JP5652794B2 - 微粒化装置及びその製造方法と性能評価方法、スケールアップ方法あるいはスケールダウン方法、並びに、食品、医薬品あるいは化学品とその製造方法 - Google Patents
微粒化装置及びその製造方法と性能評価方法、スケールアップ方法あるいはスケールダウン方法、並びに、食品、医薬品あるいは化学品とその製造方法 Download PDFInfo
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Description
複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーであって、当該ミキサーの構造が、
式1を用いて計算して、当該ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を計算することにより
当該ミキサーにより被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すときに、所定の運転時間で、被処理流体の所定の液滴径を得ることができるように、
設計され、
前記ステーターが前記ローターに対して、前記ローターの回転軸が延びている方向で近付く、又は離れることができるように構成されていることを特徴とするミキサー。
ここで、式1中、
εt:全エネルギー消散率 [m2/s3]
εl:ステーターの開口部の局所エネルギー消散率 [m2/s3]
fs_h:剪断頻度
tm :混合時間 [s]
A:ステーターの開口率 [-]
nr :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
h :ステーターの高さ [m]
l :ステーターの厚み [m]
d :ステーターの孔径 [m]
Np :動力数 [-]
Nqd :流量数 [-]
N :回転数 [1/s]
V :液量 [m3]
Ch:ステーターにおける形状依存項 [m5]
である。
前記ミキサーは、周径の異なる複数のステーターを備えており、各ステーターの内側にそれぞれ前記ローターが所定の隙間を空けて配置されることを特徴とする請求項1記載のミキサーである。
前記被処理流体は、前記ステーターとその内側に所定の隙間を空けて配置される前記ローターとの間の隙間部に導入されることを特徴とする請求項1又は2記載のミキサーである。
前記ローターは、回転中心から放射状に延びる複数枚の攪拌翼を供えていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項記載のミキサーである。
請求項5記載の発明は、
複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーを製造する方法であって、当該ミキサーの構造を、
式1を用いて計算して、当該ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を計算することにより
当該ミキサーにより被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すときに、所定の運転時間で、被処理流体の所定の液滴径を得ることができるように、ミキサーを製造することを特徴とする、ミキサーの製造方法。
ε t :全エネルギー消散率 [m 2 /s 3 ]
ε l :ステーターの開口部の局所エネルギー消散率 [m 2 /s 3 ]
f s_h :剪断頻度
t m :混合時間 [s]
A:ステーターの開口率 [-]
n r :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
h :ステーターの高さ [m]
l :ステーターの厚み [m]
d :ステーターの孔径 [m]
N p :動力数 [-]
N qd :流量数 [-]
N :回転数 [1/s]
V :液量 [m 3 ]
C h :ステーターにおける形状依存項 [m 5 ]
である。
請求項6記載の発明は、
前記ステーターと、ローターとが、ローターの回転軸が延びている方向で相互に近付く、又は離れることができるようにミキサーを製造することを特徴とする請求項5記載のミキサー製造方法である。
請求項7記載の発明は、
前記ミキサーが、周径の異なる複数のステーターを備えており、各ステーターの内側にそれぞれ前記ローターが所定の隙間を空けて配置されるようにミキサーを製造することを特徴とする請求項5又は6記載のミキサー製造方法である。
請求項8記載の発明は、
前記被処理流体が、前記ステーターとその内側に所定の隙間を空けて配置される前記ローターとの間の隙間部に導入されるようにミキサーを製造することを特徴とする請求項5乃至7の何れか一項に記載のミキサー製造方法である。
請求項9記載の発明は、
前記ローターが、回転中心から放射状に延びる複数枚の攪拌翼を供えているようにミキサーを製造することを特徴とする請求項5乃至8の何れか一項に記載のミキサー製造方法である。
複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーの性能を評価する方法であって、
以下の式1により全エネルギー消散率:εtを求め、この式1に含まれる、ローター・ステーターの寸法と運転時の動力・流量を測定することにより得られる各ミキサーに固有の数値であるステーターにおける形状依存項の値の多寡を評価することにより、被処理流体に対する微粒化、乳化、分散、混合、溶解、撹拌処理におけるミキサーの性能を評価することを特徴とする、ミキサーの性能の評価方法である。
ここで、式1中、
εt:全エネルギー消散率 [m2/s3]
εl:ステーターの開口部の局所エネルギー消散率 [m2/s3]
fs_h:剪断頻度
tm :混合時間 [s]
A:ステーターの開口率 [-]
nr :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
h :ステーターの高さ [m]
