共同研究・競争的資金等の研究課題

本研究では液液スラグ流の内部循環流による撹拌効果を利用し、生成粒子径分布の制御が可能な微粒子連続合成プロセスを開発するため、ミリスケールの円管内に形成させた液液スラグ流について分散相スラグの形状予測式ならびに圧力損失推算式の推算式を提案した。また、シリカ微粒子の合成実験を行い通常の管型反応器と比較したスラグ流の優位性を示した。さらにスラグ内部循環流の流速分布を解析し、循環流サイズの増大や循環周波数増大のための条件を明らかにした。これら基礎的知見は種々の化学反応や抽出など液液スラグ流利用プロセスの設計に有用であり、医薬品や化学品などの精密合成のためのフローリアクター開発に貢献すると期待される。

本研究では液液スラグ流のリアクターとしての利用を目指し、(1)液スラグの形状予測および制御手法の確立、(2)液スラ グ内部循環流の混合効果を利用した微粒子製造ならびに粒径制御手法の確立、(3)微細気泡含有ゲルカプセル連続生成法の提案、を目的とした。2液体の物性が液スラグの形状に及ぼす影響を実験的に明らかにし、スラグ長さや界面形状を予測する無次元相関式を提案した。 分散相スラグを反応場としてゾルゲル法によりシリカ微粒子を生成し、内部循環流制御による粒径分布制御の可能性を示した。また、ゾル水溶液で分散相スラグを形成し管内でゲル化を進行させ形状の揃ったゲルカプセルの連続製造に成功した。

「液液スラグフローリアクター活用プロセス設計のための流動予測モデル」を開発する。二流体が管内を交互に流れる液液スラグ流は、内部循環流による混合促進効果により優れた反応・分離場になると期待される。しかし、液物性や操作条件、装置条件により変化する流動状態の迅速な予測は困難である。そこで機械学習を用いた液液二相流動状態の予測モデルを構築し、スラグ流活用のための迅速な操作条件決定を可能にする。 マイクロ・ミリスケール流路内の液液二相流は、反応場や分離場、特に混合性能に優れるスラグ流の利用が期待されている。しかし、多様な流体や流路条件（材質、形状）が存在するため、任意の条件に適用可能な普遍的な流動状態（液滴流、スラグ流、環状流）の予測モデルは未確立である。キャピラリー数とレイノルズ数を用いた従来の無次元数マップは存在するものの、流路の濡れ性や合流角度、材質、断面形状といった要因を考慮できず、異なる実験条件では予測精度が大きく変動するという課題があった。 そこで本研究では、機械学習、特にニューラルネットワーク技術を活用し、より広範な条件に対応可能な流動状態予測モデルの構築を目指した。モデルの入力変数には、界面張力、分散相と連続相それぞれの粘度と密度、管径、二流体の合流角度、壁面の接触角という計8つの物理的・幾何学的パラメータを採用した。出力は各流動状態（液滴流、スラグ流、環状流）の確率とした。学習と検証には、既往の4つの論文から抽出したデータと本研究グループの実験データを合わせた計3577点のデータセットを使用した。 ランダムに抽出したデータで学習・検証を行った結果、構築したモデルは約78%の正答率を達成し、特に重要なスラグ流とそれ以外の判別においてもF1値約0.76と、偏りの少ない良好な予測性能を示した。一方で、特定の流路条件の影響を評価するため、矩形管やガラス管のデータを意図的に学習データから除外し、テストデータとしてのみ使用したところ、正答率はそれぞれ約43%、約42%へと大幅に低下した。 この結果は、従来モデルでは十分に考慮されてこなかった流路の断面形状や材質が、細管内の液液二相流動状態を決定する上で極めて重要な影響因子であることを強く示唆している。 種々のニュートン流体についてガラスおよび樹脂製の円管での流動実験データをもとに機械学習モデルを構築した。着目した物性値のうち、粘度は比較的広い範囲について検討できたが、界面張力の異なる系についてのデータを追加する必要がある。 可視化実験に使用している機器の故障等の理由により実験がやや遅れている。 流動状態予測について、界面張力を変化させた水-油系や水性二相系などいくつかのデータを追加する予定である。また、非ニュートン流体についてもあわせて検討する。 次のステップである形状予測については、種々の流体でスラグ流を形成し、分散相スラグの界面形状データを採集している途中である。

振動流バッフル反応器は，バッチ式撹拌槽型プロセスを流通式管型へと転換できるため，化学プロセスの飛躍的高効率化への貢献が期待されている。しかし，大きな渦流がランダムに多数発生する反応器内の流動は複雑であり，その混合及び物質移動強化の発現要因は明らかになっていない。そこで，内部流動観察や数値流体シミュレーション結果に基づいて特徴的な渦流構造とそのダイナミクスを定量評価し，混合及び物質移動性能強化との関係を明らかにする。

マイクロバブルはラプラス圧の効果により液相に急速に溶解することが知られている。急速な溶解に伴い気泡周囲には高溶存気体濃度領域が形成されると予想できる。この急速なガス溶解を利用した結晶製造方法が提案されているが、マイクロバブルの溶解速度や気泡周囲の溶存気体の濃度分布を正確に予測する方法はまだ存在しない。本研究では、界面活性剤が存在する条件での静止流体中でのマイクロバブル溶解速度予測モデルを提案した。

