KR100570330B1 - 교반장치 및 이 교반장치를 사용한 분산장치 - Google Patents

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Abstract

배치(batch)식 용기내에 배치된 교반장치(3)는 상부 커버 플레이트(5)와, 하부 커버 플레이트(6)와, 임펠러(7)와, 내측 스크린 부재(8)와, 제 1, 제 2 외측 스크린 부재(9,10)를 구비하고 있다. 그리고, 혼합액이 임펠러(7)로부터 바깥쪽으로 흘러 플레이트간 공간으로부터 유출해 가는 과정에 있어서, 내측 스크린 부재(8)의 액체 유통 구멍(19)과 두 외측 스크린 부재(9,10)의 액체 유통 구멍(22,25)을 빠져나올 때, 혼합액 흐름의 벡터(vector)는 그 둘레방향 성분 대부분이 제거되어, 거의 반경방향 성분만을 가지게 된다. 이에 의해, 와류의 발생이 방지되고, 분산질과 분산매를 포함하는 혼합액에 강한 전단력을 가할 수 있으며, 혼합액 안에서 마크로 거품이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
교반, 임펠러, 거품

Description

교반장치 및 이 교반장치를 사용한 분산장치{AGITATING DEVICE, AND DISPERSING DEVICE USING THE AGITATING DEVICE}
본 발명은 회전식 임펠러 및 와류의 발생을 방지하는 다단식 스크린 부재를 구비한 교반장치와, 상기 교반장치를 사용하여 분산질을 분산매 안으로 분산시켜 분산계(分散系)를 생성하도록 한 호모게나이저 등의 분산장치에 관한 것이다.
액체 또는 고체 분산질과 액체 분산매를 포함하는 혼합물(이하, '분산계 원료혼합물'이라고 한다)을 회전식 교반장치를 사용하여 고속회전 교반하고, 전단력에 의해 분산질을 분산매 안으로 분산시켜, 에멀젼(유화액)이나 서스펜션(현탁액) 등의 분산계를 생성하도록 한 분산장치(이하, '고속회전 분산장치'라고 한다)는 잘 알려져 있다. 그리고, 이러한 분산계의 생성 프로세스에 있어서는, 보통 분산질의 분산매 안에서의 분산을 촉진시키거나, 분산계를 안정시키기 위하여 계면활성제가 첨가된다.
또한, 이러한 분산계의 생성 프로세스에 있어서, 분산질의 분산매 안에서의 분산도(분산성)는, 계면활성제의 첨가량이 많을수록 좋아지며, 교반장치로부터 분산계 원료혼합물에 가해지는 전단력이 강할수록 좋아진다. 따라서, 소정의 분산도를 실현하려고 하는 경우, 계면활성제의 첨가량이 많을수록 전단력이 약해도 되지 만, 계면활성제의 첨가량이 적을수록 강한 전단력이 필요하게 된다.
그런데, 일반적으로 분산계에서는, 그 품질의 관점에서 계면활성제의 함유량은 적은 것이 바람직하다. 또한, 분산계의 생성 프로세스에서 계면활성제를 사용한 경우, 상기 생성 프로세스에서 배출되는 폐수 등에는 필연적으로 계면활성제가 포함되게 되는데, 계면활성제를 포함하는 폐수는 예를 들어, 활성오니법 등의 보통의 폐수처리 방법으로는 정화하기 어렵다. 따라서, 분산계의 생성 프로세스에서는 계면활성제의 첨가량을 가능한 한 줄이는 것이 바람직하다.
그래서, 교반장치의 임펠러의 회전속도를 대폭 높여 분산계 원료혼합물에 가하는 전단력을 증가시키고, 계면활성제의 첨가량을 줄이는 대응을 생각할 수 있다. 하지만, 종래의 고속회전 분산장치에서는 어느 정도까지는 임펠러의 회전속도의 상승에 따라 전단력의 강도도 상승하는데, 이 정도를 넘으면 임펠러의 회전속도가 상승하여도 전단력의 강도는 그다지 상승하지 않는다는 문제가 있다. 이것은 임펠러의 회전속도가 어느 한계를 넘어 상승하면, 용기안의 분산계 원료혼합물이 전체로서 임펠러와 일체적으로 회전하게 되어, 분산계 원료혼합물과 용기 내벽의 충격이 일어나기 어려워지기 때문일 것이라고 추측된다.
본 발명의 발명자는 실험에 의해, 고속회전 분산장치가 대기 개방형 장치(특히 배치식 장치)인 경우, 임펠러의 회전속도가 상승하면 분산계 원료혼합물에 와류가 발생하여, 이 와류에 의해 대기중의 공기가 분산계 원료혼합물 안으로 말려들어가 비교적 큰 기포(이하, '마크로 기포'라고 한다)가 발생하고, 이 마크로 기포에 의해 분산질의 분산매 안에서의 분산도가 나빠진다는 사실을 발견하였다.
본 발명은 상기 종래의 문제와 상기 실험결과를 감안하여 이루어진 것으로, 분산질을 분산매 안으로 분산시켜 분산계를 생성할 때, 분산계 원료혼합물에 충분히 강한 전단력을 가할 수 있는 교반장치, 내지는 상기 교반장치를 사용한 분산장치를 제공하는 것을 해결해야 할 과제로 삼고 있다. 또한, 대기 개방계에서 분산계를 생성하는 경우, 분산계 원료혼합물 내에서의 마크로 기포의 발생을 효과적으로 방지할 수 있는 교반장치, 내지는 상기 교반장치를 사용한 분산장치를 제공하는 것도 해결해야 할 과제로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 본 발명에 따른 교반장치는, 다음의 부재를 구비하고 있다.
(ⅰ) 액체 유입 구멍을 구비한 제 1 커버 플레이트.
