化学工学論文集
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37 巻, 4 号
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編集ノ－ト
移動現象，流体工学
  • 超音波照射によるマイクロバブルの凝集・合一挙動
    小林 大祐, 林田 喜行, 寺坂 宏一
    原稿種別: 報文
    専門分野: 移動現象，流体工学
    2011 年 37 巻 4 号 p. 291-295
    発行日: 2011/07/20
    公開日: 2011/07/29
    DOIhttps://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.37.291
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    本研究では，超音波場におけるマイクロバブルの動的挙動に液相条件がおよぼす影響を調べた．イオン交換水中に発生させたマイクロバブルに2.4 MHzの超音波を照射すると，Bjerknes力により腹から斥力を受けて節の位置で気泡同士が近づきあい，凝集体を形成して急速に液中から離脱した．界面活性剤を添加すると，気泡表面に吸着し立体的阻害が起こり，凝集体を形成しにくくなった．また，液相のpH調製により，マイクロバブルのζ電位が0 mVに近い条件下では凝集した気泡同士の一部が合一した．液相条件を適切に設計することにより，マイクロバブルの凝集・合一挙動だけでなく，凝集体の大きさを操作し液中での上昇速度を外的操作により動的に制御できる可能性を見出した．
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  • 超高速回転ベルカップ塗装機における噴霧粒子挙動の定量評価法の提案
    安村 光太郎, 齋藤 泰洋, 庄子 正和, 松下 洋介, 青木 秀之, 三浦 隆利, 小笠原 慎, 大黒 正敏, 城田 農, 稲村 隆夫
    原稿種別: 報文
    専門分野: 移動現象，流体工学
    2011 年 37 巻 4 号 p. 296-304
    発行日: 2011/07/20
    公開日: 2011/07/29
    DOIhttps://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.37.296
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    噴霧塗装プロセスを理論に基づいて解明することを目的に，高速回転ベルカップ塗装機を対象とした噴霧流解析を実施した．噴霧粒子挙動の詳細を検討するための指標および手法として，Trajectory angleおよび塗着効率を低下させる因子の定量評価法を提案した．提案した手法を用いて，噴霧粒子挙動を詳細に検討し，塗着効率を低下させる支配因子の特定を行った．塗装機の操作条件であるシェーピングエア（SA）流量および印加電圧（EV）が噴霧粒子挙動に及ぼす影響を検討した．その結果，被塗装面近傍において形成する半径方向の外側に広がる気流へ噴霧粒子が同伴されることが塗着効率を低下させる支配因子であることを明らかにした．EVは10–40 μmの噴霧粒子を制御するのに，またSAは粒子径が小さい（<10 μm）または大きい（>40 μm）噴霧粒子を制御するのに有効であることを示した．本論文で提案したTrajectory angleおよび塗着効率を低下させる因子の定量評価法は，噴霧粒子挙動を詳細に検討するのに有効な評価手法であることを示した．
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  • 球底乱流撹拌槽の撹拌所要動力
    加藤 禎人, 塩原 克己, 古川 陽輝, 多田 豊, 長津 雄一郎, 高 承台, 李 泳世
    原稿種別: 報文
    専門分野: 移動現象，流体工学
    2011 年 37 巻 4 号 p. 305-309
    発行日: 2011/07/20
    公開日: 2011/07/29
    DOIhttps://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.37.305
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    これまで撹拌槽に関する研究は，平底円筒槽に関するものがほとんどであり，実機に採用されている皿底および球底槽に関するデータは少なく，スケールアップにおいて，実験室スケールの実験値と実機の実測値の差が問題点とされてきた．本報では，球底槽と皿底槽および平底槽との撹拌所要動力の差異を明らかにした．その結果，最も差が顕著に表れる撹拌槽の条件は，標準邪魔板条件の乱流状態では，パドル翼を用いたときであることがわかった．その際，球底槽の撹拌所要動力は平底槽のそれに比べて最大約27%低下した．傾斜翼およびプロペラ翼の動力数は槽底形状の影響はほとんど受けなかった．
