WO2012023608A1 - 微粒化装置の性能評価方法及びスケールアップ方法 - Google Patents

微粒化装置の性能評価方法及びスケールアップ方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a mixer comprising a stator having a plurality of openings, and a rotor arranged with a predetermined gap inside the stator, a so-called rotor-stator type performance evaluation method and It relates to a scale-up method.
  • a so-called rotor / stator type mixer generally includes a stator 2 having a plurality of openings 1 and a rotor arranged with a predetermined gap ⁇ inside the stator 2. 3 is provided.
  • Such a rotor-stator type mixer utilizes a fact that high shear stress is generated in the vicinity of the gap between the rotor 3 rotating at high speed and the stator 2 fixed to the fluid, etc. , Emulsification, dispersion, atomization, mixing, and the like, and are widely used in applications such as preparation and preparation of treatment liquids in the fields of foods, pharmaceuticals, and chemicals.
  • the rotor-stator type mixer is an external circulation mixer in which the treatment liquid circulates as shown by the arrow 5a in FIG. 2 according to the circulation system of the fluid to be treated, and the treatment liquid as shown by the arrow 5b in FIG. Sometimes classified as a circulating internal circulation mixer.
  • Patent Document 1 a rotor stator apparatus and method for particle formation
  • a stator having a plurality of openings, and a rotor arranged with a predetermined gap inside the stator.
  • An apparatus and a method for producing fine particles are proposed that are used in a wide range of fields such as pharmaceuticals, dietary supplements, foods, chemicals, and cosmetics. According to this, it is said that it is efficient, simple, and can be easily scaled up.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 the calculation method of the average energy dissipation rate is hardly clarified.
  • Non-Patent Documents 3 to 6 Some examples of research that can be applied to individual mixers and organize the experimental results have been reported (Non-Patent Documents 3 to 6). However, in these research examples (Non-Patent Documents 3 to 6), the effects of only the gap between the rotor and the stator and the influence of only the opening (hole) of the stator are affected by the atomization effect of the mixer. Only different content is reported for each mixer.
  • Non-Patent Documents 7 and 8 Several research examples have been reported in which the atomization mechanism (mechanism) of a rotor-stator type mixer is considered (Non-Patent Documents 7 and 8). These suggest that the energy dissipation rate of turbulent flow contributes to the atomization effect of the droplets, and that the frequency of receiving the shear stress of the treatment liquid (shear frequency) influences the atomization effect. ing.
  • Non-patent Document 9 In the soot scale-up method of a rotor / stator type mixer, several reports have been made on the final droplet size (maximum stable droplet size) obtained by operating for a long time (Non-patent Document 9). However, it is not practical and not very useful in an actual manufacturing site. That is, there have been few reports on useful studies in which the droplet diameter obtained by operating for a predetermined time in consideration of the processing (stirring and mixing) time of the mixer is estimated. Even if the droplet size is estimated in consideration of the processing time of the mixer, it only reports a phenomenon (facts) based on a measured value (experimental value), and is a theoretically analyzed study. No examples have been reported.
  • Patent Document 1 described above describes the superiority (performance) of a predetermined mixer and the numerical range of the design, but does not describe the theoretical basis for the numerical range of the design of a high-performance mixer. It does not describe the type and shape of high-performance mixers.
  • the conventional technology can obtain (1) each individual mixer, (2) use a small device, and (3) operate for a long time. In most cases, the final droplet diameter (maximum stable droplet diameter) is evaluated. That is, in the prior art, (A) a large-scale (actual production scale) apparatus is applied to (A) a wide variety of mixers, and (C) a droplet diameter obtained by operating in a predetermined time, The processing (stirring) time until the droplet diameter was obtained was not evaluated or estimated.
  • the present invention establishes a comprehensive performance evaluation method that can be applied to mixers of various shapes and circulation methods, establishes a scale-up method that takes into account the operating conditions (processing time) of the mixer, Therefore, it is an object to establish a production method (atomization method) of foods, pharmaceuticals, chemicals, etc. using these performance evaluation methods and scale-up methods.
  • the invention described in claim 1 A method for evaluating the performance of a rotor-stator type mixer, The total energy dissipation rate: ⁇ a is obtained by the following equation 1, and the mixer is a numerical value unique to each mixer obtained by measuring the dimensions of the rotor and stator and the power and flow rate during operation included in this equation 1. This is a method for evaluating the performance of the mixer by evaluating the number of values of the overall shape-dependent terms.
  • ⁇ a Overall energy dissipation rate [m 2 / s 3 ] ⁇ g : Local shear stress [m 2 / s 3 ] in the gap between the rotor and stator ⁇ s : local energy dissipation rate of stator [m 2 / s 3 ] N p : Power number [-] N qd : Flow rate [-] n r : Number of rotor blades [-] D: Diameter of rotor [m] b: Rotor blade tip thickness [m] ⁇ : Clearance between rotor and stator [m] n s : number of holes in the stator [-] d: Stator hole diameter [m] l: Stator thickness [m] N: Speed [1 / s] t m : mixing time [s] V: Liquid volume [m 3 ] K g : Shape-dependent term in the gap [m 2 ] K s : Shape-dependent term
  • the invention according to claim 2 The overall energy dissipation rate at the experimental machine scale and / or the pilot plant scale obtained by Equation 1 is made equal to the value of ⁇ a , and the overall energy dissipation rate at the actual production machine to be scaled up or down is made equal to the calculated value of ⁇ a . Therefore, the scale-up or scale-down method of the rotor-stator type mixer is characterized in that the scale-up or scale-down is performed.
  • ⁇ a Overall energy dissipation rate [m 2 / s 3 ] ⁇ g : Local shear stress [m 2 / s 3 ] in the gap between the rotor and stator ⁇ s : local energy dissipation rate of stator [m 2 / s 3 ] N p : Power number [-] N qd : Flow rate [-] n r : Number of rotor blades [-] D: Diameter of rotor [m] b: Rotor blade tip thickness [m] ⁇ : Clearance between rotor and stator [m] n s : number of holes in the stator [-] d: Stator hole diameter [m] l: Stator thickness [m] N: Speed [1 / s] t m : mixing time [s] V: Liquid volume [m 3 ] K g : Shape-dependent term in the gap [m 2 ] K s : Shape-dependent term
  • the invention described in claim 3 A method for producing food, pharmaceuticals, or chemicals by using a rotor / stator type mixer and subjecting the fluid to be treated to emulsification, dispersion, atomization, or mixing. By calculating the above, the operation time of the mixer and the droplet diameter of the fluid to be processed obtained thereby are estimated to produce a food, medicine or chemical.
  • ⁇ a Overall energy dissipation rate [m 2 / s 3 ] ⁇ g : Local shear stress [m 2 / s 3 ] in the gap between the rotor and stator ⁇ s : local energy dissipation rate of stator [m 2 / s 3 ] N p : Power number [-] N qd : Flow rate [-] n r : Number of rotor blades [-] D: Diameter of rotor [m] b: Rotor blade tip thickness [m] ⁇ : Clearance between rotor and stator [m] n s : number of holes in the stator [-] d: Stator hole diameter [m] l: Stator thickness [m] N: Speed [1 / s] t m : mixing time [s] V: Liquid volume [m 3 ] K g : Shape-dependent term in the gap [m 2 ] K s : Shape-dependent term
  • the invention according to claim 4 A food, medicine or chemical produced by emulsifying, dispersing, atomizing or mixing the fluid to be treated using a rotor / stator type mixer.
  • the operation time of the mixer and the droplet diameter of the fluid to be processed obtained thereby are estimated, and the mixer is used to emulsify, disperse, atomize or mix the fluid to be processed. It is a manufactured food, medicine or chemical.
