磁気共鳴イメージングを使用してミキシング定量化

本実験の全体的な目的は、磁気共鳴画像法（MRI）を強力なツールとして用い、混合およびプロセス機器を評価することです。これは、分割・再結合型スタティックミキサー内で2つの液体ストリームを結合させることで達成されます。適切な撮像プロトコルを選択することにより、MRI画像を取得します。

これらの画像により、ミキサーの特性評価が可能になります。ここではパーソナルケア製品に関連するアプリケーションで性能結果を得ていますが、この手順は食品、化学薬品、バイオマス、および生物学的流体の幅広い範囲に適用できます。ビデオなどの他の手法と比較して磁気共鳴画像法を使用する主な利点は、不透明な材料を可視化できることです。

さらに、得られる情報は定量的であり、成分濃度や混合度を算出することが可能です。視覚化および混合の確認において、MRIを用いることは、空間的に測定された濃度分布と計算による濃度分布を詳細に比較することで、計算流体力学シミュレーションや製造プロセスの検証に役立ちます。

SARミキサーは、PVCパイプ内に配置された複数の異なるプレートで構成されています。レーザーカットされた各プレートはPMMA製で、厚さは1.59 millimetersです。各プレートには、アクリル棒に沿って位置合わせを行うための長方形のキーが付いています。

PVCパイプにおいて、プラスチックは透明または不透明である場合があります。プレートには、流体が流れることができる開口部を持つさまざまなデザインがあります。プレートをパイプ内に繰り返しパターンで配置することで、混合が起こるトンネルが形成されます。

パイププレートSを通過する2種類の流体は、リピーティングモチーフに導入される2種類の流体をストリーミングするために使用されます。一方の流体ストリームが中心に位置し、もう一方の流体ストリームがその上下に配置されます。これらの相対流速比は10対1に設定されています。

次に、流体は8枚のタイプCプレートで構成されるオープンチャネルで合流します。その後、流体は8枚のプレートIによって2つの垂直チャネルに物理的に分離されます。次のセクションは16枚の固有のプレートで構成されており、各流体ストリームを反時計回りに90度ねじります。その後、流体は8枚のプレートを通り、2つの水平チャネルに分岐します。

繰り返しモチーフは8枚のオープンチャンネルプレートで終了します。全体として、このモチーフはPVCパイプ内で6回繰り返されています。インラインスプリットおよび再結合静止ミキサーにカルボポール溶液をポンプで送り込むためのフローシステムを組み立てるため、まずミキサーをマグネット内に配置することから始めてください。

この磁石は、最大勾配強度が0.3 Tesla per meterの1 Tesla永久磁石ベースのイメージング分光計の一部であり、ほぼ立方体のエンクロージャを備え、テスト液体の質量流量を制御および記録することが可能です。加えて、圧力を監視するためにミキサーの上流に圧力トランスデューサを組み込み、円筒形体積の場合にはPVCパイプに密着する4巻きのソレノイドで構成された高周波コイルを設置します。最後に、2つの異なる溶液を吸込口に接続します。

このデモンストレーションでは、塩化マンガンの有無によるカルボポールの溶液を使用します。攪拌槽に入れた脱イオン水に、計量したポリマーをゆっくりとふるいにかけて加え、カルボポール溶液を調製します。50%水酸化ナトリウム溶液を用いて、カルボポール溶液をpH 7に中和します。

中和によってポリマーが水中で膨潤するため、溶液は最大粘度に達します。ゲルを形成するには、MR造影剤である塩化マンガンを含む2つ目のドープ済みカルボポール溶液を調製します。流動特性またはレオロジーを評価するために、流体温度25 °Cで標準的なコーンプレート型ジオメトリを用いてせん断粘度を測定します。

LAリズムモードを用い、0.1から500 pascalまで、10 points per decade、許容誤差5%で定常状態のせん断応力スイープを行います。次に、LA対数モードを用い、628から0.63 rad per secondまで、10 points per decadeで周波数スイープを行い、ひずみを測定します。イメージングパラメータを選択する際は、画像の全信号対雑音比（S/N比）に加えて、ドープ領域とオン領域の間のコントラストおよび信号強度を考慮する必要があります。

本ケースでは、グラディエントエコー法を選択し、信号強度が濃度に対して線形依存となるような濃度設定を選択しました。なお、このMRシーケンスには流速補正は含まれていません。

モーションアーチファクトを避けるため、撮像は静止した液体に対して行い、撮像時間は1分から4分程度とします。異なる軸方向の位置の体積を撮像するために、ミキサーを再配置してください。目的の体積がマグネット中心のNMRコイルの中心に位置するまで、ミキサーチューブを軸方向にスライドさせます。

その後、撮像プロセスを繰り返します。最後に、画像解析手順を用いてMRデータを解析し、成分濃度の空間分布を記録します。本研究において、2つの溶液の実際の論理的特性は区別できませんでした。

溶液の粘弾性特性は、貯蔵弾性率が損失弾性率を上回り、かつ弾性率と損失がほぼ一定であるというゲル系の特徴を示しました。周波数が高くなるにつれて損失対貯蔵の勾配が増加し、対応する位相遅れも同様の傾向を示したことから、流れにおける粘性力の慣性力に対する相対的な寄与を評価しました。レイノルズ数は、プレート間の平均流量として算出しました。

これらの値は1.0を大幅に下回っており、慣性力よりも粘性力が支配的であったことを示しています。したがって、混合は乱流ではなく、層流的な伸展とせん断によって行われました。MRIを用いたフロー可視化の有用性を示すために、異なる軸方向の位置における選択画像を以下に示します。

SARミキサーは、第1、第2、および第3混合セクションの下流にあるHプレートの画像に示されているように、流れを効果的かつ均一に分割します。ドーピングされた流体のストライプ数は、各混合セクションを通過するごとに倍増しました。画像の閾値を変更することで、モチーフを通過するたびにドーピングされた流体のストライプが増加していくことがわかります。

ミキサー内での90度の反時計回りの回転に伴う一連の画像から、トンネル全体を通じた混合プロセスにおいて、垂直方向の流れがどのように水平方向の流れに変化するかを確認できます。2つの流体ストリームは何度も倍増します。これらの測定を行う際は、測定時間が分子拡散が成分濃度分布に影響を与える時間よりも十分に短い必要があることに留意することが重要です。これらの混合に関する実験的測定は、混合の計算流体力学シミュレーションで使用される流体レオロジーの構成モデルの影響や、分割・再結合ミキサーの影響を検証する上で特に有用です。

このビデオを視聴することで、静的ミキサー内の濃度分布を研究するための磁気共鳴画像法の使用方法について、深く理解することができます。