背景紹介
産業生産と科学研究の分野において、高速分散乳化機は不可欠なツールとして登場しました。その重要性は、さまざまな物質を高い精度と効率で混合、分散、乳化できることにあります。産業界では、クリームやローションの滑らかで均一なテクスチャが重要な化粧品の製造から、色の均一性と高品質な仕上がりのために均一な顔料分散が必要な塗料やコーティングの製造まで、高速分散乳化機が重要な役割を果たしています。食品産業では、マヨネーズ、サラダドレッシング、乳製品ベースの飲料などの製品で安定した乳化を生成するために使用され、これらの製品の味と保存期間の両方を向上させています。
科学研究、特に材料科学や医薬品などの分野では、高速分散乳化機は新しい材料やドラッグデリバリーシステムの開発に不可欠です。例えば、ドラッグデリバリー用のナノ粒子の合成では、これらの機械を使用して粒子のサイズと分布を正確に制御し、薬の有効性と安全性に直接影響を与えます。
その広範囲にわたる用途と重要性を考慮し、以下のケーススタディでは、高速分散乳化機が特定のプロジェクトでどのように成功裏に適用されたかを掘り下げ、その操作の詳細、性能、および結果を強調します。
機器を使用する前の課題
高速分散乳化機を生産プロセスに統合する前に、クライアントは材料混合と分散の分野で一連の困難な課題に直面していました。
1. 不十分な混合均一性
クライアントが使用していた従来の混合装置では、高いレベルの混合均一性を達成できませんでした。例えば、異なる粘度の液体ベースの材料を混合する場合、結果として得られる混合物には、多くの場合、目に見える縞模様や不均一な分布が見られました。特定の製品バッチの生産では、最終混合物の異なる部分から採取したサンプルで、主要成分の濃度に大きなばらつきが見られました。混合物全体で10％で均一に分布することになっていた成分Aの濃度は、異なるサンプルで7％から13％の範囲でした。この均一性の欠如は、製品の性能に直接影響を与えました。彼らが製造していた塗料のような製品の場合、顔料の分散が不均一であったため、塗装面に色の外観が不均一になり、一部の領域が予想よりも暗くまたは明るく見えました。
2. 低効率な操作
混合プロセスは非常に時間がかかりました。生産計画では2時間以内に完了するはずの材料混合の典型的なバッチは、多くの場合、5〜6時間に及んでいました。これは主に、旧式のミキサーの低速運転と、材料中の凝集物を迅速に分解して分散できないことが原因でした。混合速度が遅いと、生産サイクルが長くなるだけでなく、この長期間にわたって大量の生産設備と労働力が拘束されました。例えば、500リットルの原材料を混合する必要がある生産では、長引く混合プロセスにより、その間、生産ラインを他のタスクに使用できなくなり、工場の総生産能力が低下しました。
3. 不安定な製品品質
不均一な混合と非効率性の組み合わせは、非常に不安定な製品品質につながりました。品質問題による完成品のクライアントの不良品率は15％にも達しました。不良品は、テクスチャの不一致、時間の経過に伴う成分の分離、および必要な仕様を満たすことのパフォーマンスの低下などの問題を呈しました。彼らが製造した食品関連製品では、品質の不一致が、異臭や味の不一致に関する顧客からの苦情につながりました。これは、市場での会社のブランドイメージを損なうだけでなく、生産コストも大幅に増加させました。不良品の再加工、不適合品の廃棄、および顧客からの苦情への対応にかかる費用は、かなりの経済的負担となり、これらの品質関連の問題により、月額50,000ドルの損失が見積もられました。
高速分散乳化機の導入
クライアントに導入された高速分散乳化機は、高度な技術と独自の機能を備えた最先端の機器です。
主要技術と動作原理
- 高速分散乳化機の中心は、その高速ローター-ステーター機構です。高出力モーターによって駆動されるローターは、非常に高速で回転し、多くの場合、毎分数千回転に達します。例えば、クライアントが使用したモデルでは、ローターは最大10,000 rpmの速度で回転できます。ローターが回転すると、強力な遠心力が発生します。
- ローターの高速回転によって生成される遠心力は、材料をローターの中心から外縁に向かって急速に移動させます。このプロセス中に、材料はローターとステーターの間の狭い隙間を通過します。これらの隙間は、特定の用途と処理される材料の性質に応じて、通常0.5〜2ミリメートルの範囲で、非常に小さくなるように精密に設計されています。
- 材料がローターとステーターの間の狭い隙間を通過すると、激しいせん断力にさらされます。せん断作用は、鋭利なハサミが材料を切り裂く効果に似ていますが、はるかに小さく、より強力なスケールで行われます。このせん断力は、大きな粒子をはるかに小さな粒子に効果的に分解します。例えば、液体中に分散した固形粒子の場合は、大きな凝集物が個々の粒子またははるかに小さなクラスターに分解されます。