  • ⁇ a Overall energy dissipation rate [m 2 / s 3 ] ⁇ g : Local shear stress [m 2 / s 3 ] in the gap between the rotor and stator ⁇ s : local energy dissipation rate of stator [m 2 / s 3 ] N p : Power number [-] N qd : Flow rate [-] n r : Number of rotor blades [-] D: Diameter of rotor [m] b: Rotor blade tip thickness [m] ⁇ : Clearance between rotor and stator [m] n s : number of holes in the stator [-] d: Stator hole diameter [m] l: Stator thickness [m] N: Speed [1 / s] t m : mixing time [s] V: Liquid volume [m 3 ] K g : Shape-dependent term in the gap [m 2 ] K s : Shape-dependent term
  • an index of overall energy dissipation rate ⁇ a is applied.
  • the calculated value (large or small) of the shape dependent term can be used.
  • the scale-up / scale-down method for each mixer should be designed by using the calculated energy dissipation rate: ⁇ a that combines the shape-dependent terms and the operating condition-dependent terms, and matching the calculated values. Can do.
  • FIG. 4 is a graph showing a relationship (total atomization tendency) between overall energy dissipation rate: ⁇ a and droplet diameter in a large mixer.
  • FIG. 6 is a diagram showing a relationship (total atomization tendency) between the overall energy dissipation rate: ⁇ a and the droplet diameter under the operating conditions of Table 5 in a large mixer.
  • Overall energy dissipation rate The processing time (equivalent mixing time) required to obtain the droplet size obtained at the pilot plant scale estimated by applying ⁇ a at the actual production scale, and the actual measurement value at the actual production scale The figure which compares and represents.
  • the present invention is a performance evaluation method and a scale-up (scale-down) method of a rotor / stator type mixer.
  • the performance of the mixer is grasped by the tendency of atomization of the droplet diameter to evaluate the performance.
  • the overall energy dissipation rate: ⁇ a is obtained by the following formula 1.
  • ⁇ a Overall energy dissipation rate [m 2 / s 3 ] ⁇ g : Local shear stress [m 2 / s 3 ] in the gap between the rotor and stator ⁇ s : local energy dissipation rate of stator [m 2 / s 3 ] N p : Power number [-] N qd : Flow rate [-] n r : Number of rotor blades [-] D: Diameter of rotor [m] b: Rotor blade tip thickness [m] ⁇ : Clearance between rotor and stator [m] n s : number of holes in the stator [-] d: Stator hole diameter [m] l: Stator thickness [m] N: Speed [1 / s] t m : mixing time [s] V: Liquid volume [m 3 ] K g : Shape-dependent term in the gap [m 2 ] K s : Shape-dependent term
  • the value of the shape-dependent term of the entire mixer which is a numerical value unique to each mixer, obtained by measuring the dimensions of the rotor / stator and the power / flow rate during operation, included in the above formula.
  • the performance of the mixer is evaluated by evaluating the size of the mixer.
  • K s [-] is: flow rate: N qd [-], stator hole number: n s [-], stator hole diameter: d [m], stator thickness: l [ m], the gap between the rotor and the stator: ⁇ [m], and the rotor diameter: D [m].
  • K c is the power number: N p [-], the flow number: N qd [-], the number of rotor blades: n r [-], the rotor diameter: D [m] , And the shape-dependent term in the gap: K g [-] and the shape-dependent term in the stator: K s [-].
  • the power number: N p [-] and the flow rate number: N qd [-] are dimensionless numbers generally used in the field of chemical engineering and are defined as follows.
  • K c of the entire mixer is a value unique to each mixer obtained by measuring the dimensions of the rotor / stator and the power / flow rate during operation.
  • the present invention is obtained by calculating the overall energy dissipation rate: ⁇ a by the above-described calculation formula of the present invention, and measuring the dimensions of the rotor / stator and the power / flow rate during operation included in this calculation formula.
  • the performance of the mixer is evaluated by evaluating the value of the shape dependent term of the entire mixer, which is a numerical value unique to each mixer.
  • the rotor-stator type mixer scale-up or scale-down method proposed by the present invention includes the value of the overall energy dissipation rate ⁇ a at the experimental machine scale and / or pilot plant scale determined by the above formula, overall energy dissipation rate in the actual production machine for scale-up or scale-down: by matching the calculated value of epsilon a, is to scale up or scale down.
  • the overall energy dissipation rate ⁇ a determined by the above-described calculation formula of the present invention is arranged with a stator having a plurality of openings and a predetermined gap ⁇ inside the stator. It is a total energy dissipation rate in the mixing part of a rotor-stator type mixer having a mixer unit composed of a rotor.
  • the effect of atomization (atomization tendency) in the rotor / stator type mixer is as follows: rotor shape, stator shape, operating conditions (processing time, etc.), scale (scale, dimensions) Even when they are different, it was possible to discuss (comparison and evaluation) in a lump (unified) by applying the overall energy dissipation rate ⁇ a obtained by the above-described calculation formula of the present invention.
  • the overall energy dissipation rate: ⁇ a is, as expressed in the calculation formula of the present invention described above, the local shear stress: ⁇ g in the gap between the rotor and the stator, and the local energy dissipation rate of the stator: ⁇ It can be expressed as the sum (sum) of s .
  • the inventor of the present application compares (evaluates) the performance of various mixers by evaluating the numerical value (size) of the shape-dependent term: K c in the calculation formula for calculating the overall energy dissipation rate: ⁇ a by experiment. I found out that I can do it.
  • K c is a value unique to each mixer, obtained by measuring the dimensions of the rotor / stator and the power / flow rate during operation (eg, power / flow rate during water operation). is there. By comparing (evaluating) the magnitude of this value, it has been found that the performance of a wide variety of mixers can be evaluated, and the present invention has been completed.
  • Example 2 the relationship between the overall energy dissipation rate ⁇ a and the droplet diameter (atomization tendency) obtained by the calculation formula of the present invention is as shown in FIG.
  • the change in droplet diameter (droplet atomization tendency) can be expressed (evaluated) in a lump with the overall energy dissipation rate ⁇ a obtained by the calculation formula of the present invention as the horizontal axis.
  • the overall energy dissipation ratio ⁇ a obtained by the calculation formula of the present invention has a substantially linear relationship with the droplet diameter.
  • the droplet diameter is estimated by calculating the droplet diameter obtained from the experiment and the overall energy dissipation rate obtained by the calculation formula of the present invention: ⁇ a It was decided to use this relationship.
  • the overall energy dissipation rate ⁇ a obtained by the calculation formula of the present invention is divided into a shape-dependent term and other manufacturing condition terms (including time). Therefore, if the manufacturing condition term (time) is fixed and the shape-dependent term increases, the overall energy dissipation rate: ⁇ a increases, and as a result, the droplet diameter also decreases under the same manufacturing condition (time).
  • the particle diameter obtained under a certain production condition is actually measured, and ⁇ a at that time is calculated. From this experiment, ⁇ a necessary for obtaining a predetermined droplet diameter is known.
  • food including dairy products and beverages
  • a process of emulsification, dispersion, atomization, or mixing to the fluid to be processed using a rotor / stator type mixer.
  • pharmaceuticals including quasi-drugs
  • chemicals including cosmetics
  • the flavor, texture, physical properties, quality, etc. are good.
  • the present invention is preferably applied to foods and pharmaceuticals, more preferably applied to foods, and can be applied to nutritional compositions and dairy products. It is more preferable to apply to a nutritional composition or dairy product formulated at a high concentration.
  • the rotor / stator type mixers (rotor / stator type mixers) of various shapes and circulation methods can be applied to a wide variety of mixers having different shapes, and considering the operating conditions.
  • a performance evaluation method can be provided.
