卓上型クイックホモミキサー（ビーカーワーク）

一番最初に試作するのは，ビーカーワークになるかと思います。

例えば，後述する卓上型クイックホモミキサー等を使用すことが多いです。

ところで，「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想定したときに必要とする撹拌工程があります。

そして，各工程で行う実際の撹拌操作として，下図で示す1~7.のように考えます。

この段階では”処方的な力”を検証することがメインであり，どちらかというと”機械的な力”に相当する撹拌は補助的に使用することになります。

Gibbsの相律（界面へ拡張）

処方的な力が出てきたので，一旦難しい話をしておきます。

処方的な力は，①温度，（②圧力），③各相の化学組成・濃度が取り得る変数によって決まるとしてきましたが理由があります。

それは，Gibbsの相律で自由度という考え方があるからです。

📝[memo]　あくまでも参考的な内容ですので，読み飛ばしていただいても問題ありません。

ここでは，界面の影響を考慮した特殊な自由度を定義します。

いわゆる熱力学や物理化学で登場する式にアレンジが加えられています。

まずは式だけを見て，O/W型エマルションについて実際に自由度の計算をしてみましょう。

すると，自由度が3になるので，上述した①②③が該当するというイメージです。

📝[memo]　昔、大学で先生方と議論した内容を紹介する形になりますが，界面を含む自由度の式の出典を失念してしまいました。（おそらくPrigogine著作の海外の本だったはず…）

• 成分の数 c = 3 👉 水・油・界面活性剤
• 相の数 p = 2 👉 水相・油相（界面活性剤は相として考えないのが通説です）
• 界面の数 φ = 1 👉 油/水界面
• 界面のタイプ s = 1 👉 油/水タイプ
• 自由度 f = 3 👉 ①温度・（②圧力）・③ケミカルポテンシャル ≒ 濃度

