せん断乳化剤の選択とスケールアップ
ビーカー内では滑らかに見えるエマルジョンでも、1 日放置すると機能しなくなる可能性があります。通常の最初の対応は、界面活性剤を変更するか、増粘剤を追加するか、ミキサーをより長く運転することです。これらの変更は役立つかもしれませんが、中心的な質問、つまりプロセスによってどのような液滴サイズ分布が作成され、配合物はそれを保持できるのかという質問には答えていません。せん断乳化剤はその分布を作成および制御するために使用されますが、これは普遍的な解決策ではありません。その値は、油相、水相、安定剤、粘度、温度、装置の操作方法によって異なります。
せん断乳化機は、小さな作業ゾーンに強力な機械エネルギーを加えることにより、その出発点を変えます。バッチ全体を穏やかに動かす代わりに、混合物をローター・ステーターヘッドに強制的に通過させ、そこで液滴が引き伸ばされ、破壊され、界面活性剤と接触させられます。その結果、配合とプロセスが一致している場合に限り、分布が狭い、より微細なエマルジョンが得られます。 TENCAN 供給する せん断乳化剤 このタイプの作業の場合、選択プロセスは単一のマシンの設定ではなく、乳剤の要件から始める必要があります。
撹拌機ではできない剪断乳化機の機能
撹拌タンクでは油と水を混合できますが、混合は乳化ではありません。シンプルなインペラがバルクフローを生み出します。容器全体に液滴を分散させますが、局所的な剪断力が制限されるため、大きな液滴が残り、分布が広くなることがよくあります。せん断乳化剤は、集中した高せん断領域を作成します。ローターはぴったりとフィットしたステーターの内側で回転し、混合物は作業ヘッドに繰り返し引き込まれ、加速され、スロットまたは開口部を通って押し出され、排出されます。 1 回のパスでは安定した液滴サイズが得られることはほとんどないため、繰り返し通過することが重要です。
ローター・ステーター作動ゾーン
作業ヘッドは機械の心臓部です。形状、クリアランス、スロット設計、ローター速度はすべて、ポンピングとせん断のバランスに影響します。クリアランスが狭く、スロット形状が攻撃的な工具は、強いせん断を発生させる可能性がありますが、熱が加わり、流れが制限される可能性もあります。よりオープンなツールは、より幅広い液滴サイズ分布を与えながら、粘性材料をより簡単に処理できます。このため、作業ヘッドはバッチの量だけでなく配合に合わせて選択する必要があります。同じドライブでも、2 つの異なるローター/ステーター ツールを使用すると、まったく異なる動作をする可能性があります。
液滴の分裂はまだ半分に過ぎない
乳化には 2 つの競合するプロセスが含まれます。せん断力により液滴がバラバラになり、衝突により液滴が再結合します。界面活性剤分子は、新しく作成された表面を安定化させるのに十分な速さで新しい界面に移動する必要があります。吸着が遅い場合、界面活性剤が不十分な場合、または界面張力が高すぎる場合、小さな液滴は形成後すぐに合体します。したがって、ミキサーは、熱いうちは見栄えが良く、冷却後に分離する微細なエマルジョンを生成します。せん断乳化剤は、液滴を離しておくための界面被覆率や粘度が不足している配合物を補うことはできません。
バッチ、インライン、および少量の操作
せん断乳化剤はいくつかの実際的な配置で使用されます。バッチユニットは容器内で動作し、トップエントリー、ボトムエントリー、または可動スタンドに取り付けることができます。インラインユニットは循環ループまたは連続ラインに設置され、作業ヘッドを通る流れに依存します。研究室では小容量ユニットが一般的であり、スクリーニングには数百ミリリットルで十分な場合があります。各配置には異なるせん断履歴があります。バッチ容器では、一部の材料はヘッドを何度も通過しますが、壁近くの材料はあまり通過しない場合があります。インラインループでは、流量とループボリュームからパス数を見積もるのが簡単です。選択する前に TENCAN 剪断乳化機の使用量、粘度範囲、バッチモードまたはインラインモード、洗浄方法を確認してください。
予混合と供給順序
