公益社団法人 化学工学会 http://www.scej.org/

特集 実用撹拌技術～装置設計指針から課題解決事例まで～
特化学工業において化学品，材料等が製品であるが，実際に製品化するためにはその製造・生産を支える要素技術，すなわち単位操作が非常に重要であることは言うまでもない。しかしながらこれらの実用集的な技術は現場のノウハウとなっており，実際に役立つ情報を得にくいのが実情である。本特集では化学産業で多用される代表的な単位操作の一つである「撹拌」に着目し，装置メーカーや化学企業，アカデミアの前線の方々から，装置設計，事例，シミュレーションおよびスケールアップ等に関する技術について紹介する。実際の現場で遭遇する様々な課題解決や新たに装置を導入するときのヒントになれば幸いである。
（編集担当：山森義之）†

撹拌技術の基礎と最新実用化技術
西岡 光利
目的は 1 つではなく，複数の場合もあるが，その中で重要1．はじめにな目的に絞って考える。次に槽内の流動状態をどのようにすると効率的かを考え，それに沿ってインペラや槽形状，ここでは総論として，基本的な液体混合技術の考え方や槽内構造を考える。翼の特性として同じ撹拌動力でも高吐出（低せん断）特性の物から高せん断（低吐出）特性の物まであ最新の技術動向，実用的技術に焦点を当てて述べる。

る（図 2）。撹拌目的に合わせて槽内の流動状態やせん断力

さて，ミキシングとは，「省力化」機械である。あるものの分布を決めていく。

を大量に混ぜ合わせる時に，小さな容器を数多く用意する

代表的な撹拌流動状態を決めたら，各種の撹拌翼から，より，スケールアップの技術で大型の撹拌容器で一気に処

さらに，液特性（粘度や比重，粘性特性）と流動特性（撹拌レイノ

理した方が「省エネ」で「省力化」になる。
また，「時間短縮」機械ともいえる。液体同士の混合でも，ルズ数 NRe ＝ρ・n・d /μ：以降 Re 数）
により，槽内の流動状態（図

液体と固体（スラリーや触媒など）や液体と気体の混合でも，3）が異なることも考慮し，最適な撹拌翼（図 4）や，撹拌槽撹拌により液滴や気泡の均一微細化や，固体面や境界面の内の邪魔板などの槽内構造を決定する。高 Re 数域では，流速上昇などで界面の拡大や界面での更新が促進されて反液の固体的回転渦による撹拌力の低下を防ぐために，邪魔応を速やかに且つ均一に進ませ，結果として必要生成物を板の設置や偏芯撹拌を検討する。

2「時間短縮」して迅速に且つ高品質で生産可能とする。

その後，決定した撹拌機選定結果から，撹拌動力数（Np 値：さらに，「新物質生成」機械でもある。反応による新物質永田式 1）や亀井，平岡らの改良式 2）で算出）を計算し撹拌動力を求生成や，晶析による新機能物質生成，及び，最近では微生める。撹拌動力の算出は，撹拌に作用するエネルギー量を物や動物細胞の拡大培養により，有用物質や再生物質など把握し，物質移動速度や撹拌軸強度などの諸計算をおこなの新たな物質生成がおこなわれている。

2．撹拌機の基礎と選定方法
まずは撹拌目的を明確に定めて考える必要がある（図 1）。

2017 年 3 月 15 日受理

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Fundamental of Mixing Technology and The
Latest Practical Applications
Mitsutoshi NISHIOKA（正会員）
1980 年 宇都宮大学工学部環境化学科卒業
現 在 佐竹化学機械工業（株） 代表取締役
社長
連絡先；〒 335-0021 埼 玉 県 戸 田 市 新 曽 66番地
E-mail m.nishioka@satake.co.jp

図1† Yamamori, Y.

（2）

著作権法により無断での転載等は禁止されています撹拌目的

平成27，28年度化工誌編集委員（7号主査）
住友ベークライト（株）
化学

工学

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特集

図2

図3

撹拌翼種別の作用撹拌レイノルズ数と流動特性

固液系

アンカー翼／糸巻翼

図4

代表的各種インペラ分類表

う上で重要である。改良式は，広い Re 数範囲で，幅広いめられる撹拌領域なので，広幅翼などよりも高吐出な軸流翼条件に適用できるので，企業での撹拌装置の検討に有益

翼（プロペラ翼，A100 翼，ISOJET，HR100 翼など）や斜流翼（パドである（各種の計算式詳細は化学工学便覧など参照）3-5）。

ル翼，A310 翼，INTERMIG，HR320 翼など）を 1 段や多段で用い特に多用途や多目的な撹拌を望む場合には，日本発の撹ることが多い。さらに，欧米で研究されている軸流翼と斜拌技術である広幅翼（マックスブレンド翼，フルゾーン翼，スー流翼や輻流翼を組み合わせて大循環流を形成する方法が効

