Kakuhan Lab.

”かくはん”とは

📚 (3-6) 撹拌をやさしく捉えてみよう【乳化撹拌装置であること】

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アイキャッチ 【撹拌をやさしく捉えてみよう】

撹拌機の使い分け

一般的なクリーム・乳液製造工程を考えると,撹拌の”吐出作用”と”微細化作用”が必要でした。

言い換えると,”低速撹拌機”と”高速撹拌機”の2種類を使い分けなければなりません。

加熱・溶解工程では低速撹拌機を使い,乳化工程では高速撹拌機を使います。

その後の冷却工程では再び低速撹拌機を使います。

撹拌機を変更して使い分ける必要があるので,複数の装置を使用しないといけないのでしょうか?

“高速撹拌機”と“低速撹拌機”の使い分け
🚩 “高速撹拌機”と“低速撹拌機”の使い分け

乳化撹拌装置の構造

そこで,このような問題を解決するために乳化撹拌装置が登場します。

乳化撹拌装置は,“高速撹拌機(微細化作用)”と“低速撹拌機(吐出作用)”の両方を併せ持っているのが特徴です。

したがって,製品製造に必要な撹拌を1つの装置で行うことができるため,乳化製品を製造する業界においては非常によく使用されています。

下図は,乳化撹拌装置の中で乳化槽に相当する部分のイメージとなります。

乳化槽構造
🚩 乳化槽構造

乳化槽の中心には,高速撹拌機であるホモミキサーが取り付けられています。

そして,乳化槽の壁面近くを沿って撹拌する低速撹拌機である掻取ミキサーが取り付けられています。

📝[memo] スクレパーは,タンク壁面の製品を掻き落とす役割を果たしています。

フライトジャケット

乳化槽の外側には,ジャケットが取り付けられています。

この部分に蒸気や冷却水を流すことによって,壁面で製品と熱交換ができるようになっています。

乳化撹拌装置は撹拌だけではなく加熱・冷却もできるようになっており,温度センサーにて測温できるようになっています。

📝[memo] みづほ工業の”温度センサー”は”測温抵抗体”を使用しています。

📝[memo] カクハンラボでは”測温抵抗体”と直接表現している場合があります。

高粘度流体の容器内流動

乳化槽には,”邪魔板”と呼ばれる何も動かない,ただ存在している板があります。

みづほ工業では,ホモミキサー・掻取ミキサー・邪魔板の組み合わせから成る乳化撹拌装置を標準タイプ(上部ダブル・VQ型)と位置付けています。

📝[memo] 邪魔板部分が回転して撹拌機として働く上部トリプル・VT型の乳化撹拌装置もあります。

ただ存在しているだけの邪魔板が,果たして撹拌に役立っているのでしょうか?

ホモミキサーの軸に邪魔板がない場合(図上段)

乳化槽の底にある高粘度流体を掻取ミキサーのみで撹拌すると,時間経過するにつれてホモミキサーの軸に巻きついていきます。

したがって,高粘度流体が特定の場所にのみ存在するので,これでは良い撹拌が得られているとはいえません。

高粘度流体の容器内流動
🚩 高粘度流体の容器内流動

ホモミキサーの軸に邪魔板がある場合(図下段)

一方,邪魔板があるおかげで,掻取ミキサーによる撹拌のみであっても,時間経過するにつれて高粘度流体は乳化槽全体に広がろうとしています。

…というように,ただ存在している邪魔板が撹拌の役に立っていたのです。

真空吸引の目的

”真空”乳化撹拌装置の名前通り,”真空”にする=乳化槽内を減圧することができるのも特徴の1つです。

様々な考え方ができますが,ここでは真空をすることによるメリットを紹介します。

空気の巻き込み防止

🚩 空気を含むエマルション

液中に空気を巻き込むと製品中に空気が残存するため,菌の繁殖や製品の酸化が起こりやすくなると考えられます。

一方で,製品を一定体積となるように容器へ充填することを考えると,送液量が変化する可能性があります。

その結果,容器に充填された製品から気泡が抜けると,液面が低下し消費者に対して悪いイメージを与えることがあり得ます。

溶存気体の脱気

一般論として,溶存気体の脱気について少し詳しく考えてみましょう。

液体中の泡の発生原因としては,主に次のように考えられています。

  • 液体中の溶存空気が環境変化等により溶解できなくなり,気泡として出現する。
  • 液体に混入した空気が,液体に溶解されず気体のまま泡として液体中に混在する。
  • 液体の沸点近くで液体自体の蒸気が集まり,液体中で泡となる。 👉 水の沸騰に至る日常的な現象