  • a simulated liquid assuming a dairy product was prepared.
  • This emulsified product simulated liquid is composed of milk protein concentrate (MPC, TMP (total milk protein)), rapeseed oil, and water.
  • MPC milk protein concentrate
  • TMP total milk protein
  • rapeseed oil rapeseed oil
  • the performance of the mixer was evaluated by experimentally examining the tendency of atomization of the droplet diameter. As shown in FIG. 3, an external circulation type unit was prepared, and the droplet diameter was measured with a laser diffraction particle size distribution analyzer (Shimadzu Corporation: SALD-2000) in the middle of the flow path.
  • SALD-2000 laser diffraction particle size distribution analyzer
  • both the internal circulation mixer and the external circulation mixer are arranged with a stator 2 having a plurality of openings 1 and a predetermined gap ⁇ inside the stator 2, as shown in FIG.
  • a mixer unit 4 including the rotor 3 is provided. Therefore, when evaluating an internal circulation mixer, as shown in FIG. 4, a mixer comprising a rotor and a stator having the same dimensions (size), shape and structure as the mixer unit provided in the external circulation mixer. Considering that the unit was installed in the internal circulation mixer, the results of the test evaluating the external circulation mixer were used for the evaluation of the internal circulation mixer.
  • the number of parts 1: n s ⁇ 20 (eg, n s 1 to 10))
  • the performance of three types of mixers was compared. The outline of the mixer used here is shown in Table 2.
  • the mixers A-1 and A-2 both have a capacity of 1.5 liters and are the same manufacturer's products, but have different dimensions (sizes).
  • the gap volume ⁇ g is the volume of the gap ⁇ portion in FIG.
  • the number of stirring blades of the rotor 3 provided in the mixers A-1 and A-2 (both accommodated: 1.5 liters) and B (accommodated: 9 liters) is 4 mixers A-1 A-2: 4 sheets, mixer B: 4 sheets.
  • Estimate due epsilon a table 3 shows the same tendency as (theoretical value) in all rotational speed, when the gap of the mixer ⁇ is small, it has been found that high atomization effect (performance of atomization).
  • the rotor tip speed is 15 m / s, preferably 17 m / s or more, more preferably 20 m / s or more, more preferably 30 m / s or more, particularly It has been found that 40 to 50 m / s is preferable.
  • the overall energy dissipation rate ⁇ a obtained by the calculation formula of the present invention is an index that can evaluate the performance of a rotor-stator type mixer, comprehensively considering differences in operating conditions and shapes. Was confirmed.
  • the overall energy dissipation rate obtained by the calculation formula of the present invention the value (size) of ⁇ a coincides
  • the overall energy dissipation rate: ⁇ a is the horizontal axis, and the experimental results are organized, and changes in droplet diameter (droplet atomization tendency) are expressed collectively (evaluation). Therefore, as in this example, by using a rotor / stator type mixer, the processed fluid is emulsified, dispersed, atomized, or mixed, so that When manufacturing a chemical product, the operation time of the mixer and the droplet diameter of the fluid to be processed obtained thereby are estimated by calculating using the calculation formula of the present invention, and the desired droplet diameter is obtained. It is possible to produce foods, pharmaceuticals or chemicals.
  • the performance of three types of mixers was compared.
  • Example 1 using a simulation liquid having a blending ratio in Table 1 assuming dairy products as targets for evaluation of micronization, as shown in FIG. A unit was prepared, and the droplet diameter was measured with a laser diffraction particle size distribution meter (Shimadzu Corporation: SALD-2000) in the middle of the flow path, and the tendency of atomization of the droplet diameter was investigated and evaluated.
  • SALD-2000 laser diffraction particle size distribution meter
  • Table 4 shows an outline of the mixers C (capacity: 100 liters), D (capacity: 500 liters), and E (capacity: 10 kiloliters) used here. These three types of mixers are manufactured by the same manufacturer and are provided on the market. Regarding the mixer C, five types of mixers (stator No. 1 to stator No. 5) having different sizes (sizes) of the gap (gap) ⁇ and the number of openings 1 were examined.
  • FIG. 8 shows the relationship between the processing (mixing) time and the droplet diameter (atomization tendency) under the operating conditions in Table 5 for the mixer C (Stator No. 1 to Stator No. 5) in Table 4.
  • the opening area ratio is 0.15 (15%) or more, preferably 0.2 (20%) or more, more preferably 0.3 (30 %) Or more, more preferably 0.4 (40%) or more, and particularly preferably 0.4 to 0.5 (40 to 50%). At this time, it is preferable to consider the strength of the opening of the stator.
  • stator No. having the same value of K c / K c _std . 3 and no. 4 shows almost the same atomization tendency. Therefore, when the performance of the mixer is predicted by K c / K c _std and the overall energy dissipation rate ⁇ a calculated by the calculation formula of the present invention, a qualitative tendency It was found that it can explain (evaluate) quantitative trends.
  • the overall energy dissipation rate ⁇ a obtained by the calculation formula of the present invention is an index that can evaluate the performance of a rotor-stator type mixer, comprehensively considering differences in operating conditions and shapes. Was confirmed.
  • ⁇ a value (size) It was considered that the scale could be increased by comprehensively considering the difference in operating conditions and shapes.
  • the overall energy dissipation rate obtained by the calculation formula proposed in the present invention ⁇ a is the horizontal axis, and the experimental results are arranged to show the change in droplet diameter (droplet atomization). The trend) could be expressed (evaluated) in a lump, and as in this example, a rotor / stator type mixer was used to emulsify, disperse, atomize or mix the fluid to be treated.
  • the calculation time proposed by the present invention is used to calculate the operation time of the mixer and the fluid to be treated obtained thereby. It is possible to estimate the droplet size and produce a food, medicine or chemical having a desired droplet size.
  • Estimating the processing time (equivalent mixing time) required to obtain the droplet diameter obtained at the pilot plant scale at the actual production scale can be said to be indispensable for designing the actual manufacturing process.
  • the procedure for estimating the equivalent mixing time will be described based on the numerical values shown in Table 6.
  • ⁇ a is 4.73 ⁇ 10 4 when the rotational speed of the mixer is 27 / sec.
  • ⁇ a is 1.94 ⁇ 10 4 .
  • a processing (mixing) time is required. Therefore, it is estimated (predicted) that the equivalent mixing time on the actual production scale corresponds to 2.49 times the equivalent mixing time on the pilot plant scale.
  • the estimated value and the actually measured value are compared and shown in FIG.
  • the atomization tendency (atomization effect) of the actual production scale estimated from the actual measurement value of the pilot plant scale coincides with the atomization tendency of the actual production scale.
  • the present invention it has become possible to evaluate and scale up the mixer depending on the gap or opening, while comprehensively considering the atomization effect and the emulsification effect.
  • the present invention has developed a theory that can be applied to a wider range of mixers based on a performance evaluation method and a scale-up method that could only be used in a limited manner.
  • FIG. 12 shows the relationship (total atomization tendency) between the overall energy dissipation rate: ⁇ a and the droplet diameter.
  • the performance evaluation method and the scale-up method (scale-down method) proposed by the present invention can exhibit the excellent effects and functions described below, various industrial fields in which emulsification, dispersion, and micronization processes are performed. For example, it can be used in the field of manufacturing foods, pharmaceuticals, chemicals, and the like.
  • the necessary processing (stirring) time can be estimated, and the operation (processing) should be performed at the minimum necessary time.
  • the operating time of the rotor-stator type Kimisa can be shortened and energy saving can be achieved.

