高せん断混合: その仕組み、種類、および適切なミキサーの選び方

おそらく、説明が難しい理由でバッチが失敗するのを見たことがあるでしょう。1 週間後に分離したローション、水っぽくなったソース、いくらかき混ぜても除去できない微細な凝集物を含む顔料ペーストなどです。 共通しているのは、従来の撹拌機では、液滴サイズ、分散、粒子分布を制御するのに十分なせん断力が得られないということです。 高せん断混合は、ローター/ステーターヘッドを使用して短時間で強力な機械力を加えることによってそのギャップを埋め、多くの食品、飲料、化粧品、医薬品、化学プロセスに依存する安定したエマルション、懸濁液、微細な分散液を生成します。

このガイドでは、高せん断混合とは何か、ローターとステーターの原理がどのように機能するか、利用可能な構成、および高せん断ミキサーを購入する前に確認すべきことについて説明します。新しいラインの機器を評価している場合、または既存のラインのトラブルシューティングを行っている場合、最初の結論は簡単です。 適切な高せん断ミキサーは、粘度、固形分含有量、および目標の品質に適合している場合にのみ、再現可能な結果をもたらします。

高せん断混合とは何ですか?

高せん断混合は、密集したステーター内で高速回転するローターを使用して強いせん断力を生み出す機械プロセスです。これらの力により、液滴や凝集物が破壊され、粉末が液体に引き込まれ、従来の撹拌よりもはるかに細かい質感を持つ均一な混合物が生成されます。結果は、多くの場合、エマルジョン (液体中液体)、サスペンション (液体中固体)、または分散体 (微粒子が均一に分散) として説明されます。

実際には、次のような場合に高せん断混合が使用されます。

• 液滴サイズがマイクロメートル範囲の安定したエマルジョン
• フィッシュアイやダマのない粉体の湿潤分散
• 塗料、インク、化学ペーストの粒子の解凝集とサイズの縮小
• 接着剤、クリーム、医薬品軟膏などの濃厚または粘性のある製品の迅速な調製

アプリケーションに本当に高せん断力が必要かどうかまだわからない場合は、 混合タンク設計の基本 まず、容器のレイアウトがミキサーの動作に影響を与える可能性があるためです。

高せん断ミキサーの仕組み

すべての高せん断ミキサーは同じ基本原理を共有しています。つまり、精密に加工された歯を備えたローターが固定ステーター内で高速で回転します。製品はローターに引き込まれ、ステーターの開口部を通過し、そこで強い機械的せん断および水圧せん断を受けます。

ローター・ステーターせん断ゾーン

ローターとステーターの間の隙間は小さく、通常はモデルに応じて約 0.5 mm から 3 mm です。ローターが回転すると、流体は隙間内で加速し、高速で排出されます。この加速により、液滴や粒子がどの程度細かく分解されるかを制御するせん断速度が生成されます。

先端速度とせん断速度の関係

先端速度は、ローターの外縁における線速度です。これはローターの直径を考慮するため、毎分回転数 (RPM) よりも意味のある数値です。より大きなローターをより低い RPM で使用すると、より高い RPM でより小さなローターを使用した場合と同じ先端速度を生み出すことができます。せん断速度は、チップ速度をギャップ幅で割ることによって近似されます。 このため、ギャップやローターの設計を少し変更するだけで、混合結果が大きく変わる可能性があります。

この表は、程度の程度のアイデアを示しているだけです。実際の値は、一般的な曲線ではなく、プロセス テストによって定義する必要があります。

高せん断ミキサーの種類: インタンク、インライン、真空

すべての製品に適合する単一の高せん断ミキサーはありません。最も一般的な 3 つの蓄積物は、タンク内バッチ ミキサー、インライン ミキサー、真空混合システムです。

インタンク高せん断ミキサー

インタンクミキサーは、プロセス容器の上部に直接またはサポートフレームを介して取り付けられます。望ましい結果が得られるまで、タンク内の液体をローター/ステーターヘッドを通して再循環させます。これは、小規模から中規模のバッチ サイズ、頻繁な製品変更、および混合時間の延長によるメリットが得られるレシピに適した柔軟な構成です。

インライン高せん断ミキサー

インラインミキサーは、ポンプアラウンドまたは連続ユニットのように機能します。製品は混合チャンバーの一方の側に入り、1 回または制御された回数のパスの後、もう一方の側から排出されます。インライン構成は連続プロセスに統合しやすく、滞留時間が短く一定であるため、多くの場合、より再現性の高い結果が得られます。

