TWI542407B - Performance Evaluation Method and Amplification Method of Micro - granulation Device - Google Patents

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TWI542407B
TWI542407B TW100129740A TW100129740A TWI542407B TW I542407 B TWI542407 B TW I542407B TW 100129740 A TW100129740 A TW 100129740A TW 100129740 A TW100129740 A TW 100129740A TW I542407 B TWI542407 B TW I542407B
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Description

微粒化裝置的性能評價方法及放大方法
本發明係與具備：具複數個開口部之定子、及隔著特定間隙配置於該定子之內側之轉子的攪拌機，所謂轉子‧定子型之攪拌機的性能評價方法及放大方法相關。
所謂轉子‧定子型之攪拌機，一般而言，如第1圖所示，係具備由具複數個開口部1之定子2、及隔著特定間隙δ配置於定子2之內側之轉子3所構成之攪拌機單元4。此種轉子‧定子型攪拌機，係利用於高速旋轉之轉子3、及被固定之定子2之間之間隙附近所發生之高剪應力，來對流體等，進行乳化、分散、微粒化、混合等之處理者，在食品、醫藥品、化學品等之分野，被廣泛地使用於處理液之調合、調製等用途。
轉子‧定子型之攪拌機，對應於所處理之流體的循環方式，可以分類成如第2圖之箭頭5a所示之處理液循環的外部循環式攪拌機、及第2圖之箭頭5b所示之處理液循環的內部循環式攪拌機。
此種轉子‧定子型之攪拌機，可以提供各式各樣之形狀及循環方式。例如，專利文獻1(以粒子形成為目的之旋轉子固定子裝置及方法)提出以下之裝置及方法，亦即，將具備：具複數個開口部之定子、及隔著特定間隙配置於該定子之內側之轉子的攪拌機利用用藥劑、營養補助食品、食品、化學品、化粧品等之廣泛分野，適用於粒子形成之微細粒子之生成裝置及方法。依據其，可以有效率地、簡單地、容易地進行放大。
此外，以往就有人提出以數種指標(理論)來作為各種形狀之攪拌機的性能評價方法。
例如，不限制針對前述轉子‧定子型之攪拌機，而將重點置於液-液分散操作的話，液滴徑之尺寸，有人提出可以平均能量消散率之計算值(大小)來評價的看法(非專利文獻1、2)。但是，非專利文獻1、2中，並未明確記載平均能量消散率之計算方法。
有報告提出，可以適用於個別攪拌機並對其實驗結果進行整理之研究實例(非專利文獻3～6)。然而，該等研究例(非專利文獻3～6)時，對於攪拌機之微粒化效果，只針對轉子及定子之間隙(間距)的影響及定子之開口部(孔)的影響等進行考察，提出了各攪拌機不同之內容的報告。
也有報告係針對轉子‧定子型之攪拌機的微粒化機構(機構)進行考察並提出之研究例(非專利文獻7、8)。該等報告提出：液滴之微粒化效果由亂流之能量消散率來決定，而所承受到之處理液之剪應力的頻率(剪斷頻率)則會對其微粒化效果產生影響的看法。
關於轉子‧定子型之攪拌機之放大方法方面，也有長時間運轉而得到最後之液滴徑(最大安定之液滴徑)相關的數個報告(非專利文獻9)。然而，實際之製造現場卻無法實用化，而沒有什麼用處。亦即，幾乎沒有報告係針對：考慮攪拌機之處理(攪拌、混合)時間，來推算進行特定時間運轉可得到之液滴徑的有用研究例。就算有：考慮攪拌機之處理時間並推算液滴徑，也只是針對單純依據實測值(實驗值)之現象(事實)來報告，而非進行理論分析之研究例的報告。
[專利文獻1]　日本特表2005-506174號公報
[非專利文獻1] Davies,J. T.;“Drop Sizes of Emulsions Related to Turbulent Energy Dissipation Rates,”Chem. Eng. Sci.,40,839-842(1985)
[非專利文獻2]　Davies,J. T.;“A Physical Interpretation of Drop Sizes in Homogenizers and Agitated Tanks,Including the Dispersion of Viscous Oils,”Chem. Eng. Sci.,42,1671-1676(1987)
[非專利文獻3]　Calabrese,R. V.,M. K. Francis,V. P. Mishra and S. Phongikaroon;“Measurement and Analysis of Drop Size in Batch Rotor-Stator Mixer,”Proc. 10th European Conference on Mixing,pp. 149-156,Delft,the Netherlands(2000)
