藤田佳江。藤原佐都。永谷尚洲己・宮原敏郎＊＊

細胞状泡沫層の安定性に及ぼすアルコール添加の影響

＊ ＊＊

藤田佳江。藤原佐都。永谷尚洲己・宮原敏郎＊＊

岡山理科大学工学研究科・システム科学専攻

＊岡山理科大学工学研究科応用化学専攻

＊*岡山理科大学工学部バイオ・応用化学科

（2012年９月12日受付、2012年11月１日受理）

１．緒言

化学工業で多用されているバイオリアクターや気液接触装置で使用される液は，気液界面に微生物の代謝 産物や界面活性物質などが吸着していることが多く，安定な泡沫層が形成されやすい。このことは，操作上 好ましいものではない。そこで，泡立ちによる障害を防ぐためには，消泡に関する検討が必要である。

著者らは，これまでに消抱の対象である細胞状泡沫層（cellularfbam）の安定性について，非イオンJIL'三，陰 イオン性，陽イオン性，両性界面活性剤水溶液を用いて，多孔板状に形成される細胞状泡沫層の挙動を観察 し，HartlandandBarberI)，BarberandHartland2)の提案する薄膜化速度式より泡沫層が崩壊する際の臨界膜厚 さを求め，陰イオン性界面活性剤水溶液からなる細胞状泡沫層が最も安定であることを確認した。3)さらに，

バイオリアクター等で炭素源として添加されることが多いアルコールとしてエタノールを陰イオン性界面活 性剤水溶液に添加し，細胞状泡沫層の安定性に及ぼすその影響を検討した。その結果，添加するエタノール 濃度の増加にともなう細胞状泡沫層の安定性の減少，さらに，その影響が界面活'性剤のＨＬＢ（hydrophile- lipophile-balance）値が小さいほど大きくなることを見出した。３）

そこで本研究では,安定な細胞状泡沫層を形成するHLB値の異なる陰イオン性界面活'性剤水溶液三種類に，

炭素鎖の異なるメタノールおよび1-プロパノールの添加による細胞状泡沫層の安定,性への影響について実験 的に検討し，以前に検討したエタノール添加の場合3)との比較を行った。

２．実験装置および方法 ２－１実験装置

本実験で使用した装置の概略をFigurelに示す。使用 した装置は前報3),4)と同じであるが簡単に再説する。気 泡塔本体は内径１０cm,高さ２ｍの透明アクリル樹脂製で，

'恒温槽からウォータージャケットへ液を流すことで塔 内部の温度調節を可能にした｡空気は圧縮機から供給さ

れ，空気ろ過機を通り，圧力調整器により圧力が調整さ れる。ついで飽和器に入り，湿度と温度を調整された空

気は，流量計で流量を計測された後塔下部に入り，多孔 板を介して液中に分散され,液層上部に細胞状泡沫層を 形成する。ここで使用した多孔板は孔数84,孔径0.5ｍｍ，

恩

lCompressor 2AirfYHe｢

３Pressureregulator ４Saturator ５Flowmeter ６PC｢fbratedplatc ７BubbIecolumn

Watcrout

-惨

４ Cellularfban～Ｌ

８ThcImometer

，Valvc lOWaterjacket

Surlnctantaqueouss

Waterｏｕｔ ...…･………..､1－し １

『口

Ｚ

刈尹

３

IＺ

a忘詫

Fig.１Schcmaticdiagramofexperimcntalapparatus ピッチ１ｃｍ，厚さ１ｍｍのステンレス製のものである。

また，泡沫層頂部での蒸発および外乱を極力防ぐため，塔頂にはパイプのついた蓋を取り付けた。

本研究では，Ｔａｂｌｅｌに示すHLB値の異なる三種の陰イオン性界面活｣性剤，ammoniumlaurylsulfate(ALS），

sodiumlaurylsulfHte（SLS）およびdioctylsodiumsulfbsuccinate（AOT）の水溶液に，メタノール（ＭｅＯＨ），

エタノール（EtOH），1-プロパノール（l-PrOH）を添加したものを使用した。HLB値とは界面活`性剤の親

水基と疎水基のバランスを表すものであり，値が大きくなるにつれ親水性が強くなる。本研究ではHLB値を

Davies法5)により算出した。表中のＣＭＣ（criticalmicelleconcentration）は，Wilhelmy法により各界面活』性剤水

溶液の表面張力（自動表面張力計CAVP-A3型，協和界面科学（株））を測定し，その変曲点より求めた。

２－２実験方法

細胞状泡沫層の泡沫層高の測定のため，塔内部の温度が一定になったところで，所定の温度になった溶液 ｌ０ＯＯｍＣを塔頂より壁面を濡らすようにしながら多孔板上に供給する。泡沫層成長時では，ガスを通気しな がら，泡沫層高を一定時間ごとに目視により測定した。一方崩壊時では，任意のガス流量で液層上部に160ｃｍ 程度の高さを持つ細胞状泡沫層を形成させた後，ガスの供給を停止し，成長時と同様に泡沫層高を目視によ