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Abstract

　多種多様な形状や循環方式のローター・ステータータイプのミキサーに適用できる包括的な性能評価方法を確立する。　ローター・ステータータイプのミキサーにおける総括エネルギー消散率：εa を求め、これに含まれる、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ミキサー全体の形状依存項の値の多寡を評価することにより、ミキサーの性能を評価する方法。

Description

微粒化装置の性能評価方法及びスケールアップ方法
　この発明は、複数個の開口部を備えているステーターと、当該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を備えているミキサー、いわゆるローター・ステータータイプのミキサーの性能評価方法及びスケールアップ方法に関する。
　いわゆるローター・ステータータイプのミキサーは、一般的に、図１に示すように、複数個の開口部１を備えているステーター２と、ステーター２の内側に所定の隙間δを空けて配置されるローター３とからなるミキサーユニット４を備えている。このようなローター・ステータータイプのミキサーは、高速で回転するローター３と、固定されているステーター２との間の隙間近傍で、高い剪断応力が発生することを利用して、流体などに対して、乳化、分散、微粒化、混合などの処理を行うものであり、食品、医薬品、化学品などの分野において、処理液の調合、調製などの用途で広く使用されている。
　ローター・ステータータイプのミキサーは、処理される流体の循環方式に応じて、図２の矢印５ａで示すように処理液が循環する外部循環式ミキサー、図２の矢印５ｂで示すように処理液が循環する内部循環式ミキサーに分類されることがある。
　このようなローター・ステータータイプのミキサーに関して多種多様な形状や循環方式が提供されている。例えば、特許文献１（粒子形成のための回転子固定子装置および方法）には、複数個の開口部を備えているステーターと、当該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を備えているミキサーを薬剤、栄養補助食品、食品、化学品、化粧品などの幅広い分野で利用される、粒子の形成に適用する微細粒子の生成のための装置、方法が提案されている。これによれば、効率的で、簡単で、容易にスケールアップすることができるとされている。
　また、以前から種々の形状のミキサーの性能評価方法として、幾つかの指標（理論）が報告されている。
　例えば、前述したローター・ステータータイプのミキサーに限らず、液-液分散操作に着目してみると、液滴径の寸法は、平均的なエネルギー消散率の計算値（大小）で議論できることが報告されている（非特許文献１、２）。ただし、非特許文献１、２では、平均的なエネルギー消散率の計算方法は殆ど明らかにされていない。
　個別のミキサーに適用でき、その実験結果を整理した研究例は幾つか報告されている（非特許文献３～６）。ただし、これらの研究例（非特許文献３～６）では、ミキサーの微粒化効果に対して、ローターとステーターの隙間（ギャップ）のみの影響や、ステーターの開口部（ホール）のみの影響などを考察しており、各ミキサーで異なる内容しか報告されていない。
　ローター・ステータータイプのミキサーの微粒化機構（メカニズム）を考察した研究例は幾つか報告されている（非特許文献７、８）。これらでは、液滴の微粒化効果には、乱流のエネルギー消散率が寄与することや、その微粒化効果には、処理液の剪断応力を受ける頻度（剪断頻度）が影響することが示唆されている。
　ローター・ステータータイプのミキサーの スケールアップ方法では、長時間で運転して得られる最終的な液滴径（最大安定の液滴径）に関して幾つか報告されている（非特許文献９）。しかし、実際の製造現場では実用的ではなく、あまり有用ではない。つまり、ミキサーの処理（撹拌、混合）時間を考慮し、所定の時間で運転して得られる液滴径を推定した有用な研究例は殆ど報告されていない。仮に、ミキサーの処理時間を考慮して、液滴径を推定していても、それは単なる実測値（実験値）に基づく現象（事実）を報告しているのみであり、理論的に解析した研究例は報告されていない。
特表２００５－５０６１７４号公報
Davies, J. T.; "Drop Sizes of Emulsions Related to Turbulent Energy Dissipation Rates," Chem. Eng. Sci., 40, 839－842 (1985) 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) 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) 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) Maa, Y. F., and C. Hsu; "Liquid－Liquid Emulsification by Rotor/Stator Homogenization," J. Controlled. Release, 38, 219－228 (1996) 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) Utomo, A. T., M. Baker and A. W. Pacek; "Flow Pattern, Periodicity and Energy Dissipation in a Batch Rotor-Stator Mixer," Chem. Eng. Res. Des., 86, 1397－1409 (2008) Porcelli, J.; "The Science of Rotor/Stator Mixers," Food Process, 63, 60－66 (2002) Urban K.; "Rotor-Stator and Disc System for Emulsification Processes," Chem. Eng. Technol., 29, 24－31 (2006)
　前述した特許文献１には所定のミキサーの優位性（性能）や設計の数値範囲などが記載されているが、高性能なミキサーの設計の数値範囲などに関して理論的な根拠が記載されておらず、高性能なミキサーの種類や形状などに関して記載されていない。
　前述したように、以前から種々の形状のミキサーの性能評価方法として、幾つかの指標（理論）が報告されているが、これらの指標は、あくまでも形状の同じ個別のミキサーにしか適用できない場合が多く、実際には形状の異なる多種多様なミキサーには適用できない場合が殆どである。例えば、ローターとステーターの隙間（ギャップ）が微粒化効果に大きく影響するミキサーのみに適用できる指標や、ステーターの開口部（ホール）が微粒化効果に大きく影響するミキサーのみに適用できる指標などは存在するものの、あらゆる形状のミキサーに適用できる包括的な指標は議論されておらず、それらを考慮した指標は殆ど存在していない。
　このように、ローター・ステータータイプのミキサーの性能評価方法やスケールアップ方法に関する研究例は殆ど存在せず、形状の異なる多種多様なミキサーに適用でき、その実験結果を包括的に整理した研究例も殆ど存在していない。
　ローター・ステータータイプのミキサーの 性能評価方法やスケールアップ方法に関して、従来技術では、（1）個別のミキサー毎に、（2）小規模の装置を使用し、（3）長時間で運転して得られる最終的な液滴径（最大安定の液滴径）を評価している場合が殆どであった。つまり、従来技術では、（Ａ）多種多様なミキサーに、（Ｂ）大規模（実製造規模）の装置を適用し、（Ｃ）所定の時間で運転して得られる液滴径や、所定の液滴径が得られるまでの処理（撹拌）時間を評価や推定していなかった。
　例えば、ローターとステーターの隙間（ギャップ）の寸法が微粒化効果や乳化効果に大きく影響するミキサーのみに適用できる指標や、ステーターの開口部（ホール）の寸法や形状が微粒化効果や乳化効果に大きく影響するミキサーのみに適用できる指標などは存在するものの、あらゆる形状のミキサーに適用できる包括的な指標 （多種多様なミキサーを統一して比較や評価できる理論）は議論されておらず、それらを考慮した指標は存在していなかった。
　そのため、現実的には、実際の処理液を使用して試行錯誤しながら、ミキサーを性能評価し、スケールアップしていた。
　そこで、本発明では、多種多様な形状や循環方式のミキサーに適用できる包括的な性能評価方法を確立すること、そのミキサーの運転条件（処理時間）を考慮したスケールアップ方法を確立すること、さらに、それらの性能評価方法やスケールアップ方法を利用した食品、医薬品、化学品などの製造方法（微粒化方法）を確立することを課題にしている。
　請求項１記載の発明は、
　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により総括エネルギー消散率：εa 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ミキサー全体の形状依存項の値の多寡を評価することにより、ミキサーの性能を評価する方法である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005

　ここで、式１中、
　εa ：総括エネルギー消散率 [m2/s3]
　εg：ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
　εs：ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
　Np ：動力数 [-]
　Nqd ：流量数 [-]
　nr ：ローターブレードの枚数 [-]
　D ：ローターの直径 [m]
　b ：ローターの翼先端の厚み [m]
　δ ：ローターとステーターの隙間 [m]
　ns ：ステーターの孔数 [-]
　d ：ステーターの孔径 [m]
　l ：ステーターの厚み [m]
　N ：回転数 [1/s]
　tm ：混合時間 [s]
　V ：液量 [m3]
　Kg ：隙間における形状依存項 [m2]
　Ks ：ステーターにおける形状依存項 [m2]
　Kc ：ミキサー全体の形状依存項 [m5]
　である。
　請求項２記載の発明は、
　式１で求められる実験機規模及び／又はパイロットプラント規模における総括エネルギー消散率：εaの値と、スケールアップあるいはスケールダウンする実製造機における総括エネルギー消散率：εa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ローター・ステータータイプのミキサーのスケールアップあるいはスケールダウン方法である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006