[非專利文獻4]　Calabrese,R. V.,M. K. Francis,V. P. Mishra,G. A. Padron and S. Phongikaroon;“Fluid Dynamics and Emulsification in High Shear Mixers,”Proc. 3rd World Congress on Emulsions,pp. 1-10,Lyon,France(2002)
[非專利文獻5]　Maa,Y. F.,and C. Hsu;“Liquid-Liquid Emulsification by Rotor/Stator Homogenization,”J. Controlled. Release,38,219-228(1996)
[非專利文獻6]　Barailler,F.,M. Heniche and P. A. Tanguy;“CFD Analysis of a Rotor-Stator Mixer with Viscous Fluids,”Chem. Eng. Sci,61,2888-2894(2006)
[非專利文獻7]　Utomo,A. T.,M. Baker and A. W. Pacek;“Flow Pattern,Periodicity and Energy Dissipation in a Batch Rotor-Stator Mixers,”Chem. Eng. Res. Des,86,1397-1409(2008)
[非專利文獻8]　Porcelli,J.;“The Science of Rotor/Stator Mixers,”Food Process,63,60-66(2002)
[非專利文獻9]　Urban K.;“Rotor-Stator and Disc System for Emulsification Processes,”Chem. Eng. Technol.,29,24-31(2006)
前述之專利文獻1中，雖然記載著特定攪拌機之優勢(性能)及設計之數值範圍等，然而，並未記載高性能攪拌機之設計數值範圍等的相關理論根據，且未進行與高性能攪拌機之種類及形狀等相關之記載。
如前面所述，以往就有人提出數種指標(理論)作為各種形狀之攪拌機的性能評價方法，然而，該等指標，大多只能適用於形狀相同之個別攪拌機，實際上，幾乎沒有可以適用於形狀不同之各式各樣的攪拌機。例如，雖然，存在著：只可適用於轉子及定子之間隙(間距)對微粒化效果產生較大影響之攪拌機的指標、及只可適用於定子之開口部(孔)對微粒化效果產生較大影響之攪拌機的指標等，然而，並無討論到可以適用於所有形狀之攪拌機之整體性指標，而幾乎沒有考慮到上述情形之指標。
是以，轉子‧定子型之攪拌機的性能評價方法及放大方法相關的研究例幾乎不存在，而且，可適用於不同形狀之各種攪拌機且對其實驗結果進行綜合性整理的研究例幾乎不存在。
轉子‧定子型之攪拌機的性能評價方法及放大方法，傳統技術上，幾乎皆為(1)針對個別攪拌機、(2)使用小規模之裝置、(3)對長時間運轉所得到之最後液滴徑(最大安定之液滴徑)進行評價。亦即，傳統技術上，並未(A)針對各種攪拌機、(B)適用於大規模(實際製造規模)之裝置、(C)對特定時間運轉所得到之液滴徑、至得到特定液滴徑為止之處理(攪拌)時間進行評價及推算。
例如，雖然存在著只適用於轉子及定子之間隙(間距)之尺寸對微粒化效果及乳化效果產生較大影響之攪拌機的指標、及定子之開口部(孔)之尺寸及形狀對微粒化效果及乳化效果產生較大影響之攪拌機的指標等，然而，並無討論到可以適用於所有形狀之攪拌機之整體性指標(可以統一比較及評價各種攪拌機之理論)，而幾乎沒有考慮 到上述情形之指標。
所以，現實上，必須一邊使用實際之處理液來進行試行錯誤，一邊來進行攪拌機之性能評價並放大。
因此，本發明的課題，係在認立可適用於各種形狀及循環方式之攪拌機的綜合性性能評價方法，確立考慮到該攪拌機之運轉條件(處理時間)的放大方法，並且，確立利用該等性能評價方法及放大方法之食品、醫藥品、化學品等之製造方法(微粒化方法)。
申請專利範圍第1項所述之發明，係用以評價轉子‧定子型之攪拌機性能的方法，由以下之數式1來求取整體能量消散率：ε a，藉由評價由測定該數式1所含有之轉子‧定子之尺寸及運轉時之動力‧流量所得到之各攪拌機之固有數值之攪拌機整體之幾何相依項值的多寡，來進行攪拌機性能評價的方法。
此處，數式1中，ε a：整體能量消散率[m2/s3]
ε g：轉子及定子之間隙之局部剪應力[m2/s3]
ε s：定子之局部能量消散率[m2/s3]
Np：動力數[-]
Nqd：流量數[-]
nr：轉子葉片之片數[-]
D：轉子之直徑[m]
b：轉子之葉片前端之厚度[m]
δ：轉子及定子之間隙[m]
ns：定子之孔數[-]