パーミックス MR205 翼，Hi-F 翼など）があり，各種の反応装置果的である。最近では下水処理場の嫌気槽で，複翼式縦軸などで大きな成果を上げている。

撹拌機を使用することで，従来は 7 〜 8 W/m3 だったものをもちろん，実液を小スケールで撹拌実験（精密に動力測定

1 W/m3 と大幅に省エネ化を達成した例もある。一般的なが可能なミキシングトルクメーター，インテリジェントスターラー

薬液混合でも高効率翼により従来のプロペラ翼やパドル翼など）や反応実験（オートケム，リアクトメイト，ブルーラベルなど）

よりも 2 〜 3 割の省エネが期待される。

により最適な撹拌条件を決める方法や，さらに，撹拌機メー「不均一系」は，撹拌操作により「時間短縮」が達成されるカーが研究施設に用意しているテスト装置で，実際の試料撹拌領域である。3,000 ＜ Re 数の乱流領域の場合は液流動や疑似液でのパイロットスケールの実液撹拌を確認して，が容易で，均一系と同様に高吐出翼が使用されるが，10より慎重に実機設計に進める方法がある。

＜Re数＜3,000の層流領域の場合，液流動が多少困難から，最近ではシミュレーションソフトを利用して混合状態の高吐出翼と斜流翼や輻流翼の組み合わせや，広い Re 数の確認やスケールアップ，連成解析による強度検討まで確認

領域に高い撹拌性能を発揮する広幅翼が使われ，「均一混して，一気に実機設計に進めていくこともおこなわれてい合」が優先される。特に時間とともに粘度が変化するようる。但し，重要なプロセスの場合には，3D プリンターでな反応系には広幅翼が最適である。この領域で粘度変化が撹拌槽内のスケールダウンモデルを作り，槽内の実際の流大きい反応などの重要な撹拌操作に従来型の多段斜流翼や動状態を確認し，より精細に検討を重ねることを推奨する。

アンカー翼やリボン翼を使用している場合には，広幅翼に能増などでの単純なスケールアップなどでは，単位体積代えることで，デットゾーンがなくなり，撹拌効率が大幅当たりの撹拌消費動力一定（P/V 値一定）が安全側の方法としにアップし，生産される製品品質の向上が期待される。て多用されてきたが，シミュレーション技術にて流動状況さらに高粘度で流動が悪化するRe 数＜10 の層流領域の場も考慮した検討で，より省エネに実施可能である。

合，液全体をよどみなく動かすのが主目的となるので，「均一系」も「不均一系」も広幅翼単独では撹拌目的の達成が困難

3．均相系撹拌操作と実用技術動向となり，従来型のヘリカルリボン翼や，その欠点を改良した翼（PARAVISC や MR524 翼，ログボーンなど）や，リボン翼と広幅翼「液液系撹拌」の「均一系」は，「省力化」，「省エネ化」が求第 81 巻

第 7 号（2017）を組み合わせた翼（スーパーブレンドなど）を使用する。また，こ（3）

著作権法により無断での転載等は禁止されています355

公益社団法人 化学工学会 http://www.scej.org/の層流領域でも分散や微細化などの機能も持たせたい場合には，アンカー翼，リボン翼，広幅翼とディスパーや分散機を組み合わせた撹拌システム（コンビミックスやハイブリットミキシングシステム，NANOVisK，COAXIALなど）も開発されている。

特尚，反応系では，連続式も注目されつつあり，高圧のポンプ吐出により，管路上でスタティックミキサーやダイナミックミキサー（ラインミキサーやパイプラインホモミキサー，イ集ンライン分散撹拌機など）にて連続処理する場合や，フロー法

図5やマイクロリアクターによる連続合成や微細空間で連続的各種翼別ガス吸収性能（kLa ）比較ミキシングシステムである。色々な水処理方式に採用されてに合成することが研究されている。

いるが，最近では数千 m3 の消化槽にも適用されてきている。

4．異相系撹拌操作と実用技術動向

医薬品やファインケミカルの分野では，封じ込めして交差汚染や拡散防止のニーズが強い。従来のメカニカルシー「固液系撹拌」では，従来は解析と目視中心の化学工学実ル方式では限界があるので，完全密閉での撹拌が要求され験で求められた Zwietering の粒子浮遊限界撹拌速度式が利ており，磁気カップリングを利用した完全密閉の撹拌装置用されてきたが，最近では，固体粒子と撹拌流速の関係をが誕生している。槽の上部に取り付けるタイプは，高圧オーLDV 流速測定やシミュレーション技術を駆使して，詳細トクレーブ方式やスーパーマグミキサーなどがあり，底部に検討し，Zauyah，吉川らにより，新しい粒子浮遊限界撹に取り付けて撹拌するタイプは，NovAsepticMixer やフロー拌速度式 6） が提案されているので参照して頂きたい。まティングマグミキサーなどがある。

