係以可分離方式設置 於一乾式溫控板(hot plate or heat block)7b之複數定位部 b 700中。。濕式恆溫槽7a與乾式溫控板7b之特色在於： 於使用多溫域(multi-temperature zone)之濕式怪溫槽7a或 乾式溫控板7b時，各容器結構E1可以同時進行不同溫度 和不同氣體混拌能量組合的反應實驗及測量，並且其各自 具有獨立的溫域及動力，不但提供使用者更多的方便及自 主性，更有實用的節能優點。這些都是傳統恆溫搖瓶振盪 器尚不及的優點。 第6圖係表示本發明之一實驗範例ΕΓ之一氣體流量 量測裝置示意圖。於容器結構ΕΓ中係更具有一溫度計槽 20 1325401- (thermometer well)9 ’藉此以便於說明其内容與外界氣體交 換流量實驗之量測方法、計算及通氣速率實驗之實測數 據。值得注意的是，於容器結構ΕΓ中不具有上述之擋流 板30。 相關於容器結構ΕΓ之各主要元件之尺寸包括了 ：導管 40和溫度計槽9之外徑與内徑分別為6 mm與4 mm;隔離 部50之外徑與内徑分別為2〇 mm與17 mm;葉輪22係具 有6葉片（blade)、外徑為38 mm、葉片高度(blade height) 為10 mm，反應室1Q10内具有400 milliliters之自來水(tap water)。當液體反應物（liquid contents)之深度為58 mm時， 溫度計槽9、隔離部50、葉輪22之浸入深度(immersion depth)分別 42、22、32 mm。16 mm 之橡勝血清管塞(rubber serum tube plug)51’係以由内向外拉出的方式設置於隔離 部50之中且設置於其開口。 在利用手指將肥皂泡液膜（soapy water film)擦拭於隔 離部50之頂端之開口’並藉此封住此隔離部50之頂端的 内徑為8.5 mm之吹孔(blowhole)，同時開始計時碼錶計時 與吹孔上所吹出之肥矣泡（soap bubble)50b外徑之上昇高 度的測量’則可計算出容器結構ΕΓ内容與外界空氣交換 的流量（air flux)。此外，於反應室1〇1〇内之液體中加入少 許消泡劑’藉以破壞隔離部50内部因反覆實驗而累積之肥 皂泡沬(soapy foam)--本實測範例加入1-2 ml之橄欖食 用油（olive cooking oil)——更有助上述吹泡實驗的成功。 一尺規(ruler)8係設置於隔離部50之頂端吹孔51，的一側， 21 1325401 ‘除了可對於肥皂泡50b之尺寸變化進行量測之外，更可對 於不同轉速下之葉輪22所造成肥皂泡50b之破裂前之最大 直徑進行監測——此時並同時停止碼錶計時。於肥皂泡 50b破裂前之容積（vohime)“V”係可表示為V=tiD3/6，其 中，“D”係表示肥皂泡50b破裂前之最大直徑。將容積“V” 除以肥皂泡破裂時所測得之計時碼錶時間係可得到經由隔 離部50所傳輸至外界之空氣流量（毫升/分鐘，ml/min)。 以下表格（一）係說明利用具有〇.2μ微孔(pore)之預組 裝氣體過濾器43對於輸入氣體進行過濾下之相關.量測值。 表格(一) 氣體交換流量 毫升/分鐘(ml/min) 葉輪22之轉速(rpm) (肥皂泡50b高度(mm)/破裂時間(sec)) 讀取次婁丈 510 660 810 900 Ist 0.5 (8/33) 9.6(24/45) 8.4(22/40) 8.9(23/43) 2nd 0.5 (9/50) 9.4(24/46) 8.7(24/50) 8.5(23/45)