(ⅱ) 제 1 커버 플레이트에 대하여 플레이트 확장면과 직교하는 방향(플레이트 두께 방향)으로 떨어져 배치된 제 2 커버 플레이트.
(ⅲ) 제 1 커버 플레이트와 제 2 커버 플레이트 사이에 형성된 플레이트간 공간부 안에서, 액체 유입 구멍에 대응하는 위치에 배치된(예를 들어, 액체 유입 구멍의 중심과 임펠러의 회전축이 일치하도록 배치된) 회전식 임펠러.
(ⅳ) 플레이트간 공간부 안에서 임펠러를 감싸도록 설치되며, 둘레벽에 복수(다수)의 액체 유통 구멍이 형성된 대략 튜브형 또는 대략 통형의 내측 스크린 부재.
(ⅴ) 플레이트간 공간부 안에서 내측 스크린 부재를 감싸도록 설치되며, 둘 레벽에 복수(다수)의 액체 유통 구멍이 형성된 1개 또는 복수(예를 들어, 2개)의 대략 튜브형의 외측 스크린 부재.
여기서, 내측 스크린 부재 및 외측 스크린 부재의 측벽은 원통형인 것이 바람직하다.
이 교반장치가 액체 안에 배치된 상태에서 임펠러가 회전하면, 액체는 액체 유입 구멍을 통하여 플레이트 확장면과 거의 직교하는 방향으로 흘러 플레이트간 공간부로 들어간 후, 내측 스크린 부재의 액체 유통 구멍과, 외측 스크린 부재의 액체 유통 구멍을 통하여 플레이트 확장면과 거의 평행한 방향(바깥쪽)으로 흘러, 플레이트간 공간부로부터 유출된다. 그리고, 액체가 임펠러로부터 바깥쪽으로 흘러 플레이트간 공간부로부터 유출되어가는 과정에 있어서, 내측 스크린 부재의 액체 유통 구멍과 외측 스크린 부재의 액체 유통 구멍을 빠져나갈 때, 액체 흐름의 백터는 그 둘레방향 성분의 대부분이 제거되어, 대부분 반경방향 성분만을 가지게 된다. 즉, 액체는 플레이트간 공간부로부터 거의 반경방향 바깥쪽으로 방사형으로 유출된다.
이 때문에, 액체에 와류가 발생하지 않는다. 따라서, 임펠러의 회전속도를 상승시켜도 액체는 용기 내면에 심하게 충돌하여, 액체에 강한 전단력을 가할 수 있다. 따라서, 이 교반장치를 고속회전 분산장치에 사용한 경우, 분산계 원료혼합물에 충분히 강한 전단력을 가할 수 있어, 분산질의 분산매 안에서의 분산도를 높일 수 있다(분산질의 입자 직경을 작게 할 수 있다).
또한, 상기 교반장치에서는 액체교반시에 와류가 발생하지 않기 때문에, 상 기 교반장치를 대기 개방형 용기안에 배치했을 경우, 액체 안으로 공기를 끌어들이지 않아, 마크로 기포가 발생하지 않는다. 따라서, 이 교반장치를 대기 개방형 고속회전 분산장치에 사용한 경우, 분산계 원료혼합물 안에서의 마크로 기포의 발생을 방지할 수 있어, 분산질의 분산매 안에서의 분산도를 높일 수 있다.
본 발명에 따른 배치식 분산장치는 상기 교반장치를 사용하고 있다. 이 분산장치에서는 교반장치가 대기 개방형의 배치식 용기안에 배치되어 있다. 그리고, 분산장치는 배치식 용기안에 담긴, 분산질과 분산매를 포함하는 혼합물을 교반장치로 교반함으로써, 분산질을 분산매 안으로 분산시켜 분산계를 생성한다.
이 배치식 분산장치에 있어서는, 교반시에 분산계 원료혼합물에 와류가 발생하지 않기 때문에, 교반장치 임펠러의 회전속도를 상승시킬수록, 분산계 원료혼합물에 강한 전단력을 가할 수 있어, 분산질의 분산매 안에서의 분산도를 높일 수 있다. 또한, 교반시에 분산계 원료혼합물에 와류가 발생하지 않기 때문에, 분산계 원료혼합물 안으로 공기를 끌어들이지 않아, 분산계 원료혼합물 안에 마크로 기포가 발생하지 않는다. 이 때문에, 분산질의 분산매 안에서의 분산도를 높일 수 있다.
본 발명에 따른 연속식 분산장치도, 상기 교반장치를 사용하고 있다. 이 분산장치에서는 교반장치가 밀폐형 유통식 용기안에 설치되어 있다. 그리고, 분산장치는 유통식 용기안을 유통하는, 분산질과 분산매를 포함하는 혼합물을 교반장치로 교반함으로써, 분산질을 분산매 안으로 분산시켜 분산계를 생성한다.
이 연속식 분산장치에서는, 교반시에 분산계 원료혼합물에 와류가 발생하지 않기 때문에, 교반장치의 임펠러의 회전속도를 높일수록, 분산계 원료혼합물에 강 한 전단력을 가할 수 있어, 분산질의 분산매 안에서의 분산도를 높일 수 있다.
상기 배치식 또는 연속식 분산장치에 있어서, 분산매가 액체인 경우, 분산질이 분산매에 용해하지 않는 액체이면, 상기 분산장치는 에멀젼(유화액)을 생성하는 호모게나이저(유화기)가 된다. 또한, 분산질이 분산매에 용해하지 않는 고체 내지 분말체이면, 상기 분산장치는 서스펜션(현탁액)을 생성하는 장치가 된다.
본 발명에 따른 교반장치를 사용한 분산장치 내지 호모게나이저의 용도로는 예를 들어, 다음과 같은 것들을 들 수 있다.