静止流体中におけるマイクロバブル(以下μB)の溶解・収縮挙動に関する詳細な知見を得るため、液-気-液3相合流型のマイクロチャネルを用いた観察を行った。気液流量変化による流動様式の変化を観察し、μBが生成する条件を明らかにした。次に液相に酸素呈色試薬を添加し溶存酸素濃度場の可視化を行い、μBの急激な溶解・収縮により溶存気体高濃度場が形成されることを明らかにした。また操作条件がμB溶解・収縮に及ぼす影響を調べ、マイクロチャネル内圧力の増加および初期液相溶存酸素濃度の減少がμBの急激な溶解・収縮を促進させることを明らかにした。さらにμB溶解・収縮挙動モデルを検討し、実測値と計算値に良好な一致を得た。

ファインバブルの独特な機能性発現メカニズムの解明を行い、ファインバブル技術を基盤とした産業創生を促すために、水中に長期間存在するウルトラファインバブルの特性を明らかにするための基礎研究を行った。 とくに(1)可視化が困難なウルトラファインバブルの最適な計測技術、(2)ウルトラファインバブルによる壁面付着物の除去メカニズムの解明、(3)ウルトラファインバブル水のキャビテーションによるラジカル発生の検証、(4)ウルトラファインバブル水からのマイクロバブル発生の解明、(5)ウルトラファインバブル液相トレーサーの開発、を実施し成果を得た。

ウルトラファインバブル（UFB)は水中に浮遊するUFBと共存する固体ナノ粒子とを分別することが極めて難しく、UFB独自の性質の正確な評価が困難である。そこで本研究ではレーザー散乱ナノ粒子解析法から派生した、水中に存在するバブルと固体粒子とを判別できる新しい技術開発を行い、超純粋なUFB水生成法の開発と評価を行った。また緩慢前進凍結による水中に浮遊するUFBの高度分離法を発明した。さらに減圧水相蒸発によるUFBの数濃度濃縮法にも成功した。つづいて貧溶媒気泡核発生を利用した水相バルク中からのUFB発生技術を実現させた。

ウルトラファインバブル(以下UFB)の性質を評価するための新しい分析・計測技術を開発した。UFBの純度評価法として緩慢凍結融解法、サンプル調製法としてUFB水の希釈および濃縮技術を開発した。また大腸菌殺菌用オゾン水の製造法、マイクロバブル内ガスの溶解速度の推算法を導いた。マイクロ流路を利用した単一微細気泡生成、超音波付加による水中からのUFB生成にも成功した。さらにドイツ－カナダ－日本の国際ファインバブルコンソーシアムを設立し、2018、2019年にカナダでUFBに関する国際ワークショップを２回開催した。また2017年に日本で寺坂教授とSchlueter教授が議長を務め国際会議を開催した。

本年度は下記の研究課題(A)と(B)に取り組んだ。 (A)非凝縮性ガス分子とスチームの混合蒸気の急速冷却によるウルトラファインバブル水生成 気体分子が液体分子にくらべ分子拡散係数が極めて大きいことを利用し、水蒸気に各種ガスを空間均一的に混合させた。この混合蒸気を高速に冷却して液化凝縮させることで、水中にガス分子が空間均一的に過飽和で分布する凝縮水を作成した。研究代表者の仮説が正しければ、空間均一な過飽和溶存水では多数の気泡核発生が生じ、ウルトラファインバブルが多数発生すると。本実験結果では仮説通りの現象が得られ、本仮説がウルトラファインバブル生成のメカニズムとして正しいと結論を得た。このウルトラファインバブル生成メカニズムを利用した新規なウルトラファインバブル製造法として、非凝縮性ガスとスチームの混合蒸気の急速冷却凝縮法によるウルトラファインバブル製造法を確立し、実際に得られるウルトラファインバブルの数濃度やサイズ分布を計測した。 (B)非凝縮性ガスと水蒸気の混合気体の急加圧によるウルトラファインバブル水生成 研究代表者の仮説をもとに、減圧により気化した水蒸気と非凝縮性ガスを気相中で均一混合した後、大気圧まで急復圧させ得た凝縮水中でも多数のウルトラファインバブルが得られると予測できる。シリンジ内に予め非凝縮性ガスと水を封入し、体積膨張(減圧)により気化した水とガスとを均一に混合した。その後急激な体積収縮またはガス充填によって復圧(加圧)し、水中に多数の気泡核を持つ凝縮水を形成させ、ウルトラファインバブル水生成を実験的に確認した。

マイクロバブルを原料として新しい機能性材料を創生した。まずマイクロバブルの特異的性質である急速収縮を利用して、無機物結晶および有機物結晶を製造した。さらに食品工業で有用なマイクロバブルを内包したゲル材料の研究開発、マイクロバブル表面に金属膜をもつ中空粒子の製造、および巨大リポソームによる化学反応物運搬技術とそのプロセス応用の開発を行った。以上に共通するマイクロバブルテクノロジーに関わる現象の解明を行った