脱気効率は真空度(減圧度),液体の粘度,気液境界面の面積,液面高さあるいは中心部から液滴気液境界面までの距離等に左右すると言われています。

🚩 [引用:技術情報協会『泡コントロールと消泡・脱泡事例集』,2007]
開放状態における乳化時の懸念点
空気の巻き込み防止
🚩 空気の巻き込み防止

想像上の話が含まれますが,減圧時と開放状態とで乳化状態に差が生じる可能性について考えてみます。

  • 液中に空気を巻き込むと,ホモミキサーを通過してほしい油相原料等の代わりに空気が通過するため,撹拌効率が悪くなることが懸念されます。
  • このとき,界面活性剤が空気に吸着すると,乳化で使用される界面活性剤量が低下します。
  • また,第三物質である空気が混入すると,水相原料・油相原料・界面活性剤の濃度バランスが崩れ,乳化状態が変化する要因となり得ます。

水相の蒸発防止

水相の蒸発防止
🚩 水相の蒸発防止

乳化槽上部の空間が飽和状態に達すると,水相の蒸発は止まります。

水相の減少を防ぐことができるので,密閉して使用できるというメリットがあります。

このとき,乳化槽内は減圧しているので乳化槽内が大気圧以上に加圧されず,作業するにあたって安全に使用することができます。

窒素ガスの置換

窒素ガスの置換
🚩 窒素ガスの置換

製品の酸化防止のため,真空吸引後,常圧になるまで窒素ガスを投入することができます。

減圧によって空気を除去できることによるメリットと言えます。

破泡(生成してしまった泡沫を壊すこと)

破泡(生成してしまった泡沫を壊すこと)
🚩 破泡(生成してしまった泡沫を壊すこと)

そこで,真空吸引を活用することを考えたものですが,実務で最適な破泡手法を見出すことは難しいです。


破泡の話題が出たので,真空吸引以外の方法も考えてみます。

次の方法が報告されていますが,必ずしも破泡効果が高いとは言えません。

  • 【加熱】 液体の粘度が低下し,泡膜の流動が促進されて泡沫は不安定化します。
  • 【冷却】 表面弾性の低下により泡沫は不安定化します。
  • 【撹拌】 撹拌羽根で直接たたくことによって,衝撃力により泡沫を破壊できます。ただし,大きな泡沫に対しては効果的であり小さな泡沫へは適用が困難とされています。

PITケンサー(電気伝導度)

オプションになりますが,PITケンサーを取り付けることもできます。

これは電気の流れやすさ(電気伝導度)を測定するものであり,「電気が流れない」=「油」,「電気が流れる」=「水」が連続相(形を持たず連続的に繋がっている状態)であることを調べることができます。

すなわち,以下の考え方から,「O/W型エマルション」 or 「W/O型エマルション」を知ることができます。

痩せている男性
下図の状態①

このとき,乳化槽内は油のみで満たされています。

そのため,電気伝導度は0(低い値)を示します。

痩せている女性
下図の状態②

油に対し水を添加すると,水滴が生成しました。

W/O型エマルションの状態です。

このとき,油が連続相になるので電気伝導度は0(低い値)を示します。

体重計にのって焦っている太った女性
下図の状態③

油に対しさらに水を添加すると,油滴が生成しました。

油が連続相でしたが,水に代わりました。

いわゆる”転相乳化”によって,O/W型エマルションとなりました。

その結果,水が連続相になるので電気伝導度は油よりも高い値を示します。

PITケンサー(電気伝導度)
🚩 PITケンサー(電気伝導度)

”撹拌の考え方”の整理⑵

「撹拌をやさしく捉えてみよう【撹拌をどのように利用するべきか?】」のページでも整理しましたが,ここでは撹拌の考え方のまとめをしておきましょう。

整頓している人

少し復習をしておきますと,達成できる”撹拌目的”は”濃度均一化”と”温度均一化”でした。

次に,”撹拌目的”を達成するためには”撹拌作用”を考える必要がありましたが,これは”吐出作用”と”微細化作用”でした。

そして,”微細化作用”というのは曖昧な表現でしたが,メインとなる力として”せん断力”を紹介しました。

「一般的なクリーム・乳液製造工程で必要な撹拌」のページで紹介したように,主に吐出作用を発揮するのは”低速撹拌機”,微細化作用を発揮するのは”高速撹拌機”でした。

低速撹拌機や高速撹拌機には様々な種類がありましたが,乳化撹拌装置を使うと,これ1つで撹拌作用をカバーできる優れモノでした。

ここまでの撹拌の考え方まとめ⑵
🚩 ここまでの撹拌の考え方まとめ⑵

このような理由から,乳化製品を製造する業界において,乳化撹拌装置は非常によく使用されているのですね。

…というように撹拌について一応の整理ができたところで,ここからはみづほ工業の主力製品である「乳化撹拌装置」について,少しずつ掘り下げていくことにします。

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