真空混合乳化タンク

真空混合タンクは、高せん断混合と真空フード、および多くの設計ではスクレーパー撹拌機を組み合わせています。真空により製品から空気が除去されます。これは、濃厚なクリーム、軟膏、電池のスラリー、および真空脱気された接着剤にとって重要です。 製品に目に見える気泡が存在しないようにする必要がある場合は、通常、真空乳化タンクを使用する方が安全な選択です。

• バッチサイズが異なり、レシピに柔軟な混合時間が必要な場合は、インタンクミキサーを選択してください。
• 連続生産の場合、または高速なシングルパス結果で十分な場合は、インライン ミキサーを選択してください。
• 空気の混入、泡、長期安定性が懸念される場合は、真空システムを選択してください。

高せん断ミキサー vs 分散機、ホモジナイザー、コロイドミル

高せん断混合は、微粒子を生成する他のミキサーと混同されることがよくあります。各テクノロジーの運用コストと結果は異なるため、この違いは重要です。

実際には、高せん断ミキサーは通常、最終精製にホモジナイザーまたはミルも使用するプロセスの最初のステップです。ただし、多くの液体製品の場合、 適切に設計されたローター/ステーターミキサーだけで仕様を満たすのに十分です。

生産で高せん断混合が使用される場所

高せん断混合は多くの業界で使用されており、通常、単に混ぜ合わせるよりも配合を作るのが難しい場合に使用されます。以下の表は、主要なアプリケーション グループをまとめたものです。

たとえば、ローターステーター乳化タンクは、油相と水相を安定したエマルションにまとめるために化粧品工場や食品工場で広く使用されています。化学工場でも、同じ原理で顔料ペーストや洗浄剤が製造されます。 共通の要件は、普通の撹拌機では実現できない制御されたせん断レベルです。

適切な高せん断ミキサーを選択する方法

見積もりをリクエストする前に、プロセスを数値で定義してください。粒子サイズやサイクル時間の要件を満たさない場合、最も安価な機械が最も経済的であることはほとんどありません。

これらのプロセスパラメータから始める

• 連続相と最終生成物の粘度
• 混合前後の固形分と粒子径
• バッチサイズと必要なサイクルタイム
• 動作温度と熱に対する感度
• 定量的制限のあるターゲットの液滴または粒子サイズ
• 洗浄方法：CIPまたは手動洗浄

衛生設計とコンプライアンス

食品、乳製品、化粧品、医薬品の場合、ミキサーは SS316L 接触部品、鏡面研磨、製品が蓄積する可能性のあるデッド ゾーンを使用して構築する必要があります。 GMP ラインでは、表面仕上げと材料証明書の文書化も必要です。 掃除が難しいミキサーは、研究室での混合パフォーマンスがどれほど優れているように見えても、最終的には製品の安全性を損なうことになります。

アンカースクレーパー撹拌機付き無菌真空混合タンク このタンクは深真空下で動作して軟膏やクリームから気泡を取り除き、アンカースクレーパーが完全な熱伝達を確保して焼き付きを防ぎます。デッドゾーンのない衛生的な設計により、GMP 準拠と滅菌製品の簡単な洗浄がサポートされます。 製品を見る→

高せん断混合を完全な処理ラインに統合

高せん断ミキサーは単独では動作しません。一般的な飲料または乳製品ラインでは、高せん断タンクは、貯蔵タンク、加熱/冷却ジャケット、CIP システム、低温殺菌装置と連携して動作します。特にラインが自動化されている場合、ミキサーがどのように制御され洗浄されるかを理解することが不可欠です。

顔料および化学薬品の製造の場合、構成はより単純です。加熱または冷却を備えた高せん断タンクで、いくつかの古い機器を置き換えることができます。 スキッドマウントまたはタンクベースの設計により、設置時間が短縮され、プロセスの検証が容易になります。

顔料および塗料粉砕用の工業用高せん断ミキサー 高固形分分散用に設計されたこのミキサーは、歯付き分散ディスクを使用して顔料の凝集を破壊し、一貫した色を実現します。耐摩耗性合金と防爆規格により、研磨コーティングや化学バッチに適しており、設備の必要性が軽減されます。 製品を見る→

高せん断混合は単一の装置ではありません。それはプロセス上の決定です。製品仕様から始めて、必要な液滴または粒子サイズを確認し、バッチ操作に適合するタンクまたはインライン構成を選択します。 最も信頼性の高い結果は、モーター出力のみを比較することではなく、実際のマシンの形状を使用して実際の配合をテストすることによって得られます。

新しいラインを計画している場合、または既存のラインをアップグレードしている場合は、タンク、ミキサー、およびそれらの周りの制御装置を供給できる機器メーカーとプロセス全体について話し合う価値があります。 お問い合わせ お客様のプロセスパラメータを使用して、実用的な高せん断ソリューションの定義をお手伝いします。