(1) 유제품의 균질화, 산화억제, 안정성 보유 등에 이용할 수 있다. 한편, 유제품으로서는 예를 들어, 생유, 우유, 특별우유, 살균 산양유, 생 면양유, 부분탈지유, 탈지유, 가공유 등을 들 수 있다.
(2) 레시틴의 균질화, 산화억제, 안정성 보유, 계면활성화, 캐리어 기능 부여 등에 이용할 수 있다.
(3) 계란의 균질화, 산화억제, 안정성 보유, 계면활성화 등에도 이용할 수 있다.
(4) 식물유의 균질화, 산화억제, 안정성 보유 등에도 이용할 수 있다.
또한, 이 분산장치 내지 호모게나이저는, 액상 지방질과 다당류나 단백질 등을 에멀젼화하여, 새로운 기능을 부여할 수 있다. 이러한 기능으로서는 예를 들어, 지방질의 산화억제 기능, 에멀젼의 안정성 보유기능, 가식성(可食性) 계면활성제의 합성기능, 캐리어 기능 등을 들 수 있다.
더욱이, 이 분산장치 내지 호모게나이저는 안료, 유액, 로션, 약제, 수지용 제, 첨가제, 미립자 분산계 제제(드러그 캐리어), 쥬스, 조미료, 식용유화제, 유화식품, COM(Coal Oil Mixture), CWM(Coal Water Mixture), 왁스, 기억재료(자성도료, 자기기록매체), 윤활제, 응집제, 그리스, 잉크, 도료, 비누, 세제 등의 제조에도 사용할 수 있다.
본 발명은 아래의 상세한 설명 및 첨부하는 도면에 의해 보다 충분히 이해될 수 있을 것이다. 또한, 첨부하는 도면에 있어서, 공통되는 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하였다.
도 1a는 배치식 용기안에 교반장치가 배치된 본 발명에 따른 배치식 호모게나이저의 입면단면도이며, 도 1b는 밀봉유통식 용기안에 교반장치가 배치된 본 발명에 따른 연속식 호모게나이저의 입면단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명에 따른 교반장치의 평면도 및 입면단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 2a 및 도 2b에 나타내는 교반장치를 구성하는 내측 스크린 부재의 평면도 및 일부 단면입면도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 2a 및 도 2b에 나타내는 교반장치를 구성하는 제 1 외측 스크린 부재의 평면단면도 및 일부 단면입면도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 도 2a 및 도 2b에 나타내는 교반장치를 구성하는 제 2 외측 스크린 부재의 평면단면도 및 일부 단면입면도이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 도 2a 및 도 2b에 나타내는 교반장치를 구성하는 임 펠러의 평면도 및 일부 단면입면도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 도 2a 및 도 2b에 나타내는 교반장치를 구성하는 상부 커버 플레이트 및 하부 커버 플레이트의 입면단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 내측 스크린 부재 및 외측 스크린 부재를 구비한 교반장치 및 내측 스크린 부재만을 구비한 교반장치에서의 원료혼합액 흐름의 벡터를 나타내는 도면이다.
도 9는 고속회전 유화장치를 사용하여 조제된 에멀젼에서의 분산질의 입자직경의 분포를 나타내는 그래프이다.
도 10은 고속회전 유화장치 및 고압 유화장치를 사용하여 조제된 에멀젼에서의 분산질의 입자직경 분포를 나타내는 그래프이다.
도 11은 고속회전 유화장치를 사용하여 조제된 에멀젼에서의 분산질의 입자직경 분포를 나타내는 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 각각 도 9에서의 그래프 G1로 나타내는 에멀젼의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
도 13a 및 도 13b는 각각 도 9에서의 그래프 G2로 나타내는 에멀젼의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
도 14a 및 도 14b는 각각 도 9에서의 그래프 G4로 나타내는 에멀젼의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
도 15a 및 도 15b는 각각 도 9에서의 그래프 G5로 나타내는 에멀젼의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
도 16a 및 도 16b는 각각 도 10에서의 그래프 G6으로 나타내는 에멀젼의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
도 17a 및 도 17b는 각각 도 10에서의 그래프 G8로 나타내는 에멀젼의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
도 18a 및 도 18b는 각각 도 11에서의 그래프 G9로 나타내는 에멀젼의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
도 19a 및 도 19b는 각각 도 11에서의 그래프 G10으로 나타내는 에멀젼의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
도 20a 및 도 20b는 각각 도 11에서의 그래프 G11로 나타내는 에멀젼의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
도 21a 및 도 21b는 각각 도 11에서의 그래프 G12로 나타내는 에멀젼의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 1a에 나타내는 바와 같이, 배치식 호모게나이저(1)(고속회전 분산장치)는, 실질적으로 대기 개방형 배치식 용기(2)와, 상기 배치식 용기(2) 안(바닥부 근처)에 설치된 교반장치(3)로 구성되어 있다. 교반장치(3)의 구체적인 구조 및 기능은 뒤에서 설명한다. 호모게나이저(1)는 배치식 용기(2) 안에 담긴, 서로 용해하지 않는 액체 분산질과 액체 분산매를 포함하는 원료혼합액(분산계 원료혼합물)을 교반장치(3)로 고속회전 교반함으로써, 분산질을 분산매 안으로 분산시켜 에멀젼(분 산계)을 생성하도록 되어 있다. 도 1a에서 각 화살표는 원료혼합액의 개략적인 흐름 방향을 나타내고 있다.
도 1b에 나타내는 바와 같이, 밀폐 연속식(인라인식) 호모게나이저(1')의 경우, 교반장치(3)는 밀폐형 유통식 용기(4) 안에 배치된다. 이 경우, 호모게나이저(1')는 유통식 용기(4) 안을 유통하는 원료혼합액을 교반장치(3)로 고속회전 교반함으로써, 분산질을 분산매 안으로 분산시켜 에멀젼을 생성한다. 도 1b에서 각 화살표는 원료혼합액의 개략적인 흐름 방향을 나타내고 있다.
