ホモジナイザー – 動作原理、用途、スケールアップ

ホモジナイザーは、機械的な力を加えて液体–液体系および固体–液体系を混合、乳化、分散、溶解するミキサーの一種です。ホモジナイザーのモデルに応じて、回転によるせん断、ノズル、または高出力超音波を使用し、固体粒子や液滴を解体・微細化するために必要な力を発生させます。ホモジナイザー装置と、研究・生産におけるその用途について詳しくご紹介します！

ホモジナイザーとは？

ホモジナイザーは、固体粒子と液滴の両方を細かくして均一な混合物にするために設計された混合装置の一種です。研究や産業のさまざまな用途に使用される、実験室用、卓上型、産業用の装置があります。ホモジナイザーの代表的な用途には、粒子、顔料、化学物質、植物、食品、細胞、組織など、さまざまな材料の混合と解体があります。

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各種ホモジナイザーの概要

卓上での使用や産業規模の大量生産向けに、さまざまな種類のホモジナイザーが市販されています。ただし、最も広く使用されているモデルは、ローター／ステーター式（コロイド）ミキサー、高圧ホモジナイザー、超音波ホモジナイザーです。
インペラー式またはブレード式ミキサーには、混合容器の底部で高速回転する羽根があり、さまざまな材料を均一な混合物にします。
ローター／ステーター式ミキサーは、その名称が示すとおり、ローターとステーターの構成部品を備えています。ローターは、ステーターの内部で高速回転する金属製の軸です。ステーターは、静止したままの金属部品です。ローターの回転によって吸引作用が生じ、固体–液体材料がステーターとローターの間を移動し、そこで固体がより小さな粒径に微細化されます。
高圧ホモジナイザー（HPH）の動作原理は、高圧ポンプとバルブ（ノズル、オリフィス）の使用に基づいているため、装置が大型で重く、高価になります。処理するスラリーは、小さなオリフィスを高い流速で強制的に通過させられます。粒子がバルブを通過するには一定の小ささが必要なため、粒径が小さくなります。特に固体を処理する場合、HPHは詰まりが発生しやすくなります。
超音波ホモジナイザーは、音響キャビテーションによって発生する高いせん断力を利用するため、他の均質化技術に比べてさまざまな利点があります。超音波均質化の動作原理と利点を以下にご紹介します。

均質化の力としての高出力超音波

超音波ホモジナイザーは、高強度の超音波振動とキャビテーションを利用して極めて強いせん断力を発生させるため、超強力な高せん断ミキサーと呼ぶことができます。この超強力な高せん断力の秘密は、高出力超音波によって発生する音響キャビテーションにあります。超音波ホモジナイザーには、電源および制御ユニットである発振器と、振動子が備わっています。振動子には圧電セラミックスが含まれています。圧電結晶は電圧を加えると大きさと形状が変化するため、この圧電セラミックスによって電気エネルギーが振動に変換されます。電子発振器の周波数が圧電水晶の固有周波数と等しくなると、共振が起こります。共振条件下では、水晶が大振幅の縦方向超音波を発生させます。
発生した超音波は、超音波プローブ（ソノトロード／ホーン）を介して処理媒体に結合されます。超音波プローブの振幅によって、液体またはスラリーに伝達される超音波の強度が決まります。超音波は、液体媒体中に高圧周期と低圧周期を交互に発生させます。低圧周期には、高強度の超音波が液体中に小さな真空気泡を形成します。高圧周期には、この小さな真空気泡が破壊的に崩壊します。この現象をキャビテーションと呼びます。キャビテーション気泡の内破によって、最大280 m/sの高速液体ジェットが発生することもあり、強力なせん断力が生じます。せん断力は粒子を破砕し、粒子間衝突を引き起こし、液滴や細胞を機械的に破壊すると同時に、非常に効率的な物質移動を促進します。これらのキャビテーションによる力は、均一で均質な分散液、エマルション、懸濁液を生成し、化学反応（いわゆるソノケミストリー）を促進することでも知られています。

音響キャビテーション（高出力超音波によって発生）は、局所的に極端な条件を生み出し、いわゆる超音波による機械的効果および化学的効果をもたらします。これらの効果により、超音波処理は固体粒子と液滴を微細化し、均一な配合物に混合します。

