バイオサイドを使用しない水性コーティングの滅菌と分散

水性コーティングは、低VOC処方、より安全な取り扱い、より持続可能な生産に対応できるため、広く使用されています。その一方で、水分を含むため、微生物汚染を非常に受けやすくなっています。細菌、酵母、カビは、製造中や保管中に、原材料、タンク、配管、充填システム、または周囲の環境への曝露を通じて製品に混入する可能性があります。いったん汚染が起こると、微生物は急速に増殖し、製品品質と保存期間の両方を損なう可能性があります。
このため、水性塗料、コーティング、インク、顔料分散液では、微生物学的安定性が重要な品質要因となります。

超音波処理は、一つの産業プロセスで顔料分散と微生物制御を組み合わせます

従来、メーカーは変質を抑えるために、防腐剤や容器内保存用バイオサイドに頼ってきました。しかし、規制圧力の高まりと、よりクリーンな処方への需要増加により、代替手段の探索が進んでいます。高強度の超音波処理は、一つの工程で分散と滅菌を同時に行えるため、非常に効果的な解決策となります。
コーティングメーカーにとって、これは超音波処理が単なる分散技術にとどまらないことを意味します。バイオサイド使用量を抑えた処方やバイオサイド不使用の処方戦略を支えながら、微生物学的安定性を改善する強力なプロセスツールでもあります。

水性塗料で微生物学的安定性が産業上きわめて重要な理由

微生物汚染は製品品質とプロセスの信頼性に直接影響します。微生物の増殖がさまざまな製品欠陥や生産上の問題を引き起こす可能性があるため、塗料の微生物学的安定性は産業上、非常に重要です。水性処方には、結合剤、分散剤、湿潤剤、増粘剤、消泡剤などの有機成分が含まれることがよくあります。処理中や保管中に汚染が生じると、これらの成分は微生物の増殖に適した環境を作り出す可能性があります。

産業の現場では、微生物制御が不十分な場合、次のような問題が生じる可能性があります。

• 粘度の経時変動とpHの変化
• ガスの発生と容器の膨張
• 悪臭と変色
• 貯蔵安定性の低下
• 塗膜欠陥と塗布挙動のばらつき
• 浸漬浴の場合 – 洗浄頻度の増加と汚染に伴う稼働停止

微生物による変質は、製品を損なうだけではありません。タンク、配管、再循環ループで繰り返し衛生上の問題を引き起こし、生産損失、手直し、顧客からの苦情、廃棄費用につながる可能性もあります。このため、微生物学的安定性は副次的な特性ではありません。商業的に成功する水性コーティングにとって、基本的な要件です。

水性コーティングにおける超音波処理の仕組み

音響キャビテーションは強いせん断を生み出し、それによって微生物を破砕します。高出力超音波は、音響キャビテーションを通じて作用します。超音波が液体を通過すると、微細な気泡が形成され、成長し、圧壊します。これらのキャビテーション現象は、局所的に非常に強いせん断力、乱流、圧力変動、マイクロジェットを発生させます。
水性コーティングでは、粒子と微生物の両方に同時に作用するため、これらのキャビテーション効果が有用です。顔料の凝集体は効率よく、より微細な粒子へと分解され、同時に微生物細胞は機械的に損傷して不活化されます。このため、分散品質と微生物学的安定性の両方が不可欠な処方において、超音波処理は特に魅力的です。

一つの工程で二つの重要な機能を実現

超音波処理は、顔料分散と微生物制御を別々の作業として扱う代わりに、一つの操作に組み合わせます。この二重の効果は、明確な産業上の利点をもたらします。

顔料の集塊を解凝集し、粒子を均一に分散させる超音波エネルギーは、コーティング中の生存微生物量も低減できます。その結果、超音波処理は次の効果を支えます。

• より微細で均一な顔料分散
• 着色力と光学的な均一性の向上
• 処理中の微生物汚染の低減
• 水性製品の貯蔵安定性の向上
• 防腐剤および容器内保存用バイオサイドへの依存度の低減