通常、せん断乳化剤はすべての成分を最初に組み合わせるわけではありません。予混合は、油相が大きな島として分散しているかどうか、界面活性剤が溶解しているかどうか、固体が湿っているかどうかに影響します。オイルを追加する前に供給順序によって粘性のあるゲルが生成される場合、ローター/ステーター ヘッドには、後で認識されるものとはまったく異なる材料が認識される可能性があります。オイルの添加が速すぎると、作業ゾーンに過負荷がかかり、エマルジョンが一時的に反転する可能性があります。したがって、送り速度と添加順序はプロセス変数として扱う必要があります。同じせん断乳化剤でも、供給順序が変わると、同じ配合から異なる結果が生じる可能性があります。
ハードウェアを選択する前にエマルジョンを定義する
ターゲットを高せん断ミキサーの要求としてではなく、測定可能な要件のセットとして記述すると、機器の選択の信頼性が大幅に高まります。要件は最初から完璧である必要はありませんが、成功とはどのようなものなのか、プロセスでどのような制約を尊重する必要があるのかを定義する必要があります。
目標の液滴サイズと分布
平均的な液滴サイズだけでも問題が隠れている可能性があります。同じ平均値を持つ 2 つのエマルションは、一方の分布が狭く、他方のエマルションには大きな液滴の尾部が含まれるため、異なる挙動を示す可能性があります。大きな液滴はクリーミングを促進する可能性がありますが、非常に小さな液滴は粘度を高めたり、オストワルド熟成の影響を受けやすくしたりする可能性があります。関連する範囲と許容可能なスパンを定義し、顕微鏡、レーザー回折、またはその他の検証された方法を使用してそれを確認します。せん断乳化剤は、一度の目視観察ではなく、規定のパス数または規定のバッチ時間後に生成される分布によって評価する必要があります。
粘度と位相の挙動
粘度は、ポンピング、滞留時間、実際に界面に到達するエネルギー量に影響します。低粘度の水中油システムはローターとステーターのヘッドを容易に通過できますが、泡立ちや排水が不十分になる場合もあります。高粘度のクリームまたはペーストには、異なる作業ヘッドと異なる供給戦略が必要になる場合があります。加工中の粘度は冷却後に測定される粘度と異なる可能性があるため、非ニュートン挙動によりさらに複雑な問題が発生します。材料がゲル、ラメラ相、または高内相エマルジョンを形成する場合、選択したせん断乳化剤は、停止したりデッドゾーンを作成したりすることなく、その変化に対処できなければなりません。
界面活性剤、界面張力、安定剤
界面活性剤システムは、新しい界面をどれだけ早くカバーできるかを決定します。単一の界面活性剤は、ある温度では機能しても、別の温度では機能しない場合があります。ブレンドすると、より堅牢なフィルムが生成される可能性がありますが、競合する相や泡が生成される可能性もあります。ポリマー安定剤は連続相の粘度を高め、液滴の動きを遅くしますが、ローター/ステーターヘッドが微細な液滴を生成する能力を低下させる可能性もあります。したがって、プロセスウィンドウは、意図した界面活性剤システム、意図した濃度、意図した添加順序でテストする必要があります。単純な油と水のモデルでは適切に機能するせん断乳化剤が、実際の配合物では異なる動作をする可能性があります。
温度と熱に対する敏感さ
せん断ゾーンの機械エネルギーは部分的に熱に変換されます。少量のバッチではすぐに温まる可能性があり、温度に敏感な成分は界面または保持中に劣化する可能性があります。先端速度を高くすると、液滴のサイズが小さくなりますが、温度が上昇し、空気の巻き込みが促進されます。配合物にタンパク質、揮発性活性物質、または熱に敏感なポリマーが含まれている場合、プロセスには冷却、短時間の実行、または低エネルギーツールが必要になる場合があります。乳化前、乳化中、乳化後の温度を記録します。ウォーターバスだけで作業ヘッド内の温度を制御するとは考えないでください。
水質とイオン環境