超音波処理装置をホモジナイザーとして使用する利点

超音波ホモジナイザーは、固体–液体（いわゆるスラリー）および液体–液体の懸濁液や溶液の製造において優れています。超音波処理装置は超音波キャビテーションの動作原理を利用し、キャビテーションは液体中でのみ発生するため、材料は湿っているか、湿潤相にある必要があります。つまり、超音波処理装置は乾燥粉末の混合にはあまり効率的ではありませんが、粉末が湿ると、超音波処理が最も効率的な混合方法になります。超音波ホモジナイザーは、ペーストや高粘度材料でも確実に混合・分散できることでよく知られています。キャビテーション気泡の内破によって生じる非常に強い力は、極めて強力な高せん断力だけでなく、局所的に限られた高温・高圧と、それぞれの温度差・圧力差も生み出します。これらの物理的な力の組み合わせにより、従来のホモジナイザーよりもはるかに小さなサイズまで粒子が破砕されます。このため、超音波ホモジナイザーは、ナノサイズのエマルションや分散液を確実に製造するための装置として好まれています。

超音波ホモジナイザーの用途

超音波ホモジナイザーは、固体–液体および液体–液体の懸濁液の均質化、粒径の縮小、生体材料の破砕と抽出、化学反応の促進、可溶性化合物の溶解を目的として、実験室や産業施設で広く使用されています。

超音波乳化

乳化とは、互いに混ざり合わない二種類以上の液体を混合し、安定または半安定な混合物を調製するプロセスです。一般に、この二種類の液体は油相と水相からなります。異なる液相の混合物を安定させるため、乳化剤（界面活性剤／補助界面活性剤）を添加します。エマルションの液滴径は、エマルションの機能性と安定性において重要な役割を果たします。高出力超音波は、液滴を破壊して微小な液滴にする機械的な力を発生させるため、超音波処理はマイクロメートルサイズおよびナノサイズのエマルションを製造する方法として非常に広く利用されています。超音波ホモジナイザーは、O/WおよびW/Oエマルション、逆エマルション、多重エマルション（O/W/O、W/O/W）、ミニエマルション、ピッカリングエマルションを製造するための信頼性の高い装置です。この柔軟性と信頼性の高い乳化能力により、超音波ホモジナイザー（乳化に使用する場合は超音波乳化装置とも呼ばれます）は、例えば化学、食品、医薬品、燃料産業で、長期にわたって安定したエマルションを製造するために使用されています。
詳しくは、以下のリンクをご覧ください： ナノエマルション および ピッカリングエマルション!

超音波分散

超音波ホモジナイザーは、粒子の凝集体、集合体、さらには一次粒子を確実に微細化する必要がある場合に、非常に効果的です。超音波ホモジナイザーの利点は、プロセスの目標がマイクロメートルサイズの粒子でもナノ粒子でも、粒子をより小さく、より均一な粒径まで粉砕できることにあります。キャビテーションによるせん断力と液体流は粒子を加速し、互いに衝突させます。これを粒子間衝突と呼びます。粒子そのものが粉砕媒体として働くため、従来のビーズミルを使用する場合に生じる粉砕ビーズによる汚染と、その後に必要となる分離工程を回避できます。粒子間衝突では最大280m/secという非常に高い速度で粒子が衝突するため、粒子に極めて大きな力が作用し、微小な断片へと砕けます。摩擦と侵食により、これらの粒子断片は磨かれた表面と均一な形状になります。せん断力と粒子間衝突の組み合わせは、超音波均質化と分散に優位性をもたらし、非常に均質なコロイド懸濁液と分散液を実現します！
以下の連続画像は、黒鉛フレークに作用する超音波のキャビテーション力を示しています。

水中の黒鉛フレークの超音波による機械的剥離を示す高速連続画像（aからf）。使用した装置は 200Wの超音波処理装置UP200S で、3-mmのソノトロードを備えています。矢印は、キャビテーション気泡が亀裂に入り込んでいる分裂（剥離）箇所を示しています。
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