- せん断に加えて、材料は破砕力も経験します。材料がステーターの壁に高速で衝突し、狭い隙間内での流れ方向の急激な変化により、粒子が破砕され、サイズがさらに小さくなり、より良い分散が促進されます。
- ローターの高速回転は、混合チャンバー内に強力な乱流も生成します。乱流は、不規則でカオス的な流体運動を特徴とします。乳化機のコンテキストでは、これらの乱流は、材料が継続的かつ徹底的に混合されることを保証します。混合物内の停滞領域の形成を防ぎ、成分を体積全体に均等に分散するのに役立ちます。乱流混合は非常に効率的であり、異なる粘度、密度、および化学的特性を持つ材料を迅速に混合できます。
主な特徴
- 高速分散乳化機は、卓越した混合精度を提供します。混合物中の均一性を高いレベルで達成でき、成分濃度の変動係数（CV）は通常2％未満です。これは、最終混合物中の各成分の濃度が、混合物から採取したさまざまなサンプル間で非常に一貫していることを意味します。例えば、複数の液体成分を混合して均質な溶液を作成する場合、高速分散乳化機は、各成分の濃度が目標値から2％を超えて変動しないようにすることができ、非常に一貫した品質の製品が得られます。
- この機器は、高効率な操作のために設計されています。従来の混合方法と比較して、混合時間を大幅に短縮できます。クライアントの生産バッチの場合、旧式のミキサーで5〜6時間かかっていたものが、高速分散乳化機を使用すると1〜2時間以内に完了できます。これは主に、高速回転、強力なせん断力、および効率的な乱流混合によるものであり、材料を迅速に分解して分散させ、混合プロセスを加速します。
- 高速分散乳化機には、ローター速度、混合時間、せん断強度などの調整可能なパラメータが付属しています。これらの調整可能な機能により、さまざまな種類の材料を処理する際の柔軟性が高まります。例えば、高粘度の材料を扱う場合、オペレーターはローター速度を上げて、材料を効果的に分解するためのより強力なせん断力を生成できます。逆に、高速せん断に敏感なよりデリケートな材料の場合、ローター速度を下げて、目的の混合と分散の結果を達成しながら、材料を損傷しないようにすることができます。
プロジェクトでのアプリケーションプロセス
設置と試運転
- 設置場所は、機器の要件を満たすように慎重に選択されました。生産施設内の換気が良く、温度管理された部屋でした。床は、約500キログラムの高速分散乳化機の重量を支えるように補強されていました。部屋の温度は25±2℃に維持され、相対湿度は40％〜60％に保たれました。この安定した環境条件は、機器の正常な動作を保証し、極端な温度や高湿度によるコンポーネントへの潜在的な損傷を防ぐために不可欠でした。
- 設置プロセスは、高速分散乳化機の慎重な開封から始まりました。次に、機器は、1トンの吊り上げ能力を持つフォークリフトを使用して所定の位置に吊り上げられました。乳化機の4つの支持脚は、高精度水準器を使用して正確に位置合わせされ、水平にされました。支持脚の下部にある調整ネジを使用して、偏差が±0.5 mm以内になるまで水平度を微調整しました。水平度を確認した後、機器は操作中の動きを防ぐために床にしっかりとボルトで固定されました。
- 入口および出口パイプラインは、材料の高圧および高速の流れに耐えるために、厚さ3 mmの高品質ステンレス鋼で作られました。パイプラインは、高温および高圧耐性ガスケットを備えたフランジタイプのコネクタを使用して乳化機に接続されました。電気配線は、専門の電気技師によって行われました。380Vの電圧と50Hzの周波数の電源は、機器の制御キャビネットに接続されました。制御キャビネットには、安全な操作を保証するために、過負荷保護、短絡保護、および漏電保護装置が装備されていました。
- 最初の操作の前に、包括的な検査が実施されました。ローター-ステーターシステムに異物や緩んだ部品がないか確認しました。潤滑システムには高品質の潤滑油が充填され、油面が正常範囲内にあることが確認されました。
- 試運転プロセスは、低速テスト運転から始まりました。ローターは1000 rpmに設定され、機器は15分間監視されました。この間、振動レベル、温度上昇、および騒音レベルが測定されました。振動レベルは振動計を使用して測定され、0.5〜1.0 mm/sの許容範囲内であることがわかりました。モーターと主要コンポーネントの温度は赤外線温度計を使用して監視され、異常な温度上昇は観察されませんでした。騒音レベルは騒音計を使用して測定され、80 dB（A）未満であり、環境要件を満たしていました。低速テスト運転後、ローター速度は徐々に定格速度の8000 rpmまで上げられ、機器はさらに30分間連続して運転され、さらなる検査が行われました。
操作手順
メッセージは20〜3,000文字にする必要があります。