水は不活性なバックグラウンドではありません。硬度、pH、溶解塩、微量汚染物質により、界面活性剤の挙動と界面電荷が変化する可能性があります。脱イオン水中で安定なエマルジョンは、プロセス水を使用して作成するとクリーム状になったり凝固したりする可能性があります。製品が別の場所で製造される場合は、現地の水をテストするか、水の仕様を定義してください。イオン強度は、増粘ポリマーの性能や一部の界面活性剤の水和にも影響を与える可能性があるため、同じせん断乳化剤設定でも、水源を変更した後に同じ液滴分布が再現されない可能性があります。
汚染と材料の適合性
製品と接触する材料、シール、および潤滑剤は、配合物および洗浄剤と適合する必要があります。研磨顔料、高塩分系、および溶剤により、摩耗率や抽出可能なプロファイルが変化する可能性があります。製薬、化粧品、食品関連の作業では、混合原理そのものよりも洗浄と検証の要件がシールと表面仕上げの選択に影響を与える可能性があります。せん断乳化剤は、接液材料、洗浄手順、およびメンテナンスのアクセスが用途に適合する場合にのみ適しています。
せん断乳化機の内部: 結果を変える変数
エマルジョンのターゲットを定義したら、次のステップは、どの機械変数が調整可能で、どの変数が設計によって修正されるかを理解することです。目標は可能な限り最高速度で走ることではありません。目標は、配合物に損傷を与えることなく必要な分布を生み出す再現可能なせん断履歴を提供することです。
ローターとステーターの形状とツールの選択
ローターの直径、ステーターのスロット幅、クリアランス、歯の数によって、局所的なせん断特性とポンピング特性が決まります。目の細かい工具は強力なせん断作用を生み出すことができますが、限られた粘度または固体荷重しか扱えない可能性があります。粗いツールはより多くの材料を移動できますが、より大きな液滴が残る可能性があります。多くのプログラムでは、スクリーニングには 1 つのツールが使用され、スケールアップには別のツールが評価されます。ギャップが小さいほど常に優れた乳剤であると仮定するのではなく、テストデータに基づいて選択を行う必要があります。の TENCAN せん断乳化剤の製品ページ 試行計画を作成する前に、利用可能な構成を確認するための参照点です。
先端速度とせん断速度
ローター速度は rpm で報告されることがよくありますが、rpm だけではせん断強度を表しません。ローターの直径と回転速度から計算される先端速度は、ローターの外縁での速度を反映するため、より有用です。中程度の rpm での大型ローターは、高 rpm での小型ローターと同様の先端速度を生成できますが、流動パターンと滞留時間は異なります。スケールアップの場合、先端速度は開始パラメータであり、完全な答えではありません。ギャップの形状、パスの数、および流体の滞留時間も結果に影響します。
滞在時間とパスの回数
乳化は蓄積されます。特に粘性のあるシステムや界面活性剤が制限されたシステムでは、液滴が目標サイズに達するまでに高せん断ゾーンを数回通過する必要がある場合があります。バッチ操作では、パス数は容器全体で均一ではありません。インライン運転では、循環流量とループ容積からパス数を推定できますが、短絡やデッドボリュームにより推定が狂う可能性があります。実際の試験では、混合時間、可能であれば循環速度、および結果として得られる液滴サイズをいくつかの時点で記録する必要があります。これにより、配合限界と不十分なせん断履歴を区別することが可能になります。
エネルギー入力とモーター負荷
消費電力は、マシンの動作状況を示す有用な指標となりますが、スケールアップの唯一のパラメータとして使用するべきではありません。モーター負荷が高いということは、製品の粘度が高くなっているか、作業ギャップが部分的に塞がれているか、またはツールがバッチに対して攻撃的すぎることを意味している可能性があります。荷重が低い場合は、ヘッドが完全に浸されていないこと、または材料が高せん断ゾーンを迂回していることを示している可能性があります。電力、温度、製品の外観を一緒に追跡します。運転中にモーターの負荷が急激に上昇し、同時に製品の温度も上昇した場合、そのプロセスによりエマルジョンが改善されるのではなく、望ましくない粘度の上昇が生じている可能性があります。
エアレーション、泡、表面活性
