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📚 (4-12) スケールアップでエマルションを評価しよう【測定値とその評価】

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アイキャッチ 【スケールアップでエマルションを評価しよう】

エマルションの目標値

「スケールアップでエマルションを評価しよう【スケールアップの考え方】」のページで,研究室で調製する”サンプルの品質”と工場で製造する”製品の品質”を同じにすることが求められると説明しました。

そして,「スケールアップでエマルションを評価しよう【スケールアップ成否の評価方法】」のページでは,品質に影響を与える因子として粒子径を考えました。

カラフルな粒チョコレート

ここで,次のような事例を考えてみたいと思います。

  • 研究室におけるサンプルの粒度分布測定を行ったところ,体積平均径 MV = 2.922 [μm]という結果が得られたと仮定します。
  • 一方,工場における製品の粒度分布測定を行ったところ,体積平均径 MV = 4.102 [μm]という結果が得られたと仮定します。
ロックバランシング

「スケールアップでエマルションを評価しよう【粒子径および粒度分布解析①】」のページで述べたように,一部のサンプルから全量のエマルションの状態を推測します。

そのため,粒度分布測定から得られる粒子径にはバラツキ(標準偏差/誤差)が必ず生じます。

その結果,サンプルと製品の粒子径は完全に一致することはないと言えます。

📝[memo] 推測値まで完全一致するとは考えにくいですよね。

しかしながら,サンプルと製品の粒子径を比較することでスケールアップ成否を判断しなければなりません。

📝[memo] サンプルと製品の粒子径が完全一致するときをスケールアップ成功!としてしまうと,スケールアップが成功することはあり得ないとも言えます。

このとき,サンプルと製品の粒子径が「一致する」 or 「一致しない」とみなす判断はどのようにしたら良いでしょうか?

エマルションの目標値
🚩 エマルションの目標値

エマルションの測定対象

エマルションの物性を調べることについて,少し踏み込んだ話をしようと思います。

このとき,エマルションにおける「何」を測定対象とするかを整理しておく必要があります。

様々な考え方がありますが,エマルションにおける測定対象として次の3つに分類することにします。

分子
分子

エマルション中には,何らかの物質が必ず存在します。

そこで,ある物質の分子構造を測定することによって,エマルションの物性を評価をしようという考え方です。

会合体・組織体
ピラミッド型組織

「撹拌の立場から乳化をイメージしよう【水溶液と分散液】」のページで紹介したように,エマルションに代表される分散液は,お互いにお互いに混ざり合わない2種類の液体から構成されていました。

そのため,何らかの会合体・組織体を形成してエマルション中に存在することになります。

そこで,このような会合体・組織体を測定することによって,エマルションの物性を評価をしようという考え方です。

世界地図
相全体

エマルションの物性を評価するという目的だったので,直接エマルション全体としての物性を評価をしようという考え方です。

このように考えてみると,エマルションの測定対象によって使用すべき分析装置が異なることがわかります。

そして,測定対象が異なる分析結果からどのような関係性を有しているかを考察し,「小さな影響しか受けない」or「大きな影響を受ける」のかについて考える必要があります。

一般的な話で難しい内容ですが,まずはこのような考え方があるとしてさらに踏み込んで考えてみましょう。

エマルションの測定対象
🚩 エマルションの測定対象

水溶液の場合

例えば,銅の電気分解を考えてみます。

📝[memo] ここでは現象をイメージ化することを優先するので,化学的に不正確な内容を一部含みます。

2枚の銅板を水に浸漬し電流を流すと,青色の銅イオンが生成します。

銅イオンの濃度が高くなると,水の青色は濃くなっていくことが想像できるかと思います。

銅の水溶液として,銅イオンの濃度=「分子(イオン)」,色の濃さ=「相全体」と考えることができます。

青色発光ダイオード(LED)

ここで,上述した測定対象を意識しながら次のように考えてみます。

銅イオンの濃度を調べるために「分子」を対象とした測定をしたとすると,銅イオンの濃度が変化したという結果が得られるはずです。

続いて,水の色の濃さを調べるために「相全体」を対象とした測定をしたとすると,水の色が変化したという結果が得られるはずです。

これらの結果は,「分子」が変化すると「相全体」も併せて変化する(大きな影響を受ける)ことを意味します。

したがって,均一系である水溶液の場合,測定対象が異なる分析結果(「分子」・「会合体・組織体」・「相全体」)から考察するとき,これらはお互いに「大きな影響を受ける」という結論が得られます。

Lambert–Beerの法則より,色の濃さ(吸光度)は媒質の濃度に依存することが知られています。A = εcl

📝[memo] Lambert–Beerの法則は,「分子」を対象とした測定と「相全体」を対象とした測定を結びつけるものと考えることもできますね。

🚩 [引用:https://www.nmm.jx-group.co.jp/copper/join/kidsnet/metal_ion/]

分散液の場合

次に,分散液の1つであるエマルションで考えてみたいと思います。

「スケールアップでエマルションを評価しよう【スケールアップ成否の評価方法】」のページでは,水溶液で述べたような関係性を有しているケースとして,乳化粒子の粒子径によって粘度が変化する事例を紹介しました。