り測定した。

前報３Ｍ)同様，本研究で使用した界面活性剤濃度はCMCの10倍濃度とした。本実験では，空塔ガス速度Uk。

＝２．１２×１０~４－６３７×１０~4ｍ/s，液温度Ｔ＝303-318Ｋ，添加するアルコールの濃度CAlcoho1をそれぞれCMcoH 25-200wt％，CEtoH25-2qOwt％，CI-proH2､5-100Ｗt％の範囲で行った。また，後述する細胞状泡沫層内の体 積平均気泡径αbおよび細胞状泡沫層の安定性を左右する臨界膜厚さJcを求めるに必要な液物性，密度β（振動 式デジタル密度計ＤＭＡ4500，日本シイベルヘグナー株式会社），粘度β（回転粘度計PHYSICAMCR300，

PaarPhysica），表面張力ぴを測定した。その詳細をTabIes2-4に示す。各液物性は，液温度の増加によりやや 減少しており，特に液粘度に関しては，その影響が大きい。しかし，アルコールの添加による影響はさほど

みられない。

体積平均気泡径を実測するのは非常に困難であるため，前報3)'4）と同様、MiyaharaerqL6)により提案され

た多孔板で形成される気泡群の体積平均気泡径に対する相関式を用いた。得られた体積平均気泡径は液温度 やアルコールの添加濃度および空塔ガス速度にほとんど影響されず，３－４ｍｍ程度であった。

TablelCharacteristicsofsurfnctantscmployed

M･I･…mIMWIHjWs，[制:瓠]将

Surftlctant

Anmoniumlaurylsulftlte(ALS）ClzH21NO4SO283 Sodiumlau]ylsulftlte(SLS）Cl2H250SO3NaO288 Dioctylsodiumsulfbsuccinate(AODC2oH37NaO7SO444

3.00３１ ８．００４０ ０．８４６０

TabIe2Physicalproperticsofanionicsurfactantaqueoussolutions

CMcoHTemperatureDensity

[ｗｔ％］［Ｋ］［kg/ｍ３］

Viscosity [Ｐａ.ｓ］

Surfacetension

［ｍＮ／ｍ］

Surfnctant

9,22xlO~4-6.82xlO-4 ８，９１xlO~4-6.92×10-4 9.46×10~４－７.l９ｘｌＯ４ 9.98xlO~4-6.92ｘ104 10.15xlO-4-7Olx1O-4

１６１６２９８８７７９９ＳＳＳトレ７２８

９９８８７９９９９９

0.0 2.5 5.0 7.5 10.0

303-318 303-318 303-318 303-318 303-318

29.7-28.4 31.5-31.2 31.8-30.9 328-32.0 32.5-32.2

Anmoniumlaurylsulflte

（ALS）

9.65xlO-4-976x10~4 1076xlO~4-7.87xlO-4 1L26xlO~４－８.O8xlO~４ １L86xlO-4-8.67xlO-4 1193xlO~4-8.98×10-4

0.0 2,5 5.0 7.5 10.0

303-318 303-318 303-318 303-318 303-318

998-983 994-988 989-984 985-979 981-974

35.5-31.2 35.8-35.4 35.3-35.2 35.品34.8 35.作34.8

SodmmlaurylsulfatC

（SLS）

９」１×10~4-6.45xlO-4 9.83ｘｌＯ~4-707ｘ１０－４ １ＬＯ１ｘ１０~4-7.59xlO-4 1176xlO-4-7.63ｘ１０－４ １３１８ｘｌＯ－４－８６０ｘｌＯ－４