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粉粒体工学
  • 浮力秤量法による浮上性球形粒子の粒径分布測定
    大平 勇一, 中野 和哉, Rondang Tambun, 島津 昌光, 太田 光浩, 小幡 英二
    原稿種別: 報文
    専門分野: 粉流体工学
    2011 年 37 巻 4 号 p. 310-316
    発行日: 2011/07/20
    公開日: 2011/07/29
    DOIhttps://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.37.310
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    浮力秤量法を用いて浮上性球形粒子の粒径分布を測定した．ソーダライムシリケートガラスビーズ（JIS試験用粉体2，GBL100）－ポリタングステン酸ナトリウム水溶液系と中空ガラス球（グラスバブルズ）－水系で検討を行った．実験で得られた粒径分布は，レーザー回折・散乱法や顕微鏡法で測定された粒径と同等であった．本研究によって，浮力秤量法が浮上性固体の粒径分布測定に適用できることがわかった．得られた粒径分布は，代表的な粒径測定法であるレーザー回折・散乱法，顕微鏡法と同等の精度である．
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  • 平板上昇に起因する粉体層からの粒子飛散現象の実験的検討
    後藤 邦彰, 松田 智子, 吉田 幹生, 押谷 潤, 小倉 勇
    原稿種別: 報文
    専門分野: 粉流体工学
    2011 年 37 巻 4 号 p. 317-322
    発行日: 2011/07/20
    公開日: 2011/07/29
    DOIhttps://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.37.317
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    本研究では，容器開封作業などで見られる粉体層近傍に負圧を生じる操作に着目し，環境中への発塵の防止や発塵性評価のための基礎的検討を目的とした．粉体層近傍に負圧を生じる操作の最もシンプルな系として，粉体層上部に置かれた物体が上昇する場合に着目し，板上昇に起因する粒子飛散現象を実験的に検討した．一次粒子径がナノオーダーからミクロンオーダーまでの5種類のシリカ粒子を用いて実験した結果，いずれの粒子でも，板の上昇により，粉体層からの粉体の飛散とともに，粒子の平板への付着と板中心部を最高点とした同心円状の層隆起が確認された．しかし，板への付着量，粉体層厚さを変えた飛散実験より，板への付着も粉体層の隆起も粒子の飛散量には影響しないことが明らかとなった．このことから，物体上昇による粒子の飛散は，飛散以外に付着や層変形などいくつかの粒子挙動が観察され一見複雑に見えるが，物体上昇に誘起される気流が飛散量を決定する主要因であると考えられる．
    また，板単位面積あたりの粒子飛散量に対する板直径および上昇速度の影響は，板上昇速度と板面積の積で定義した排除体積流量の違いで説明することができ，排除体積流量の増加に伴い飛散量は増加し，ある流量以上では飛散量はほぼ一定値となることが明らかとなった．この最大飛散量は粉体種により異なるが，本実験で用いた最大粒子である一次粒子径26 μmのシリカを除き，本実験に用いたシリカ粒子では大きな差はなかった．飛散した粒子をサンプリングし電子顕微鏡観察した結果，一次粒子径26 μm 以外のシリカ粒子は，一次粒子径によらずほぼ同じ大きさの凝集体として飛散していることが明らかとなった．このことは，飛散量は一次粒子径よりも層内での凝集状態に依存することを示唆する．
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  • 希薄コロイドの定速および定圧精密濾過における膜閉塞特性
    入谷 英司, 片桐 誠之, 杉山 悠生
    原稿種別: ノート
    専門分野: 粉流体工学
    2011 年 37 巻 4 号 p. 323-326
    発行日: 2011/07/20
    公開日: 2011/07/29
    DOIhttps://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.37.323
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    プール水とBSA溶液の希薄コロイドを用いて，精密濾過膜による定速濾過および定圧濾過実験を行い，単位膜面積あたりの濾液量の増加とともに濾過抵抗の増大がより顕著となり，定速濾過では濾過圧力が増大し，定圧濾過では濾過速度の逆数値が増大した．定圧濾過の場合と同様に，Kozeny–Carman式において粒子捕捉による膜の空隙率と比表面積の変化を考慮することにより，定速濾過においても，濾過特性式を導出できた．濾過特性式に基づく両対数プロットを行うと，定速および定圧操作のそれぞれに対して直線関係が得られ，勾配は両者でほぼ一致したことから，膜細孔内の閉塞が濾過方式によらず同じ機構によって生じているものと考えられる．