l :ステーターの厚み [m]
d :ステーターの孔径 [m]
Np :動力数 [-]
Nqd :流量数 [-]
N :回転数 [1/s]
V :液量 [m3]
Ch:ステーターにおける形状依存項 [m5]
である。
複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーをスケールアップ、あるいはスケールダウンする方法であって、
式1で求められる当該ミキサーの実験機規模及び/又はパイロットプラント規模における全エネルギー消散率:εtの値と、スケールアップあるいはスケールダウンする当該ミキサーの実製造機における全エネルギー消散率:εtの計算値とを一致させることにより、スケールアップあるいはスケールダウンすることを特徴とする、ミキサーのスケールアップ方法あるいはスケールダウン方法である。
ここで、式1中、
εt:全エネルギー消散率 [m2/s3]
εl:ステーターの開口部の局所エネルギー消散率 [m2/s3]
fs_h:剪断頻度
tm :混合時間 [s]
A:ステーターの開口率 [-]
nr :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
h :ステーターの高さ [m]
l :ステーターの厚み [m]
d :ステーターの孔径 [m]
Np :動力数 [-]
Nqd :流量数 [-]
N :回転数 [1/s]
V :液量 [m3]
Ch:ステーターにおける形状依存項 [m5]
である。
複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーを利用し、被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すことにより製造した食品、医薬品あるいは化学品であって、
式1を用いて計算することにより、当該ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を計算して、前記ミキサーにより、被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施して製造した、望ましい液滴径を有している、食品、医薬品あるいは化学品である。
ここで、式1中、
εt:全エネルギー消散率 [m2/s3]
εl:ステーターの開口部の局所エネルギー消散率 [m2/s3]
fs_h:剪断頻度
tm :混合時間 [s]
A:ステーターの開口率 [-]
nr :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
h :ステーターの高さ [m]
l :ステーターの厚み [m]
d :ステーターの孔径 [m]
Np :動力数 [-]
Nqd :流量数 [-]
N :回転数 [1/s]
V :液量 [m3]
Ch:ステーターにおける形状依存項 [m5]
である。
複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーを利用し、被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すことにより、食品、医薬品あるいは化学品を製造する方法であって、
式1を用いて計算することにより、当該ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を計算して、望ましい液滴径を有している、食品、医薬品あるいは化学品を製造することを特徴とする、食品、医薬品あるいは化学品の製造方法である。
ここで、式1中、
εt:全エネルギー消散率 [m2/s3]
εl:ステーターの開口部の局所エネルギー消散率 [m2/s3]
fs_h:剪断頻度
tm :混合時間 [s]
A:ステーターの開口率 [-]
nr :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
h :ステーターの高さ [m]
l :ステーターの厚み [m]
d :ステーターの孔径 [m]
Np :動力数 [-]
Nqd :流量数 [-]
N :回転数 [1/s]
V :液量 [m3]
Ch:ステーターにおける形状依存項 [m5]
である。
ここで、式1中、
εt:全エネルギー消散率 [m2/s3]
εl:ステーターの開口部の局所エネルギー消散率 [m2/s3]
fs_h:剪断頻度
tm :混合時間 [s]
A:ステーターの開口率 [-]
nr :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
h :ステーターの高さ [m]
l :ステーターの厚み [m]
d :ステーターの孔径 [m]
Np :動力数 [-]
Nqd :流量数 [-]
N :回転数 [1/s]
V :液量 [m3]
Ch:ステーターにおける形状依存項 [m5]
である。
微粒子化の評価を行う対象として、乳製品を想定した模擬液を準備した。この乳化製品疑似液は、ミルクタンパク質濃縮物(MPC、TMP(トータルミルクプロテイン))、ナタネ油、水から構成されている。その配合や比率などを表1に示した。
ミキサーの性能は、液滴径の微粒化傾向を実験的に検討して評価した。図3に示すように、外部循環式のユニットを準備し、流路の途中で液滴径を、レーザー回折式粒度分布計(島津製作所:SALD−2000)により計測した。
ミキサーAは、収容量:100リットル、ミキサーBは、収容量:500リットル、ミキサーCは、収容量:10キロリットルで、同一のメーカー品であり、、市場に提供されているものである。なお、ミキサーAに関しては、表2の通り、隙間(ギャップ)δの寸法(大きさ)、開口部1の数が相違する5種類のミキサー(ステーターNo.1〜ステーターNo.5)について検討した。
ここで、ミキサーAにおける表3の運転条件での処理(混合)時間と、液滴径の関係(微粒化傾向)を図5に示した。
そして、ミキサーAにおける本発明で提案している全エネルギー消散率と、液滴径の関係(微粒化傾向)を図6に示した。