８８８８８

１１１１１ヨヨヨヨヨ３３３３３０００００３３３３３ １８２３２９７７６５９９９９９作先トトレ９８７７６９９９９９

27.9-27.4 28.1-279 289-28.6 293-289 302-299 ０．０

5.0 10.0 15.0 20.0

Dioctylsodiumsul1bsuccinate

（AOT）

Table3Physicalpropertiesofanionicsurfactantaqueoussolutions CEtollremperamxDcnsily

[wt%］［K］Ikg/m3１

Viscosity [Pa.S］

Surfncetension

［mN/m］

Surfnctant

４４３３３

００００〈Ｕｌ１１１ｌｘＸｘｘＸ ４４４４４０００００１１１１．ｌｘｘｘｘｘ

0.0 25 5.0 7.5 [0.0

303 303 303 303 303

８８８８８１１１１１３３３３３

,96 191 987 983 978

１６１７２９８７７７９９９９９

922 8.80 1.02 1.03 112

２１３４８８３８０７

６６６７７

29.7 302 318 32.4 33.8

28.4 29.3 31.1 30.8 33.4

Anmoniumlaurylsulfate

（ALS）

9.65×10-4 1.04Ｘ１Ｏ－３ Ｌ１Ｚｘ１０－３ １１５ｘ１０－３ １２７ｘ1０－３

４４４４４０００００１１１１１×××ｘ×

0.0 2.5 5.0 7,5 [0.0

303 303 303 303 303

８８８８８

１１１１１３３３３３

998 114 981 985 980

３８３９４８８８７７９９９９９ ６４４２４７５７２２６７７７８

3５．５ ３５．４ ３５．９ ３５．２ ３４４

31.2 35.0 32.5 34.3 34.0

Sodiumlaurylsulfatc

（SLS）

４４３３００００１１１ｌ×ｘｘ× ４４４４

００００１１１ｌｘｘ××

５５４０９４’３７』３６７８８

0.0 5.0 10.0 20.0

996 987 979 963 303

303 303 303

８８８８

１１１１３３３３ １１４４９８７５９９９９

9.11 9.78 Ｌ１２ Ｌ５２

２７９ ２８３ ２１．４ ３０９

27.4 28.0 29.0 30.4

Dioctylsodiumsulfbsuccinate

（AOT）

Table4Physicalpropertiesofanionicsurfactantaqueoussolutions Cl-proHTemperature

[wt%］［K］

Dcnsi1y

[kg/m3］

Viscosity [Pa．s］

Surtacetension

［mNm］

Surfnctant

9.2ＺｘｌＯ－４ ８８２ｘｌＯ－４ ＬＯＯｘｌＯ－３ ＬＯ９ｘｌＯ－４

４４４４００００１１１勺ｌ×Ｘｘ×

０５０５０２５７

303 303 303 303

318 318 318 318

916 912 988 984

991 986 982 977

－６．８２

－６．３９

－７．００

－７３２

29.7 33.5 35.0 33.7

28.4 33.1 34.1 33.1

Amnoniumlau1ylsulfate

（ALS）

9.65ｘｌＯ－４ ｌＯ８ｘｌＯ－３ Ｌ２０ｘｌＯ－３ １２６ｘｌＯ３

４４４４００００

１１１ｌ×ｘ××

０５０５■０巳●０２５７

303 303 303 303

318 318 318 318

998 914 990 986

983 989 984 979

６３６４７８５８６７８８

35.5 33.4 32., 332

31.2 32.6 32.5 3Ｌ１

SodiumlaurylsuUklte

（SLS）

9.Ｉ１ｘｌＯ－４ ＬＯ９ｘｌＯ－３ ＬＯＯｘｌＯ－３ ＬＯ８ｘｌO-3 L24xlO-3

４４４４４０００００１１１１ｌｘＸｘＸＸ

０５０５００２ａⅡ、

303 303 303 303 303

318 318 318 318 318

996 992 979 984 980

991 986 982 978 973

５１９５８４３１０１６８７７８

27.9 28.4 211 29.2 293

Z7-4 28.3 28.3 28.7 28.5

Dioctylsodiumsulibsuccmate

（AOT）

3．実験結果および考察 ３－１成長時の泡沫層高

Figures2-4に，細胞状泡沫層の成長時の泡沫層高の経時変化を，

Figures2-4に，細胞状泡沫層の成長時の泡沫層高の経時変化を，三種のアルコールの添加濃度をパラメー

タとして示す。図より，泡沫層はアルコールの添加濃度の増加にともない不安定になり，最大泡沫層高は減 少している。その影響はアルコールの炭素鎖が長くなるほど大きくなる。ここには示していないが，液温度 の増加にともない泡沫層は不安定になり，同じ空塔ガス速度で低い泡沫層高を示す傾向が観察された。これ は，前報3),4)と同様，液温度の上昇にともなう液粘度の減少のためと考えられる。

