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技術革新と社会変革, 第 1 巻, 第 1 号, 2008 ISSN 1883-9762

第 1 巻 第 1 号 (2008 年 9 月)

目 次

総合報文 粉末製品の性状の要求変化に伴う噴霧乾燥技術の発展 -液体の微粒化から見た 1975 年からの 20 年-··· 小金井 稔元 1 社会ニーズの変遷に伴うふるい機の技術革新 -80 年の歴史を振り返って- ··· 朝日 正三 7 報文 強度の高いセメントは良いセメントか··· 山岸 千丈 21 新しい排煙脱硫プロセスの開発 ··· 道木 英之 宮川 久司 33 新エネルギー分野におけるベンチャー企業等による技術革新活性化に向けた いくつかの試み···弓取 修二 河口 真紀 薄井 由紀 上坂 真 41 短報 工場の静電気安全管理強化に向けての導電率の活用··· 石川 諭 48 編集後記··· 51

社 会 技 術 革 新 学 会

=現場基点学会=

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技術革新と社会変革, 第 1 巻, 第 1 号, pp.1-6 2008 総 合 報 文

粉末製品の性状の要求変化に伴う噴霧乾燥技術の発展

液体の微粒化から見た 1975 年からの 20 年

The Innovation in Spray Drying Technologies

Driven by Varied Requirement for Powder Property

-On Liquid Atomization Techniques in Two Decades since 1975-

小 金 井 稔 元 Toshiyuki KOGANEI 要 旨: 微粒化した原料を熱風中に散布し、瞬時に乾燥させることができる噴霧乾燥法は、単なる乾燥操 作とは異なり、乾燥製品に多くの付加価値をもたらす。日本において 1975 年から始まる 20 年間は、高 度経済成長も終わり新しい時代へ移行する変革の時代であったが、スプレードライヤもその社会変化に 応え、様々な改良を加え発展してきた。本稿では、微粒化、粒子径制御及び新開発ノズルとディスクを 通してスプレードライヤの発展経過を検証し、今後、更に発展していく噴霧乾燥技術について考察を加 える。

Abstract: Spray drying has so many characteristics comparing with other drying techniques, because it is able to dry the fine liquid particles into the hot air quickly. The twenty years since 1975, which were just after the age of high economic growth in Japan, were the new period of reforming and revolution. Significant advance in spray dryer had been made in that period by improving technologies in response to varied requirement of society. This article aims at reviewing the spray dryer developments, which were discussed in terms of atomization, particle size control, new type nozzle and M type disc of the spray dry techniques. A tomorrow’s spray dryer technology is also projected. .

キーワード:噴霧乾燥、液微粒化、粒子径制御、可燃性液体、エアアシストノズル、M type ディスク Keywords:Spray drying, Atomization, Particle size control, Air assisted pressure nozzle, M type disc

___________

著者 小金井稔元, 大川原化工機㈱特機・メンテナンス事業部, 224-0053 横浜市都筑区池部町3847 [email protected] 2008.1.17 受付 2008.4.4 受理