　ここで、式１中、
　εa ：総括エネルギー消散率 [m2/s3]
　εg：ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
　εs：ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
　Np ：動力数 [-]
　Nqd ：流量数 [-]
　nr ：ローターブレードの枚数 [-]
　D ：ローターの直径 [m]
　b ：ローターの翼先端の厚み [m]
　δ ：ローターとステーターの隙間 [m]
　ns ：ステーターの孔数 [-]
　d ：ステーターの孔径 [m]
　l ：ステーターの厚み [m]
　N ：回転数 [1/s]
　tm ：混合時間 [s]
　V ：液量 [m3]
　Kg ：隙間における形状依存項 [m2]
　Ks ：ステーターにおける形状依存項 [m2]
　Kc ：ミキサー全体の形状依存項 [m5]
　である。
　請求項３記載の発明は、
　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推定して、食品、医薬品あるいは化学品を製造する方法である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007

　ここで、式１中、
　εa ：総括エネルギー消散率 [m2/s3]
　εg：ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
　εs：ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
　Np ：動力数 [-]
　Nqd ：流量数 [-]
　nr ：ローターブレードの枚数 [-]
　D ：ローターの直径 [m]
　b ：ローターの翼先端の厚み [m]
　δ ：ローターとステーターの隙間 [m]
　ns ：ステーターの孔数 [-]
　d ：ステーターの孔径 [m]
　l ：ステーターの厚み [m]
　N ：回転数 [1/s]
　tm ：混合時間 [s]
　V ：液量 [m3]
　Kg ：隙間における形状依存項 [m2]
　Ks ：ステーターにおける形状依存項 [m2]
　Kc ：ミキサー全体の形状依存項 [m5]
　である。
　請求項４記載の発明は、
　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推定して、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食品、医薬品あるいは化学品である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008

　ここで、式１中、
　εa ：総括エネルギー消散率 [m2/s3]
　εg：ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
　εs：ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
　Np ：動力数 [-]
　Nqd ：流量数 [-]
　nr ：ローターブレードの枚数 [-]
　D ：ローターの直径 [m]
　b ：ローターの翼先端の厚み [m]
　δ ：ローターとステーターの隙間 [m]
　ns ：ステーターの孔数 [-]
　d ：ステーターの孔径 [m]
　l ：ステーターの厚み [m]
　N ：回転数 [1/s]
　tm ：混合時間 [s]
　V ：液量 [m3]
　Kg ：隙間における形状依存項 [m2]
　Ks ：ステーターにおける形状依存項 [m2]
　Kc ：ミキサー全体の形状依存項 [m5]
　である。
　本発明によるローター・ステータータイプのミキサーの性能評価方法とスケールアップ・スケールダウン方法では、総括エネルギー消散率：εa という指標を適用する。各社から提供される多種多様な形状や循環方式のミキサーの総括エネルギー消散率：εa は、ローター（回転子）とステーター（固定子）の幾何学的な寸法、運転の動力と流量の測定値から個別に計算される。そして、この総括エネルギー消散率：εa は、各ミキサーの形状依存項と運転条件依存項とに分離して表現される。
　各ミキサーの性能評価方法、例えば、液滴径の微粒化傾向によって把握する性能評価方法では、形状依存項の計算値（大小）を使用することができる。
　また、各ミキサーのスケールアップ・スケールダウン方法では、形状依存項と運転条件依存項とを併せた総括エネルギー消散率：εaの計算値を使用し、その計算値を一致させることで設計することができる。
　そして、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において、総括エネルギー消散率：εa を導き出す本発明の計算式によっ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推定して、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ができる。
ローター・ステータータイプのミキサーが備えているミキサーユニットを説明する斜視図。 外部循環式のローター・ステータータイプのミキサー（外部循環式ミキサー）及び内部循環式のローター・ステータータイプのミキサー（内部循環式ミキサー）において処理される流体が循環する方式を説明する図。 液滴径の微粒化傾向を調査する方式を説明する図。 外部循環式ミキサーの評価試験結果を内部循環式ミキサーの評価に用いる方式を説明する図。 小型のミキサーにおける処理（混合）時間と液滴径の関係（微粒化傾向）を表す図。 小型のミキサーにおける総括エネルギー消散率：εaと、液滴径の関係（微粒化傾向）を表す図。 大型のミキサーにおける総括エネルギー消散率：εaと、液滴径の関係（微粒化傾向）を表す図。 小型のミキサーにおける表５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）を表す図。 大型のミキサーにおける表５の運転条件での総括エネルギー消散率：εaと、液滴径の関係（微粒化傾向）を表す図。 他の大型のミキサーにおける総括エネルギー消散率：εaと、液滴径の関係（微粒化傾向）を表す図。 総括エネルギー消散率：εaを適用して推定したパイロットプラント規模で得られた液滴径を実製造規模で得るために必要な処理時間（等価混合時間）と、実製造規模での実測値とを比較して表す図。 市販されている栄養調整食品をローター・ステータータイプのミキサーで混合した場合の総括エネルギー消散率：εaと、液滴径の関係（微粒化傾向）を表す図。
　本願発明は、ローター・ステータータイプのミキサーの性能評価方法及びスケールアップ（スケールダウン）方法である。特に、ミキサーの性能を液滴径の微粒化傾向によって把握して、性能評価を行うものである。
　本願発明においては、以下の式１により総括エネルギー消散率：εa を求める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009