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熱工学
  • 加熱平板間に発達する自然対流熱伝達
    稲垣 照美, 白土 哲郎, 岡部 太郎
    原稿種別: 報文
    専門分野: 熱工学
    2011 年 37 巻 4 号 p. 327-337
    発行日: 2011/07/20
    公開日: 2011/07/29
    DOIhttps://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.37.327
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    本研究は，下流に向かって加速や減速を伴う加熱平板間の自然対流熱伝達について実験および数値シミュレーションの観点から検討を加えたものである．このような現象は，ハイブリッド外断熱建築構造物に付随する通気層内や大型電子デバイスの冷却装置内などさまざまな環境下で生起しており，それらの内部に誘起される自然対流の熱流体力学的な特性を解明しておくことが重要である．滑らかな垂直平行平板間に発達する自然対流の熱伝達については，従来からさまざまな研究が行われてきたが，下流に向かって加速や減速を伴う不均一な流路形状に沿って発達するより複雑な自然対流の熱伝達については全く知見がない．したがって，本研究では，下流へ向かって流路断面が変化する滑らかな加熱平板間に自然対流を発生させ，その熱流動特性を考察した．同時に，現象に合致した数理モデルを構築して数値シミュレーションとの比較検証を実施した．その結果，流路形状により自然対流の熱伝達は局所的に変遷し，自然対流熱伝達に関する従来の知見では補えない特異な現象が存在することを示した．
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プロセスシステム工学，安全
  • プラントアラームシステム適正化のためのイベント相関解析法の拡張
    倉田 浩二郎, 野田 賢, 菊池 康紀, 平尾 雅彦
    原稿種別: 報文
    専門分野: プロセスシステム工学，安全
    2011 年 37 巻 4 号 p. 338-343
    発行日: 2011/07/20
    公開日: 2011/07/29
    DOIhttps://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.37.338
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    アラームシステムの適正化を目的として，プラント運転ログデータから連鎖アラームや繰り返しアラーム，操作不要アラームなどの迷惑アラームを抽出するイベント相関解析法が提案されている．イベント相関解析法は，バイナリ変換されたアラームや操作のイベント発生系列間の相互相関値に基づき，イベント間の類似度を評価する．このとき，イベント発生点間のタイムラグの分散が大きいと，物理的に関係を有するイベント間であっても，それらの間の類似性を誤判定してしまう問題があった．本論文では，タイムラグの分散が大きい場合にも，運転ログデータのバイナリ変換時のタイムウィンドウ幅を拡大することで，イベント発生パターン間の類似性を正しく判定できる新しいイベント相関解析法を提案する．提案手法を共沸蒸留プロセスの運転ログデータに適用した結果，従来手法では類似性がないと誤判定されていた物理的に関係を有するイベント間の類似性を正しく判定できることを確認した．
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生物化学工学，食品工学，医用工学
  • 担子菌によるビスフェノール系難分解性物質分解反応においてメチル基が及ぼす影響
    浅見 和広, 根守 浩良, 上島 功裕, 太田口 和久
    原稿種別: 報文
    専門分野: 生物化学工学，食品工学，医用工学
    2011 年 37 巻 4 号 p. 344-347
    発行日: 2011/07/20
    公開日: 2011/07/29
    DOIhttps://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.37.344