３－２崩壊時の泡沫層高

Figures5-7に，細胞状泡沫層の崩壊時の泡沫層高の経時変化を，三種のアルコールの添加濃度をパラメー

タとして示す。図より，同じ空塔ガス速度，同じ液温度での泡沫層は，アルコールの添加濃度の増加にとも

ない不安定になり，泡沫層の崩壊時間は短くなる。さらに，その影響は添加するアルコールの炭素鎖が長く

なるほど大きくなっており，HLB値の小さい場合は特に顕著である。ここには示していないが，液温度の増

L4 L2

Ｌ６ １４ Ｌ２

￣■。■■0■

…慰図勵

閣

・ＤＰＬ←、日。。■

CMco1,[wt%］

図0.0

□2.5 ０５０

△7.5 ８

０１００目

９８７６５４３２ＩＯＰＢ６●■■印Ｂ■０００００００００［Ｅ］」こ

因因因因因因囚

^図図図 CM`OII[wt96］

００ ５０

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□2５ ０５．０

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◇100

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８６００［Ｅ］』電

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８６４２０００００日］」皇

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^△△△

岡◇_{SLS+ＭｅＯＨ}

Ｉ９ _{ＧＴｏｗｔｈ} Ｑ _{Ｔ=３１８Ｋ}

曲 Dbc=637xlDIm/ｓ･

囚HLB＝400（b）ﾛ.DUpp･OIOロﾛ.Ⅱ.､ｑｃｉＣＣｐ`Uﾛｰ･･?.-毎-0･･･_

圃 勵

△△△△

八程聡・目団・ヨー

ＡＯＴ+ＭｅＯＨ Ｇｒｏｗｔｈ Ｔ＝318K

Dkc=3.19x1U｡m/ｂ

ＨＬＢ＝６０．０

（c）

ALS+ＭｅＯＨ ＧＴｏｗｔｈ Ｔ=３１８Ｋ

Ｕｈｐ=Z12x1Or1m/s

IILB＝３１０

４２０００

闇・曲

■□SUD､□Ⅱ□い）

0２０４０６０

ノ/6０ 8０１００１２０１４０0５］０１５２０２５３０３５400１０２０３０４０

［ｓ］〃６０［ｓ］〃６０［ｓ］

Fig.２ＥｆＩｂｃｔｏｆａｄｄｉｔｉｏｎｏｆＭｅＯＨｏｎｇｒｏｗｔhofcellularfbam

5０６０

1．４ １２

１．．，１．画蝉．、 1２ 図回 因

国麺ｂ‐

８因ロロロロロロ‐

e囚２６△△

:§｡…．

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◇

CE1oI,[wt9'6］

囚0.0

□2.5 ０５．０

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鰯口:B･ロロロロロ

囲口 1.2

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ＣＯ

ロＯＡ因ロＯ△閑［Ｕ△○因□△◇因ロム◇問西。 ８６４０００［日］』こ

０５０５００２５７０

図□ｏ△◇

８６４

０００［Ｅ］』量

1Ｊ1銭

８６４２０００００日］」こ

ＡＬＳ+ＥｔＯＩＩ Ｇｒｏｗｔｈ Ｔ＝３０８K

Uh煙=212X10.4m/S

HLB＝310（a）

ﾛ△_-６_■

￣ＳＬＳ+EtOH GTowlIl T=313Ｋ

０k.=425x10r1m/図

I-ILB=40,0