　ここで、式１中、
　εa ：総括エネルギー消散率 [m2/s3]
　εg：ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
　εs：ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
　Np ：動力数 [-]
　Nqd ：流量数 [-]
　nr ：ローターブレードの枚数 [-]
　D ：ローターの直径 [m]
　b ：ローターの翼先端の厚み [m]
　δ ：ローターとステーターの隙間 [m]
　ns ：ステーターの孔数 [-]
　d ：ステーターの孔径 [m]
　l ：ステーターの厚み [m]
　N ：回転数 [1/s]
　tm ：混合時間 [s]
　V ：液量 [m3]
　Kg ：隙間における形状依存項 [m2]
　Ks ：ステーターにおける形状依存項 [m2]
　Kc ：ミキサー全体の形状依存項 [m5]
　である。
　本発明においては、前記の計算式に含まれる、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ミキサー全体の形状依存項の値の多寡を評価することにより、ミキサーの性能を評価している。
　総括エネルギー消散率：εa を導き出す前述した本発明の計算式に明らかなように、隙間における形状依存項：Kg [-]は、ローターとステーターの隙間：δ [m]、ローターの直径：D [m]、ローターの翼先端の厚み：b [m]に基づく各ミキサーに固有の数値である。
　また、ステーターにおける形状依存項：Ks [-]は、流量数：Nqd [-]、ステーターの孔数：ns [-]、ステーターの孔径：d [m]、ステーターの厚み：l [m]、ローターとステーターの隙間：δ [m]、ローターの直径：D [m] に基づく各ミキサーに固有の数値である。
　そして、ミキサー全体の形状依存項：Kc は、動力数：Np [-]、流量数：Nqd [-]、ローターブレードの枚数：nr [-]、ローターの直径：D [m]、及び隙間における形状依存項：Kg [-]と、ステーターにおける形状依存項：Ks [-]とに基づく各ミキサーに固有の数値である。
　なお、動力数：Np [-]、流量数：Nqd [-]は化学工学の分野では一般的に使われる無次元数で以下のように定義される。
　Q=Nqd・N・D3　（Q:流量、N:回転数、Dミキサー直径）
　P=Np・ρ・N3・D５（ρ：密度、N:回転数、Dミキサー直径）
　つまり、流量数と動力数は、実験で測定した流量、ならびに動力から導き出せる無次元数である。
　すなわち、ミキサー全体の形状依存項：Kc は、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値である。
　そこで、この値の大きさを比較（評価）することで、多種多様なミキサーの性能を評価できる。
　すなわち、本発明は、前述した本発明の計算式により総括エネルギー消散率：εa を求め、この計算式に含まれる、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ミキサー全体の形状依存項の値の多寡を評価することにより、ミキサーの性能を評価するものである。
　また、本発明が提案するローター・ステータータイプのミキサーのスケールアップあるいはスケールダウン方法は、上記の計算式で求められる実験機規模及び／又はパイロットプラント規模における総括エネルギー消散率：εaの値と、スケールアップあるいはスケールダウンする実製造機における総括エネルギー消散率：εa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ものである。
　上記の本発明の計算式で求められる総括エネルギー消散率：εa は、より具体的には、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：δ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混合部分における総括エネルギー消散率である。
　本願発明者の実験によれば、ローター・ステータータイプのミキサーにおける微粒化効果（微粒化傾向）は、ローターの形状、ステーターの形状、その運転条件（処理時間など）、そのスケール（規模、寸法）などが異なる場合においても、上記の本発明の計算式で求められる総括エネルギー消散率：εa を適用することで、一括（統一）して議論（比較や評価）することができた。
　この総括エネルギー消散率：εa は、上記の本発明の計算式に表されているように、ローターとステーターの隙間（ギャップ）における局所剪断応力：εg と、ステーターの局所エネルギー消散率：εs の合計（和）として表現できる。
　本願発明者は、実験により、総括エネルギー消散率：εa を計算する計算式中の形状依存項：Kc の数値（大きさ）を評価することで、各種のミキサーの性能を比較（評価）できることを見出した。
　ミキサー全体の形状依存項：Kc は、ローター・ステーターの寸法と、運転時の動力・流量（例えば、水運転時の動力・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値である。この値の大きさを比較（評価）することで、多種多様なミキサーの性能を評価できることを見出して、本願発明を完成させたものである。
　また、上記の本発明の計算式により求められる総括エネルギー消散率：εaと、液滴径の関係（微粒化傾向）を検討したところ、総括エネルギー消散率：εaを横軸にして、実験結果を整理すると、液滴径の変化（液滴の微粒化傾向）を一括して表現（評価）できることが分かった。
　すなわち、実施例２として後述する検討の結果、本発明の計算式で求められる総括エネルギー消散率：εaと、液滴径の関係（微粒化傾向）は、添付の図９に示されるように、本発明の計算式で求められる総括エネルギー消散率：εaを横軸にして、液滴径の変化（液滴の微粒化傾向）を一括して表現（評価）できる。
　このように本発明の計算式で求められる総括エネルギー消散率：εaと、液滴径はほぼ直線的な関係があることが発明者の検討によって認められている。
　ただし、統計的に信頼できる実験式を導きだすことは困難であるため、液滴径の推定は、実験から得られた液滴径と本発明の計算式で求められる総括エネルギー消散率：εaの関係を用いて行うこととした。
　上述したように、本発明の計算式で求められる総括エネルギー消散率：εaは形状依存項とそれ以外の製造条件項（時間を含む）とに分けられる。よって製造条件項（時間）を固定して形状依存項が大きくなれば、総括エネルギー消散率：εaは大きくなり、結果的に同じ製造条件（時間）においても液滴径は小さくなる。
　具体的には、ある製造条件下で得られる粒子径を実際に測定し、そのときのεaを計算する。この実験によって所定の液滴径を得るために必要なεaがわかる。
　次にミキサー形状を変更した際に計算されるεaと変更する前のεaの大きさを比較することによって、変更後の液滴径の減少傾向を推定する。
　つまり、前述した計算式と液滴径を推定する統計的信頼性が高い実験式はないものの、実験結果を利用することによって、ミキサー形状の影響を考慮した液滴径の減少傾向の推定が可能である。
　そこで、本発明によれば、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（乳製品・飲料などを含む）、医薬品（医薬部外品などを含む）あるいは化学品（化粧品などを含む）を製造する方法において、総括エネルギー消散率：εaを導き出す上記の本発明の計算式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推定して、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ができる。
　なお、実施例で実証された通り、本発明に基づいて、栄養組成物（流動食、乳幼児用調製粉乳などの組成に相当する）を製造すると、風味、食感、物性、品質などが良好であり、衛生面や作業性などにも優れていたことから、本発明は、食品や医薬品へ適用することが好ましく、食品へ適用することがより好ましく、栄養組成物や乳製品へ適用することが更に好ましく、高濃度で配合された栄養組成物や乳製品へ適用することが特に好ましい。
　本発明によれば、多種多様な形状や循環方式のローター・ステータータイプのミキサー（回転子・固定子型の混合機）に関して、形状の異なる多種多様なミキサーに適用でき、その運転条件を考慮した性能評価方法を提供することができる。
　また、形状の異なる多種多様なミキサーに適用でき、その運転条件を考慮したスケールアップ・スケールダウン方法を提供することができる。
　更に、前記の性能評価方法や前記のスケールアップ・スケールダウン方法を利用した、食品（他に、医薬品、化学品など）の製造方法（微粒化方法）を提供することができる。
　以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について幾つかの実施例を説明するが、本発明は、これらの実施形態、実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々の形態に変更可能である。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010

　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。
　なお、本発明において、液滴径の微粒化傾向を実験的に検討して、ミキサーの性能を評価するにあたり、内部循環式ミキサーに関しては、液滴径の微粒化傾向を把握することが難しい。しかし、内部循環式ミキサーも、外部循環式ミキサーも、図１に示すように、複数個の開口部１を備えているステーター２と、ステーター２の内側に所定の隙間δを空けて配置されるローター３とからなるミキサーユニット４を備えている点で共通している。そこで、内部循環式ミキサーについて評価する場合には、図４に示すように、外部循環式ミキサーに備えられているミキサーユニットと同一の寸法（サイズ）、形状、構造を有するローター、ステーターからなるミキサーユニットが内部循環式ミキサーに配備されていると考えて、当該外部循環式ミキサーを評価した試験の結果を内部循環式ミキサーの評価に用いた。
　この実施例では、ローター３とステーター２の隙間（ギャップ）δが小さく（δ ≦ 1ｍｍ、例えば、δ = 0.05～0.5mm）、ステーター２の開口部（ホール、孔）１の数が少ない（開口部１の数：ns ≦ 20個、例えば、ns = 1～10個）３種類のミキサーに関して、その性能を比較した。なお、ここで使用したミキサーの概要を表２に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011

　ミキサーＡ－１、Ａ－２は、いずれも収容量が１．５リットルで、同一のメーカー品であるが、その寸法（サイズ）に相違があるものである。
　表２中、隙間容積：νgは、図１におけるギャップδの部分の容積である。
　ミキサーＡ－１、Ａ－２（いずれも収容量：１．５リットル）、Ｂ（収容量：９リットル）が備えているローター３の攪拌羽根の数は、ミキサーＡ－１：４枚、ミキサーＡ－２：４枚、ミキサーＢ：４枚である。
　実験条件と総括エネルギー消散率：εaの計算値は、表３の通りであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012