📝[memo]　厳密にはケミカルポテンシャルという概念ですが，ここではわかりやすいように”濃度”へ置き換えて大丈夫です。

自由度のイメージ

Gibbsの相律で自由度という式を紹介しましたが，一体何を意味するのでしょうか？

12個のリンゴを買ったとき，支払金額・リンゴ代・箱代の関係からどのようなことがわかるかを考えてみましょう。

O/W型エマルションの自由度は3であるので，その状態は①温度，（②圧力），③各相の化学組成・濃度によって決まってくることが見えてきます。

📝[memo]　基本的には，連立方程式や関数の考え方に近いです。

自由度0

• 支払金額：2500円
• リンゴ代：200円/個
• 箱代：100円

12個のリンゴを買ったという事実から，支払金額・リンゴ代・箱代が明らかで確定しており，これらを自由に変更することができません。

未知数（変数）が存在しません。

例えば，支払金額が2500円だったけど，実は3000円でしたということが生じ得ないということです。

すなわち，内訳の自由がない＝自由度0として考えます。

自由度1

• 支払金額：2500円
• リンゴ代：?円/個
• 箱代：?円

12個のリンゴを買ったという事実があり，支払金額が2500円であることは間違いありません。

しかしながら，リンゴ代・箱代がわかっていません。

例えば，リンゴ代が100円/個だったとすると，箱代は1300円であったことがわかります。

一方で，箱代が700円だったとすると，リンゴ代は150円/個であったことがわかります。

未確定な要素はリンゴ代・箱代の2つがありますが，リンゴ代がわかれば箱代が計算により求まります。

同様にして，箱代がわかればリンゴ代が確定します。

したがって，未確定な要素は2つありますが，未知数（変数）としては1つになります。

すなわち，内訳の自由が1つある＝自由度1として考えます。

自由度2

• 支払金額：?円
• リンゴ代：?円/個
• 箱代：?円

12個のリンゴを買ったという事実がありますが，支払金額がわかりません。

ここで，上述した通り支払金額が2500円であると仮定したいと思います。

例えば，リンゴ代が100円/個だったとすると，箱代は1300円であったことがわかります。

一方で，箱代が700円だったとすると，リンゴ代は150円/個であったことがわかります。

支払金額が2500円以外であっても，同じように考えることができます。

このように，支払金額・リンゴ代・箱代のうち2つがわかると，リンゴ購入時における内訳が確定します。

今回の場合は未確定な要素は3つありますが，未知数（変数）としては2つになります。

すなわち，内訳の自由が2つある＝自由度2として考えます。

卓上型クイックホモミキサーでできること

それでは，卓上型クイックホモミキサーを使用して検証することを考えます。

最初に実際の撹拌操作を紹介しましたが，一体何ができるでしょうか？

エマルションの組成

処方的な力から発展してGibbsの相律における自由度で説明した通り，③各相の化学組成・濃度が適切であるか否かを検証します。

併せて，①温度（乳化時の温度・冷却速度）が適切であるか否かも検証します。

添加順

特殊な水溶液かもしれませんが，食塩と砂糖が溶解した”塩糖水”を考えます。

最終的な食塩と砂糖の組成が合っていれば，それらの添加順を変えたり途中に加熱・冷却を挟んだりしても，最終状態である塩糖水は同じと考えます。

しかしながら，エマルションの場合は異なります。

油相や水相の添加順によって，最終のエマルションの状態が異なります。

したがって，エマルション調製に必要な原料の添加順まで検証しなければなりません。

📝[memo]　乳化粒子の大きさや安定性が変化します。

📝[memo]　少し踏み込んだ話は，「乳化撹拌装置の基礎データ【高速撹拌機の使用例 《PITケンサー》」のページで紹介する予定です。

このように，検証できることは実際の撹拌操作の中でも乳化工程に限られることがわかっています。

言い換えると，その他の工程では人間の手が行っています。

今回の事例では，”4. 乳化準備”と”6. エマルションの調製”に限られます。

すなわち，卓上型クイックホモミキサー（ビーカーワーク）を使用すると，乳化ができるか否かの評価のみをすることができると言えます。

スケールアップの検討モデル

ここでは，「スケールアップ理論を考えてみよう ー 乳化編【スケールアップによる製造規模の変更】」のページで紹介したように，10倍ずつ装置の大きさを変えてスケールアップをしてみましょう。

理論的な話を中心に進めてきましたが，乳化撹拌装置の仕様や実際の操作上の問題で検討することが増えてくるかもしれません。

📝[memo]　乳化や冷却以外の要因を含めて検討してみます。

ここでは，次のようなモデルを考えます。

ビーカーワークにてクリーム状エマルションの試作をしたところ，良い結果が得られました。

そこで，試験機による試作（検討①）に取り組むことになりました。

続いて，中間機による試作（検討②）に取り組むことになりますが，これは別の機会にお話しすることにします。

📝[memo]　評価方法については，「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】」のページで紹介した手法を採用することを想定しますが，ここでは深く踏み込んで考えないことにします。

クリーム状エマルションは，次の原料から調製されるとします。

まずは油相25 [wt%]、水相75 [wt%]のO/W型エマルションであることがわかればOKです。

「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ように，撹拌は液体を想定しています。

固体の撹拌はダメ！というわけではありませんが，液体よりは撹拌が難しい可能性があります。

特徴的な物性を有する固体を使用する場合，撹拌で何か問題が生じたら嫌だな位の意識をしておくと良いかもしれません。

📝[memo]　当然ながら，結果的に全く問題にならないことも十分考えられます。

撹拌装置を使用すると…

ビーカーワークに続いて試験機による試作を実施する！という流れを当たり前に説明しましたが，どのようなメリットがあるのでしょうか？

当たり前の内容があるかもしれませんが，ここで整理をしておきましょう。

撹拌装置を使用するという意味ですが、小さな容器で手撹拌するより大型の撹拌装置で一気に処理した方が，「省エネ」で「省力化」になることが期待できます。

想像できることですが，撹拌装置に任せた方が効率的ということですね。

次に，撹拌機を使用する意味を考えます。

これは，「撹拌をやさしく捉えてみよう【撹拌作用の使い分け】」のページで紹介した内容を言い換えたものになります。

吐出作用

「時間短縮」して，必要生成物を迅速に生産することが可能となります。

撹拌で物質を動かすことができた結果，引き起こされる現象を述べたものですね。

微細化作用

自然現象では起こり得ない「新物質」（＝「新状態」）を作り出すことが可能となります。

撹拌で物質を細かくすることができた結果，引き起こされる現象を述べたものですね。

試験機による検討の意義

では改めて，試験機による試作をすることの意味について考えます。

最終目標は，ホモミキサーを備えた乳化撹拌装置（生産機）を使用して製品を製造することです。

撹拌装置に任せた方が効率的ということでした。

…ということは，乳化撹拌装置が使用できることが大前提となります。

そのため，生産機が使用できるためには，ビーカーワーク（手作業）で行ってきた工程を機械で再現する必要があることがわかります。

そして，機械で再現するために試験をしなければなりませんが，まずは小さな装置で試したいところです。

そこで，試験機を用いた試作によってこれを確認するというのが意義になります。

試験機には，高速撹拌機であるホモミキサーと低速撹拌機である掻取ミキサーが取り付けられています。

乳化槽はガラス製なので，中の様子を容易に確認することができます。

特に高速撹拌機に着目すると，交換羽根が4種類あります。

試作を通して，最適な高速撹拌機を選定することができます。

クリーム状エマルションの試作工程（3 L）

次のような工程で，クリーム状エマルションの試作をすることを考えます。

「乳化撹拌装置でスケールアップをしてみよう【試験機による試作の流れ】」のページで一連の流れを動画にして紹介しますが，ここでは概要を掴んでいただければと思います。

① 油相の均一混合

② 水相の均一混合

③ （なし）

④ 乳化準備

⑤ 水相の投入

⑥ エマルションの調製

⑦ エマルションの冷却

⑧ エマルションの分析・評価

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長々と説明をしてきましたが，ほとんど前置きだけで終わってしまいました。

次の「乳化撹拌装置でスケールアップをしてみよう【試験機による試作の流れ】」ページでは，実際に（作業としての）スケールアップをしていきますね。