このため、超音波処理は、より持続可能で、成分表示がよりクリーンなコーティングシステムの開発において、非常に重要です。
 

超音波で分散させた二酸化ケイ素：赤の曲線 – 未処理、緑の曲線：超音波分散後

塗料顔料の分散と滅菌を同時に行う利点

1. 分散品質の向上がコーティング性能を改善
   顔料や充填材は、機械的エネルギーが不十分な場合には崩しにくい凝集体を形成することがよくあります。超音波処理は、強力かつ集中的なせん断を与えるため、解凝集と粒径の低減に非常に効果的です。より微細な分散により、発色、隠ぺい力、光沢、長期安定性など、最終的なコーティングのさまざまな性能特性が改善される可能性があります。
2. 同時滅菌がバイオサイドの削減を支援
   同時に、超音波キャビテーションは液相中に存在する微生物細胞を損傷させることができます。これにより、製品流中の汚染が低減され、化学的な保存処理だけに頼ることなく、微生物学的安定性の改善に役立ちます。バイオサイド使用量を抑えたシステムやバイオサイド不使用のシステムを目指すメーカーにとって、これは大きなプロセス上の利点です。
3. プロセス強化により複雑さを低減
   二つの主要なプロセス目標を一つのインライン工程に組み合わせることで、生産が簡素化されます。コーティングメーカーは、分散と微生物制御のために個別の処理段階を追加する代わりに、両方を一つの制御された超音波処理プロセスに統合できます。これにより取り扱い作業が減り、よりクリーンな生産が促進され、再現性が向上します。

バイオサイド不使用の処理が重要性を増している理由

規制、環境、市場の要求が処方戦略を変革
バイオサイド使用量を抑えたコーティングやバイオサイド不使用のコーティングへの移行は、いくつかの産業上の要因によって進んでいます。規制の枠組みは厳しくなり、環境面での期待は高まり、顧客は懸念される物質をより少なく含む、より安全で持続可能な製品を求めています。
このような状況では、物理的なプロセス技術が戦略上の重要性を増します。超音波処理は、ある添加剤を別の添加剤に置き換えるだけではないため、特に魅力的です。機械的エネルギーによって分散と微生物学的安定性の両方を改善する、非化学的な処理原理を導入します。

処方開発者や生産管理者にとって、これは次のような利点をもたらします。

• より持続可能な製品コンセプトの実現を支援
• 従来の防腐剤への依存度を低減
• プロセスの衛生状態を改善
• 次世代水性コーティングの市場での位置づけを強化

Hielscherの超音波処理装置が産業用コーティング製造に最適なソリューションである理由

再現性のある処理条件を実現する精密な制御

Hielscherの超音波処理装置は、産業プロセスの制御を目的として設計されています。コーティング製造では、処方の挙動が顔料の種類、固形分含有量、粘度、温度、流量、処理強度に依存するため、超音波処理パラメータの精密な制御が不可欠です。

Hielscherのシステムでは、次のような重要なプロセスパラメータを正確に調整できます。

• 振幅
• 圧力
• 流量 / 滞留時間
• 温度
• 投入エネルギー

この精密さにより、メーカーは顔料分散を最適化し、処方品質を改善するとともに、再現性のある微生物低減を実現できます。

超音波照射前(a)および30 minの超音波照射後(b)、(c)のB. subtilis栄養細胞のSEM画像。
研究および画像： © Hashimoto et al., 2020

超音波処理を強化する加圧可能なフローセル

圧力の上昇によりキャビテーション強度が増加
Hielscherの技術の主な利点の一つは、加圧可能なフローセル反応器を使用することです。圧力はキャビテーションの挙動に大きな影響を与えます。加圧下では、キャビテーションがより強力かつ効果的になり、特に高い要求が課される分散処理や連続的な微生物不活化に有用です。

加圧可能なフローセルは、次の効果を支えます。

• 超音波処理の強化
• より効果的な解凝集
• プロセス効率の向上

産業用コーティング工場にとって、これは超音波処理を、ラボ規模での実現可能性だけでなく、実際の生産処理能力や製品要件にも合わせて調整できることを意味します。

連続製造のためのインライン処理

超音波処理を生産ラインに直接統合できます
Hielscherの超音波処理装置は、インライン処理に非常に適しています。これにより、水性コーティングが生産システムを通過する間に、連続的に処理できます。インライン超音波処理は、不要なバッチの取り扱いを避けられ、移送ループ、再循環システム、専用プロセスラインに統合できるため、産業製造によく適合します。