本発明の計算式に基づいて導き出される全エネルギー消散率:εt を指標としたミキサーの性能評価と、その検証結果を参考にして、高性能のミキサーの形状を定義した。そして、その定義に基づいて、高性能のミキサーを設計し、そのミキサーの概要を図10〜図12に示した。
ローター・ステータータイプのミキサーを使用し、粉体原料や液体原料を溶解(調合)して、乳化状製品を製造する場合、粉体原料と共に持ち込まれた気体(空気)を分離しないままで、ミキサーにより処理すると、調合液に微細な気泡が混入(発生)した状態となる。この微細な気泡が混入した調合液をそのまま乳化処理した場合、気泡が混入していない調合液を乳化処理した場合と比較して、微粒化や乳化の性能(効果)が劣ってしまうことが以前から知られている。
上述したように、本発明の計算式に基づいて導き出される全エネルギー消散率:εt [m2/s3] の値が大きい程、微粒化や乳化の性能(効果)が優れていることを確認できている。
本発明の計算式に基づいて導き出される全エネルギー消散率:εt を指標としたミキサーの性能評価と、その検証結果により、本発明の計算式に基づいて導き出される全エネルギー消散率:εt の値が大きい程、微粒化や乳化の性能(効果)が優れていることを確認できている。
本発明の計算式に基づいて導き出される全エネルギー消散率:εtの値が大きい程、微粒化や乳化の性能(効果)が優れていることを確認できている
ステーターに形成されている開口部(孔)の形状は、くし歯状ではなく、円形状が望ましい。
この実施例では、2種類のミキサー(収容量:9キロリットルと、400リットル)を用いて、ローターの回転速度、積算時間を変化させて実験を行った。これら2種類のミキサーは、実施の形態の欄で実証したミキサーA、B、Cと同じメーカー品である。
全エネルギー消散率:εtと、液滴径の関係(微粒化傾向)を図13に示した。
2 ステーター
3 ローター
4 ミキサーユニット
11a、11b 開口部
12、22 ステーター
13 ローター
13a、13b、13c、13d、13e、13f、13g、13h 攪拌翼
14 ミキサーユニット
15 縦溝
17 回転軸
18 ノズル
19 ノズル開口
Claims (13)
- 複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーであって、当該ミキサーの構造が、
式1を用いて計算して、当該ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を計算することにより
当該ミキサーにより被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すときに、所定の運転時間で、被処理流体の所定の液滴径を得ることができるように、
設計され、
前記ステーターが前記ローターに対して、前記ローターの回転軸が延びている方向で近付く、又は離れることができるように構成されていることを特徴とするミキサー。
εt:全エネルギー消散率 [m2/s3]
εl:ステーターの開口部の局所エネルギー消散率 [m2/s3]
fs_h:剪断頻度
tm :混合時間 [s]
A:ステーターの開口率 [-]
nr :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
h :ステーターの高さ [m]
l :ステーターの厚み [m]
d :ステーターの孔径 [m]
Np :動力数 [-]
Nqd :流量数 [-]
N :回転数 [1/s]
V :液量 [m3]
Ch:ステーターにおける形状依存項 [m5]
である。 - 前記ミキサーは、周径の異なる複数のステーターを備えており、各ステーターの内側にそれぞれ前記ローターが所定の隙間を空けて配置されることを特徴とする請求項1記載のミキサー。
- 前記被処理流体は、前記ステーターとその内側に所定の隙間を空けて配置される前記ローターとの間の隙間部に導入されることを特徴とする請求項1又は2記載のミキサー。
- 前記ローターは、回転中心から放射状に延びる複数枚の攪拌翼を供えていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項記載のミキサー。
- 複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーを製造する方法であって、当該ミキサーの構造を、
式1を用いて計算して、当該ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を計算することにより
当該ミキサーにより被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すときに、所定の運転時間で、被処理流体の所定の液滴径を得ることができるように、ミキサーを製造することを特徴とする、ミキサーの製造方法。
ε t :全エネルギー消散率 [m 2 /s 3 ]
ε l :ステーターの開口部の局所エネルギー消散率 [m 2 /s 3 ]
f s_h :剪断頻度
t m :混合時間 [s]
A:ステーターの開口率 [-]
n r :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
h :ステーターの高さ [m]
l :ステーターの厚み [m]
d :ステーターの孔径 [m]
N p :動力数 [-]
N qd :流量数 [-]
N :回転数 [1/s]
V :液量 [m 3 ]
C h :ステーターにおける形状依存項 [m 5 ]
である。 - 前記ステーターと、ローターとが、ローターの回転軸が延びている方向で相互に近付く、又は離れることができるようにミキサーを製造することを特徴とする請求項5記載のミキサーの製造方法。
- 前記ミキサーが、周径の異なる複数のステーターを備えており、各ステーターの内側にそれぞれ前記ローターが所定の隙間を空けて配置されるようにミキサーを製造することを特徴とする請求項5又は6記載のミキサーの製造方法。