.1….『.…!.……,…化）

０２

０ 0.2

０ に．

０２０4060８０ ノ/６０［ｓ］

Fig.３

1001200102030405060708010100051０１５20253035４０

〃6OIS］//６０［ｓ］

ＥｆｆｅｃｔｏｆａｄｄｉｔｉｏｎｏｆＥｔＯＨｏｎｇｒｏｗｔｈofcellularfbam

L４ Ｌ２

￣．。．因酵． １２

．CLhoI,[wt%］囲図

一因00図図鏑

・□２．５図 一○５．０図

．△７５ｇロロロロロロロロロロロロ□ロ，_四 目ＣｏＣｏ

日凶ｏ

ＢＲ

目ｏ^{ＡＬＳ＋l-PrOH}

￣図GTowth

．囚 Ｚｒ＝３０８Ｋ 回 ０h．=2.12ｘｌＣｒ１ｍ/ｓ＿

囲圓ムムム△△△

HLB＝310（a)：

ＲＳＬＳ＋I－ＨＯＨ因

：Growtl,図 囲因

とT=308ＫＭ ｉＵｈ｡=Z12xlD$m/ｓ囚図

ＦＨＬＢ=４００図

回 Ｃｌ・proIlIwL％]、

閣 因0.0

m□２．５

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図Ｂｏ

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目｡（b)１

■ＢＤｒＵ．．、ﾛﾛｰｰﾛﾛ、ロロロロ０□..､ロー△＿-.--.-.---..

鍵…３．W鱸Ｉ

灘LiMJ

９８７６５４３２１００００００００００［Ｅ］』量 ８６４０００［日］」量

８６４２０００００日］」言

ｑ2

０ ：Ki2j 0２０4０6080１００

J/６０［ｓ］

Fig.４

[201400102030405060708010020４０

〃6OIS］

Effectofadditionofl-PrOHongrowthofcellularfbam

６０8０１００１２０

『/6OIS］

８６４２１８６４２０

１１１１００００「日］』廷 ８６４２１８６４２０１１１１００００［日］』ベ ８６４２１８６４２０１１１１００００［Ｅ］出邑

ＡＬＳｌ－ＭｃＯＨ

Co1Iapsc

（､）

因 Ｔ=３０８１〔

A因、ＤＢＣ=lO6x1D3m/§

iiililjiiiirJ 認｡;'１１

AOT+McOII△△qom

篭｡。（・

里';:鼠.△22.月：

ＤＢＣ=4.25xlU3m/ｓ△Pbcp国図

、Ｂ＝60.0△△△cbc□

副ＩⅡＢ=31.

^{⑥し----･}

ＣＵ 唖

唖 愚

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囲因因図因凹no

△=..0．.△_■

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040８０１２０

〃６０［ｓ］

Fig.５

160200020406０80１００１２０１４０0123４ '/６０［ｓ］〃６０

EffCctofadditionofMeOHoncollapseofcellularfbam

５６７８, [ｓ］

８６４２１８６４２０００００１１１ｌ「Ｅ］』【｛

L８ Ｌ６ Ｌ４ Ｌ２

８ダ０４２１８〆、４．Ｚｎ）０００（Ｕｌ。Ⅱ１１［戸戸］」廷

蝋。蝋Ⅲ。』

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ＣＨＯ,,[wt%］ミ

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００００日］』■

０５０００２５０

１

四囲因図因’

