バイオプロセスや化学機器を選定する際、なぜ流体のレオロジー（流動学）が不可欠なのでしょうか？パイロットプラントを用いたスケールアップの極意

流体のレオロジーは、プロセス流体が力に対してどのように反応するかを決定づけるものであり、その反応は機器の選定、運転条件、そしてスケールアップに直接的な影響を与えます。 ニュートン流体の場合、特定の温度下では粘度が本質的に一定であるため、標準的な関係式を用いて圧力損失、ポンプの要求性能、混合挙動を予測できます。一方、非ニュートン流体では、見かけの粘度がせん断速度、降伏応力、またはせん断履歴によって変化するため、流体のレオロジーを考慮に入れない限り、同じ計算は信頼できません。

この区別が重要なのは、機器が抽象的な「粘度」を処理するのではなく、特定のせん断速度や流動条件を流体に課すからです。 ニュートン流体の挙動であれば単純な設計相関式が適用できることが多いのに対し、非ニュートン流体では、レオロジーに基づいたポンプ、配管、混合、伝熱、およびプロセス制御の判断が必要となります。

なぜレオロジーが機器の挙動を変えるのか

ニュートン流体：予測可能な粘度

理想的なニュートン流体では、粘性せん断応力は速度勾配に比例します：

[ \tau = \mu \dot{\gamma} ]

ここで、(\mu) は動粘度、(\dot{\gamma}) はせん断速度です。温度と組成が一定であれば、粘度は動作するせん断速度範囲全体でほぼ一定です。

水、空気、および多くの軽質油は、工学計算において一般的にニュートン流体として扱われます。これらは挙動が予測可能であるため、従来の管内流、ポンプ、混合の相関式が適用できます。

非ニュートン流体：見かけの粘度

非ニュートン流体では、せん断応力とせん断速度の比は一定ではありません。そのためエンジニアは、特定のせん断速度における流体の流れに対する抵抗を示す見かけの粘度（apparent viscosity）を使用します。

発酵ブロス、ポリマー溶液、細胞懸濁液、エマルション、フォーム、デンプンのり、高濃度スラリーなどはすべてこの挙動を示します。これらの見かけの粘度は、せん断の持続時間や流体の過去の処理履歴に依存することもあります。

機器によって異なるせん断速度

配管壁、ポンプのインペラ、バルブ、攪拌機、伝熱面は、それぞれ異なるせん断環境を流体に与えます。その結果、非ニュートン流体はプロセスのある場所では非常に高粘度に見え、別の場所では大幅に低粘度に見えることがあります。

これが、任意の実験室条件下で測定された単一の粘度値が、機器設計には不十分である理由です。関連するレオロジーデータは、実際の運転で予想されるせん断速度範囲を反映している必要があります。

レオロジーが単位操作を導く方法

ポンプの選定とサイジング

ポンプの性能は、粘度、流動抵抗、圧力要件、そして場合によっては流体の降伏応力に依存します。低粘度のニュートン流体には遠心ポンプが適しているかもしれませんが、高粘度流体や降伏応力を持つ材料には、容積式ポンプの方が信頼性の高い流量を提供できる場合があります。

せん断減粘性流体はせん断速度が上がると粘度が低下するため、高せん断領域では抵抗が減りますが、システム内の他の場所では強い粘度差が生じる可能性があります。せん断増粘性流体はせん断下で粘度が増加し、トルク、圧力、モーター負荷の要求値を高める可能性があります。

配管と圧力損失の予測

ニュートン流体の場合、確立された摩擦係数と速度分布の関係式を用いて、かなりの精度で圧力損失を予測できることがよくあります。非ニュートン流体では、流動挙動指数や降伏応力など、その流動特性を考慮した相関式が必要です。

非ニュートン性のブロスやスラリーを誤ってニュートン流体として扱うと、配管のサイズ不足、ポンプヘッドの不足、不安定な流れ、あるいは過剰なエネルギー消費につながる可能性があります。パイロットスケールの配管は、意図した運転範囲全体での実際の圧力損失挙動を明らかにできるため有用です。

攪拌機とモーターの設計

レオロジーは、インペラを回転させるために必要なトルクや、攪拌機が容器全体に材料を循環させる能力に強く影響します。容器壁付近で粘度が高すぎる流体は、インペラ付近が十分に攪拌されているように見えても、混合が不十分なままになる可能性があります。

せん断減粘性流体は、インペラ付近では低粘度ゾーンを形成する一方で、遠隔領域では高い粘度を維持することがあります。インペラの形状、速度、モーター容量を適切に選定しないと、デッドゾーン、濃度勾配、不完全な反応が生じる可能性があります。

伝熱と物質移動

粘度は境界層、循環、乱流に影響を与え、それが伝熱係数や物質移動係数に影響します。そのため、非ニュートン流体は、運転速度やバッチ組成の変化に応じて、加熱、冷却、通気、またはガスの吸収特性が異なる場合があります。

これは、酸素移動、温度制御、栄養分分布を容器全体で適切に維持する必要がある発酵や生物学的プロセスにおいて特に重要です。バッチの進行中にレオロジーが変化する可能性があるため、移動性能も時間とともに変化する可能性があります。

バイオリアクターと細胞の取り扱い

生物学的システムには、「敏感な細胞や生物学的構造を損傷することなく十分な輸送を提供しなければならない」という追加の制約があります。強いせん断は分散を改善し見かけの粘度を低下させる可能性がありますが、同時に脆弱な細胞、凝集体、タンパク質を傷つける可能性もあります。