d：定子之孔徑[m]
l：定子之厚度[m]
N：旋轉數[l/s]
tm：混合時間[s]
V：液量[m3]
Kg：間隙之幾何相依項[m2]
Ks：定子之幾何相依項[m2]
Kc：攪拌機整體之幾何相依項[m5]。
申請專利範圍第2項所述之發明，係藉由使以數式1所求取之實驗機規模及/或示範廠規模之整體能量消散率：ε a之值、與放大或縮小案製造機之整體能量消散率：ε a之計算值成為一致，來實施放大或縮小之轉子‧定子型攪拌機之放大或縮小方法。
此處，數式1中，ε a：整體能量消散率[m2/s3]
ε g：轉子及定子之間隙之局部剪應力[m2/s3]
ε s：定子之局部能量消散率[m2/s3]
Np：動力數[-]
Nqd：流量數[-]
nr：轉子葉片之片數[-]
D：轉子之直徑[m]
b：轉子之葉片前端之厚度[m]
δ：轉子及定子之間隙[m]
ns：定子之孔數[-]
d：定子之孔徑[m]
l：定子之厚度[m]
N：旋轉數[l/s]
tm：混合時間[s]
V：液量[m3]
Kg：間隙之幾何相依項[m2]
Ks：定子之幾何相依項[m2]
Kc：攪拌機整體之幾何相依項[m5]。
申請專利範圍第3項所述之發明，係藉由利用轉子‧定子型攪拌機，對被處理流體實施乳化、分散、微粒化或混合之處理，來製造食品、醫藥品或化學品之方法，利用數式1之計算，來推算該攪拌機之運轉時間、及藉此所得到之被處理流體的液滴徑之食品、醫藥品、或化學品的製造方法。
此處，數式1中，ε a：整體能量消散率[m2/s3]
ε g：轉子及定子之間隙之局部剪應力[m2/s3]
ε s：定子之局部能量消散率[m2/s3]
Np：動力數[-]
Nqd：流量數[-]
nr：轉子葉片之片數[-]
D：轉子之直徑[m]
b：轉子之葉片前端之厚度[m]
δ：轉子及定子之間隙[m]
ns：定子之孔數[-]
d：定子之孔徑[m]
l：定子之厚度[m]
N：旋轉數[l/s]
tm：混合時間[s]
V：液量[m3]
Kg：間隙之幾何相依項[m2]
Ks：定子之幾何相依項[m2]
Kc：攪拌機整體之幾何相依項[m5]。
申請專利範圍第4項所述之發明，係藉由利用轉子‧定子型攪拌機對被處理流體實施乳化、分散、微粒化或混合之處理所製造之食品、醫藥品或化學品，其係利用數式1之計算，來推算該攪拌機之運轉時間、及藉此所得到之被處理流體之液滴徑，並以前述攪拌機對被處理流體實施乳化、分散、微粒化或混合之處理所製造之食品，醫藥品或化學品。
此處，數式1中，ε a：整體能量消散率[m2/s3]
ε g：轉子及定子之間隙之局部剪應力[m2/s3]
ε s：定子之局部能量消散率[m2/s3]
Np：動力數[-]
Nqd：流量數[-]
nr：轉子葉片之片數[-]
D：轉子之直徑[m]
b：轉子之葉片前端之厚度[m]
δ：轉子及定子之間隙[m]
ns：定子之孔數[-]
d：定子之孔徑[m]
l：定子之厚度[m]
N：旋轉數[l/s]
tm：混合時間[s]
V：液量[m3]
Kg：間隙之幾何相依項[m2]
Ks：定子之幾何相依項[m2]
Kc：攪拌機整體之幾何相依項[m5]。
利用本發明之轉子‧定子型攪拌機的性能評價方法及放大‧縮小方法時，適用整體能量消散率：ε a之指標。各公司所提供之各種形狀及循環方式之攪拌機的整體能量消散率：ε a，係由轉子(旋轉子)及定子(固定子)之幾何學的尺寸、運轉之動力及流量之測定值來進行個別計算。因此，該整體能量消散率：ε a，可以在與各攪拌機之幾何相依項及運轉條件依存項分離之情形來表現。
各攪拌機的性能評價方法，例如，以液滴徑之微粒化傾向來掌握之性能評價方法時，可以使用幾何相依項之計算值(大小)。
此外，各攪拌機之放大‧縮小方法時，可以使用合併著幾何相依項及運轉條件依存項之整體能量消散率：ε a之計算值，並以使其與該計算值一致之方式來設計。
其次，可以藉由利用轉子‧定子型之攪拌機對被處理流體實施乳化、分散、微粒化或混合之處理，來製造食品、醫藥品或化學品之方法時，係利用導出整體能量消散率：ε a之本發明之計算式來進行計算，來推算該攪拌機之運轉時間、及藉此所得到之被處理流體之液滴徑，來製造具有期望之液滴徑的食品、醫藥品或化學品。
本專利申請發明，係轉子‧定子型之攪拌機的性能評價方法及放大(縮小)方法。尤其是，以液滴徑之微粒化傾向來掌握攪拌機之性能，並進行性能評價者。
本專利申請發明時，係以以下之數式1來求取整體能量消散率：ε a。
此處，數式1中，ε a：整體能量消散率[m2/s3]
ε g：轉子及定子之間隙之局部剪應力[m2/s3]
ε s：定子之局部能量消散率[m2/s3]
Np：動力數[-]
Nqd：流量數[-]
nr：轉子葉片之片數[-]
D：轉子之直徑[m]
b：轉子之葉片前端之厚度[m]
δ：轉子及定子之間隙[m]
ns：定子之孔數[-]
d：定子之孔徑[m]
l：定子之厚度[m]
N：旋轉數[l/s]
tm：混合時間[s]
V：液量[m3]
Kg：間隙之幾何相依項[m2]