📝[memo] 粒子径=「会合体・組織体」,粘度=「相全体」と考えることができます。

🚩 [引用:P. Sherman, Intern. Congr. Surface Activity II, 596, 1960]
カンニングをしている男の子

ただし,必ずしもこのような考え方がすべての事例に当てはまるとは限りません。

…というのも,分散液は”不均一系”であるため,測定対象である「会合体・組織体」と「相全体」の間で「大きな影響を受ける」と断言することができないからです。

📝[memo] 分散液であっても”密接”ではない何らかの関係性については,有していると考えることができます。

複雑な人間関係

ここで,上述した測定対象を意識しながら次のように考えてみます。

乳化粒子の粒子径を調べるために「会合体・組織体」を対象とした測定をしたとすると,乳化粒子の粒子径が変化したという結果が得られるはずです。

続いて,粘度を調べるために「相全体」を対象とした測定をしたとすると,粘度が変化したという結果が得られるはず…とは限らないということです。

これらの結果は,「会合体・組織体」が変化すると「相全体」も併せて変化するかもしれませんが,それが「大きな影響を受ける」 or 「小さな影響を受ける」かはわからないことを意味します。

あるいは,「変化しない」=「影響を受けない」という結論が得られるかも知れません。

したがってズルい言い方になってしまうのですが,不均一系である分散液の場合,測定対象が異なる分析結果から考察するとき,これらはお互いに「大きな影響を受ける」かもしれないし「小さな影響しか受けない」かもしれないというのが結論です。

分散液における測定対象間の関係
🚩 分散液における測定対象間の関係

これまで,エマルションを評価する指標として粒子径を考えてきました。

粒子径は「会合体・組織体」に相当し,乳化粒子の大きさを測定していることを意味します。

スケールアップ前後で乳化粒子の大きさが完全に一致すれば何ら問題はありませんが,実際にはこのようなことはあり得ません。

📝[memo] 粒子径=乳化粒子の大きさは必ず変化します。

そのため,粒子径の変化が測定対象の領域(「分子」・「会合体・組織体」・「相全体」)にどの程度影響を与えるか?を考えておかなければなりません。

エマルションの同等性範囲

インフルエンサー

ここでは,粒子径が変化することに対して,あるエマルションの品質が「大きな影響を受ける」or「小さな影響しか受けない」のかについて考えてみましょう。

この影響度の大きさによって,スケールアップ成否の評価基準が変わってくるからです。

📝[memo] 「あるエマルションの品質」という非常に抽象的な表現をしていますが,「絶対に保持しなければならない物性・性質」と捉えていただければと思います。

📝[memo] 例えば,絶対に保持しなければならない物性・性質=適正な粘度範囲が1000~2000 [m・Pas]のような場合です。

グループ(A)の製品

エマルションの同等性範囲 グループ(A)の製品
🚩 エマルションの同等性範囲 グループ(A)の製品

右図のような関係がある製品(グループ(A)の製品)あると仮定します。

エマルションの品質が同等であるとみなすことができる範囲に対して,要求される粒子径の範囲が狭い事例です。

すなわち,粒子径が変化することに対して,あるエマルションの品質が「大きな影響を受ける」と言えます。

このような事例では,サンプルと製品の粒子径を極力一致させることが要求されます。

例えば,グループ(A)の製品で要求される粒子径は2.000 [μm]~3.000 [μm]であったと仮定します。

研究室におけるサンプル(MV = 2.922 [μm])と工場における製品(MV = 4.102 [μm])は,エマルションの品質が等しくないことがわかります。

📝[memo] 工場における製品の粒子径は,エマルションの品質が同等とみなせる範囲から外れています。

したがって,スケールアップは失敗したと判断することができます。

グループ(B)の製品

エマルションの同等性範囲 グループ(B)の製品
🚩 エマルションの同等性範囲 グループ(B)の製品

右図のような関係がある製品(グループ(B)の製品)あると仮定します。

エマルションの品質が同等であるとみなすことができる範囲に対して,要求される粒子径の範囲が広い事例です。

すなわち,粒子径が変化することに対して,あるエマルションの品質が「小さな影響しか受けない」と言えます。

このような事例では,サンプルと製品の粒子径をある程度一致させるだけで十分であると判断できます。

例えば,グループ(B)の製品で要求される粒子径は2.000 [μm]~6.000 [μm]であったと仮定します。

研究室におけるサンプル(MV = 2.922 [μm])と工場における製品(MV = 4.102 [μm])は,エマルションの品質が等しいことがわかります。

📝[memo] 研究室におけるサンプルと工場における製品の粒子径は,エマルションの品質が同等とみなせる範囲内です。

したがって,スケールアップは成功したと判断することができます。

エマルションの目標値とスケールアップ評価

協力して進む会社員

このように,サンプルと製品の粒子径が「一致する」 or 「一致しない」とみなす判断基準は,製品の種類によって異なることがわかります。

そして,あるエマルションの品質が「大きな影響を受ける」or「小さな影響しか受けない」のかという視点に立って,このような論点について考えました。

スケールアップにおいては粒子径を中心に考えてきましたが,エマルションにおけるその他の物性についても同様です。

測定対象間で物性を決める密接な関係性を有していると断言することができないという問題が,どうしても付きまといます。

📝[memo] このあたりの判断基準は,各社メーカー独自のノウハウにもなり得ます。

分散液の物性について説明が長くなりましたが,ここまで踏み込んで考えたことはあまりなかったかと思います。

どうしても抽象的な話に終始してしまいますが,ここで説明させていただきました。

エマルションの目標値とスケールアップ評価
🚩 エマルションの目標値とスケールアップ評価
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