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    担子菌の一種である白色腐朽菌は，菌体外に分泌するリグニン分解酵素リグニンペルオキシダーゼ，マンガンペルオキシダーゼ，ラッカーゼを生産する．これら分解酵素が生成するラジカル中間体によって難分解性有機化合物を分解し，二酸化炭素と水にまで無機化できることが知られている．当該分解反応において、難分解性物質の化学構造が分解反応速度に与える影響に関する研究報告は少ない．本研究では，担子菌Coriolus hirsutus IFO 4917の培養液において，フェノール系難分解性物質であるビスフェノールA（BPA）とその類似化合物（BPE，BPF）の分解速度を測定した．BPA，BPE，BPFはいずれもビスフェノール構造を有し，中心に位置する炭素原子に結合したメチル基の数がそれぞれ2個，1個，0個である．これらビスフェノールの分解反応を1次反応と仮定したときの分解速度定数は，3.90，3.62，2.81 h−1であり，反応速度とメチル基数との間には一定の相関があることが分かった．BPFの生分解物質としてフェノールおよびp-クレゾールが生成することを推論し、これらの物質の分解速度も測定した．その結果，p-クレゾールとフェノールの分解速度定数は，2.92，1.05 h−1であり，フェノールにメチル基のついたp-クレゾールの方が高い分解速度定数を示した．ベンゼン環に電子供与性のメチル基がつくことで担子菌酵素によるラジカル分解反応が促進されることがわかった．
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  • 担子菌による一置換ベンゼン誘導体生分解反応の解析
    浅見 和広, 久保田 真之, 上島 功裕, 太田口 和久
    原稿種別: 報文
    専門分野: 生物化学工学，食品工学，医用工学
    2011 年 37 巻 4 号 p. 348-350
    発行日: 2011/07/20
    公開日: 2011/07/29
    DOIhttps://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.37.348
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    白色腐朽菌などをはじめとする担子菌はリグニン分解酵素を菌体外へ放出し，樹木の成分である難分解性の天然高分子，リグニンをはじめ，PCB，ダイオキシン，ビスフェノール化合物などのさまざまな構造の難分解性物質を分解することで知られている．またその分解速度は物質の構造によって異なる．本研究では汚染物質の中でも一置換ベンゼン誘導体に注目し，難分解性物質を担子菌によって分解する際に構造の違いが分解に与える影響を解析し，分解に対する速度論的知見を得ることを目的とした．担子菌Coriolus hirsutus IFO 4917の培養液において，ベンゼン置換基の異なるアニリン，フェノール，ベンズアルデヒドの分解速度を解析した結果，各ベンゼン誘導体の酸解離平衡定数の対数値と速度定数の対数値との間に直線関係がみられ，Hammettの経験則にあてはまることがわかった．直線の傾きは負の値を示した．Hammettの式をもとに一置換ベンゼン誘導体の生分解速度を予測できる可能性が示された．
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  • ヒト角化細胞の細胞寿命の進行に伴う細胞状態の評価指標
    尾島 由紘, 芦田 知亮, 楠田 綾子, 紀ノ岡 正博, 田谷 正仁
    原稿種別: ノート
    専門分野: 生物化学工学，食品工学，医用工学
    2011 年 37 巻 4 号 p. 351-355
    発行日: 2011/07/20
    公開日: 2011/07/29
    DOIhttps://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.37.351
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    過酸化水素の添加有無の条件下においてヒト角化細胞の継代培養を行い，細胞寿命と細胞内外の状態変数との関係を調べた．修正Gompertz式を適用して決定した最大分裂回数PDmは，通常条件でPDm=15.6，過酸化水素添加条件でPDm=12.8となり，酸化ストレス負荷による細胞寿命の短縮を定量的に評価できた．また，PDmから累積分裂回数PDを引いた残り分裂回数PDm−PDを用いることにより，過酸化水素の有無に依存せずに，平均細胞面積と増殖性細胞比率が整理できた．特に，平均細胞面積が大きく変化する閾値として，PDm−PD*=2.7±0.3を与えた．一方，抗酸化酵素をコードする3つの遺伝子（cat, sod2, sod3）の発現量を解析したところ，同様にPDm−PD*=2.7±0.3を境として，残り分裂回数の減少とともに発現量が増大する傾向を示すことが分かった．
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材料工学，界面現象
  • 磁場を用いた液相結晶成長における埋め込み形状制御
    加藤 寿, 牛窪 繁博, 横田 政晶, 土岐 規仁, 小川 薫, 清水 健司
    原稿種別: 報文
    専門分野: 材料工学，界面現象
    2011 年 37 巻 4 号 p. 356-360