ナノ材料の分散と均質化

エマルションと分散液のいずれにおいても、ナノサイズの混合物の調製は難しい課題です。ブレードミキサー、ビーズミル、高圧ホモジナイザー、その他のミキサーなど、従来の均質化・混合技術の多くは、マイクロメートルサイズの粒子を生成できますが、液滴や固体を確実にナノサイズまで微細化することはできません。これは主に強度が不十分なためです。例えば、ブレードミキサーは、粒子をナノサイズまで破砕するために十分なせん断力を与えません。別の種類のホモジナイザーであるビーズミルは、ビーズ（粉砕媒体）自体よりも細かい粒径まで固体を均一に粉砕することができません。従来の粉砕ビーズの平均サイズは1,500 mm – 35,000 mmです。もう一つの問題は、粉砕媒体の摩耗による汚染です。超音波処理装置は、極めて高く、しかも精密に制御できるせん断力を与えるため、超音波キャビテーションは、実験室（R&D）、パイロット、産業規模の設備でナノ分散液とナノエマルションを確実に製造するための技術として好まれています。

超音波均質化プロセスのスケールアップ

実験室用超音波ホモジナイザーからパイロット用超音波処理装置へ、さらにパイロットシステムから本格的な生産用超音波ホモジナイザーへとスケールアップする際には、完全に線形なスケールアップが可能です！振幅、圧力、温度、処理時間など、重要なプロセスパラメーターはすべて一定に保ち、超音波プローブの表面積と、プローブにエネルギーを供給して駆動する超音波処理装置のみを、より大型で高出力のユニットへと拡大します。超音波均質化プロセスの線形な拡張性により、大規模生産でも実験室やパイロット設備と同じ高品質の結果が得られます。

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Hielscher Ultrasonicsは、超音波ホモジナイザー分野で長年の経験を持つお客様のパートナーです。Hielscherのすべての超音波処理装置は、ドイツの本社で設計、製造、試験を行った後、世界中のお客様に出荷しています。Hielscherの超音波ホモジナイザーは、常に高い性能、信頼性、堅牢性、使いやすさを備えた高品質の装置です。超音波均質化技術の高度な技術水準は、Hielscher装置のユーザーに競争上の優位性をもたらし、各業界の市場リーダーへと導きます。実験室用・卓上型ホモジナイザー、パイロットシステム、商業生産向けの本格的な産業用超音波ホモジナイザーまで、幅広い製品群を揃えたHielscherは、お客様の要件に理想的な超音波混合システムを提供します。多様なアクセサリーにより、個々のニーズに合った理想的な超音波ホモジナイザーの構成が可能です。
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超音波ホモジナイザーによる高効率化

卓越したプロセス効率、手頃な投資費用、非常に高いエネルギー効率、低い人件費とメンテナンス費用により、Hielscherの超音波ホモジナイザーは従来の均質化技術を上回り、迅速なRoI（投資利益率）を実現します。超音波ホモジナイザーは、多くの場合、数か月以内に投資費用を回収できます。

産業用均質化のための高出力超音波

振幅は、超音波による均質化プロセスで最も重要なプロセスパラメーターです。Hielscherのすべての超音波処理装置は、振幅を精密に制御できます。プロセスの目標に応じて、より穏やかな処理条件には低い振幅を設定し、より強力な破壊を伴う分散結果には高い振幅を選択します。Hielscherの産業用超音波処理装置は、非常に高い振幅を実現できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅には、特注の超音波ソノトロードをご用意しています。

超音波ホモジナイザーの少ないメンテナンス要件

超音波ホモジナイザーは洗浄も容易です。接液部として処理材料に接触する構成部品は、ソノトロードと反応器だけだからです。ソノトロード（超音波ホーンまたはプローブとも呼ばれます）と反応器は、それぞれチタンとステンレス鋼で作られており、オリフィスや滞留箇所のない、洗浄しやすい形状を備えています。
摩耗する唯一の部品は超音波プローブで、運転に大きな支障を与えることなく交換できます。実験室用超音波処理装置のソノトロードは約10 min以内に交換できますが、産業用超音波ホモジナイザーのソノトロードの交換には約30–45 minかかる場合があります。

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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：