Ks：定子之幾何相依項[m2]
Kc：攪拌機整體之幾何相依項[m5]。
本發明，係藉由進行前述之計算式所含有之以測定轉子‧定子之尺寸、及運轉時之動力‧流量所得到之各攪拌機之固有數值之攪拌機整體之幾何相依項之值之多寡的評價，來進行攪拌機之性能的評價。
由導出整體能量消散率：ε a之前述本發明之計算式可以得知，間隙之幾何相依項：Kg[-]，係以轉子及定子之間隙：δ[m]、轉子之直徑：D[m]、轉子之葉片前端的厚度：b[m]為基礎之各攪拌機的固有數值。
此外，定子之幾何相依項：Ks[-]，係以流量數：Nqd[-]、定子之亂數：ns[-]、定子之孔徑：d[m]、定子之厚度：l[m]、轉子及定子之間隙：δ[m]、轉子之直徑：D[m]為基礎之各攪拌機的固有數值。
並且，攪拌機整體之幾何相依項：Kc，係以動力數：Np[-]、流量數：Nqd[-]、轉子葉片之片數：nr[-]、轉子之直徑：D[m]、間隙之幾何相依項：Kg[-]、定子之幾何相依項：Ks[-]為基礎之各攪拌機的固有數值。
此外，動力數：Np[-]、流量數：Nqd[-]，於化學工學分野，係以一般所使用之無因次數定義如下。
Q=Nqd‧N‧D3(Q：流量、N：旋轉數、D：攪拌機直徑)
P=Np‧ρ‧N3‧D5(ρ：密度、N：旋轉數、D：攪拌機直徑)
亦即，流量數及動力數，係由實驗所測定之流量及動力所導出的無因次數。
亦即，攪拌機整體之幾何相依項：Kc，係由轉子‧定子之尺寸、及測定運轉時之動力‧流量而得到之各攪拌機的固有值。
所以，以比較該值的大小(評價)，來實施各種攪拌機之性能的評價。
亦即，本發明，係利用前述本發明之計算式來求整體能量消散率：εa，藉由評價由測定該計算式所含有之轉子‧定子之尺寸及運轉時之動力‧流量所得到之各攪拌機之固有數值之攪拌機整體之幾何相依項之值的多寡，來進行攪拌機之性能的評價者。
此外，本發明所提出之轉子‧定子型之攪拌機之放大或縮小方法，係藉由使以上述計算式所求取之實驗機規模及/或示範廠規模之整體能量消散率：εa之值、與放大或縮小之實際製造機之整體能量消散率：εa的計算值成為一致，來進行放大或縮小者。
以上述本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa，更具體而言，係具備著：具複數個開口部之定子、及隔著特定間隙：δ配置於定子之內側之轉子之攪拌機單元之轉子‧定子型攪拌機之混合部分的整體能量消散率。
依據本專利申請發明者之實驗，轉子‧定子型攪拌機之微粒化效果(微粒化傾向)，於轉子之形狀、定子之形狀、其運轉條件(處理時間等)、其尺度(規模、尺寸)等不同時，也可適用上述本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa，而可整體(統一)來討論(比較及評價)。
該整體能量消散率：εa，如上述本發明之計算式所示，可以轉子及定子之間隙(間距)的局部剪應力：εg及定子之局部能量消散率：εs之合計(和)來表現。
本專利申請發明者，藉由實驗發現，對計算整體能量消散率：εa之計算式中之幾何相依項：Kc之數值(大小)進行評價，可以比較(評價)各種攪拌機之性能。
攪拌機整體之幾何相依項：Kc，係藉由測定轉子‧定子之尺寸、運轉時之動力‧流量(例如，水運轉時之動力‧流量)所得到之各攪拌機的固有值。發現比較(評價)該值之大小，可以評價各種攪拌機之性能，而完成本專利申請發明。
此外，針對以上述本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa及液滴徑之關係(微粒化傾向)進行檢討，發現以整體能量消散率：εa作為橫軸進行實驗結果之整理的話，可以整體方式來表現(評價)液滴徑之變化(液滴之微粒化傾向)。
亦即，於實施例2，由後面所述之檢討結果，以本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa及液滴徑之關係(微粒化傾向)，如附錄之第9圖所示，以本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa作為橫軸，可以整體方式來表現(評價)液滴徑之變化(液滴之微粒化傾向)。
是以，以本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa及液滴徑，大致為直線的關係，此點由發明者之檢討獲得確認。
但是，因為要導出統計上可信賴之實驗式有其困難，故液滴徑之推算，係利用實驗所得到之液滴徑及以本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa的關係來實施。
如上面所述，以本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa，分成幾何相依項及其以外之製造條件項(包含時間)。所以，製造條件項(時間)固定而幾何相依項愈大的話，整體能量消散率：εa就愈大，結果，即使相同製造條件(時間)下，液滴徑較小。