以下表格(二）係說明當預組裝氣體過濾器43移除後所 進行之空氣流量之相關量測值。 22 1325401 表格(二） 氣體交換流量 毫升/分鐘(ml/min) 葉輪22之轉速(rpm) (肥皂泡50b高度(mm)/破裂時間(sec)) 讀取次數 510 620 660 810 Ist 0.6 (7/18) 6.0 (20/42) 9.6(25/51) 12 (26/47) 2nd 0.8 (9/29) 4.9 (18/37) 8.8 (25/56) 13 (28/53) 3rd 0.5 (7/21) 4.4 (17/35) 7.9 (20/32) 13 (27/48) 4th — — 9.8 (25/50) 在不同時間與不同日期所進.行之重覆實驗下，其所得 到之空氣流量值是相類似的，其標準差（standard deviation) 範圍在8-18%。根據上述實驗可知，藉由不同葉輪混拌動 力可改變容器結構ΕΓ内外之氣體交換流量的大小，且其 相互間是呈現一個正比例關係一一也就是說愈高的動力就 有愈多的流量。此外，本例亦顯示在氣體通路上的阻力（如 本例所用0.2μ微孔之預組裝氣體過濾器43)作用下，會明 顯增加氣體交換的阻礙，降低氣體交換的流量一一過多的 阻礙亦使得更高的葉輪轉速或動力（如本例為660 rpm以上 如表格（一）所示）亦無法再增加氣體的流量。當預組裝氣體 過濾器43被移除時，此現象則立刻消除一一如表格（二）實 驗例所示。此外，藉由增加氣體通道尺寸，或將液中葉輪 22設置於接近液面更適當之位置，或改變葉輪葉片之泵作 用（pumping)設計，亦可以增加進氣流量。第7A、7B圖係 分別表示本發明之一容器結構E2之示意圖。容器結構E2 包括有一瓶身10Γ、一隔板30’與兩通孔vl、v2，其中， 隔板30’係設置於瓶身10Γ之中，藉由隔板30’將瓶身10Γ 23 1325401 分隔出兩不同區域rl’、r2’，並且兩通孔vl、v2係分別連 接區域rl’、r2’至外界。瓶身10Γ内部裝載有液體F1與氣 體F2，其中，隔板30’係局部地浸於液體F1之中。 當利用一混拌動力對於瓶身10Γ進行往復振盪之混拌 作業時，沿著一混拌方向Rol是可對於一瓶身10Γ進行一 吸氣區rl’之吸氣作業與一排氣區r2’之排氣作業（如第7A 圖所示），並且在混拌動力作用下之下一個相反之混拌方向 Ro2時，原吸氣區rl’就變成一排氣區，而原排氣區r2’就 變成一吸氣區(可由第7A圖之箭頭si、s2的方向與第7B 圖之箭頭s 1 ’、s2 ’的氣體流動方向得知）。換言之，在往復 式混拌方向之連續變化作用下係可產生吸、排氣方向之連 續變化。 根據上述說明可知，由於本發明之容器結構可僅藉既 有混拌動力，不需經由外部氣體供給管線或壓差外力，達 到搖瓶相當容器前所未有的進氣或排氣效果，除了節省成 本，同時也可做到小型化與方便使用等優點。本發明基本 上可以一如搖瓶振盪反應器（shake flask reactor)般的簡 易、小型、量化，但沒有了搖瓶反應容器的有限吸排氣問 題。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限制本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍内，當可做更動與潤飾，因此本發明之保護範圍 當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 24 1325401 . · 【圖式簡單說明】 第1A圖係表示本發明之一第一實施例之一容器結構 之立體圖； 第1B圖係表示根據第1A圖之本發明之容器結構之分 解圖； 第2圖係表示根據第1A圖之本發明之容器結構之側視 不意圖， 第3圖係表示本發明之容器結構之另一變化例之示意 •.二圖； 第4圖係表示本發明之容器結構在濕式恆溫槽中之一 應用例之示意圖； 第5圖係表示本發明之容器結構在乾式溫控板上之一 ' 應用例之示意圖； 第6圖係表示本發明之一第一實施例之一容器結構之 實驗範例之氣體流量量測裝置示意圖； 第7A圖係表示本發明之容器結構之示意圖；以及 • 第7B圖係表示本發明之容器結構之另一示意圖。 