密度差が大きい場合、ラボスケールでの混合適性を単一の目視検査で評価すべきではありません。乾燥バルク材料には、物性評価、混合カイネティクス、空間的・時間的に段階を追ったサンプリング、そして排出・搬送試験からなる体系的な試験計画が必要です。液固系または液液系では、これに加えてレオロジー測定、分散・沈降試験、そして流体力学的な指標が加わります。

システムを正しく分類する

まず、固固系、固液系、液液系のいずれであるかを区別する必要があります。沈降、クリーミング、粘度、レイノルズ数、アルキメデス数、リチャードソン数といった概念は、主に液体、懸濁液、エマルションに関連します。これに対し、乾燥粉体や顆粒では、粒径、粒子形状、かさ密度、凝集性、壁面摩擦、水分、静電気の影響、含気率、流動挙動が中心となります。

かさ密度の差が大きい乾燥バルク材料では、密度だけが問題となるわけではありません。偏析にとって特に危険なのは、異なる粒径、形状、かさ密度の組み合わせです。細かい粒子は粗い粒子の間を下方へパーコレーションすることがあり、丸い粒子は平らな成分や繊維状の成分よりも堆積円錐上を遠くまで転がり、落下速度の違いは弾道分離を引き起こします。したがって混合物は、混合直後には均一に見えても、排出、搬送、あるいは充填の際に初めて偏析することがあります。

したがって事前評価は、各成分についてできる限り完全な特性評価から始まります。これには、粒度分布、粒子形状、真密度、かさ密度・タップ密度、水分、凝集性、壁面摩擦、フローファンクション、そして必要に応じて静電気的挙動が含まれます。凝集性の粉体には、フローファンクション、内部摩擦、凝集性、壁面摩擦を求めるためにJenikeせん断試験機を使用できます。配合比率が非常に低い場合には、さらに、該当するサンプルサイズあたりのマーカー粒子数と、後続の分析における統計的な有意性を見積もるべきです。

ラボ試験を正しく設計する

ラボ試験は、できる限り、生産用ミキサーで予定されているものと同じ混合運動で実施すべきです。透明なデモンストレーション容器は有用な場合がありますが、幾何学的・運動学的に代表性のある試験設備での試験に代わるものではありません。特にバルク材料では、壁面摩擦、工具形状、充填率、落下高さ、排出形状が挙動に大きく影響することがあります。

試験計画では、充填率、回転数、混合時間、原料投入順序、少量成分の投入位置、必要に応じた液体投入、排出条件といった複数の要因を的確に変化させるべきです。複数の時点を設けた混合カイネティクス試験が有効です。短時間、中程度、長時間の混合後にそれぞれサンプルを採取します。これにより、均一性が最初に達成される時点と、さらに混合を続けた場合に再び悪化するかどうかを把握できます。結果は、単一の最小値ではなく、堅牢なプロセスウィンドウであるべきです。

サンプリングは、空間的・時間的に段階を追って行う必要があります。バッチミキサーでは、混合物を乱すことなく可能であれば、混合室内の異なるゾーンからサンプルを採取します。さらに重要なのは、排出の開始、中間、終了時点でのサンプルです。これにより、問題が混合室内で生じているのか、それとも排出・搬送の際に初めて生じているのかを区別できます。最初の信頼できる統計のためには、通常、試験点ごとに少なくとも10個の個別サンプルを使用します。適切なマーカー成分の濃度から、平均値、標準偏差、変動係数を算出します。

CoV=sxˉ×100%

CoVに加えて、最小値、最大値、範囲、目標値への適合度、そして排出全体にわたる値の分布を検討すべきです。たとえば排出の開始時には主に粗く重い粒子が、終了時にはより細かく軽い成分が排出される場合、混合終了時点での良好なCoVだけでは不十分です。

偏析を的確に検証する

乾燥混合物には、独立した偏析試験が不可欠です。混合後、製品は現実的な条件下で排出され、予定されている搬送技術を経由して運ばれ、必要に応じて目標容器に充填されるべきです。特に検証すべきは、自由落下区間、堆積円錐の形成、振動フィーダー、コンベヤーベルト、空気搬送、中間容器、そしてビッグバッグや袋です。サイズ、形状、密度が異なる成分は、これらのいずれの箇所でも再び分離する可能性があります。