    発行日: 2011/07/20
    公開日: 2011/07/29
    DOIhttps://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.37.356
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    次世代の半導体製造の成膜工程では，デバイスデザインの微細化に伴い，膜質の向上と，プロセス温度の低温化が要求されている．特に，微細なパターンの中に，高品質な膜を所望通りに埋め込こむための技術開発が必要である．液相結晶成長は，低温での成長速度が大きく，高品質な結晶，膜を得ることが可能であり，将来の半導体の成膜工程に採用できる有望な成膜技術の1つと考えられる．
    本研究では，基礎的な研究の第一段階として，硝酸カリウムKNO3をモデル物質として，液相結晶成長での生成結晶への埋め込み形状の制御を温度分布と非接触制御である磁場の効果を用いて確認した．
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環境
  • 天然物由来の新規生分解性保水材の合成とその評価
    横佩 おさむ, 木代 深, 加藤 茂, 里川 重夫, 小島 紀徳
    原稿種別: 報文
    専門分野: 環境
    2011 年 37 巻 4 号 p. 361-364
    発行日: 2011/07/20
    公開日: 2011/07/29
    DOIhttps://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.37.361
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    近年，大気中CO2濃度の増加に伴い地球温暖化が進んでいる．そのため，CO2排出量を少なくする動きが高まっている．一方で，森林伐採や沙漠化が進み，植物量は年々減少してきている．そこで，乾燥地に植林しようという動きがある．しかし，乾燥地は雨量が少なく，土壌に水分がほとんど存在しないため，植物が育たないという問題がある．その問題を解決するために，乾燥地に適合した保水材の開発が進んでいるが，使用後は土中に残留する．また保水材は，紙おむつなど衛生用にも用いられるが，ここでも使用後の処理が問題である．すなわち保水材使用後の環境負荷を考えると，生分解性も望まれる．そこで本研究では，生分解性を付与するために，天然物である多糖類にアクリル系物質をグラフト重合することにより生分解性保水材の合成を行い，保水性，生分解性を評価した．その結果，得られた保水材は生分解性を有するとともに，乾燥地で観測される高温耐性にも優れることが分かった．
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  • エアバッグ製造工程で廃棄される残渣からのNylon-6,6の分離再生プロセスの開発
    山本 秀樹, 水田 幸太朗, 長野 由季, 古池 哲也, 田村 裕
    原稿種別: 報文
    専門分野: 環境
    2011 年 37 巻 4 号 p. 365-369
    発行日: 2011/07/20
    公開日: 2011/07/29
    DOIhttps://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.37.365
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    Nylon-6,6布の表面をシリコン樹脂でコーティングされたエアバッグ（SCAB）からのNylon-6,6の分離再生プロセスを検討した．本研究では，キチンの良溶媒として知られる塩化カルシウム二水和物とメタノールの混合溶液（CaCl2–MeOH溶液）をNylon-6,6の溶媒として用いた．CaCl2–MeOH溶液にSCABを浸し撹拌することでNylon-6,6のみを溶解させ，その残渣であるシリコン樹脂を分離した．分離後の濾液に貧溶媒である蒸留水を加えNylon-6,6を析出させることで収率97 wt%以上，純度99%以上のNylon-6,6を回収することができた．回収後の廃液から分離回収したCaCl2はCaCl2–MeOH溶液として再利用可能であることを確認した．一方，CaCl2–MeOH溶液中のNylon-6,6を赤外分光分析した結果，N–H基の変角振動およびC–N結合の伸縮振動を示すピークが高波数へシフトしていることを確認した．Nylon-6,6の分子相互間に形成している水素結合の弱化もしくは切断が原因であると考えられた．以上の原因から，Nylon-6,6はCaCl2–MeOH溶液に対し溶解性を示すのではないかと考えられた．提案する方法は無機酸やフェノール類を溶媒として使用する方法より安全性の高いNylon-6,6分離再生プロセスであると考えられる．
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