　表３において、Kg /（Kg＋Ks）の値が０．５以上であることから、ステーターにおける形状依存項であるKsよりも、隙間における形状依存項であるKgが大きいこととなり、ミキサーＡ－１、Ａ－２、Ｂでは、その隙間とステーター２の開口（孔）部１の微粒化効果を比較した場合、ミキサーの隙間δの微粒化効果が大きくて支配的であることが分かった。
　また、表３において、εa の値から、ミキサーの隙間δが狭い程に、また、ローター３の回転数が大きい程に、微粒化効果が高くなることが推定された。
　表２のミキサーＡ－１、Ａ－２について、表３の運転条件における処理（混合）時間と、液滴径の関係（微粒化傾向）を図５に示した。
　表３の εa による推定値（理論値）と同様な傾向を示し、あらゆる回転数において、ミキサーの隙間δが小さい場合に、微粒化効果（微粒化の性能）の高いことが分かった。一方、運転条件における処理（混合）時間の妥当性などを考えると、ローター先端速度として１５ｍ／ｓ、好ましくは１７ｍ／ｓ以上、より好ましくは２０ｍ／ｓ以上、さらに好ましくは３０ｍ／ｓ以上、特に好ましくは４０～５０ｍ／ｓが良いことが分かった。
　なお、処理（混合）時間を横軸にして、実験結果を整理すると、液滴径の変化（液滴の微粒化傾向）を一括して表現（評価）できないことが分かった。
　次に、表２のミキサーＡ－１、Ａ－２について、本発明で提案しているεa と、液滴径の関係（微粒化傾向）を図６に示した。総括エネルギー消散率：εaを横軸にして実験結果を整理すると、液滴径の変化（液滴の微粒化傾向）を一括して表現（評価）できることが分かった。
　具体的には、運転条件（回転数、混合時間）と、ミキサーの形状（隙間δ、ローター３の直径）が異なっても、液滴径は同じように減少する傾向を辿ることが分かった。
　すなわち、本発明の計算式で求められる総括エネルギー消散率：εaは、ローター・ステータータイプのミキサーにおいて、運転条件や形状の違いを包括的に考慮して、その性能を評価できる指標であることを確認できた。
　次に、表２のミキサーＢについて、本発明で提案している総括エネルギー消散率：εa と、液滴径の関係（微粒化傾向）を図７に示した。ミキサーの規模（寸法）が異なっても、液滴径はεa の値（大きさ）に依存していることが分かった。
　また、図６、図７より、ミキサーの規模が異なっても、同様の微粒化傾向を示すことが分かった。
　以上より、ローター３とステーター２の隙間（ギャップ）δが小さく（δ ≦ 1ｍｍ、例えば、δ = 0.05～0.5mm）、ステーター２の開口（ホール、孔）部１の数が少ない（開口部１の数：ns ≦ 20個、例えば、ns = 1～10個）ローター・ステータータイプのミキサーでは、本発明の計算式で求められる総括エネルギー消散率：εaの値（大きさ）を一致させることで、運転条件や形状の違いを包括的に考慮して、スケールアップやスケールダウンできると考えられる。
　この実施例で確認できたように、総括エネルギー消散率：εaを横軸にして、実験結果を整理すると、液滴径の変化（液滴の微粒化傾向）を一括して表現（評価）できたことから、この実施例で行ったように、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場合に、本発明の計算式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推定し、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が可能になる。
　この実施例では、ローター３とステーター２の隙間（ギャップ）δが大きく（δ＞ 1ｍｍ、例えば、δ = 2～10mm）、ステーター２の開口部（ホール、孔）１の数が多い（開口部１の数：例えば、ns ＞ 20個、例えば、ns = 50～5000個）３種類のミキサーに関して、その性能を比較した。
　なお、実施例１と同じく、微粒子化の評価を行う対象として乳製品を想定した表１の配合比率の模擬液を用い、実施例１と同じく、図３に図示したように、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、液滴径の微粒化傾向を調査して評価した。
　なお、ここで使用したミキサーＣ（収容量：１００リットル）、Ｄ（収容量：５００リットル）、Ｅ（収容量：１０キロリットル）の概要を表４に示した。これら３種類のミキサーは、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。そして、ミキサーＣに関しては、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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013

　なお、表４中、開口面積比Ａは、「すべての開口部面積(＝１孔面積×個数)／ステーターの表面積」で計算される無次元数である。
　実験条件と総括エネルギー消散率：εaの計算値は表５の通りであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000014

　表５において、Kg /（Kg＋Ks）の値が０．１～０．３であることから、隙間における形状依存項であるKgよりも、ステーターにおける形状依存項であるKsが大きいこととなり、表４のミキサーＣでは、その隙間とステーター２の開口（孔）部１の微粒化効果を比較した場合、ステーター２の開口部１の微粒化効果が大きくて支配的であることが分かった。
　また、表５において、ステーター番号４のKcで正規化したKc / Kc _stdの値から、ステーター番号が大きくなるに従い、微粒化効果が高くなることが推定された。
　表４のミキサーＣ（ステーターＮｏ．１～ステーターＮｏ．５）について、表５の運転条件における処理（混合）時間と、液滴径の関係（微粒化傾向）を図８に示した。
　表５の Kc / Kc _stdによる推定値（理論値）と同様な傾向を示し、ステーターＮｏ．１～ステーターＮｏ．５のいずれにおいても、Kc / Kc _std の値が大きい場合に、微粒化効果（微粒化の性能）の高いことが分かった。一方、運転条件における処理（混合）時間の妥当性などを考えると、開口面積比として０．１５（１５％）以上、好ましくは０．２（２０％）以上、より好ましくは０．３（３０％）以上、さらに好ましくは０．４（４０％）以上、特に好ましくは０．４～０．５（４０～５０％）が良いことが分かった。このとき、ステーターの開口部の強度を勘案すると良い。
　また、同程度のKc / Kc _stdの値であるステーターＮｏ．３とＮｏ．４では、ほぼ同等の微粒化傾向を示していることから、Kc / Kc _std と本発明の計算式で求められる総括エネルギー消散率：εaによりミキサーの性能を予測すると、定性的な傾向を捉えるだけでなく、定量的な傾向を説明（評価）できることが分かった。
　なお、処理（混合）時間を横軸にして、実験結果を整理すると、液滴径の変化（液滴の微粒化傾向）を一括して表現（評価）できないことが分かった。
　次に、表４のミキサーＣ（ステーターＮｏ．１～ステーターＮｏ．５）について、本発明の計算式で求められる総括エネルギー消散率：εaと、液滴径の関係（微粒化傾向）を図９に示した。
　本発明の計算式で求められる総括エネルギー消散率：εaを横軸にして、実験結果を整理すると、液滴径の変化（液滴の微粒化傾向）を一括して表現（評価）できることが分かった。具体的には、運転条件（回転数、混合時間）と、ミキサーの形状（隙間、ステーターの孔径、ステーターの開口面積比）が異なっても、液滴径は同じように減少する傾向を辿ることが分かった。
　すなわち、本発明の計算式で求められる総括エネルギー消散率：εaは、ローター・ステータータイプのミキサーにおいて、運転条件や形状の違いを包括的に考慮して、その性能を評価できる指標であることを確認できた。
　次に、表４のミキサーＤ、Ｅについて、本発明の計算式で求められる総括エネルギー消散率：εaと、液滴径の関係（微粒化傾向）を図１０に示した。 ミキサーの規模（寸法）が容量で２００～７００リットルと異なっても、液滴径は εa の値（大きさ）に依存していることが分かった。また、ミキサーの規模が異なっても、同様の微粒化傾向を示すことが分かった。
　以上より、ローター３とステーター２の隙間（ギャップ）δが大きく（δ ＞ 1ｍｍ、例えば、δ = 2～10mm）、ステーターの開口部（ホール、孔）１の数が多い（開口部１の数：ns ＞ 20個、例えば、ns = 50～5000個）ローター・ステータータイプのミキサーでは、本発明で提案している計算式で求められる総括エネルギー消散率：εa の値（大きさ）を一致させることで、運転条件や形状の違いを包括的に考慮して、スケールアップできると考えられた。
　また、この実施例においても、本発明で提案している計算式で求められる総括エネルギー消散率：εaを横軸にして、実験結果を整理すると、液滴径の変化（液滴の微粒化傾向）を一括して表現（評価）できたことから、この実施例で行ったように、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場合に、本発明で提案している計算式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推定し、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が可能になる。
　本発明で提案している計算式で求められる総括エネルギー消散率：εa を適用して、処理時間を考慮したスケールアップ方法（スケールダウン方法）の詳細について述べる。
　パイロットプラント規模で得られた液滴径を、実製造規模で得るために必要な処理時間（等価混合時間）を推定することは、実際の製造工程を設計する上で必要不可欠であるとも言える。この等価混合時間を推定する手順を、表６に示した数値に基づいて説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000015

