2025年8月31日から9月4日までスウェーデンのルンドで開催された第33回Conference on Liquid Atomization & Spray Systems、ILASS Europe 2025において、当社は懸濁液滴の光学的液滴測定に関する研究を発表しました。本研究は、牛乳・水液滴からの光散乱信号を解析し、液滴内部の懸濁粒子の濃度を求めることに焦点を当てています。
牛乳スプレーは、複雑な懸濁液滴の優れたモデル系です。牛乳には、各液滴の光学的挙動を変化させる微小粒子や分散相が含まれています。そのため、牛乳・水混合液を用いて、光散乱信号が懸濁液濃度にどのように依存するかを調べることができます。
牛乳スプレーにおける光学的液滴測定
信頼性の高い液滴測定は、多くのスプレープロセスにとって重要です。これには噴霧乾燥、食品製造、医薬品プロセス、塗料スプレー、粒子を含む液体などが含まれます。これらの用途では、液滴に懸濁粒子、エマルション、その他の内部構造が含まれていることがよくあります。
従来の液滴測定は、通常、液滴径と液滴速度に重点を置いています。しかし、複雑な液滴にはより多くの情報が含まれています。その光散乱信号は、濃度、内部構造、材料組成に関する情報も担うことができます。
本研究では、単分散液滴発生器を用いて個々の懸濁液滴を生成しました。制御された液滴列により、ほぼ一定のサイズの液滴を調べることができました。これにより、異なる牛乳濃度における光散乱信号を直接比較することが可能になりました。
牛乳・水液滴の光散乱
本研究では、楕円ガウシアンビーム中のコロイド液滴の光散乱を解析しました。測定は固定散乱角の後方散乱領域で行いました。光電子増倍管と高速信号アナライザーにより、高い時間分解能で信号を記録しました。
測定には、濃度0%から100%までの牛乳・水混合液を使用しました。低濃度域では光学特性が大きく変化するため、細かい濃度刻みを用いました。
牛乳濃度が変化すると、光散乱信号の形状も変化します。低濃度の液滴は、部分的にはまだ透明な液滴のように振る舞うことがあります。高濃度になると内部散乱が強くなり、屈折に基づく信号成分が減少します。
AIと統計的信号解析
懸濁液滴の濃度を求めるために、2つの手法を用いました。1つ目の手法は人工ニューラルネットワークを用いるものです。2つ目の手法は光散乱信号の統計的特性を用いるものです。
AIベースの手法では、測定データから個々の光散乱信号を抽出しました。その後、ニューラルネットワークが信号形状と牛乳濃度の関係を学習しました。
統計的アプローチでは、信号形状を形状係数によって表しました。この係数は、光散乱信号の平均値と標準偏差の関係を利用するものです。結果から、形状係数と牛乳濃度の間に明確な関数関係があることが示されました。
牛乳スプレーおよび懸濁液滴の結果
本研究により、個々の液滴からの光散乱信号を懸濁液濃度の測定に利用できることが示されました。AIアプローチは、特に低～中濃度域において、牛乳濃度を良好な精度で予測しました。
統計的アプローチも大きな可能性を示しました。この手法は入力として液滴径や液滴速度を必要としません。そのため、複雑なスプレーにおける簡便かつ堅牢な液滴測定に役立つ可能性があります。
これらの結果は、今後の牛乳スプレー解析、懸濁液スプレーのモニタリング、粒子を含む液滴の濃度測定にとって重要です。
噴霧乾燥とプロセスモニタリングにおける意義
牛乳スプレー解析は、噴霧乾燥や食品プロセス工学に関連しています。噴霧乾燥では、液滴濃度、粒子含有量、内部構造が乾燥挙動や最終的な粉体品質に影響を与える可能性があります。
発表した手法は、他の用途にも役立ちます。これには医薬品スプレー、コーティングプロセス、スラリースプレー、エマルション、その他の複雑な液体が含まれます。
光学的液滴測定とAIおよび統計的信号解析を組み合わせることで、本研究はスプレー中の動的な液滴から材料情報を抽出する新たな方法を示しています。
参考文献
Doan, A. M. A., Schäfer, W., & Chernoray, V. (2025). Analysis of the light scattering of a colloid droplet on a Gaussian beam to determine the suspension concentration. ILASS Europe 2025, 33rd Conference on Liquid Atomization & Spray Systems, Lund, Sweden, 31 August–4 September 2025.