社会技術革新学会第 1 回学術総会 (2007.10.12) にて発表

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1. 緒 言 人類は食糧を保存するため、太古の昔から乾燥 操作を利用してきた。収穫した海の幸や山の幸を 保存食として保管するため、それらに含まれてい る水分を取り除き、腐敗を防止する必要があった。 天日で魚を乾燥させ干物としたり、木を燃やし発 生した煙でいぶすことによって魚や肉の燻製を作 ったりして食糧の保存を行った。しかし、動物の 乳などの液体はそのままでは乾燥することができ ず、ヨーロッパではバターやチーズなどに加工し て保存していた。 時代は変わって現代でも、これらの保存食品は 我々の食生活にとって大切な食材として食卓をに ぎわしているが、新たに粉末コーヒーや粉末調味 料なども食材のなかで重要な位置を占めるように なっている。これらは、コーヒーや調味料の液体 原料を直接乾燥させて粉末化しているのだが、天 日はもちろん直接火を使うのではなく、加熱した 熱風中に微粒化した液体を散布して乾燥させてい る。 このように液体を微粒化して直接乾燥すること によって、粉末製品を得る技術を噴霧乾燥法(ス プレードライ)と言う。液体を微粒化することに よって、他の乾燥機ではできない球状で流動性の 良い粉末製品(図 1)を容易に得ることができる。 卵や牛乳の乾燥保存から始まった噴霧乾燥技術 であるが、液体を微粒化し乾燥させることによっ てさまざまな特徴が生まれることから、食材に留 まらず多くの産業の生産技術として高い評価を得 ている。つぎに、世界の歴史のなかで、噴霧乾燥 装置がどのような分野に利用され発展してきたか について、説明を加える。 2. 時代背景とスプレードライヤ (噴霧乾燥装置)の変遷 (1) 1960 年代までの変遷 スプレードライヤ(図 2)は、多くの機械や装 置と同様に、イギリスに始まった産業革命と同時 期の 1800 年代以降にアイデアが提案され、装置 図 1 スプレードライヤで乾燥した粉末製品 図 2 試験研究用スプ レードライヤ L-8i 化されていった。まず、卵の乾燥で初めてスプレー ドライヤが特許化され(La Mont,1865)、その後、噴 霧乾燥製品の詳細が記述された特許(Percy,1872) が、アメリカで発表された。 1920 年代には乳製品や洗剤において工業化が開 始されたが、スプレードライヤはこれに応じてヨ ーロッパを中心に発展した。また、1930 年代にな って携帯食品分野が進展するとスプレードライヤ も当該食品製造プロセスからの需要増加の影響を 受けている。 一方、我が国では、第二次世界大戦を経て高度 経済成長とともにスプレードライヤの需要も伸び、 1960 年代に入り粉末スープやインスタントコーヒ ーなどの乾燥や漢方薬の乾燥にスプレードライヤ が利用されるようになっていった。また、無機材 料の分野では、磁性材料であるフェライトや電子 基板等の材料となるセラッミクスなどの乾燥造粒 にスプレードライヤが使われ、製造工程としてな くてはならない存在となっていった。この間、ス プレードライヤに要求される機能は、食品では大 2

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型で大量生産を、無機材料では成形性や取り扱い の簡便性が求められ、150~400µm とできるだけ大 きい平均粒子径を持った乾燥製品の生産が行われ た。 (2) 1975 年からの 20 年 1970 年代に入ると産業界はオイルショックの影 響を受け、企業の設備投資の抑制や石油以外の代 替エネルギーへの関心が高まっていった。また、 重厚長大から軽薄短小の産業構造に移行し、スプ レードライヤはより付加価値の高い粉末製品の製 造装置として位置づけられ発展した。 このような社会情勢の変革による要求を満たすた め、スプレードライヤを構成している要素部分で ある微粒化装置や熱風分散方式、乾燥粉末製品の ハンドリング等にさまざまな考慮がなされていっ た。その結果、スプレードライヤの需要は、1990 年以降の電子部品の IT 化によって高まり、バイオ、 医薬分野にまで拡大していった。図 3 にスプレー ドライヤの歴史と社会の変化を示す。図 3 中①の MC ディスクの詳細は後述するが、乾燥製品の粒子 分布を揃えることができる微粒化用のディスクで ある。粒子径の揃った乾燥製品はセラミックスの 製造工程で求められる。また、②のクローズド・ スプレードラヤは超硬合金原料の乾燥造粒用の装 置として開発され、乾燥装置の系内を窒素ガスで イナート状態にし、可燃性溶剤等が安全に扱える よう考慮した装置である。超硬工具用の原料の乾 燥造粒にはなくてはならない装置である。③のス プレーバッグ・ドライヤは乾燥塔をろ布で構成し、 乾燥製品を一括回収でき、電子部品材料に金属コ ンタミが発生しないよう考慮した装置である。 以上は無機材料を扱うスプレードライヤとして 開発されて上市されていった装置であるが、食品 乾燥粉末に要求される溶解性を考慮したスプレー ドライヤとして、④の流動造粒スプレードライヤ がある。この装置は、スプレードライヤの乾燥塔 内で原料の乾燥と同時に粒子同士を結合させ、溶 解性の良い顆粒製品を得ることのできるスプレー ドライヤである。⑤の噴霧熱分解装置は、単に乾 燥操作だけでなく、1,000℃以上の雰囲気に微粒化 した原料を導入し、熱分解によってセラミックな どの基礎材料を合成する装置である。 3. 液体の微粒化から見た 1975 年からの 20 年間 スプレードライヤに要求される乾燥製品の品質は 多岐にわたる。それらを実現したコア技術は微粒 化と乾燥である。特に微粒化は、スプレードライ ヤの特長や能力を決定する大きな要素であり、ス プレードライヤの発展は微粒化技術の発展と言っ ても過言ではない。以下に、1975 年からの 20 年 世 の 中 の 出 来 世の中の出来事 対象の拡がり 1865 特許化 1872 基本原理が発表 バイオ、ナノテク 2004~ IT化 1990~ さ 1920~ 工業化 1926 粉ミルクの乾燥技術が 第二次世界大戦 1930 インスタントラーメン販売 1958 1960~ 電子セラミックス応用 1970~ 漢方薬、粉末調味料 電子セラミックス拡大 確 1981 ①MCディスク 1983 ②クローズド・スプレー 1985 ③スプレーバッグ・ドライヤ 1986 ④流動造粒スプレードライヤ 1992 ⑤噴霧熱分解 ドラヤ 装 された 装置 確立 ドライヤ 図 3 スプレードライヤの歴史と開発装置 3

