2014年3月10日～14日に日本・東京で開催されたOPC 2014 – International Conference on Optical Particle Characterizationにて、Walter SchäferとCameron Tropeaが学会論文「The time-shift technique for measurement size of non-transparent spherical particles」を発表しました。
この論文は、タイムシフト法によってミルクスプレー中の液滴を測定する方法を示しています。多くの噴霧乾燥プロセスでは複雑な液体が使用されるため、このテーマは噴霧乾燥にとって重要です。こうした液体には、脂肪、タンパク質、粒子、その他の分散物質が含まれることがあります。
https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/9232.toc
ミルクスプレーが重要な理由
ミルクスプレーは、複雑な液滴の測定において有用な例です。ミルクの液滴は完全には透明ではありません。脂肪粒子やタンパク質を含んでいます。これらの内部構造が光を散乱・吸収します。
そのため、透明な液滴を対象とする従来の光学的手法は限界に達することがあります。これに対し、タイムシフト法は不透明な液滴の特有の信号特徴を解析できます。
液滴測定のためのタイムシフト法
タイムシフト法は、単一液滴の光散乱信号を解析します。液滴は整形された光ビームを通過します。ビーム内を移動する間に、液滴は時間分解された光学信号を生成します。
不透明な液滴では、屈折光は弱くなります。しかし、液滴は依然として反射ピークと信号のペデスタルを生成します。これらの信号成分には、液滴に関する有用な情報が含まれています。
その結果、この手法で液滴径を求めることができます。さらに、本研究では飛行時間（Time-of-Flight）構成を用いて液滴速度を測定しました。集光された2枚のライトシートが2つの信号を生成し、これらの信号間の時間遅れから液滴速度が得られました。
ミルクスプレーを用いた実験研究
実験では、著者らは脂肪分3.5%のミルクスプレーを使用しました。スプレーはフラットファンノズルで生成し、ノズルはさまざまな圧力で運転しました。
結果には明確な傾向が見られました。ノズル圧力が高いほど液滴は小さくなりました。また、圧力が高いほど平均液滴速度も増加しました。
これらの結果は、スプレー微粒化の予想される挙動と一致しています。したがって、本研究は、タイムシフト法が実際のスプレー条件下で複雑な液滴を測定できることを示しています。
噴霧乾燥との関連
噴霧乾燥は、多くの場合、複雑な液体のスプレーから始まります。例えば、ミルクスプレーは食品プロセス工学において重要です。液滴径と液滴速度は、乾燥時間、粒子形成、粉体品質、プロセス安定性に影響を与えます。
このため、信頼性の高い液滴測定は、噴霧乾燥の研究やプロセス制御に役立ちます。また、製品品質の向上やプロセスエラーの低減にも貢献します。
この手法は、他の複雑なスプレーにも有用です。例としては、エマルション、サスペンション、塗料スプレー、医薬品スプレーなどがあります。
科学的意義
このOPC 2014の論文は、光学的粒子測定を不透明で複雑な液滴へと拡張することに貢献しました。また、タイムシフト法が実際のスプレー用途で機能することも示しました。
さらに、本研究は、SpraySpy、SprayQuantAI、ParticleTensorAIといった後のTSTOFベースのシステムや、AI支援スプレー測定技術の初期の基盤となっています。
参考文献
Schäfer, W., & Tropea, C. (2014). The time-shift technique for measurement size of non-transparent spherical particles. Proceedings of SPIE, 9232, 92320H. https://doi.org/10.1117/12.2063342