이하, 교반장치(3)의 구체적인 구조 내지 기능을 설명한다.
도 2a, 도 2b 내지 도 7a, 도 7b에 나타내는 바와 같이, 교반장치(3)는 상부 커버 플레이트(5)(제 1 커버 플레이트)와, 하부 커버 플레이트(6)(제 2 커버 플레이트)와, 임펠러(7)와, 내측 스크린 부재(8)와, 제 1 외측 스크린 부재(9)와, 제 2 외측 스크린 부재(10)를 구비하고 있다.
상부 커버 플레이트(5)는 원판형이며, 중심부 근처에는 조금 큰(임펠러(7)의 직경보다 약간 큰 직경을 가짐) 원형의 액체 유입 구멍(11)이 형성되고, 둘레가장자리 근처에는 3개의 볼트 구멍(12)이 형성되어 있다. 하부 커버 플레이트(6)는 상부 커버 플레이트(5)와 외부직경이 같은 원판형의 부재이며, 중심부에는 임펠러(7)의 회전축(13)을 통과시키기 위한 축구멍(14)이 형성되고, 둘레가장자리 근방에는 3개의 볼트 구멍(15)이 형성되어 있다. 그리고, 상부 커버 플레이트(5)와 하부 커버 플레이트(6)는 각 볼트 구멍(12,15)과 끼워맞추거나 나사결합하는 3개의 볼트(16)에 의해, 플레이트 확장면과 직교하는 방향으로 소정의 거리를 두고 연결되어 있다. 이렇게 하여, 상부 커버 플레이트(5)와 하부 커버 플레이트(6) 사이에는 플레이트간 공간부(17)가 형성되어 있다.
임펠러(7)는 회전축(13)에 고정된 4장의 패들(paddle)(18)(교반날개)을 구비한 고속회전식 교반기로, 그 회전축(13)은 도시하지 않은 모터에 연결되어 원하는 회전속도로 회전시킬 수 있도록 되어 있다. 여기서 임펠러(7)는 액체 유입 구멍(11)의 중심선과 회전축(13)의 축선이 일치하도록 설치되어 있다.
내측 스크린 부재(8)는 임펠러(7)의 직경보다 약간 큰 내부직경을 가지는 대략 통형의 부재이며, 플레이트간 공간부(17) 안에서 임펠러(7)를 감싸도록 설치되어 있다. 그리고, 내측 스크린 부재(8)의 원통형 둘레벽(8a)에는 다수의 액체 유통 구멍(19)이 형성되어 있다. 내측 스크린 부재(8)의 바닥부(8b)는 하부 커버 플레이트(6)에 형성된 원기둥형 오목부(20)에 끼워져 들어가고, 그 원통부(8a)는 상부 커버 플레이트(5)의 액체 유입 구멍(11)으로 끼워져 들어가며, 이에 의해 내측 스크린 부재(8)의 위치가 고정되어 있다. 한편, 내측 스크린 부재(8)의 바닥부(8b)에는 임펠러(7)의 회전축(13)을 통과시키기 위한 축구멍(21)이 형성되어 있다.
제 1 외측 스크린 부재(9)는 내측 스크린 부재(8)의 바깥직경보다 약간 큰 내부직경을 갖는 대략 원통형의 부재이며, 플레이트간 공간부(17) 안에서 내측 스크린 부재(8)를 감싸도록 설치되어 있다. 그리고, 제 1 외측 스크린 부재(9)의 원통형 둘레벽에는, 다수의 액체 유통 구멍(22)이 형성되어 있다. 제 1 외측 스크린 부재(9)의 상단부는 상부 커버 플레이트(5)에 형성된 고리모양 홈부(23)에 끼워져 들어가고, 하단부는 하부 커버 플레이트(6)에 형성된 고리모양 홈부(24)에 끼워져 들어가며, 이에 의해 제 1 외측 스크린 부재(9)의 위치가 고정되어 있다.
제 2 외측 스크린 부재(10)는 제 1 외측 스크린 부재(9)의 외부직경보다 약간 큰 내부직경을 가지는 대략 원통형의 부재이며, 플레이트간 공간부(17) 내에서 제 1 외측 스크린 부재(9)를 감싸도록 설치되어 있다. 그리고, 제 2 외측 스크린 부재(10)의 원통형 둘레벽에는, 다수의 액체 유통 구멍(25)이 형성되어 있다. 제 2 외측 스크린 부재(10)의 상단부는 상부 커버 플레이트(5)에 형성된 고리모양 홈부(26)에 끼워져 들어가며, 하단부는 하부 커버 플레이트(6)에 형성된 고리모양 홈부(27)에 끼워져 들어가, 이에 의해 제 2 외측 스크린 부재(10)의 위치가 고정되어 있다.
이하, 배치식 용기(2) 안에 설치된 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)의 기능 내지 작용을 설명한다.
배치식 용기(2) 안에 액체 분산질과 액체 분산매를 포함하는 원료혼합액이 담긴 상태에서, 교반장치(3)의 임펠러(7)가 회전하면, 액체 유입 구멍(11)의 윗쪽 원료혼합액이 액체 유입 구멍(11)을 통하여 아랫쪽(플레이트 확장면과 거의 직교하는 방향)으로 흘러 플레이트간 공간부(17)로 유입된다. 한편, 내측 스크린 부재(8)보다 안쪽의 원료혼합액은, 임펠러(7)에 의해 수평방향(플레이트 확장면과 평행한 방향) 바깥쪽으로 토출되며, 순서대로 내측 스크린 부재(8)의 액체 유통 구멍(19)과, 제 1 외측 스크린 부재(9)의 액체 유통 구멍(22)과, 제 2 외측 스크린 부재(10)의 액체 유통 구멍(25)을 통하여 플레이트간 공간부(17)로부터 유출된다.