【主要元件符號說明】 1〜容納單元 10〜本體 100〜開口 101〜瓶身 10Γ〜瓶身 25 1325401 • 1010〜反應室 102〜頸部 1020〜外鎖合部 11〜蓋體 1100〜内鎖合部 111、112 〜開口 12〜密封組件 121〜止擋件 1210fl〜第一端面 1210f2〜第二端面 1211hl〜第一通孔 1211h2〜第二通孔 ' 1211h3〜第三通孔 1211h4〜第四通孔 122〜凸緣 2〜傳動裝置 拳* 21〜轴件 212〜端部 22〜葉輪 23〜錐型軸承用殼體 230〜外鎖合部 2 3 b〜軸承組 24〜頂鎖合環 25〜底鎖合環 26 1325401 • ' 250〜内鎖合部 _ 26〜彈簧加壓式機械軸封件 27〜E型彈簧夾 3〜擋流組件 30〜擋流板 30’〜隔板 31〜定位部 4〜進氣組件 • 40〜導管 401、402〜端部 41〜第一管件 42〜第二管件 ' 43〜預組裝氣體過濾器 5〜排氣組件 50〜隔離部 5 Ob〜肥皂泡 • 51〜透氣塞 51 ’〜橡膠血清官塞 6〜振盈器 7a〜濕式恆溫槽 7b〜乾式溫控板 700〜定位部 8〜尺規 9〜溫度計槽 27 1325401 • ' al-al〜中央垂直軸線 • bl-bl〜轉動軸心 « dl〜距離 E卜Ela、El’、E2〜容器結構 F1〜液體 F2〜氣體 F2a〜氣體 F2b〜氣體 • F2c〜氣體 L〜工作流體 Μ〜動力組件 m 1〜馬達 m2〜車由聯結器 m3〜快速連接用殼體 R〜方向 rl、r2、rl’、r2’區域 • Rol、Ro2〜混拌方向 si、s2、si’、s2’〜箭頭 vl、v2〜通孔 W~外界 28

Claims (1)

1325401 '十、申請專利範圍： 1. 一種容器結構，包括了具有一反應室之一容納單 元，該反應室係用以容納至少一液體與至少一氣體，並且 該反應室係於實質上定義出相互連通之一吸氣區與一排氣 區，其特徵在於： 在不經由外力進氣的情況下，該氣體係可進入該反應 室之該吸氣區且與該液體於該反應室進行混拌反應，並且 該反應室之該排氣區係可藉此混拌動力與外界之間進行排 氣，進而與外界產生-氣體交換。 2. 如申請專利範圍第1項所述之容器結構，更包括一 開口，該開口係連接該反應室至該外界，該氣體係可經由 該開口進入該反應室。 3. 如申請專利範圍第1項所述之容器結構，更包括一 開口與一混拌動力的傳動裝置，該開口係連接該反應室至 該外界，該氣體係可經由該開口進入該反應室，並且該氣 體經由該傳動裝置之驅動而被混入至該液體之中。 4. 如申請專利範圍第3項所述之容器結構，其中，該 傳動裝置包括一葉輪，該葉輪係設置於該液體之中。 5. 如申請專利範圍第4項所述之容器結構，更包括一 馬達，該馬達係用以驅動該葉輪。 6. 如申請專利範圍第4項所述之容器結構，其中，該 容納單元之該反應室平面可具有一中央垂直軸線，該葉輪 係沿著一轉動軸心進行轉動，該轉動軸心係可相同或不相 同於該中央垂直軸線，亦可平行或不平行於該中央垂直軸 29 1325401 、線。 7. 如申請專利範圍第1項所述之容器結構，更包括一 開口與一或複數個擋流板，該開口係連接該反應室至該外 界，該氣體係可經由該開口進入該反應室，並且該氣體經 由該擋流板之牵拌驅動而被混入至該液體之中。 8. 如申請專利範圍第1項所述之容器結構，更包括一 隔離部，該隔離部係連接於該外界與該反應室之該液體， 藉由該隔離部將該液體中所混拌之該氣體排放至該外界。 ...9.如申請專利範圍第8項所述之容器結構，其中，該 隔離部係可將該反應室之一部分隔離，或為一 360度隔離 之中空管件，使成隔離之排氣區。 10. 如申請專利範圍第1項所述之容器結構，其混拌動 力來源更包括一振盪器，該振盪器係提供能量至該容納單 元，藉此使得該氣體與該液體之間進行混拌。 11. 如申請專利範圍第10項所述之容器結構，該振盪 器更為一往復式振盪器，藉該混拌動力方向的連續往復變 化，而生隔離部吸、排氣方向的連續往復變化。 12. 如申請專利範圍第1項所述之容器結構，其混拌動 力來源更包括容器的手搖晃動，該晃動係提供能量至該容 納單元〜藉此使得該氣體與該液體之間進行混拌。 13. 如申請專利範圍第1項所述之容器結構，其中，該 容納單元係為一燒杯、一燒瓶或一貯液瓶。 14. 如申請專利範圍第1項所述之容器結構，其中，該 反應包括任何氣、液多相下之物理、化學或生物學反應。 30