インライン処理には、次のような明確な運用上の利点があります。

• 規定された条件下での連続処理
• 既存設備への容易な統合
• 手作業による取り扱いの削減
• プロセス効率と一貫性の向上

コーティングメーカーにとって、これにより超音波処理は実用的な生産技術となります。

超音波粉砕前後の噴霧乾燥TiO2

ラボから産業生産までの線形スケーラビリティ

異なる規模へプロセスパラメータを確実に移行できます
スケールアップは、プロセス開発における重要な課題です。Hielscherの超音波システムは、線形スケーラビリティを実現するよう設計されています。これは、ラボ規模やパイロット規模で確立したプロセス条件を、体系的に産業生産へ移行できることを意味します。
導入時のリスクを低減し、商業化の加速に役立つため、革新的な低バイオサイドコーティングを開発する企業にとって、これは特に重要です。

線形スケーラビリティには、次のような利点があります。

• プロセス開発の容易化
• 研究開発から生産への確実な移行
• より大きな処理能力でも予測可能な性能
• スケールアップ時の不確実性の低減

容易な洗浄と衛生的なプロセス設計

微生物学的安定性を目指す場合、洗浄性が重要です
微生物制御が主要なプロセス目標である場合、装置の衛生状態はさらに重要になります。Hielscherの超音波処理装置は、実用的な産業用洗浄と、衛生的なプロセス環境への容易な統合を考慮して設計されています。

容易な洗浄は、メーカーが次のことを実現するのに役立ちます。

• 装置内の汚染リスクの低減
• 微生物増殖の停止
• 洗浄および保守作業の時間短縮
• 繰り返される生産サイクル全体でのプロセス信頼性の向上

水性コーティングでは、タンク、滞留部、移送システムに汚染が残存する可能性があります。洗浄しやすい超音波装置は、製品の安定性と運用の堅牢性に直接貢献します。

グラインドメーター上の超音波処理済みチョーク塗料は、顔料の完全に均一な解凝集と粒度分布を示しています

産業品質保証のための再現性のある結果

コーティングメーカーには一貫性が不可欠です
産業用塗料の製造には、再現性が非常に高いプロセス結果が求められます。光学特性、レオロジー、保存期間、微生物学的安定性は、バッチ間でも長期の生産期間を通じても、一貫して維持されなければなりません。

Hielscherの超音波処理装置は、次のことを支える再現性のある超音波条件を提供します。

• 均一な顔料分散
• 安定した粒径低減
• 一貫した微生物処理
• 各生産運転を通じた信頼できる製品品質

この再現性は、プロセスのバリデーション、品質保証、超音波技術の産業導入に不可欠です。

現代の水性コーティングを支える戦略的技術としての超音波処理

コーティング業界は、より持続可能で、有害な添加剤が少なく、性能面でより堅牢な処方へと移行しています。超音波処理は、効率的な顔料分散と微生物学的安定性という二つの主要な生産課題に同時に対応するため、この方向性にきわめてよく適合します。
これらの機能を一つの工程に組み合わせることで、超音波処理は、メーカーによる生産の簡素化、コーティング品質の向上、従来の保存システムへの依存度低減に役立ちます。このため、超音波処理は、建築用塗料、産業用コーティング、機能性分散液、インク、関連する水性システムにとって、非常に魅力的です。
Hielscherの超音波処理装置は、この戦略を実際に導入するために必要な産業用プラットフォームを提供します。精密な制御、加圧可能なフローセル、インライン処理能力、線形スケーラビリティ、容易な洗浄、再現性のある結果により、塗料やコーティングの製造に特に適しています。

コーティングの超音波分散と滅菌をご活用ください

超音波処理による、バイオサイドを使用しない水性コーティングの滅菌と分散は、現代の塗料製造にとって非常に有望な手法です。超音波処理は、一つの統合されたプロセスで、顔料分散を改善し、微生物量を低減し、製品の安定性向上を支えます。高い製品品質とプロセス効率を維持しながら防腐剤を削減するよう、ますます強い圧力を受けている業界にとって、この組み合わせは特に有用です。
水性塗料およびコーティングのメーカーに対し、Hielscherの超音波処理装置は、実用的で産業的に実証されたソリューションを提供します。プロセスの制御性、インライン統合、処理を強化するフローセル設計、スケーラビリティ、衛生的な洗浄性、再現性のある性能により、塗料顔料の分散と滅菌を同時に行うための優れた選択肢となります。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波処理装置は、最高水準の品質と設計基準でよく知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業設備へ円滑に統合できます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい要求のある環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置に特に力を注いでいます。もちろん、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

文献 / 参考資料

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