그리고, 원료혼합액이 임펠러(7)로부터 바깥쪽으로 흘러 플레이트간 공간부 (17)로부터 유출되어 가는 과정에 있어서, 내측 스크린 부재(8)의 액체 유통 구멍(19)과 두 외측 스크린 부재(9,10)의 액체 유통 구멍(22,25)을 빠져나갈 때, 원료혼합액 흐름의 벡터는 그 둘레방향 성분의 대부분이 제거되어, 거의 반경방향 성분만을 가지게 된다.
도 8a에 내측 스크린 부재(8)의 액체 유통 구멍(19)으로부터 바깥쪽으로 유출한 원료혼합액 흐름의 벡터 V1과, 제 1 외측 스크린 부재(9)의 액체 유통 구멍(22)으로부터 바깥쪽으로 유출한 원료혼합액 흐름의 벡터 V2와, 제 2 외측 스크린 부재(10)의 액체 유통 구멍(25)으로부터 바깥쪽으로 유출한 원료혼합액 흐름의 벡터 V3를 나타낸다. 도 8a에서 분명히 알 수 있듯이, 벡터 V1은 원주방향의 성분을 다소 포함하고, 벡터 V2는 원주방향의 성분을 약간 포함하고 있지만, 벡터 V3은 원주방향 성분을 전혀 가지고 있지 않다.
이와 같이, 최종적으로 교반장치(3)로부터 바깥쪽으로 유출하는 원료혼합액은, 원주방향의 흐름 성분을 포함하지 않기 때문에, 반경방향 바깥쪽으로 방사형으로 유출하여, 배치식 용기(2)의 내벽면에 충돌한다. 이 때문에, 원료혼합액에는 와류(소용돌이)가 발생하지 않는다.
한편, 도 8b에 나타내는 바와 같이, 내측 스크린 부재(8)만 설치하고, 외측 스크린 부재(9,10)를 설치하지 않는 경우, 최종적으로 교반장치(3)로부터 바깥쪽으로 유출되는 원료혼합액은 원주방향의 흐름 성분을 포함하기 때문에, 와류가 발생하게 된다.
따라서, 임펠러(7)의 회전속도를 높일수록, 원료혼합액에 의해 강한 전단력 을 가할 수 있다. 따라서, 원료혼합액에 충분히 강한 전단력을 가할 수 있어, 분산질의 분산매 안에서의 분산도를 높일 수 있다(분산질의 입자직경을 줄일 수 있다). 또한, 원료혼합액의 교반시에 와류가 발생하지 않기 때문에, 원료혼합액 안으로 공기가 말려들어가지 않아, 마크로 기포가 발생하지 않는다. 이 때문에, 분산질의 분산매 안에서의 분산도를 한층 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)(분산장치)와, 이를 사용하여 조제된 에멀젼의 특징 등을, 종래예와 비교하면서 설명한다. 먼저, 본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)의 특징을 종래예와 비교하면서 설명한다.
본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 대기 개방형 배치식 호모게나이저(1)는 와류의 발생을 방지하여, 원료혼합액에 가하는 전단력을 강하게 하는 동시에, 마크로 기포가 원료혼합액 안에서 발생하는 것을 방지하여 분산질의 분산매 안에서의 분산도를 향상시키는 점에 특징이 있다.
일반적으로, 호모게나이저에서 발생하는 기포(캐비테이션)로서는 다음의 세 가지 종류가 있다.
(1) 마크로 기포(Vortex bubble)
고속으로 회전하고 있는 임펠러에 의해 형성되는 와류가, 유체에 접해있는 기상(氣相)을 연속적으로 거둬들임으로써 발생하는 커다란 기포이다.
(2) 미크로 기포(Turbulence bubble)
고속회전체로부터 동반되거나, 라인 안에 흐르는 고속유체가 좁은 공간을 통 과했을 때 발생하는 기포이다. 난류를 형성하는 힘이 필요하다. 고속교반기라면 클리어런스(clearance), 집속, 동점성 계수에 의존한다. 주속(peripheral speed)이 10m/sec 이상일 때 발생한다.
(3) 충격파 기포(Shock wave bubble)
극도로 가속된 유체(수백 m/sec 이상) 안에서, 1/1000에서 1/1000000초 사이에 발생했다 소멸되는, 충격파를 발생시키는 초미세 기포이다.
고속회전 호모게나이저의 경우에는, 충격파 기포는 발생되지 않기 때문에, 마크로 기포와 미크로 기포가 대상이 된다. 그리고, 상기와 같이, 종래의 교반장치에서는 원료혼합액은 교반 날개에 수반되어, 그 흐름 방향이 회전방향을 향한다. 이 때문에, 회전 횟수를 늘리면, 필연적으로 와류를 생성시키게 되어, 마크로 기포가 발생한다. 이에 대하여, 본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)에서는, 스크린 부재(8~10)가 다단으로 되어 있기 때문에, 원료혼합액의 분출방향이 방사형으로 퍼져, 와류가 발생되지 않는다. 이 때문에, 마크로 기포가 발생하지 않는다. 그리고, 본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)에서는, 스크린 부재(8~10)의 액체 유통 구멍(19,22,25)(개구부)은 와류를 형성하지 않도록 설정되며, 또한 원료혼합액의 분출방향이 제어가능하게 되어 있다.
한편, 미크로 기포는 일반적으로 교반장치로부터 분출하는 원료혼합액이 난류상태가 되면 필연적으로 발생하기 때문에, 본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)에서도 필연적으로 발생한다. 따라서, 미크로 기포를 없애기 위해서는, 호모게나이저를 밀폐식으로 하여 압력(배압)을 상승시킬 수 밖에 없다.