高せん断装置は、特にローターが表面近くにある場合、または配合物に強力な界面活性剤が含まれている場合に、空気を巻き込む可能性があります。泡は取り扱い上の問題だけではありません。気泡は液滴サイズの測定を妨げ、熱伝達を低下させ、エマルションの有効密度を変化させる可能性があります。場合によっては、気泡界面が界面活性剤を求めて油水界面と競合することがあります。泡立ちが観察された場合は、充填レベル、作業ヘッドの位置、供給方法、および消泡方法を確認してください。泡の問題を解決するために速度を上げると、多くの場合、問題が悪化します。
クリーニング、交換、摩耗
作業ヘッドは狭い通路を作り、製品が閉じ込められる可能性があります。特に処方が頻繁に変更される場合、または微生物制御が重要な場合には、洗浄をプロセスに組み込む必要があります。せん断乳化機は、毎回同じ方法で簡単に分解、検査、再組み立てできる必要があります。シールの摩耗とローターの摩耗により、せん断ギャップと流れのパターンが変化する可能性があるため、メンテナンス記録をエマルジョンの品質データにリンクする必要があります。何度も成功した後、バッチが突然粗くなった場合は、摩耗または工具の損傷が原因の 1 つとして考えられますが、最初に配合の変動と原材料の変更を確認する必要があります。
ベンチトライアルから生産まで: せん断乳化機のスケール調整
スケールアップは、同じ速度を維持することの問題として扱われることがよくあります。生産容器の形状、伝熱面、流れのパターンが異なるため、このアプローチは信頼できません。より防御可能なアプローチは、主要なエマルジョン特性を特定し、それを小規模で測定し、その後、より大きな装置で関連するせん断条件と滞留時間条件を再現することです。
RPMだけでなくせん断履歴を保存
実験室ユニットが特定の先端速度で一定時間動作する場合、生産ユニットは同じ先端速度を達成するために異なる rpm を必要とする場合があります。その場合でも、パスの数と局所的なエネルギー散逸は異なる可能性があります。バッチ装置の場合、作業ヘッドの直径と容器の直径の比、充填レベル、およびヘッドの位置がすべて重要です。インライン装置の場合、流量、ループ容積、および作動ヘッド全体の圧力降下が重要です。スケールアップ計画には、どの変数を一定に保ち、どの変数を変更できるかを明記する必要があり、単一の点ではなく範囲を含める必要があります。
幾何学的類似性には限界がある
実験室用剪断乳化機を生産システムと比較した場合、幾何学的に完全な類似性が得られることはほとんどありません。シャフトの長さ、ベアリングの設計、モーターの出力、掃除のアクセスなどすべてが変わります。その結果、大型の機械では小規模な流れ場を正確に再現できない可能性があります。これが、パイロットトライアルが価値のある理由です。パイロットランでは、本格的な生産規模に着手する前に、配合物が滞留時間、温度上昇、空気混入の影響を受けやすいかどうかを明らかにできます。パイロットスケールが利用できない場合は、最初の生産バッチを追加のサンプリングを含む検証バッチとして扱う必要があります。
トライアルの前に合格基準を定義する
合格基準には目視チェック以上のものを含める必要があります。製品に応じて、液滴サイズ分布、粘度、降伏応力、色、pH、微生物の状態、加速条件下での安定性が含まれる場合があります。容器の上部からサンプリングされたエマルジョンがバッチ全体を表すとは限らないため、方法とサンプリングポイントを定義する必要があります。試験では、中央のサンプルは良好ですが、上部のサンプルは不良でしたが、混合の問題は解決されていません。せん断乳化機、容器、サンプリング計画は 1 つのシステムとして評価する必要があります。
構造化されたパイロット計画を実行する
単純なパイロット計画では、他のすべてを固定したまま、2 つまたは 3 つのチップ速度、2 つの混合時間、および 2 つの供給順序を比較できます。通常、これは一度に多くの変数を変更するよりも有益です。操作ウィンドウが見えるように、結果をプロセス変数に対してプロットする必要があります。ウィンドウは、通常の原材料の変動やオペレーターのタイミングに合わせて十分な幅を持つ必要があります。エマルジョンが 1 つの狭い設定でのみ機能する場合、実験室の結果が優れているように見えても、製造は脆弱になります。