- 前記被処理流体が、前記ステーターとその内側に所定の隙間を空けて配置される前記ローターとの間の隙間部に導入されるようにミキサーを製造することを特徴とする請求項5乃至7の何れか一項に記載のミキサーの製造方法。
- 前記ローターが、回転中心から放射状に延びる複数枚の攪拌翼を供えているようにミキサーを製造することを特徴とする請求項5乃至8の何れか一項に記載のミキサーの製造方法。
- 複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーの性能を評価する方法であって、
以下の式1により全エネルギー消散率:ε t を求め、この式1に含まれる、ローター・ステーターの寸法と運転時の動力・流量を測定することにより得られる各ミキサーに固有の数値であるステーターにおける形状依存項の値の多寡を評価することにより、被処理流体に対する微粒化、乳化、分散、混合、溶解、撹拌処理におけるミキサーの性能を評価することを特徴とする、ミキサーの性能の評価方法。
ε t :全エネルギー消散率 [m 2 /s 3 ]
ε l :ステーターの開口部の局所エネルギー消散率 [m 2 /s 3 ]
f s_h :剪断頻度
t m :混合時間 [s]
A:ステーターの開口率 [-]
n r :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
h :ステーターの高さ [m]
l :ステーターの厚み [m]
d :ステーターの孔径 [m]
N p :動力数 [-]
N qd :流量数 [-]
N :回転数 [1/s]
V :液量 [m 3 ]
C h :ステーターにおける形状依存項 [m 5 ]
である。 - 複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーをスケールアップ、あるいはスケールダウンする方法であって、
式1で求められる当該ミキサーの実験機規模及び/又はパイロットプラント規模における全エネルギー消散率:ε t の値と、スケールアップあるいはスケールダウンする当該ミキサーの実製造機における全エネルギー消散率:ε t の計算値とを一致させることにより、スケールアップあるいはスケールダウンすることを特徴とする、ミキサーのスケールアップ方法あるいはスケールダウン方法。
ε t :全エネルギー消散率 [m 2 /s 3 ]
ε l :ステーターの開口部の局所エネルギー消散率 [m 2 /s 3 ]
f s_h :剪断頻度
t m :混合時間 [s]
A:ステーターの開口率 [-]
n r :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
h :ステーターの高さ [m]
l :ステーターの厚み [m]
d :ステーターの孔径 [m]
N p :動力数 [-]
N qd :流量数 [-]
N :回転数 [1/s]
V :液量 [m 3 ]
C h :ステーターにおける形状依存項 [m 5 ]
である。 - 複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーを利用し、被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すことにより製造した食品、医薬品あるいは化学品であって、
式1を用いて計算することにより、当該ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を計算して、前記ミキサーにより、被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施して製造した、望ましい液滴径を有している、食品、医薬品あるいは化学品。
ε t :全エネルギー消散率 [m 2 /s 3 ]
ε l :ステーターの開口部の局所エネルギー消散率 [m 2 /s 3 ]
f s_h :剪断頻度
t m :混合時間 [s]
A:ステーターの開口率 [-]
n r :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
h :ステーターの高さ [m]
l :ステーターの厚み [m]
d :ステーターの孔径 [m]
N p :動力数 [-]
N qd :流量数 [-]
N :回転数 [1/s]
V :液量 [m 3 ]
C h :ステーターにおける形状依存項 [m 5 ]
である。 - 複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーを利用し、被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すことにより、食品、医薬品あるいは化学品を製造する方法であって、
式1を用いて計算することにより、当該ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を計算して、望ましい液滴径を有している、食品、医薬品あるいは化学品を製造することを特徴とする、食品、医薬品あるいは化学品の製造方法。
ε t :全エネルギー消散率 [m 2 /s 3 ]
ε l :ステーターの開口部の局所エネルギー消散率 [m 2 /s 3 ]
f s_h :剪断頻度
t m :混合時間 [s]
A:ステーターの開口率 [-]
n r :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
h :ステーターの高さ [m]
l :ステーターの厚み [m]
d :ステーターの孔径 [m]
N p :動力数 [-]
N qd :流量数 [-]
N :回転数 [1/s]
V :液量 [m 3 ]
C h :ステーターにおける形状依存項 [m 5 ]
である。
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