상기와 같이, 유화 프로세스에서는 소정 분산도를 실현하는데 있어서, 계면활성제의 첨가량과 전단력은 상관관계를 나타내며, 계면활성제의 첨가량을 줄이면, 보다 강한 전단력이 필요하게 된다. 하지만, 전단력을 증가시키면, 기포 발생이라는 문제가 부상된다. 그래서 종래에는 계면활성제의 첨가량과, 전단력과, 기포의 문제를 고려하면서, 에멀젼의 적절한 생성조건을 여러가지로 모색하였다.
본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)에서는, 다단식 스크린 부재(8~10)의 형상이나 장수, 임펠러(7)의 형상, 클리어런스 등을 조정함으로써, 동일한 에너지를 가한 경우에도, 각각의 스크린 부재(8~10) 사이에서 원료혼합액의 에너지를 소비시켜, 교반장치(3)로부터 배치식 용기(2) 안으로 분출하는 원료혼합액이 난류가 되지 않도록 할 수 있다. 단, 이 경우, 배치식 용기(2) 안을 균일화시키기 위한 전체적인 원료혼합액의 흐름이 없어질 우려가 있다. 한편, 미크로 기포를 어디까지 억제할지는, 처방이나 최종 제제의 품질에 따라 특정되게 된다.
일반적으로, 고압 유화 장치에서는 용기가 밀폐계이기 때문에, 대기로부터 원료혼합액으로 공기가 말려들어가는 일이 없으며, 따라서 마크로 기포가 발생하지 않는다. 이 때문에, 분산매 안으로의 분산질의 분산도는, 미크로 기포와 충격파 기포에 의존하게 된다. 이 때문에, 미크로 기포를 억제하는(눌러넣는) 것만으로도, 효과적으로 분산질의 분산도를 향상시킬 수 있다.
이에 대하여, 일반적으로 고속교반 유화장치에서는, 마크로 기포의 영향이 보다 크기 때문에, 미크로 기포의 영향은 겉으로 드러나지 않는다. 그래서, 본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)에서는 다단식 스크린 부재(8~10)에 의해 와류가 일어나지 않도록 하여, 마크로 기포의 발생을 방지하고, 분산질의 분산도 향상을 꾀하고 있다.
본 발명의 발명자가 경험을 통해 알게된 것에 의하면, 마크로 기포는 입자직경이 10 미크론 이상인 분산질 입자의 분산에 악영향을 주고, 미크로 기포는 입자직경이 1~10 미크론인 분산질 입자의 분산에 악영향을 주며, 충격파 기포는 입자직경이 0.5~1 미크론인 분산질 입자의 분산에 악영향을 준다. 따라서, 이 기포들을 제거하면, 각각에 대응하는 입자직경의 분산질 입자의 분산이 촉진된다. 따라서, 본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)를 사용하면, 특히 입자직경이 10 미크론 이상인 분산질 입자의 분산을 촉진할 수 있게 된다.
이하, 실제로 본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)를 사용하여 에멀젼의 샘플을 조제하여 그 분산질의 입자직경 분포(분산도)를 측정하는 동시에, 상기 샘플의 분산질의 분산상태를 현미경을 사용하여 관측한 결과를, 종래의 교반장치 내지 호모게나이저를 사용한 경우와 비교하면서 설명한다.
정제수를 분산매로 하고, 분산질로서 유동 파라핀을 10wt% 포함하며, 계면활성제인 모노라우린산 폴리옥시에틸렌솔비탄(Tween계)을 1.2% 포함하는 원료혼합액(정제수는 밸런스)을 사용하여, 다음의 8가지 종류의 에멀젼 샘플을 조제하였다. 실험 스케일은 모두 600g이며, 50℃에서 유화를 개시하였다. 처리시간은 5분 또는 10분으로 하였다. 분산질의 입자직경 분포는 1 미크론 이상인 이물을 측정할 수 있는 전용 입자직경 측정기(아큐사이저 780)를 사용하여 측정하였다.
한편, 샘플 1~5는 고속 교반식 교반장치 내지 호모게나이저만으로 유화처리 하여 얻어진 샘플이며, 샘플 6~8은 상기 유화처리 후, 더욱이 1000bar의 고압 유화장치를 사용하여 1패스의 유화처리를 행하여 얻어진 샘플이다.
또한, 샘플 3 및 샘플 4는 비교를 위하여, 종래 높은 평가를 받은 스크린형 교반기에 본 발명에 따른 교반장치(3)의 임펠러(7)와 다단식 스크린 부재(8~10)를 장착한 호모게나이저를 사용하여 조제한 것이다. 샘플 5는 비교를 위하여 종래의 교반장치를 사용하여 조제한 것이다.
(1) 샘플 1
샘플 1은 다음과 같은 조건으로 조제하였다.
교반장치 : 본 발명에 따른 교반장치
교반속도 : 10000rpm
로 드 : 정격치(100%)
처리시간 : 5분
도 9에서 그래프 G1은, 샘플 1의 분산질 입자의 입자직경 분포를 나타내고 있다. 샘플 1에서 마크로 기포는 발생하지 않았지만, 미크로 기포는 발생하였다.
도 12a 및 도 12b는 각각 샘플 1의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
(2) 샘플 2
샘플 2는 다음과 같은 조건으로 조제하였다.
교반장치 : 본 발명에 따른 교반장치
교반속도 : 7000rpm
로 드 : 정격치의 70%
처리시간 : 5분
도 9에서 그래프 G2는, 샘플 2의 분산질 입자의 입자직경 분포를 나타내고 있다. 샘플 2에서는 마크로 기포는 발생하지 않았지만, 미크로 기포는 발생하였다.