技術移転のための文書
技術移転には、実際の装置構成、ツールの識別、バッチサイズ、供給順序、温度プロファイル、およびサンプリング計画を含める必要があります。高速で混合するなどの表現では十分ではありません。受け取りチームは、どの速度で、どのくらいの時間、どのツールを使用し、どの製品温度で行ったかを知る必要があります。組み立てられた作業ヘッドと容器のセットアップの写真を撮ることで、サイト間でのコストのかかる差異を防ぐことができます。プロセスが検証された場合は、ドキュメントで再検証が必要な変更を定義する必要があります。
せん断乳化機における一般的なエマルションの問題のトラブルシューティング
エマルジョンの問題のほとんどは、せん断力を高めるだけでは解決できません。以下の症状にはいくつかの原因が考えられますが、適切な対応は、制限が製剤、機器、手順のいずれによるものであるかによって異なります。
クリーミングまたは沈降
クリーミングは分散した液滴が上向きに移動するのに対し、沈降は分散した固体が下向きに移動することです。どちらも、連続相が粒子を離しておくことができないか、液滴サイズが大きすぎることを示しています。まず液滴の分布を確認します。大きな液滴の尾部が存在する場合は、パス数、ツールの形状、および送り順序を見直してください。分布がすでに良好な場合、問題は、消耗凝集、不十分な降伏応力、または配合では克服できない密度差である可能性があります。せん断量を増やしても、連続相によって生じる安定性の問題は解決されません。
凝集、油落ち、保存期間の短さ
合体は、表面上の油滴、油膜、または液滴サイズの漸進的な増加として現れます。多くの場合、界面の被覆が不十分であること、界面活性剤が適合しないこと、または温度の変動が原因であることがわかります。処理直後のエマルジョンが安定しているかどうか、また冷却または保管後に安定しなくなっていないかどうかを確認します。冷却中に障害が発生した場合は、界面活性剤システムの相が変化している可能性があります。加工中に発生した場合は、過度のせん断または局所的な過熱により界面が損傷している可能性があります。チップ速度を低くするか、高せん断ステージを短くすると、過剰な処理が減り、安定性が向上する場合があります。
広いまたは二峰性の液滴サイズ分布
不完全な処理、不適切な予混合、または剪断後の再結合により、広範囲に分散する可能性があります。サイズ分布が二峰性である場合、1 つの集団は高せん断ゾーンを通過した液滴を表し、別の集団は高せん断ゾーンを迂回した液滴を表す可能性があります。バッチ容器では、作業ヘッドの位置が適切でない場合、またはバッチの粘度が高すぎて循環できない場合に、これが発生する可能性があります。インライン ループでは、ループにデッド ゾーンがある場合、または流量が低すぎて固形物を懸濁したままにできない場合に発生する可能性があります。配合を変更する前に、フローパターンを確認してください。
発泡と空気混入
泡は、タンパク質、サポニン、または高レベルの界面活性剤を含む系でよく見られます。また、ローターが部分的に露出している場合や、戻り流がヘッドスペースを通って落ちる場合にも発生することがあります。最初に充填レベルと作業ヘッドの位置を確認してください。製剤が本質的に泡状である場合は、速度を遅くするか、異なる供給方法を使用すると効果がある場合があります。消泡剤は効果的ですが、液滴のサイズや安定性に影響を与える可能性があるため、後から追加するのではなく、配合の一部として評価する必要があります。
バッチ間の変動
ばらつきは、制御されていないタイミング、温度、または原材料の違いによって生じることがよくあります。オペレーターは、再現不可能な視覚的なエンドポイントで停止する場合があります。せん断乳化機の試験では、エネルギー入力または混合時間、温度制限、およびサンプリングポイントを定義する必要があります。実際の rpm、使用したツール、バッチ サイズ、およびパス数 (該当する場合) を記録します。変動が続く場合は、入ってくる原材料の粒子または液滴のサイズを比較してください。オイルの粘度や界面活性剤の品質が変化すると、機械の設定が変わらない場合でもエマルジョンが変化する可能性があります。
