乳化中の冷却および加熱温度サイクルの影響

乳化反応とは何ですか？

乳化 乳化とは、ある液体の小さな液滴が別の混ざらない液体に均一に分散するプロセスです。これは、液体と液体の界面現象です。油と水など、混ざらない 2 つの液体を容器に入れると、2 つの明確な層に分離します。油は密度が低いため、水の上に浮きます。適切な界面活性剤を加えて混合物を激しくかき混ぜると、油が水中に分散してエマルジョンを形成できます。乳化と呼ばれるこのプロセスでは、液滴の分散を最適化するために、温度変化、溶媒の調整、または相転移が利用されることがよくあります。界面活性剤の好ましい曲率はこれらの条件下で変化し、制御された温度サイクル下で液滴が高エネルギー状態に分解しやすくなります。

混ざり合わない2つの液体、油と水の分離と、界面活性剤を加えて均一なエマルジョンを形成するプロセスを実演します。

乳化における世界的なエネルギー効率の課題

グローバル 乳化プロセス 年間約 1 億トンのエマルジョンを生産しています。しかし、従来の乳化技術のエネルギー効率は驚くほど低く、マイクロ液滴では 0.01% 未満です。この効率はサブミクロンのエマルジョンではさらに低下します。高せん断または高圧の機械装置により過剰な熱が発生し、多くの医薬品、化粧品、食品の成分と互換性がないためです。

転相自己乳化技術

より大きな分子を持つ非極性油については、転相自己乳化技術が開発されている。この技術は、温度変化または界面活性剤濃度の調整によって、好ましい界面曲率を変更する。その原理は、粗いエマルジョン内の液滴を凍結し、その後溶解させる温度サイクルを伴うため、液滴は自発的に分解される。従来の乳化法では、通常、内部と外部の両方を加熱する。 外部相は75°C～90°C 攪拌と冷却の前に行うため、エネルギーを大量に消費します。

温度がエマルジョンの品質に与える影響

乳化温度はエマルジョンの品質に大きく影響します。厳密な温度制限はありませんが、高融点物質の融点、乳化剤の種類、油相と水相の溶解度などの重要な要素を考慮する必要があります。また、両相の温度はほぼ同じである必要があります。たとえば、ワックスまたは高融点オイル (70°C 以上) を乳化する場合、低温の水相を導入するとワックスまたは脂肪結晶が沈殿し、粗いエマルジョンになる可能性があります。一般に、乳化は 75°C ～ 85°C で行われます。高融点オイルの場合は、温度をさらに上げる必要がある場合があります。

温度による粒子サイズの変化

乳化温度もエマルジョン粒子サイズに影響します。たとえば、脂肪酸石鹸アニオン乳化剤では、80°C で乳化すると粒子サイズが約 1.8～2.0 μm のエマルジョンが生成されますが、60°C では約 6 μm になります。ただし、非イオン性乳化剤の場合、温度が粒子サイズに与える影響は小さくなります。

温度サイクル中の液滴崩壊のメカニズム

分散したアルカン液滴に適用される冷却および加熱サイクルは、液滴の形状の大きな変化と分解メカニズムを引き起こします。

• M1: 冷却中に液滴が自然に破裂します。
• M2/M3: 凍結した液滴が溶けると破裂します。

1.5 wt% C16SorbEO20 界面活性剤で安定化されたペンタデカンエマルジョンの液滴の顕微鏡画像では、温度サイクル前後の構造変化が明らかになっています。0.2 K/分の冷却速度と1.6 K/分の加熱速度で測定されたこれらのサイクルでは、凍結融解 (F/T) サイクルの回数が増えるにつれて、平均液滴直径 (dN50 や d32 など) が減少することがわかります。

バルクエマルジョンの実験的研究

バルクエマルジョン実験では、15 ml のサンプルを 7°C で 2 時間凍結し、その後 25°C で融解しました。初期の冷却および加熱速度は ≈0.4 K/分で測定され、徐々に周囲温度まで低下しました。これらのサイクルにより液滴サイズが効果的に縮小され、温度に敏感な乳化プロセスにおけるその可能性が強調されました。

さまざまな業界への応用

自己乳化プロセスは、医薬品、化粧品、食品など、厳格な温度管理を必要とする業界での乳化物の製造に大きな可能性を秘めています。このアプローチは、従来の方法の課題である、高いエネルギー消費や敏感な成分との適合性の問題に対処します。

エネルギー効率と環境へのメリット

この技術は、冷却/加熱速度と温度範囲を最適化することで、エネルギー効率を改善し、環境への影響を軽減することができます。さらに、この方法は、ナノ分散液の安定化や高度な材料合成のための複雑なエマルジョンの生成など、他の用途にも拡張できます。

課題と今後の展望

自己乳化は大きな可能性を秘めていますが、一定の限界があります。たとえば、特定の温度範囲や界面活性剤に依存するため、幅広い材料への適用が制限される可能性があります。さらに、スケーラビリティと経済的実現可能性のためにプロセスを最適化するには、さらなる研究が必要です。

将来の進歩としては以下が考えられます:

• 分子動力学シミュレーションとの統合により、界面現象をより深く理解します。
• 自己乳化と超音波または機械技術を組み合わせたハイブリッド乳化法の開発。
• 環境に優しい界面活性剤とエネルギー効率の高い温度制御システムの探索。

結論

結論として、温度サイクル駆動型自己乳化は、効率と持続可能性を向上させた高品質のエマルジョンを作成するための有望な技術です。現在の課題に対処し、革新的なアプローチを活用することで、この技術はさまざまな業界の乳化プロセスに革命をもたらす可能性があります。

LNEYAの SUNDIシリーズ 動的温度制御システムは、120°C ～ 350°C の広範囲の温度と 0.5 ～ 1200kW の冷却能力を備え、正確でインテリジェントな温度管理を実現します。これらのシステムにより、優れた生産安定性と再現性が確保されます。高度なプレート熱交換器とチューブヒーターが装備されており、急速な加熱と冷却性能を発揮します。


超高温冷却技術を採用したこのシステムは、熱伝達媒体を蒸発させることなく 300°C から直接冷却できるため、-80°C ～ 190°C、-70°C ～ 220°C、-88°C ～ 170°C、-55°C ～ 250°C、-30°C ～ 300°C のさまざまな範囲で連続的な温度制御が可能です。


乳化反応において、SUNDI シリーズは人件費を削減するだけでなく、製品の品質と生産効率も向上させます。これらのシステムは、精度と信頼性を備えた産業プロセスを最適化するのに最適です。