具體而言，實際測定某製造條件下所得到之粒子徑，計算當時之εa。因為利用該實驗得到特定之液滴徑，故必要之εa為已知。
其次，將變更攪拌機形狀時所計算之εa及變更前之εa的大小進行比較，可以推算變更後之液滴徑的減少傾向。
亦即，即使沒有前述計算式及推算液滴徑之高統計信賴性的實驗式，利用實驗結果，也可以在考慮攪拌機形狀之影響下，推算液滴徑之減少傾向。
所以，依據本發明，於藉由利用轉子‧定子型攪拌機對被處理流體實施乳化、分散、微粒化或混合之處理來製造食品(包含乳製品‧飲料等)、醫藥品(包含類藥品等)、或化學品(包含化粧品等)的方法，藉由利用導出整體能量消散率：εa之上述本發明之計算式進行計算，可以推算該攪拌機之運轉時間、及藉此所得到之被處理流體的液滴徑，來製造具有期望液滴徑之食品、醫藥品、或化學品。
此外，如實施例之實證所示，依據本發明，製造營養組成物(相當於流動食品、乳幼兒用調製粉乳等之組成)的話，因為其風味、食感、物性、品質等良好，且衛生面及作業性等也優良，故本發明適合應用於食品及醫藥品，更適合應用於食品，特別適合應用於營養組成物及乳製品，應用於高濃度調合之營養組成物及乳製品最佳。
依據本發明，針對各種形狀及循環方式之轉子‧定子型的攪拌機(旋轉子‧固定子型之混合機)，提供適用於形狀不同之各種攪拌機，且考慮到運轉條件之性能評價方法。
此外，提供適用於形狀不同之各種攪拌機，且考慮到運轉條件之放大‧縮小方法。
同時，可以提供利用前述性能評價方法及前述放大‧縮小方法之食品(其他，如醫藥品、化學品等)的製造方法(微粒化方法)。
以下，參照附錄圖式，針對本發明之良好實施方式之數個實施例進行說明，然而，本發明並未受限於該實施方式、實施例，在專利申請範圍記載所掌握之技術範圍內，可以進行各種形態的變更。
[實施例1]
準備預定之乳製品的模擬液作為進行微粒子化之評價的對象。該乳化製品類似液，係由乳蛋白質濃縮物(MPC、TMP(全乳蛋白))、菜籽油、水所構成。其調合及比率等如表1所示。
[表1]
攪拌機之性能，係針對液滴徑之微粒化傾向進行實驗性質的檢討及評價。如第3圖所示，準備外部循環式之單元，於流路之途中，以雷射繞射式粒度分佈計(島津製作所：SALD-2000)計測液滴徑。
此外，本發明時，係針對液滴徑之微粒化傾向進行實驗性檢討，進行攪拌機之性能評價時，內部循環式攪拌機方面，難以掌握液滴徑之微粒化傾向。然而，不論內部循環式攪拌機或是外部循環式攪拌機，如第1圖所示，具備：由具複數個開口部1之定子2及隔著特定間隙δ配置於定子2之內側之轉子3的攪拌機單元4之點，係相同。所以，針對內部循環式攪拌機進行評價時，如第4圖所示，係考慮於內部循環式攪拌機配備由：與外部循環式攪拌機所具備之攪拌機單元相同尺寸(大小)、形狀、構造之轉子、定子所構成之攪拌機單元，並將進行該外部循環式攪拌機之評價的試驗結果，應用於內部循環式攪拌機之評價。
本實施例時，係針對轉子3及定子2之間隙(間距)δ較小(δ≦1mm，例如，δ=0.05～0.5mm)、定子2之開口部(洞、孔)1之數較少(開口部1之數：ns≦20個，例如，ns=1～10個)之3種攪拌機，進行其性能之比較。此外，此處所使用之攪拌機的概要，如表2所示。
[表2]
攪拌機A-1、A-2，收容量皆為1.5公升，雖然是同一廠牌，然而，係尺寸(大小)不同者。
表2中，間隙容積：νg，係第1圖之間距δ的部分容積。
攪拌機A-1、A-2(收容量皆為：1.5公升)，B(收容量：9公升)所具備之轉子3的攪拌葉片數，攪拌機A-1：4片，攪拌機A-2：4片，攪拌機B：4片。
實驗條件及整體能量消散率：εa之計算值，如表3所示。
[表3]
表3中，因為Kg/(Kg+Ks)之值為0.5以上，間隙之幾何相依項Kg大於定子之幾何相依項Ks，將攪拌機A-1、A-2、B之間隙及定子2之開口(孔)部1之微粒化效果進行比較時，可知攪拌機之間隙δ的微粒化效果較大而具支配性。
此外，表3中，由εa之值，可以推算到，攪拌機之間隙δ愈窄，此外，轉子3之旋轉數愈大，則微粒化效果愈高。
針對表2之攪拌機A-1、A-2，表3之運轉條件之處理(混合)時間及液滴徑之關係(微粒化傾向)如第5圖所示。
呈現與利用表3之εa的推算值(理論值)相同之傾向，可以得知，所有旋轉數，攪拌機之間隙δ愈小時，微粒化效果(微粒化之性能)愈高。另一方面，考慮運轉條件之處理(混合)時間之妥當性等的話，可以得知，轉子前端速度為15m/s，應為17m/s以上，20m/s以上較佳，30m/s以上更佳，最好為40～50m/s。
此外，以處理(混合)時間為橫軸，進行實驗結果之整理的話，可以得知，可以整體來表現(評價)液滴徑之變化(液滴之微粒化傾向)。
其次，針對表2之攪拌機A-1、A-2，本發明所提案之εa及液滴徑之關係(微粒化傾向)，如第6圖所示。以整體能量消散率：εa為橫軸進行實驗結果之整理的話，可以得知，可以整體來表現(評價)液滴徑之變化(液滴之微粒化傾向)。