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を微粒化技術から考察する。 液体の微粒化方式は大きくノズル噴霧方式とデ ィスク噴霧方式に分かれる。ノズル噴霧方式は大 量に 150µm を超えるような平均粒子径を持った乾 燥製品を生産するときに用いられる。ディスク噴 霧方式はノズル噴霧方式と比較して少ない処理量 で 150µm 以下の乾燥製品を生産するときに用いら れる。以下にそれぞれの構造とその特徴を示し、 スプレードライヤがどのように時代の要求に応え ていったかを説明する。 (1) ノズル噴霧方式 ノズル噴霧方式の一つとして圧力ノズル方式が ある。液体原料はポンプで加圧され、コアと呼ば れる旋回室に導入される。そこで旋回力が与えら れ液体原料は、オリフィスを通過し膜状になり微 粒化される。(図 4) 圧力ノズル方式は、一品種の液体原料を大量に 処理する大量生産を目的としたスプレードライヤ に適用され、我が国の高度経済成長を支えた。特 に一般消費者に直接使われる粉ミルク、洗剤、大 豆蛋白などの製造に多く使われた。しかし、液体 原料の粒子径制御は、ノズル部品であるコアとオ リフィスの組み合わせを変える必要があり、生産 途中の変更は困難であった。 (2)加圧2流体ノズルの開発 1970 年代に入ると単に大量に処理する時代は終わ り、効率的な生産や品質の向上が要求されるよう になっていった。そこで、加圧ノズルの特長を生 かし、変化する要求に応えるために新型ノズルの 開発が計画された。 既に記述した圧力ノズルの他に、高圧空気の剪 断により微粒化する2流体ノズルがあった。この ノズルの特長は、微粒化用の空気を調節すること によって液状原料の粒子径制御が可能であること である。しかし、高圧の空気が必要となるためエ ネルギーコストが大きくなる欠点があった。この 二つのノズル特長を生かし、高濃度乳化重合度の 150µm 程度の大粒子製造用ノズル噴霧方式のスプ レードライヤの自動化を目的として開発されたノ ズルが、加圧2流体ノズルである。 加圧2流体ノズルは中心部分に加圧ノズルを備 え、その周囲から低圧のアシストエアを流すこと で微粒化を促進する。スプレードライヤ運転当初 の不安定な微粒化を安定化して不良品の発生を 防止しするとともに液滴径の制御を可能にした (図 5)。液滴径の制御が可能になることで、ノズ ル噴霧方式の用途がさらに拡大した。その一例と して、これまで段階的に行っていた顆粒製造を一 段で行える流動造粒スプレードライヤに搭載する ことで安定的に顆粒製品を得ることも可能になっ た。 従来のスプレードライヤの下部に流動層を設置 して加圧2流体ノズルと組み合わせることで、顆 粒製品を製造するために必要な微粒子とともに造 粒に必要な制御された粒子を流動層内に供給する ことができ、それによって微粒子の少ない多孔質 な乾燥製品となり溶解性が改善される。また、流 動層内で造粒するため、装置の小型化、省エネ化 に貢献した(図 6)。 さらに、この加圧2流体ノズルを発展させ、排 液体 アシストエア 液ノズル 空気ノズル 原液 コア オリフィス 図 4 圧力ノズル 図 5 加圧2流体ノズルの構造 4