た，固液撹拌では槽底部に撹拌翼を配置すると，有効に固同じ完全密閉だが，従来の回転から異なる動作を利用し体粒子に撹拌流を作用させることができ，また，液排出時て，弾性体で外部と遮断したブイムーブミキサーやスインにも固体粒子の沈降を防ぐことができるので，槽底部配置グスターが最近登場している。前者は上下動の動きをうま型で全体流動を考慮した撹拌翼（ファウドラー翼，HS600 翼やく液体の旋回流に変換して緩やかに撹拌し，後者は外食のツインスター翼など）の使用が有効である。

スムージー用カップのストローで内部を混ぜるような動作「気液系撹拌」では，従来は 6 枚ディスクタービン翼（6DTを利用して撹拌している。特に上下動方式は，均一性が高翼）が多用されてきたが，翼背面に気泡のラージキャビティ

く緩やかな撹拌で，スケールアップ時のせん断力の上昇がが生成してしまい，極端に気泡分散性が劣化することが判少なく，スケーラブルでの 3D 浮遊培養（動物細胞培養やマイ明してきた。そこで，翼背面の負圧部を縮小させてキャビクロキャリア，iPS 細胞の培養など）に向いている。高濃度培養

ティを最小化する撹拌翼（コンケーブ翼（6CC 翼）や PHASEJETの場合には，微細な酸素気泡を供給する SPG 膜スパー翼，HS100 翼など） が開発された。これらの翼は，気体の通ジャーを融合した VerSusReactor も開発され，200 L 迄の実

気時撹拌動力 Pg と無通気時撹拌動力 P の比率（Pg/P 比）がよ証を経て，シングルユースにも対応している。

り 1 に近く，効率的に気泡分散するとともに，撹拌機に取尚，前述のシミュレーションの活用も新しい技術であり付ける電動機もより小さいものとすることができる。

る。一部のソフトウェアーでは，代表的なインペラや最新

尚，6DT 翼と 6CC 翼と HS100 翼のガス吸収性能（kLa）と通翼のインペラのテンプレート登録もされているので，企業気時単位体積当たりの撹拌動力（Pgv）の比較表（図 5）を見るが利用する上で，利便性がさらに向上している。と，実験上では HS100 翼は 6DT 翼に比べて，同じ kLa を得6．おわりにるのに約 1/3 の撹拌動力で良いことが確認できる。実際に実装置においても約 30 〜 50% の動力低減が達成されていこれほど多様な撹拌技術を創出している国は世界でも珍るし，あるいは，同じ動力にて培養目的での微生物の活性しい。シミュレーション技術や流れの可視化技術の向上にが高まり，2 倍の有用成分の収率が報告されている。

よって，装置内の流れをコントロールする技術が確立し，5．新しい撹拌技術の開発動向

最近の技術開発成果につながっている。撹拌機は古い技術と思われがちであるが，これらの進化により，一般の撹拌ナノ分散をおこなう場合には，より強いせん断力が必要装置や水処理装置，化学反応装置，培養装置に於いて，革とされるが，翼の回転を速くしていくと大きなキャビテー新されたものに見直しが可能な事例も多いので，さらに技ションが発生し，その空洞により分散力が作用できなくな術開発を進めて，これらの新しい撹拌技術を普及させたい。

る。そこで，遠心力場に処理液を封じ込んで，空洞の発生（文中に商標等は割愛しました。
）

を抑え，強力なせん断場を与える発想からフィルミックスが誕生している。
ナノ粒子領域での新しい撹拌方法である。

参考文献
1）永田 , 山本 , 横山ら：化学工学 , 21, 708-715（1957）
2）亀井 , 平岡 , 加藤ら：化学工学論文集 , 21, 41-48（1995）
3）化学工学会編：化学工学便覧 , 改訂 7 版 , pp.332-378, 丸善出版
（2011）
4）化学工学会監修：最新ミキシング技術の基礎と応用 , 化学工学の進歩 42, 初版 ,三恵社
（2008）
5）佐竹化学機械工業編：攪拌技術 , 改訂版 , 佐竹化学機械工業（1995）
6）ZAUYAH, 吉川ら：J. Chem. Eng. Jpn., 49（8）, 737-746（2016）

一方，旋回流を利用した技術で，大容量の液を緩やかに撹拌する技術も登場している。圧力バランスと境界層効果をうまく利用して，縦長の円筒槽の中心に竜巻状の流れを作り出し，非常に低動力で全体の液循環流れを作り出す RB
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