具體而言，可以得知，即使運轉條件(旋轉數、混合時間)及攪拌機之形狀(間隙δ、轉子3之直徑)不同，液滴徑也同樣呈現減少傾向。
亦即，以本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa，於轉子‧定子型之攪拌機，可以確認其係綜合考慮到運轉條件及形狀之不同而可進行其性能評價的指標。
其次，針對表2之攪拌機B，本發明所提案之整體能量消散率：εa及液滴徑之關係(微粒化傾向)，如第7圖所示。可以得知，即使攪拌機之規模(尺寸)不同，液滴徑也是依存於εa之值(大小)。
此外，由第6圖、第7圖可以得知，即使攪拌機之規模不同，也呈現同樣之微粒化傾向。
由以上，轉子3及定子2之間隙(間距)δ為較小(δ≦1mm，例如，δ=0.05～0.5mm)、定子2之開口(洞、孔)部1之數較少(開口部1之數：ns≦20個，例如，ns=1～10個)轉子‧定子型攪拌機時，使以本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa之值(大小)成為一致，可以在綜合性考慮運轉條件及形狀的不同下，進行放大及縮小。
由本實施例可以確認到，因為以整體能量消散率：εa為橫軸，將實驗結果進行整理的話，可以整體表現(評價)液滴徑之變化(液滴之微粒化傾向)，如本實施例所示，利用轉子‧定子型攪拌機，對被處理流體實施乳化、分散、微粒化或混合之處理來製造食品、醫藥品或化學品時，藉由利用本發明之計算式來進行計算，可以推算該攪拌機之運轉時間及藉此得到之被處理流體的液滴徑，而製造出具有期望液滴徑之食品、醫藥品或化學品。
[實施例2]
本實施例時，係針對轉子3及定子2之間隙(間距)δ較大(δ＞1mm，例如，δ=2～10mm)，定子2之開口部(洞、孔)1之數較多(開口部1之數：例如，ns＞20個，例如，ns=50～5000個)之3種攪拌機關，進行性能比較。
此外，與實施例1相同，使用既定乳製品之表1之調合比率的模擬液作為進行微粒子化評價之對象，與實施例1相同，如第3圖所示，準備外部循環式之單元，於流路之途中，以雷射繞射式粒度分佈計(島津製作所：SALD-2000)計測液滴徑，針對液滴徑之微粒化傾向進行調查並評價。
此外，此處所使用之攪拌機C(收容量：100公升)、D(收容量：500公升)、E(收容量：10公秉)的概要，如表4所示。此3種攪拌機，係同一廠牌，且係於市場有供應者。並且，攪拌機C方面，針對間隙(間距)δ之尺寸(大小)、開口部1數不同之5種攪拌機(定子No.1～定子No.5)進行檢討。
[表4]
此外，表4中，開口面積比A，係以「全部開口部面積(=1孔面積×個數)/定子之表面積」所計算之無因次數。
實驗條件及整體能量消散率：εa之計算值，如表5所示。
[表5]
表5中，因為Kg/(Kg+Ks)之值為0.1～0.3，故定子之幾何相依項Ks大於間隙之幾何相依項Kg，在表4之攪拌機C，將其間隙及定子2之開口(孔)部1之微粒化效果進行比較時，可以得知定子2之開口部1的微粒化效果較大而具支配性。
此外，表5中，由以定子編號4之Kc正規化的Kc/Kc_std之值，可以推算，微粒化效果隨著定子編號的增大而增高。
針對表4之攪拌機C(定子No.1～定子No.5)，表5之運轉條件之處理(混合)時間及液滴徑的關係(微粒化傾向)，如第8圖所示。
可以得知，於與表5之Kc/Kc_std推算值(理論值)呈現相同傾向之定子No.1～定子No.5之任一，Kc/Kc_std之值愈大時，微粒化效果(微粒化之性能)愈高。另一方面，考慮運轉條件之處理(混合)時間之妥當性等的話，可以得知，開口面積比為0.15(15%)以上，0.2(20%)以上較佳，0.3(30%)以上更佳，0.4(40%)以上特別好，最好為0.4～0.5(40～50%)。此時，只要注意定子之開口部的強度即可。
此外，相同程度之Kc/Kc_std之值的定子No.3及No.4，則呈現大致相同之微粒化傾向，以Kc/Kc_std及本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa來預測攪拌機之性能的話，可以得知，不但可以掌握定性的傾向，也可說明(評價)定量的傾向。
此外，以處理(混合)時間為橫軸，進行實驗結果之整理的話，可以得知，無法整體表現(評價)液滴徑之變化(液滴之微粒化傾向)。
其次，針對表4之攪拌機C(定子No.1～定子No.5)，本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa及液滴徑之關係(微粒化傾向)，如第9圖所示。
以本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa為橫軸，進行實驗結果之整理的話，可以得知，可以整體表現(評價)液滴徑之變化(液滴之微粒化傾向)。具體而言，即使運轉條件(旋轉數、混合時間)及攪拌機之形狀(間隙、定子之孔徑、定子之開口面積比)不同，也可以得知液滴徑係呈現相同之減少傾向。