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ガス急冷設備用省エネノズルとして数億円の新規 の市場開発につながった。 (3)M type ディスクの開発 ノズル噴霧方式と異なりディスク噴霧方式は、 図 7 のような高速で回転するディスクの中心部に 液体原料を供給し、遠心力によりディスク外周部 で液体を微粒化する。粒子径の制御は、ディスク の回転数を可変とすることでコントロールが可能 となる。 1980 年代に入るとセラミックス・ブームが到来 し、スプレードライヤもセラミックスの製造工程 のなかで活躍する。ここで要求される乾燥粒子は、 セラミックスの製造工程であるプレス成形時に高 い成形密度や均一なプレス圧力伝播が可能となる 粒子である。スプレードライヤには均一度の良い 粒度分布を持った粒子を生産することが要求され た。図 7 に示した M type ディスクは、図 8 に示す 従来良く採用されていた他のディスクと比較して 粒度分布の揃った粒子を造ることができ、セラミ ックスや電子材料向けのスプレードライヤに広く 採用されるようになった。 図 9 は M type ディスクとその他のディスクの粒 度分布を比較した図であるが、他のディスクに比 較して M type ディスクの粒度分布は均一度が良い ことがわかる。 5. 電子部品材料用スプレードライヤの推移 1975 年は、第 1 回主要国首脳会議がフランスで開 催され、我が国では沖縄国際海洋博覧会が開幕さ れた年でもある。それからの 20 年間を振り返っ www www www 図 6 粒度分布の比較例(調味料) て見てみると、世界は IT 化に流れ、同じく 1975 年に設立されたマイクロソフト社がウィンドウズ を率いて、世界を席巻した感がある。その結果、 多くの電子部品を内蔵しているコンピュータや携 帯電話、液晶テレビなどが世界に広がり、その原 料である無機材料(特に電子部品材料)の乾燥造 粒操作は、なくてはならない技術となった。 1975 年代の電子部品材料生産用のスプレードライ ヤは、日本国内全体で大小合わせて年間 30 台ほど 図 7 M type ディスク

(a) Vs type ディスク (b) K type ディスク 図 8 従来型ディスク製品 20 30 40 50 100 200 300 500 50 80 95 30 90 70 95- 90- 30- 70- 80- 50- 積算重量パーセント[%] 粒子径 [µm] 図 9 ディスクタイプによるスプレードライヤ 乾燥製品の粒子径分布 5

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が作られ、当社の前身である小知和化工機で、こ のうち 5~6 台を納入していた。1980 年代に小知 和化工機を当社が吸収合併し、開発、テスト装置 の設置を開始し、客先の要求粉体性状に応える装 置改良に着手した。 1987 年頃までは従来と同様に推移していたが、 1987 年から 1991 年にかけては日本のバブル期と いわれ、装置の導入も盛んになり、電子部品材料 生産用のスプレードライヤの国内設置台数も全体 で年間 40~50 台が設置されるようになった。その 中、粒子性状に着目した当社製の改良型スプレー ドライヤも年間 15 台程度が納入された。その後 1996 年頃までバブル崩壊後の設備不況と電子部品 の小型化が進み、生産装置も少量多品種化に移行 し、国内全体で年間 20~30 台の設置数のうち、当 社での納入台数は 10~15 台で推移した。 1996 年以降では、電子部品の小型化、高性能化 がさらに要求されるようになり、当社は年間 15~ 30 台の中小型の専用機を納入するようになった。 21 世紀を前に、当社のスプレードライヤも 1000 台以上が世界で活躍し、電子部品材料の分野にお いて 1975 年代には約 20%程度であった市場占有 率も、1995 年代には約 40%にまで上昇し、現在で は、電子部品材料分野の新規設置市場占有率は 80%を超え、重要な生産設備として我が国の産業 を支えている。 スプレードライヤは液体を微粒化し乾燥すると いう単純操作でありながら、奥が深く、まだまだ 改良の余地のある技術である。食品の乾燥に始ま り、既に、日本ではセラミックス、化学製品、触 媒、健康食品、製薬など多くの産業に行き渡って いるが、これからは、中国や他の途上国を中心に 発展していくだろう。 現在、電子部品の小型・高性能化の時代となり、 スプレードライヤでも、平均粒子径サイズが小さ く粒度分布の狭いものが要求されている。今後と も我々は、スプレードライヤの製品粉体性状要求 の変化に対し、速やかに装置開発を進めていくこ とが重要である。 参考文献

1) Masters, K.; “Spray Drying Handbook Fourth Edition,” p.9, George Godwin, London (1985)

