製品を冷却するためには…

「撹拌をやさしく捉えてみよう【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，エマルション製品を製造するためには冷却工程が必要となります。

ここでは，冷却について考えていきましょう。

📝[memo]　室温（常温）で乳化する場合もありますが，一般論として冷却工程が必要であることを前提に話を進めていきます。

乳化撹拌装置を用いた冷却は，製品の熱を冷却水へ移動させなければなりません。

すなわち，冷却水による製品の冷却が大前提です。

次に，冷却中の製品温度は，均一であることが望ましいです。

このとき，撹拌の吐出作用を利用して，乳化槽内の製品を動かすことを考えます。

冷却水による製品の冷却

最初に，冷却水による製品の冷却に注目します。

すると，”冷却速度”の取り扱いによって考え方が異なってきます。

ここでは，次の2つの考え方を見てみるとしましょう。

• 冷却速度一定　一定の割合で製品の熱を冷却水へ伝えることを考えます。
• 冷却速度向上　製品の熱を効率的に冷却水へ伝えることを考えます。

…と言いつつも，”冷却速度”をどのように考えるべきかを決めておかなければなりません。

人によって，様々な解釈があるはずです。

それでは，1番目の「冷却速度一定」をベースにして，”冷却速度”について考えていきましょう。

“冷却速度”＝「① 単位時間あたりの温度変化」を一定にする

下図のように，試験機で2 [L]の製品を80 [℃]から30 [℃]まで冷却することを考えます。

このとき，冷却時間として35分を要したとします。

すると，最終的に0.024 [℃/s]であることがわかります。

生産機で200 [L]の製品を冷却する場合も，同じ0.024 [℃/s]とすることを考えます。

“冷却速度”＝「② （単位時間あたりの）槽壁伝熱量」を一定にする

次に，同条件の冷却で（単位時間あたりの）槽壁伝熱量に注目します。

移動すべき伝熱量を計算すると，試験機で2 [L]の製品を冷却する場合は420 [kJ]であることがわかります。

すると，最終的に0.2 [kW]であることがわかります。

生産機で200 [L]の製品を冷却する場合も，同じ0.2 [kW]とすることを考えます。

“冷却速度”＝「③ 単位体積あたりの槽壁伝熱量」を一定にする

最後に，同条件の冷却で単位体積あたりの槽壁伝熱量に注目します。

「② （単位時間あたりの）槽壁伝熱量」を単位体積あたりまで拡張します。

すると，最終的に100 [kW/m³]であることがわかります。

生産機で200 [L]の製品を冷却する場合も，同じ100 [kW/m³]とすることを考えます。

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冷却速度一定について考えると，3つの案が出てきました。

そこで，必要とするこれらの冷却時間を比較してみましょう。

① 単位時間あたりの温度変化では，試験機と生産機の冷却時間が等しくなりました。

すなわち，冷却する製品の量に関係なく冷却時間を一定とする考え方とも言えます。

② （単位時間あたりの）槽壁伝熱量では，生産機の冷却時間が試験機の100倍となりました。

これは，冷却する製品の量が100倍になったためであり，冷却時間を比例させる考え方とも言えます。

ただし，このような冷却は非常に生産効率が悪いので，実際には採用されていないのではないかと思います。

そのため，② （単位時間あたりの）槽壁伝熱量を一定にすることは考えないことにします。

③ 単位体積あたりの槽壁伝熱量では，試験機と生産機の冷却時間が等しくなりました。

上述した① 単位時間あたりの温度変化と同じように，冷却する製品の量に関係なく冷却時間を一定とする考え方とも言えます。

以上より，② （単位時間あたりの）槽壁伝熱量以外の① 単位時間あたりの温度変化と③ 単位体積あたりの槽壁伝熱量が候補になります。

ここでは，冷却速度は「単位体積あたりの槽壁伝熱量」であるとして考えていくことにしましょう。

📝[memo]　① 単位時間あたりの温度変化の考え方を採用しても良いのですが，同じ意味合いの単位体積あたりの槽壁伝熱量を優先的に取り上げます。

“冷却速度”＝「③ 単位体積あたりの槽壁伝熱量」を向上させる

冷却速度は「単位体積あたりの槽壁伝熱量」であるとして考えることを決めたので，今度は冷却速度向上を考えます。

すなわち，スケールアップ後では単位体積あたりの冷却速度ができるだけ大きくなることを意味します。

結果として，スケールアップ後の冷却時間が短縮されます。

例えば，下図のように冷却すると，試験機における単位体積あたりの冷却速度は100 [kW/m³]でしたが，生産機では175 [kW/m³]となります。

そして，生産機の方が15分早く冷却が完了します。（35分と20分）

製品の温度均一化

冷却速度に着目してきましたが，製品の温度を均一にすることも重要です。

そこで，撹拌の吐出作用を利用して乳化槽内の製品を動かすことが求められます。

📝[memo]　「撹拌をやさしく捉えてみよう【撹拌の考え方】」のページで紹介した撹拌目的そのものですね。

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以上をまとめると，製品を冷却するためには…

① 冷却水による製品の冷却

② 製品の温度均一化

…が乳化撹拌装置で求められることがわかります。

冷却水による製品の冷却モデル

「撹拌をやさしく捉えてみよう【乳化撹拌装置であること】」のページで紹介したように，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。

📝[memo]　今回は，冷却水を流すことのみを考えます。

したがって，乳化撹拌装置ではジャケット冷却方式を採用していることを前提として話を進めていきます。

エマルション製品は，冷却するにつれて増粘していく傾向が見られます。

📝[memo]　全てのエマルション製品が該当するわけではありませんが，経験的によく見られる傾向です。

そのため，冷却されやすい乳化槽壁面付近の製品は増粘していると考えることができます。

そこで，一部の製品が乳化槽壁面に付着し，流動性を失って層流で流れるような伝熱境膜（≒固体）が存在すると考えます。

📝[memo]　乳化槽内の製品は，通常の製品と伝熱境膜に区別することにします。

そして，製品中の熱は”乳化物 → 伝熱境膜 → 乳化槽 → 冷却水”の順に移動すると考えることにします。

📝[memo]　乳化槽壁面への汚れ付着や冷却水の伝熱境膜は考えないこととします。

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詳細な説明は後述することにしますが，4つの状態は2つのグループに分類できます。

対流（液体）

• 乳化物（通常は液体です）
• 冷却水（当然ながら液体です）

固体

• 伝熱境膜（流動性を失った固体とみなします）
• 乳化槽（金属なので固体です）

…と考えてみると，それぞれの状態で特徴が出てきそうです。

このような考え方に基づいて，乳化撹拌装置を使用した冷却工程のスケールアップについて見ていきましょう。