亦即，本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa，於轉子‧定子型之攪拌機，可確認到，係可綜合地考慮到運轉條件及形狀之不同來進行性能評價之指標。
其次，針對表4之攪拌機D、E，本發明之計算式所求取之整體能量消散率：εa及液滴徑之關係(微粒化傾向)，如第10圖所示。可以得知，即使攪拌機之規模(尺寸)，在容量上有200～700公升之差異，液滴徑也是依存於εa之值(大小)。此外，可以得知，即使攪拌機之規模不同，也呈現同樣之微粒化傾向。
由以上，在轉子3及定子2之間隙(間距)δ較大(δ＞1mm，例如，δ=2～10mm)，定子之開口部(洞、孔)1之數較多(開口部1之數：ns＞20個，例如，ns=50～5000個)之轉子‧定子型之攪拌機，以使本發明提案之計算式所求取之整體能量消散率：εa之值(大小)成為一致，可綜合性考慮運轉條件及形狀之差異並放大。
此外，本實施例時，也以本發明提案之計算式所求取之整體能量消散率：εa作為橫軸，進行實驗結果之整理的話，可以整體表現(評價)液滴徑之變化(液滴之微粒化傾向)，如本實施例所示，利用轉子‧定子型之攪拌機，對被處理流體實施乳化、分散、微粒化或混合之處理，來製造食品、醫藥品或化學品時，利用本發明提案之計算式進行計算，可以推算該攪拌機之運轉時間及藉此所得到之被處理流體的液滴徑，而製造出具有期望液滴徑之食品、醫藥品或化學品。
[實施例3]
針對適用本發明提案之計算式所求取之整體能量消散率：εa，並考慮處理時間之放大方法(縮小方法)來進行詳細說明。
推算以實際製造規模得到示範廠規模所得到之液滴徑為目的的必要處理時間(等價混合時間)，在設計實際製造製程上是絕對必要的。推算該等價混合時間之步驟，依據表6所示之數值來進行說明。
[表6]
於示範廠規模(容積：500公升)，攪拌機之旋轉數為27/sec時，εa為4.73×104。另一方面，於實際製造規模(容積：7000公升)，攪拌機之旋轉數為17/sec時，εa為1.94×104。此時，為了使實際製造規模之εa與示範廠規模之εa相等，需要2.49倍之處理(混合)時間。因此，實際製造規模之等價混合時間，推算(預測)相當於示範廠規模之等價混合時間的2.49倍。
為了進行該推算之妥當性的評價，將推算值及實測值進行比較，如第11圖所示。此處，可以得知，由示範廠規模之實測值所推算的實際製造規模之微粒化傾向(微粒化效果)，與實際製造規模之微粒化傾向為一致。
由以上可以得知，適用本發明提案之εa，可以綜合性考慮到攪拌機之形狀之差異(規模)來進行攪拌機之性能的評價，並可在考慮處理時間下進行放大。
傳統技術時，雖然存在著：只可適用於轉子及定子之間隙(間距)對微粒化效果及乳化效果產生較大影響之攪拌機的理論；及只可適用於定子之開口部(孔)對微粒化效果及乳化效果產生較大影響之攪拌機的理論，然而，並不存在著可適用於各種攪拌機之綜合性理論，而且，也不存在考慮到雙方之理論。
本發明，則可對間隙依存及開口部依存之攪拌機，一邊進行微粒化效果及乳化效果之綜合性考慮，一邊進行其性能評價及放大。亦即，本發明係依據到目前為止之使用受到限制的性能評價方法及放大方法，來開發可適用廣泛範圍之攪拌機的理論。
[實施例4]
利用明治乳業(股)之營養調製食品(Maibalance 1.0HP(商標))，進行微粒化試驗。該Maibalance 1.0HP(商標)之組成及物性，如表7所示。
[表7]
本該實施例時，利用2種攪拌機(收容量：9公秉及400公升)，改變轉子之旋轉速度、積算時間來進行實驗。該等2種攪拌機，係與實施例1及實施例2之攪拌機A、B、C為同廠牌。
實驗條件及整體能量消散率：εa之計算值等，如表8所示。
[表8]
整體能量消散率：εa及液滴徑之關係(微粒化傾向)，如第12圖所示。
以本發明提案之整體能量消散率：εa作為橫軸進行實驗結果之整理的話，可以得知，可以整體表現(評價)液滴徑之變化(液滴之微粒化傾向)。
本發明所提案之微粒化裝置的性能評價方法及放大方法(縮小方法)，因為可以發揮如下所述之優良效果‧機能，故可以利用於實施乳化、分散、微粒子化製程之各種產業分野，例如，利用於食品、醫藥品、化學品等之製造分野。
(1)針對存在於市場之既存轉子‧定子型攪拌機，不使用實際之處理液，而只使用水來進行運轉(水運轉)，即可進行攪拌機之性能評價。藉由水運轉之簡便檢討，可以選擇符合各使用者用途之最佳轉子‧定子型攪拌機。藉此，可以降低選擇攪拌機之檢討成本，也可縮短檢討期間。
(2)以整體能量消散率：εa之幾何相依項最大化的方式來採用幾何學的尺寸，於新的轉子‧定子型攪拌機，可以提高(增高)性能來進行設計‧製造，於既存之攪拌機，則可以改善性能。
(3)對由小型至大型為止之各種轉子‧定子型攪拌機，可以在考慮處理(製造)時間下，進行放大及縮小。