排出とバッファリングは、できる限りマスフローを志向して行うべきです。マスフローでは、材料が断面全体にわたって排出口へ移動します。これにより、コアフローやチャンネルフローに比べて偏析を低減できます。したがって、十分な大きさの排出口、適切な壁面傾斜、適切な壁面材質、そして流動性に優れた排出アーマチュアは、ラボおよびパイロット評価の一部となります。重要な混合物では、ミキサー内だけでなく、関連するすべてのプロセス段階の後にサンプルを分析します。

製品プロファイルが許せば、的確な湿潤化を検証することができます。適切なバインダーを少量用いることで、微粉をより粗い担体粒子に結合させ、パーコレーションを低減できます。ただし、この手法は、食感、水分、流動性、保存性、化学的安定性、そして後工程での処理に適合させる必要があります。代替として、重要な微粉成分を担体成分と事前混合することも有効な場合があります。

指標を的確に活用する

乾燥バルク材料には、フルード数、比動力投入量、工具周速、充填率、工具回転数、循環時間、混合時間が有用なプロセス指標となります。フルード数は、慣性力と重力の関係を表します。特に回転式ミキサーにおいて、運動状態を記述するために用いることができます。ただし、フルード数が高いことが自動的に有利とは限りません。回転数が高すぎると、粒子が壁面に向かって遠心力で押し付けられ、摩耗が進んだり、サイズや密度に応じて再び分離したりすることがあります。したがって固体混合物には、偏析を確実に防止する普遍的なフルード数の限界値は存在しません。

懸濁液系や液液系には、これに加えてレイノルズ数、フルード数、アルキメデス数、そして課題に応じてリチャードソン数が関連します。レイノルズ数は、慣性力と粘性力の比を表し、層流か乱流かの判定に役立ちます。フルード数は、自由表面、渦の形成、あるいは重力が支配的な現象が生じる場合に関連します。アルキメデス数は、浮力と沈降挙動の評価を助けます。リチャードソン数は、密度成層と乱流混合の比を表しますが、主に成層した液体系に適しており、乾燥バルク材料には適していません。

固液懸濁液では、ズヴィータリングによるジャストサスペンドスピードNjsが重要な試験量となります。これは、粒子が容器底部に約1〜2秒以上とどまらなくなる最低の撹拌翼回転数を表します。これは目視で決定され、撹拌容器の設計と適切な撹拌工具の選定のための確立された基盤です。ただし、高い固体濃度では、ズヴィータリングの相関式を無批判に採用すべきではありません。高密度の工業用懸濁液に対しては、必要なエネルギー投入量を過小評価する可能性があるためです。

液液系では、これに加えて液滴サイズ分布、分散相の空間分布、合一傾向、そして撹拌停止後の相分離が評価されます。ここで重要なのは、目視で確認できる相境界が現れるまでの時間、分散の安定性、そして混合時間にわたる液滴サイズの変化です。

スケールアップを確実にする

スケールアップは、回転数を変えないまま行ってはなりません。容器径が大きくなるにつれて、周速、消費動力、流動、落下高さ、重力との相互作用が変化します。システムに応じて、一定の周速、一定のフルード数、一定の比動力投入量、あるいは定められた循環時間を出発点とすることができます。これらの指標は、単独では十分ではありません。幾何学的相似性、実際の工具形状、製品挙動、そして混合・排出・搬送試験の結果と組み合わせる必要があります。

記録された事前評価には、評価マトリクスの作成が推奨されます。これには少なくとも、検討したレシピ、充填率、回転数、混合時間、投入順序、均一性指標、排出プロファイル、粒子破壊、搬送後の偏析、そしてスケールアップのために選定したプロセス指標を含めるべきです。これにより、混合物を堅牢、条件付きで堅牢、あるいはクリティカルと評価し、パイロットまたは生産スケール向けの試験プログラムを導き出すことができます。