したがって、設計の目的は単なる混合強度の最大化ではありません。循環、物質移動、温度均一性、そして許容可能な生物学的ストレスの間の制御されたバランスが重要です。

なぜパイロットプラントが不可欠なのか

レオロジーと実際の機器をつなぐ

実験室のレオメーター測定は制御された条件下での流体挙動を特徴づけますが、パイロット機器は、その挙動がポンプ、配管、バルブ、タンク、攪拌機とどのように相互作用するかを示します。工業用機器は不均一なせん断場と変化する滞留時間を生み出すため、この接続が重要です。

パイロット試験では、現実的な条件下での流量、圧力損失、モーター負荷、混合時間、温度応答、移動性能を測定できます。これらの観察結果は、単なる粘度値よりも機器選定の強力な根拠となります。

スケールアップの判断を改善する

流量や容器容積のみに基づいたスケールアップは、流体が非ニュートン性である場合に失敗する可能性があります。容器の寸法、インペラ径、回転速度、配管形状の変化は、せん断速度分布を変化させ、プロセス全体の見かけの粘度を変えてしまう可能性があるからです。

パイロットデータは、容積あたりの動力、先端速度、混合時間、酸素移動能力、許容最大せん断など、スケールアップ時にどの性能基準を維持すべきかを特定するのに役立ちます。正しい基準は、製品とプロセスの目的によって異なります。

より良いプロセス制御をサポートする

反応、発酵、濃縮工程、配合操作中にレオロジーが変化する場合、固定された運転条件では一定のプロセス性能が得られなくなる可能性があります。バッチの開始時に機能したポンプ速度や攪拌設定が、後では不適切になるかもしれません。

トルク、圧力、流量、温度、バッチ組成などの変数を監視することは、オペレーターがこれらの変化を検知するのに役立ちます。制御戦略によって速度、流量、または運転シーケンスを調整し、必要なプロセス条件を維持することができます。

トレードオフを理解する

せん断減粘性は有用だが、常に安全とは限らない

せん断減粘性挙動は、ポンプや高せん断領域での抵抗を下げ、流体を動かすために必要な圧力を低減できます。しかし、低せん断領域では流体が循環しにくいままであり、デッドゾーンや不均一な組成が発生する可能性があります。

また、バイオプロセスにおいて細胞や他の敏感な成分を損傷する場合、強いせん断は望ましくありません。ポンプのエネルギーが最小であることが、必ずしも最良の運転条件とは限りません。

せん断増粘性は負荷の問題を引き起こす可能性がある

せん断増粘性流体は、インペラやポンプのせん断が強まったときに、まさにその抵抗が増大する可能性があります。これにより、トルク、モーター動力、圧力損失、および不安定な運転のリスクが高まる可能性があります。

したがって、機器は単なる公称運転点ではなく、予想される最大の粘度およびせん断速度条件に対して評価されるべきです。

降伏応力は流れを妨げる可能性がある

ビンガム塑性体のような材料は、加えられた応力が降伏応力を超えるまで流れません。流れが始まった後も、見かけの粘度はせん断速度によって変化する可能性があります。

そのため、ポンプが作動していてもタンクや配管内でほとんど動きが見られないシステムが存在します。起動トルク、ラインの閉塞、再起動時の挙動、容器の形状をすべて考慮する必要があります。

レオロジーは処理中に変化する可能性がある

温度、濃度、細胞増殖、重合、反応の進行、相変化は、レオロジー特性を変化させます。初期サンプルに基づいて設計されたプロセスは、バッチの進行に伴って異なる挙動を示す可能性があります。

これらの変数が実質的に変化すると予想される場合は常に、関連する温度、組成、せん断速度、および時間の範囲全体でレオロジーを測定する必要があります。

目標に向けた正しい選択

まず、機器が実際に課す条件下で流体を特徴づけ、次にそれらの測定値をパイロットスケールの性能と結びつけることから始めてください。

• 主な焦点が信頼性の高い流体輸送である場合： 予想されるせん断速度範囲全体で粘度または流動挙動を決定し、それを使用してポンプ、配管径、バルブ、および必要なシステムヘッドを選定します。
• 主な焦点が効率的な混合である場合： 降伏応力、せん断減粘性またはせん断増粘性挙動、インペラの形状、モーターのトルク、およびデッドゾーンのリスクを評価します。
• 主な焦点が生物学的製品の品質である場合： 許容されるせん断暴露を定義し、ポンプ、攪拌、通気、および再循環が、敏感な種を損傷することなく輸送ニーズを満たしていることを検証します。
• 主な焦点が伝熱または物質移動である場合： バッチ中の変化を含め、運転範囲全体でレオロジーが循環や移動係数にどのように影響するかを測定します。
• 主な焦点がスケールアップである場合： 幾何学的相似性だけでプロセス挙動が再現されると仮定するのではなく、パイロット実験を使用して維持すべき性能基準を特定します。

流体がニュートン流体か非ニュートン流体かを理解することは、機器選定を「大まかな見積もり」から「根拠のあるプロセスエンジニアリングの判断」へと変えるものです。

要約表：

LABPARKでレオロジーに基づく機器選定を検証

単一の粘度値に基づいて機器を選定すると、混合不良、不安定な流れ、過剰なエネルギー使用、不十分な伝熱・物質移動、そしてスケールアップの問題につながる可能性があります。LABPARKは、大学、研究機関、企業が、教育・職業訓練用単位操作パイロットプラントを通じて、実際の流体挙動と実用的なプロセス性能を結びつける支援をします。

当社のパイロットプラントソリューションは、化学工学、バイオプロセス・バイオテクノロジー、環境・水処理におけるトレーニング、研究、プロセス検証をサポートします。フルスケールの機器に投資する前に、現実的な運転条件下でポンプ、配管、攪拌、伝熱、通気、圧力損失、トルク、プロセス制御を評価してください。

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