表面
表面という用語は、プロセス工学において非常に重要な意味を持っています。これは、固体とその周囲との境界面を意味します。ミキサー、接触乾燥機、合成反応器では、これはプロセス装置と製品との境界面となります。この境界面は、プロセス全体を通じて製品の挙動に影響を与えます。
物理的な観点からは、表面はエネルギーが高くなった領域です。表面上の原子や分子は完全に結合しているわけではありません。その結果、表面エネルギーが発生し、これが濡れ性と付着性を決定します。このエネルギーは、製品が付着するか、あるいは容易に流れ落ちるかを左右します。
表面エネルギーは、記号 γ で表されます。
γ = dW / dA
- γ は、J/m² 単位の表面エネルギー
- dW は、新しい表面を生成するための可逆的な仕事
- dA は、その過程で新たに生成された表面
表面エネルギーは、濡れ性に関する研究では、接触角で表現されることが多い。ヤングの式は次のとおり。
γSV = γSL + γLV ·cos(θ)
- γSV は、固体と気体の界面における表面エネルギー
- γSL は、固体と液体間の界面エネルギー
- γLV は、液体の表面エネルギー
- θ は、接触角
化学的な観点からは、表面は相互作用が発生する可能性のある場所です。ここでは、吸着、化学反応、触媒作用が発生する可能性があります。そのため、プロセス装置では、表面が化学的に不活性であることが重要です。製品に成分を放出したり、反応を促進したりしてはなりません。そのため、耐食性鋼やニッケル基材料が優先的に使用されます。このテーマについては、「ニッケル基材料」という用語解説があります。
製品と接触する部品には、混合室、混合ツール、シール、および継手があります。これらの表面はすべて、混合物に物理的または化学的影響を与えてはなりません。材料の選択に加えて、幾何学的設計も重要な役割を果たします。デッドゾーン、隙間、アンダーカットは、設計上避ける必要があります。目標は、プロセス終了後に製品を完全に排出することです。
表面の性質は、付着や洗浄性に直接影響します。滑らかな表面は、製品と装置間の実際の接触面積を減少させます。これにより、付着力や製品の付着が減少します。同時に、残留物や交差汚染のリスクも最小限に抑えられます。
表面の品質は、粗さの指標によって表されます。プロセス産業では、平均粗さ Ra が最も一般的なパラメータです。通常の要件は、Ra が 0.8 マイクロメートル未満です。医薬品や衛生的に厳しい用途では、0.4 マイクロメートル未満の値が要求される場合が多くあります。粗さが減少すると、表面への粒子の機械的固定力が低下します。
Ra は、粗さプロファイルの絶対偏差の算術平均値として定義されます。
Ra = (1 / L) · ∫₀ᴸ |z(x)| dx
z(x) はプロファイル偏差、L は測定長さです。プロセス産業では、通常 Ra < 0.8 µm が要求されます。医薬品および衛生用途では、Ra < 0.4 µm が要求される場合が多くあります。粗さが減少すると、粒子による機械的固定も減少します。装置の有効表面積 A_eff は、幾何学的表面積 A_geo よりも大きくなります。この関係は、次のように簡単に説明することができます。
Aeff = Ageo · (1 + k)
- Aeff は、有効な実際の表面積です。
- Ageo は、理想的に滑らかな幾何学的表面積
- k は、粗さ係数
粗さ係数 k は、粗さが増すにつれて増加します。機械的加工に加えて、表面を電解研磨することができます。電解研磨では、微細な粗さの突起が優先的に除去されます。その結果、非常に均質で滑らか、かつ不活性な表面が形成されます。同時に、表面にクロムが蓄積され、耐食性が向上します。電解研磨された表面では、場合によっては逆の洗浄特性が見られます。洗浄剤が汚れを洗い流すのが難しい場合があります。その理由は、表面の平滑性です。多かれ少なかれ顕著な研磨性があるため、固体処理装置では、使用期間中に製品と接触する表面がますます滑らかになる傾向があります。
高品質の表面は、通常、製品の完全な排出を容易にします。製品の損失が減少します。また、洗浄の手間も大幅に減少します。乾式、湿式、および水洗洗浄プロセスをより迅速かつ安全に実施できます。洗浄剤の消費量が最小限に抑えられます。