2) 相嶋静夫; “噴霧乾燥装置の運転と保守,” 粉体と工業, 実用 粉粒プロセス技術 (1995) 3) 大川原正明; “噴霧乾燥と微粒化,” 第4回液体微粒化 講習会,日本エネルギー学会液体微粒化部会 (1992 年10月26, 27日) 6

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技術革新と社会変革, 第 1 巻, 第 1 号, pp.21-32, 2008 報 文

強度の高いセメントは良いセメントか

Is the High-Strength Cement Rated among the Best Cement for Concrete

山 岸 千 丈 Chitake YAMAGISHI 要 旨: 明治時代のコンクリート構造物が現存している一方で、コンクリートの耐久性が問題になって いる。コンクリートの耐久性には粉体量の確保が大事であり、欧州では、日本で流通していない強さク ラス 32.5 の低強度セメントが最も多く使われている。本報文では日欧のセメント及び 32.5 クラスの試製 セメントの試験データから、汎用コンクリート用としては単位セメント量の多くなる強さクラス 32.5 の 低強度セメントの方が、我が国で多用されている普通ポルトランドセメント(欧州規格では強さクラス 52.5 に相当)より優れていることを述べた。

Abstract: Despite the fact that there remain sound concrete structures of the Meiji era, the durability of the concrete is challenged even now. The amount of powder in concrete mixture exerts a great influence on the durability of product. The most widely used cement in Europe is the strength class 32.5 cement which is not circulated in Japan. This paper points out that the cement of the strength class 32.5 is more suitable as the multi-purpose concrete than the Japanese common Portland cement which is classified into strength class 52.5 in European EN-Standard.

キーワード:コンクリート、耐久性、32.5 クラス、材料分離、EN 規格 Keywords: concrete, durability, strength class 32.5, segregation, EN-Standard

___________

著者 山岸千丈, 化学工学会 SCE-net, 167-0051 東京都杉並区荻窪 2-17-4, [email protected] 2008.1.17 受付. 2008.4.4 受理

社会技術革新学会第 1 回学術総会 (2007.10.12) にて発表

表 1  EN197-1:2000 での強さに基づく分類 5) 圧縮強さ(Mpa)  初期強さ  標準強さ 強さ クラス  2 日  7 日  28 日  32.5N  -  ≧16.0  ≧32.5  ≦52.5  32.5R  ≧10.0  -  ≧32.5  ≦52.5  42.5N  ≧10.0 -  ≧42.5 ≦62.5 42.5R  ≧20.0 -  ≧42.5 ≦62.5 52.5N  ≧20.0 -  ≧52.5 52.5R  ≧30.0 -  特定の混合材を組み合わせ 36~80%混合し
表 4  日本で市販されているセメントのEN規格による区分 5)  圧縮強さ[MPa]  2 日  7 日  28 日 セメント の  種類 * サンプル数 N  最小  平均  最大  最小 平均 最大 最小 平均 最大 EN167-1:2000 に基づく 規格区分  NPC  19  16.8  21.5  28.2  39.5  43.7  48.3  55.2  61.3  66.1  CEMⅠ  52.5N ** HPC  11  36.8  39.4  42.2  53.8  56.0  58.
図 6  主なコンクリート劣化の仕組 12,13) 膨張でひび割れを生じ、かぶりの剥落、コンクリ ート断面の欠損、耐力低下に至る。表 7 に示すよ うにこのことを「塩害」と呼んでいる。塩化物イ オンは、よく水洗されていない海砂を使うことで コンクリート打設時に持ち込まれたり(山陽新幹 線の例)、台風などで海水の飛沫が海辺にあるコン クリート構造物に飛来し塩分がコンクリートに浸 透することで持ち込まれる。後者では空隙の多い コンクリートは塩分が浸透しやすいので、鉄筋は よりさびやすくなる。    表 8 は所
表 9  欧州のセメントと日本のセメントの特性 8) 凝結  [h-mm]  モルタル強度 [MPa] セメントの 種類 組成・強さ 密度  ブレーン 始発  終結  1d  2d  3d  7d  28d  91d  52.5R  CEMⅠ52.5R  3.12  6080  2-00 2-50 37.1 49.5 51.6  56.6  63.4 64.8 42.5R  CEMⅠ42.5R  3.14  4260  2-20 2-50 24.6 36.7 41.5  46.4  53.2 60.2ドイツ
+6

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