処理を停止するタイミング
せん断力が大きいほど必ずしも良いとは限りません。液滴分布の変化が止まると、追加の処理は熱、空気、摩耗を加えるだけになる可能性があります。時間を調査すると、収益逓減点がわかるはずです。その時点で目標に達していない場合、制限要因は混合時間ではなく、界面活性剤の適用範囲、粘度、またはツールの選択である可能性があります。定義された終点で停止することは、バッチが十分に白く見えるか、または十分に厚く見えるときに停止するよりも再現性の点で優れています。
実用的な選択チェックリスト TENCAN せん断乳化剤
以下のチェックリストは、一般的な要求をテスト可能な機器仕様に変えることを目的としています。すべての項目がすべてのプロジェクトに当てはまるわけではありませんが、それぞれの項目は乳化剤が一貫した結果を生み出すことができるかどうかに直接影響します。
- 作業量とバッチサイズの範囲（作業ヘッドをカバーするために必要な最小量を含む）。
- 冷却後の最終粘度だけでなく、加工中に予想される粘度。
- ターゲットの液滴サイズ分布とその測定に使用される分析方法。
- バッチ、インライン、または少量の操作と利用可能な容器またはループの容量。
- 温度制限、冷却能力、許容可能な処理時間。
- 供給順序、添加速度、固形物や高融点成分の有無。
- 接液材料、シールの適合性、および洗浄または検証の要件。
- 発泡傾向と消泡または真空操作が必要かどうか。
- 利用可能なユーティリティ、モータ負荷、組立・清掃に必要なスペース。
- 技術移転、メンテナンス、交換部品に関する文書の必要性。
を使用します。 TENCAN せん断乳化剤 ページにアクセスして利用可能な製品構成を確認し、その情報をトライアル要件と比較します。アプリケーションに高粘度、研磨性固形物、揮発性溶剤、または厳密な洗浄検証が含まれる場合は、装置を選択する前にそれらのポイントを引き上げてください。単純な水中油型ローションには適した機械でも、充填ペーストや溶剤系分散液には適さない場合があります。
よくある質問
せん断乳化剤はホモジナイザーと同じですか?
これらの用語は重複していますが、どの企業や市場でも同じというわけではありません。せん断乳化機は通常、ローター/ステーター作動ヘッドに依存しますが、ホモジナイザーは別のバルブ、ノズル、または高圧原理を使用する場合があります。製品名だけでなく、実際の動作メカニズムと液滴サイズのデータを比較してください。
乳剤には何回のパスが必要ですか?
普遍的な番号はありません。それは配合、粘度、ツールの形状、ターゲットの分布によって異なります。タイムスタディまたはパススタディを実行し、分布が意味のある変化をしなくなったとき、または配合物が熱や空気による損傷を示し始めたときに停止します。
せん断乳化機は高粘度の製品にも対応できますか?
一部は可能ですが、粘度はポンピング、モーター負荷、使用可能な作業量に影響します。作業ヘッドや送り方法を変更する必要がある場合があります。実際の配合物を使用した試験は、一般的な粘度評価よりも信頼性が高くなります。
大型の機械に変更すると乳剤が粗くなるのはなぜですか?
大型の機械では、先端速度、滞留時間、または流れパターンが異なる場合があります。また、バッチの加熱方法が異なる場合もあります。回転数だけでなく、せん断履歴と温度プロファイルを比較し、段階的にプロセスを調整します。
エマルジョンの品質は、配合、プロセス、設備の組み合わせによって構築されます。生産規模に着手する前に、ターゲットの液滴分布を確認し、実際の配合をテストし、せん断履歴を定義する変数を記録します。せん断乳化機は、材料に合わせて選択され、検証されたウィンドウ内で操作される場合、正確なツールになります。プロセスが単一の速度設定または視覚的なエンドポイントによって定義されている場合、これは変動の原因になります。 TENCAN、Changsha Tianchuang Powder Technology Co., Ltd は、その作業の装置側をサポートできますが、最終的な検証は常に実際の配合からの測定結果に基づく必要があります。