도 13a 및 도 13b는 각각 샘플 2의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
(3) 샘플 3
샘플 3은 다음과 같은 조건으로 조제하였다.
교반장치 : 종래 교반기의 날개에 다단 스크린을 장착
교반속도 : 10000rpm
로 드 : 정격치의 60%
처리시간 : 10분
도 9에서 그래프 G3은, 샘플 3의 분산질 입자의 입자직경 분포를 나타내고 있다. 샘플 3에서 마크로 기포 및 미크로 기포가 발생하지 않았다.
(4) 샘플 4
샘플 4는 다음과 같은 조건으로 조제하였다.
교반장치 : 종래 교반기의 날개에 다단 스크린을 장착
교반속도 : 10000rpm
로 드 : 정격치의 60%
처리시간 : 5분
도 9에서 그래프 G4는, 샘플 4의 분산질 입자의 입자직경 분포를 나타내고 있다. 샘플 4에서는 마크로 기포 및 미크로 기포가 발생하지 않았다.
도 14a 및 도 14b는 각각 샘플 4의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
(5) 샘플 5
샘플 5는 다음과 같은 조건으로 조제하였다.
교반장치 : 종래 교반장치
교반속도 : 10000rpm
로 드 : 정격치의 70%
처리시간 : 5분
도 9에서 그래프 G5는, 샘플 5의 분산질 입자의 입자직경 분포를 나타내고 있다. 샘플 5에서는 마크로 기포 및 미크로 기포가 발생하였다.
도 15a 및 도 15b는 각각 샘플 5의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
(6) 샘플 6
샘플 6은 다음과 같은 조건으로 조제하였다.
교반장치 : 본 발명에 따른 교반장치
교반속도 : 10000rpm
로 드 : 정격치(100%)
처리시간 : 5분
고속유화 : 1000bar, 1패스
도 10에서 그래프 G6은, 샘플 6의 분산질 입자의 입자직경 분포를 나타내고 있다. 도 16a 및 도 16b는 각각 샘플 6의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
(7) 샘플 7
샘플 7은 다음과 같은 조건으로 조제하였다.
교반장치 : 본 발명에 따른 교반장치
교반속도 : 7000rpm
로 드 : 정격치의 70%
처리시간 : 5분
고속유화 : 1000bar, 1패스
도 10에서 그래프 G7은, 샘플 7의 분산질 입자의 입자직경 분포를 나타내고 있다.
(8) 샘플 8
샘플 8은 다음과 같은 조건으로 조제하였다.
교반장치 : 종래의 교반장치
교반속도 : 10000rpm
로 드 : 정격치의 70%
처리시간 : 5분
고속유화 : 1000bar, 1패스
도 10에서 그래프 G8은, 샘플 8의 분산질 입자의 입자직경 분포를 나타내고 있다.
도 17a 및 도 17b는 각각 샘플 8의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
또한, 모노라우린산 폴리옥시에틸렌솔비탄(Tween계)을 3.6% 포함하는 것 이외에는, 샘플 1~8의 경우과 같은 조건에서, 다음의 4가지 종류의 에멀젼 샘플 9~12 를 조제하였다. 이 4종류의 샘플은 모두 고속교반식 교반장치 내지 호모게나이저으로만 유화처리하여 얻어진 샘플이다. 또한, 샘플 11은 비교를 위하여 종래 높은 평가를 받은 스크린형 교반기에 본 발명에 따른 교반장치(3)의 임펠러(7)와 다단식 스크린 부재(8~10)를 장착한 호모게나이저를 사용하여 조제한 것이다. 샘플 12는 비교를 위하여, 종래의 교반장치를 사용하여 조제한 것이다.
(9) 샘플 9
샘플 9는 다음과 같은 조건으로 조제하였다.
교반장치 : 본 발명에 따른 교반장치
교반속도 : 10000rpm
로 드 : 정격치(100%)
처리시간 : 5분
도 11에서 그래프 G9는, 샘플 9의 분산질 입자의 입자직경 분포를 나타내고 있다. 샘플 9에서 마크로 기포는 발생하지 않았지만, 미크로 기포는 발생하였다.
도 18a 및 도 18b는 각각 샘플 9의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
(10) 샘플 10
샘플 10은 다음과 같은 조건으로 조제하였다.
교반장치 : 본 발명에 따른 교반장치
교반속도 : 7000rpm
로 드 : 정격치의 70%
처리시간 : 5분
도 11에서 그래프 G10은, 샘플 10의 분산질 입자의 입자직경 분포를 나타내고 있다. 샘플 10에서 마크로 기포는 발생하지 않았지만, 미크로 기포는 발생하였다.
도 19a 및 도 19b는 각각 샘플 10의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
(11) 샘플 11
샘플 11는 다음과 같은 조건으로 조제하였다.
교반장치 : 종래 교반기의 날개에 다단 스크린을 장착
교반속도 : 10000rpm
로 드 : 정격치의 60%
처리시간 : 5분
도 11에서 그래프 G11은, 샘플 11의 분산질 입자의 입자직경 분포를 나타내고 있다. 샘플 11에서는 마크로 기포 및 미크로 기포가 발생하지 않았다.
도 20a 및 도 20b는 각각 샘플 11의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
(12) 샘플 12
샘플 12는 다음과 같은 조건으로 조제하였다.
교반장치 : 종래 교반장치
교반속도 : 10000rpm
로 드 : 정격치의 70%
처리시간 : 5분
도 11에서 그래프 G12는, 샘플 12의 분산질 입자의 입자직경 분포를 나타내 고 있다. 샘플 12에서는 마크로 기포 및 미크로 기포가 발생하였다. 도 21a 및 도 21b는 각각 샘플 12의 100배 및 400배 배율의 모사도이다.