(4)可以推算以得到符合各使用者之目的的微粒化效果(液滴徑)為目的之必要處理(攪拌)時間，只要以必要最低時間運轉(處理)即可。可以縮短轉子‧定子型攪拌機之運轉時間，而實現節省能量。
1．．．開口部(孔)
2．．．定子
3．．．轉子
4．．．攪拌機單元
第1圖係用以說明具備轉子‧定子型攪拌機之攪拌機單元的立體圖。
第2圖係外部循環式之轉子‧定子型攪拌機(外部循環式攪拌機)及內部循環式之轉子‧定子型攪拌機(內部循環式攪拌機)所處理之流體之循環方式的說明圖。
第3圖係液滴徑之微粒化傾向之調查方式的說明圖。
第4圖係將外部循環式攪拌機之評價試驗結果應用於內部循環式攪拌機之評價方式的說明圖。
第5圖係小型攪拌機之處理(混合)時間及液滴徑之關係(微粒化傾向)圖。
第6圖係小型攪拌機之整體能量消散率：εa及液滴徑之關係(微粒化傾向)圖。
第7圖係大型攪拌機之整體能量消散率：εa及液滴徑之關係(微粒化傾向)圖。
第8圖係小型攪拌機之表5之運轉條件下之處理(混合)時間及液滴徑之關係(微粒化傾向)圖。
第9圖係大型攪拌機之表5之運轉條件下之整體能量消散率：εa及液滴徑之關係(微粒化傾向)圖。
第10圖係另一大型攪拌機之整體能量消散率：εa及液滴徑之關係(微粒化傾向)圖。
第11圖係將適用整體能量消散率：εa所推算之示範廠規模所得到的液滴徑，與以實際製造規模來得到之必要處理時間(等價混合時間)、及實施製造規模之實測值的比較圖。
第12圖係以市面販賣之營養調整食品以轉子‧定子型攪拌機進行混合時之整體能量消散率：εa及液滴徑的關係(微粒化傾向)圖。

Claims (3)

  1. 一種攪拌機性能的評價方法，係使用轉子‧定子型攪拌機，對被處理流體實施乳化、分散、微粒化或混合之處理，將進行前述處理所獲得的被處理流體的液滴徑的微粒化傾向所能掌握之前述轉子‧定子型攪拌機的評價之方法，其特徵為：由以下之數式1來求取整體能量消散率：ε a，利用藉由所求取到的前述整體能量消散率：ε a可統一評價前述液滴的微粒化傾向，以測定該數式1所含有之轉子‧定子之尺寸及運轉時之動力‧流量所得到之各攪拌機之固有數值之攪拌機整體之幾何相依項值的多寡來進行評價，藉此，評價藉由前述被處理液流體的液滴徑的微粒化傾向所能掌握之攪拌機性能 此處，數式1中，ε a：整體能量消散率[m2/s3]ε g：轉子及定子之間隙之局部剪應力[m2/s3]ε s：定子之局部能量消散率[m2/s3] Np：動力數[-]Nqd：流量數[-]nr：轉子葉片之片數[-]D：轉子之直徑[m]b：轉子之葉片前端之厚度[m]δ：轉子及定子之間隙[m]ns：定子之孔數[-]d：定子之孔徑[m]l：定子之厚度[m]N：旋轉數[l/s]tm：混合時間[s]V：液量[m3]Kg：間隙之幾何相依項[m2]Ks：定子之幾何相依項[m2]Kc：攪拌機整體之幾何相依項[m5]。
  2. 一種轉子‧定子型攪拌機的放大或縮小方法，其特徵為：係藉由使以下述數式1所求取之實驗機規模及/或示範廠規模之整體能量消散率：ε a之值、與放大或縮小之實際製造機之整體能量消散率：ε a之計算值成為一致，來實施放大或縮小 此處，數式1中，ε a：整體能量消散率[m2/s3]ε g：轉子及定子之間隙之局部剪應力[m2/s3]ε s：定子之局部能量消散率[m2/s3]Np：動力數[-]Nqd：流量數[-]nr：轉子葉片之片數[-]D：轉子之直徑[m]b：轉子之葉片前端之厚度[m]δ：轉子及定子之間隙[m]ns：定子之孔數[-]d：定子之孔徑[m]l：定子之厚度[m]N：旋轉數[l/s]tm：混合時間[s]V：液量[m3]Kg：間隙之幾何相依項[m2] Ks：定子之幾何相依項[m2]Kc：攪拌機整體之幾何相依項[m5]。
  3. 一種食品、醫藥品或化學品之製造方法，係藉由利用轉子‧定子型攪拌機，對被處理流體實施乳化、分散、微粒化或混合之處理，來製造食品、醫藥品或化學品之方法，其特徵為：由以下數式1來求取整體能量消散率：ε a，利用藉由所求取到的前述整體能量消散率：ε a可統一評價前述液滴的微粒化傾向，可統一評價實施前述乳化、分散、微粒化或混合之處理所得到的前述被處理流體的液滴徑的微粒化傾向，從該攪拌機之運轉時間推算藉由前述處理所得到之前述被處理流體的液滴徑，藉此製造前述食品、醫藥品或化學品 此處，數式1中，ε a：整體能量消散率[m2/s3]ε g：轉子及定子之間隙之局部剪應力[m2/s3]ε s：定子之局部能量消散率[m2/s3] Np：動力數[-]Nqd：流量數[-]nr：轉子葉片之片數[-]D：轉子之直徑[m]b：轉子之葉片前端之厚度[m]δ：轉子及定子之間隙[m]ns：定子之孔數[-]d：定子之孔徑[m]l：定子之厚度[m]N：旋轉數[l/s]tm：混合時間[s]V：液量[m3]Kg：間隙之幾何相依項[m2]Ks：定子之幾何相依項[m2]Kc：攪拌機整體之幾何相依項[m5]。
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