　パイロットプラント規模（容積：５００リットル）において、ミキサーの回転数が２７／ｓｅｃ の場合、εa は４．７３×１０４である。一方、実製造規模（容積：７０００リットル）において、ミキサーの回転数が１７／ｓｅｃの場合、εa は１．９４×１０４である。このとき、実製造規模のεa を、パイロットプラント規模のεa と同等にするためには、２．４９倍の処理（混合）時間が必要となる。従って、実製造規模の等価混合時間は、パイロットプラント規模の等価混合時間の２．４９倍に相当すると推定（予測）される。
　この推定の妥当性を評価するために、推定値と実測値を比較して図１１に示した。ここで、パイロットプラント規模の実測値から推定した実製造規模の微粒化傾向（微粒化効果）は、実製造規模の微粒化傾向と一致することが分かった。
　以上より、本発明で提案している εa を適用することで、ミキサーの形状の違い（規模）を包括的に考慮して、ミキサーの性能を評価できることと、処理時間を考慮してスケールアップできることが分かった。
　従来技術では、ローターとステーターの隙間（ギャップ）が微粒化効果や乳化効果に大きく影響するミキサーのみに適用できる理論や、ステーターの開口部（ホール）が微粒化効果や乳化効果に大きく影響するミキサーのみに適用できる理論は存在していたが、多種多様のミキサーに適用できる包括的な理論は存在せず、それら両方を考慮した理論は存在しなかった。
　本発明では、隙間依存や開口部依存のミキサーについて、その微粒化効果や乳化効果を包括的に考慮しながら、その性能評価やスケールアップできるようになった。つまり、本発明では、これまで限定的にしか使用できなかった性能評価方法とスケールアップ方法に基づいて、より広範囲のミキサーに適用できる理論を開発した。
　明治乳業(株)の栄養調製食品（メイバランス　１．０　ＨＰ（商標））を用いて、微粒化試験を行った。このメイバランス　１．０　ＨＰ（商標）の組成や物性は表７の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000016

　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、実施例１や実施例２のミキサーＡ、Ｂ、Ｃと同じメーカー品である。
　実験条件と総括エネルギー消散率：εaの計算値などを表８に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000017

　総括エネルギー消散率：εaと、液滴径の関係（微粒化傾向）を図１２に示した。
　本発明で提案している総括エネルギー消散率：εaを横軸にして実験結果を整理すると、液滴径の変化（液滴の微粒化傾向）を一括して表現（評価）できることが分かった。
　本発明が提案する微粒化装置の性能評価方法及びスケールアップ方法（スケールダウン方法）は、以下に述べる優れた効果・機能を発揮できることから、乳化、分散、微粒子化工程が行われる種々の産業分野、例えば、食品、医薬品、化学品などの製造分野で利用することが可能である。
（１）市場に存在する既存のローター・ステータータイプのミキサーに対して、実際の処理液を使用せず、水を使用して運転（水運転）するだけで、それらミキサーの性能を評価できる。水運転という簡便な検討により、各ユーザーの用途に合った最適なローター・ステータータイプのミキサーを選定できる。これによって、ミキサーの選定のための検討のコストを削減でき、その検討の期間を短縮できる。
（２）総括エネルギー消散率：εa の形状依存項を 最大化するように、幾何学的な寸法を採用することで、新規のローター・ステータータイプのミキサーでは、その性能を向上して（高めて）設計・製造でき、既存のミキサーでは、その性能を改善できる。
（３）小型から大型まで多種多様なローター・ステータータイプのミキサーに対して、その処理（製造）時間を考慮した上で、スケールアップやスケールダウンできる。
（４）各ユーザーの目的に合った微粒化効果（液滴径）を得るために、その必要な処理（撹拌）時間を推定でき、その必要な最低時間で運転（処理）すれば良いこととなる。ローター・ステータータイプのキミサーの運転時間を短縮でき、省エネルギーを達成できる。
１　開口部（ホール）
２　ステーター
３　ローター
４　ミキサーユニット

Claims (4)

  1. 　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により総括エネルギー消散率：εa 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ミキサー全体の形状依存項の値の多寡を評価することにより、ミキサーの性能を評価する方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    　ここで、式１中、
    　εa ：総括エネルギー消散率 [m2/s3]
    　εg：ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
    　εs：ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
    　Np ：動力数 [-]
    　Nqd ：流量数 [-]
    　nr ：ローターブレードの枚数 [-]
    　D ：ローターの直径 [m]
    　b ：ローターの翼先端の厚み [m]
    　δ ：ローターとステーターの隙間 [m]
    　ns ：ステーターの孔数 [-]
    　d ：ステーターの孔径 [m]
    　l ：ステーターの厚み [m]
    　N ：回転数 [1/s]
    　tm ：混合時間 [s]
    　V ：液量 [m3]
    　Kg ：隙間における形状依存項 [m2]
    　Ks ：ステーターにおける形状依存項 [m2]
    　Kc ：ミキサー全体の形状依存項 [m5]
    　である。
  2. 　下記の式１で求められる実験機規模及び／又はパイロットプラント規模における総括エネルギー消散率：εaの値と、スケールアップあるいはスケールダウンする実製造機における総括エネルギー消散率：εa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ローター・ステータータイプのミキサーのスケールアップあるいはスケールダウン方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
    　ここで、式１中、
    　εa ：総括エネルギー消散率 [m2/s3]
    　εg：ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
    　εs：ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
    　Np ：動力数 [-]
    　Nqd ：流量数 [-]
    　nr ：ローターブレードの枚数 [-]
    　D ：ローターの直径 [m]
    　b ：ローターの翼先端の厚み [m]
    　δ ：ローターとステーターの隙間 [m]
    　ns ：ステーターの孔数 [-]
    　d ：ステーターの孔径 [m]
    　l ：ステーターの厚み [m]
    　N ：回転数 [1/s]
    　tm ：混合時間 [s]
    　V ：液量 [m3]
    　Kg ：隙間における形状依存項 [m2]
    　Ks ：ステーターにおける形状依存項 [m2]
    　Kc ：ミキサー全体の形状依存項 [m5]
    　である。
  3. 　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推定して、食品、医薬品あるいは化学品を製造する方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
    　ここで、式１中、
    　εa ：総括エネルギー消散率 [m2/s3]
    　εg：ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
    　εs：ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
    　Np ：動力数 [-]
    　Nqd ：流量数 [-]
    　nr ：ローターブレードの枚数 [-]
    　D ：ローターの直径 [m]
    　b ：ローターの翼先端の厚み [m]
    　δ ：ローターとステーターの隙間 [m]
    　ns ：ステーターの孔数 [-]
    　d ：ステーターの孔径 [m]
    　l ：ステーターの厚み [m]
    　N ：回転数 [1/s]
    　tm ：混合時間 [s]
    　V ：液量 [m3]
    　Kg ：隙間における形状依存項 [m2]
    　Ks ：ステーターにおける形状依存項 [m2]
    　Kc ：ミキサー全体の形状依存項 [m5]
    　である。
  4. 　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推定して、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食品、医薬品あるいは化学品。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
    　ここで、式１中、
    　εa ：総括エネルギー消散率 [m2/s3]
    　εg：ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
    　εs：ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
    　Np ：動力数 [-]
    　Nqd ：流量数 [-]
    　nr ：ローターブレードの枚数 [-]
    　D ：ローターの直径 [m]
    　b ：ローターの翼先端の厚み [m]
    　δ ：ローターとステーターの隙間 [m]
    　ns ：ステーターの孔数 [-]
    　d ：ステーターの孔径 [m]
    　l ：ステーターの厚み [m]
    　N ：回転数 [1/s]
    　tm ：混合時間 [s]
    　V ：液量 [m3]
    　Kg ：隙間における形状依存項 [m2]
    　Ks ：ステーターにおける形状依存項 [m2]
    　Kc ：ミキサー全体の形状依存項 [m5]
    　である。
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