도 9 및 도 11에 나타내는 입자직경 분포의 측정 결과에 따르면, 본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)를 사용하여 생성된 에멀젼의 샘플 1, 2(도 9의 그래프 G1, G2 참조) 및 샘플 9, 10(도 11의 그래프 G9, G10 참조)에서는, 입자직경이 10 미크론 이상인 입자는 거의 0인 것을 알 수 있다. 이것은 10 미크론 이상의 입자의 분산에 악영향을 주는 커다란 기포의 발생이 방지된 것을 나타낸다. 이에 대하여, 종래의 교반장치를 사용한 샘플 5(도 9의 그래프 G5 참조) 및 샘플 12(도 11의 그래프 G12 참조)에서는 입자직경이 10미크론 전후인 곳에서 분포 비율이 가장 높다. 따라서, 본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)에 의하면, 마크로 기포의 발생을 거의 완전히 방지할 수 있으며, 종래의 교반장치 내지 호모게나이저에 비하여 분산질의 분산매 안에서의 분산도를 대폭 향상시킬 수 있다.
한편, 종래 교반기의 날개에 다단식 스크린 부재를 장착한 교반장치를 사용하여 조제된 샘플 3, 4(도 9의 그래프 G3, G4 참조) 및 샘플 11(도 11의 그래프 G11 참조)에서도, 종래의 교반장치를 사용한 경우에 비하여, 입자직경이 10 미크론 전후인 곳에서의 분포 비율이 낮은 것을 감안하면, 다단식 스크린 부재가 마크로 기포의 발생을 방지하는데 크게 기여한다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 10에 나타내는 바와 같이, 고속교반에 의한 유화 후, 더욱이 고속 유화기에 의한 유화를 행한 경우에도, 본 발명에 따른 교반장치(3)를 사용하여 생 성된 샘플 6, 7(그래프 G6, G7 참조)은, 종래의 교반장치를 사용하여 생성된 샘플 8(그래프 G8 참조)에 비하여 분산질의 분산도가 향상되어 있다. 따라서, 본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)는 고압유화기를 병용하는 경우에도 효과적이다.
또한, 도 12a 및 도 12b 내지 도 21a 및 도 21b에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)를 사용하여 조제된 에멀젼 샘플 1,2,6,7,9,10의 분산질 입자는, 종래 교반장치 내지 호모게나이저를 사용하여 조제된 에멀젼 샘플 5,8,12의 분산질 입자에 비하여 작다. 따라서, 이것들을 현미경으로 관찰한 결과에서도, 본 발명에 따른 교반장치(3) 내지 호모게나이저(1)에 의하면, 마크로 기포의 발생을 거의 완전히 방지할 수 있으며, 종래의 교반장치 내지 호모게나이저에 비하여 분산질의 분산매 안에서의 분산도를 대폭 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명에 따른 교반장치 내지 분산장치에 따르면, 분산질을 분산매 안으로 분산시켜 분산계를 생성할 때, 분산계 원료혼합물에 충분히 강한 전단력을 가할 수 있으며, 또한 대기 개방계에서 분산계를 생성하는 경우에는, 분산계 원료혼합물 안에서의 마크로 기포의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명은 그 특정한 실시형태에 관련하여 설명되었지만, 이 밖에 다수의 변형 및 수정이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서는 자명한 일이다. 따라서, 본 발명은 이와 같은 실시형태에 의해 한정되는 않고, 첨부한 청구범위에 의해 한정되는 것이다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 교반장치 및 상기 교반장치를 사용한 분산장치는, 특히 에멀젼이나 서스펜션 등의 분산계를 생성하는데 유용하며, 에멀젼이나 서스펜션 등을 생성하는 호모게나이저 등으로서 사용하는데 적합하다.

Claims (6)

  1. 액체 유입 구멍을 구비한 제 1 커버 플레이트와,
    제 1 커버 플레이트에 대하여 플레이트 확장면과 직교하는 방향으로 떨어져 설치된 제 2 커버 플레이트와,
    제 1 커버 플레이트와 제 2 커버 플레이트 사이에 형성된 플레이트간 공간부 안에 있어서, 액체 유입 구멍에 대응하는 위치에 설치된 회전식 임펠러와,
    플레이트간 공간부 내에서 임펠러를 감싸도록 설치되며, 둘레벽에 복수의 액체 유통 구멍이 형성된 대략 튜브형 또는 대략 통형의 내측 스크린 부재와,
    플레이트간 공간부 내에서 내측 스크린 부재를 감싸도록 설치되며, 둘레벽에 복수의 액체 유통 구멍이 형성된 1개 또는 복수개의 대략 튜브형의 외측 스크린 부재를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 교반장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    내측 스크린 부재 및 외측 스크린 부재의 측벽이 원통형인 것을 특징으로 하는 교반장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 교반장치를 사용한 분산장치로서,
    교반장치가 대기 개방형 배치식 용기안에 설치되어 있고,
    배치식 용기안에 담긴, 분산질과 분산매를 포함하는 혼합물을 교반장치로 교 반함으로써, 분산질을 분산매 안으로 분산시켜 분산계를 생성하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 배치식 분산장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 교반장치를 사용한 분산장치로서,
    교반장치가 밀폐형 유통식 용기안에 설치되어 있고,
    유통식 용기안을 유통하는, 분산질과 분산매를 포함하는 혼합물을 교반장치로 교반함으로써, 분산질을 분산매 안으로 분산시켜 분산계를 생성하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 연속식 분산장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    분산매가 액체이며, 분산질이 분산매에 용해하지 않는 액체 또는 고체인 것을 특징으로 하는 배치식 분산장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    분산매가 액체이며, 분산질이 분산매에 용해하지 않는 액체 또는 고체인 것을 특징으로 하는 연속식 분산장치.
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