200020４０６０８０１００１２００２４６８１０１２１４１６１８２０ １/６０［ｓ］／/６０［ｓ］

EffCctofadditionofEtOHoncollapscofcellularfbam

０５０１００１５０

〃６０［ｓ］

Fig.６

L8 '8１

1.6 1.4 12

８６４２１８６４２００００１１１ｌ「冒一」望

SLS+l-PIOH

r画鬮。：2鵬（b）

札｡｡鬮・溢報鰍］

^{ｏ回 国0.0}

．竜畷ロユョ

_{ロ因OａＯ}

ｏＢ因□ＤＵ

Ｏ□

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_ｏｎ

ＡOTL+l-PrOH Collapse

（c）＝

T＝３０３Ｋ

､浄=425x10.3m/ｓ

ＨＬＢ＝60,Ｏ

ＣＬ,ｬOII[wt9q 図0.0

□２．５ ＯＳＤ

△7.5

◇１００

6（

ALS＋l-PrOH

（a）

Collapse T=３０８Ｋ

UDC＝ZI2x1O-3m/ｓ

因HLB＝3１０

ＩＣ…M[wi9q

図

４

、

ハリ〈Ｕ（Ⅲ〉（Ｕ【眉二」こ

１８６４２０００００肩］』こ

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１５202５３０

｢/６０［ｓ］

２００01020304050607080901000５１０

『/６０［ｓ］

Effectofadditionofl-PrOHoncollapseofcellularfOam

０４０８０120１６０

〃６０［ｓ］

Fig.７

加にともない泡沫層は不安定になり，同じ空塔ガス速度で泡沫層の崩壊時間が短くなる傾向が観察された。

これは，前報314)と同様，液温度の上昇にともなう液粘度の減少のためと考えられる。

３－３臨界膜厚さ

前報3),4)と同様に，細胞状泡沫層の安定,性を左右す る臨界膜厚さを検討するため，HartlandandBarberl）

およびBarberandHartland2)により提案された細胞状

泡沫層内の気液間液膜の排水に対するモデルを適用Ｂｕｂ

した。

HartlandandBarber1)およびBarberandHartland2）は，

細胞状泡沫層内の気泡は，－面が正五角形の正十二

面体気泡が充填したものであり，Figure8に示すようＦｉｌ

１１１１ＩＩｒｌ

５ 尺

１

^Plateau _ble

－牢■・『－■【－」■■■■■五■巴

原

ｌＩｂＷノＵＬ１ｄＩ/、ＵＬ。】／I、ノＥョ１ＪマーンｗＩＬ二Ｊｕ･－J昌一一一一一'ｊバグ－－－０－

面体気泡が充填したものであり，Figure8に示すようFig.８CrosssectionthroughfilmandPlateauborder

に細胞状泡沫層内のFilmの交点により形成されるPlateaubordcrを考え，気液間の排水は，相当半径Rの二つの 平らな円板に挟まれた液の軸対称排水であり，排水された液はPlateauborderに入り下降流となるとし，薄膜 化速度式を以下に示すReynoldsの式で与えている。

d５８Ｆ５３

ｄｒ３'z27z;L１Ｒ４

⁽¹⁾

ここで6は時間/での膜厚さであり，これが排水作用により薄くなり，ある臨界値つまり臨界膜厚さ6cにな

ったところで崩壊する。Ｆは膜に作用する力であり，膜の単位面積当たりに作用する力をManevetaL8)は，イ

オン性界面活,性剤の場合にはCapil,aryprCSSUreAPcとdiSjoiningpreSSUre〃の差であるとしている。しかし著者

らは，前報３),4)で、APCは〃の十数倍となることを確認し,刀の影響を無視できるものとして検討した。そこ

で本研究においても，〃の影響を無視できるものとした。また"は剛体面の数であり，Figure8に示すFilm両面

の気液界面の数に相当する。HartlandandBarber1)およびBarberandHartland2)は界面活性剤濃度がＣＭＣ以上で あれば，気液界面を剛体とみなせるとし，Figure8に示すモデルにおいてEq.(1)で〃＝２として，以下に示す成

長時および崩壊時における臨界膜厚さを求める式を報告している。

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0.65ａｂ%/j･壮z%

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本研究で使用した界面活↓性剤濃度は前述したようにＣＭＣの10倍であり，気液界面を充分剛体とみなせるこ とから，Ｅｑ.(2)およびEq.(3)を用いて，細胞状泡沫層の崩壊する際の膜厚さである臨界膜厚さを求め，細胞

状泡沫層の安定性に対する検討を行った。

成長時の臨界膜厚さは，泡沫層高の最大値を泡沫層が崩壊する条件と考え，Ｅｑ.(2)中のAfbに代入して求め た。一方崩壊時では，おのおのの時間jで得られた泡沫層高AfをEq．(3)中の/ifに代入し，おのおのの時間に対

して得られたＤＣの算術平均値を臨界膜厚さとした。

本実験で得られた臨界膜厚さJcAlcoholは，条件が同じ場合には，成長時と崩壊時で大きな差は認められなか

ったため，同じ座標で取り扱うこととした。

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Fig.１１Criticalfilmthickness

Figuresl-11は三種の界面活ｲ性剤による臨界膜厚さJcAIcohoIを，三種のアルコール（ＭｅＯＨ，ＥｔＯＨ，I-PrOH）

の添加濃度をパラメータとして空塔ガス速度UECに対して示したものである。図より，臨界膜厚さは，アルコ ール添加濃度の増加にともない増加している。さらに，添加するアルコールの炭素鎖が長くなるにつれ，そ の影響が大きい。これらのことから，アルコールの添加や添加するアルコールの濃度の増加，そして長い炭 素鎖のアルコールが泡沫層を不安定にし，崩壊しやすくすることがうかがえる。これは，部分的に負に帯電 した酸素とカチオンとの静電的相互作用や，部分的に正に帯電した水素とアニオンとの静電的相互作用によ り，プロトン性溶媒がイオン性化合物を溶解するからであると考えられる。この場合のプロトン性溶媒とは アルコール，イオン性化合物とは陰イオン性界面活性剤にあたる。このことから，アルコールが細胞状泡沫 層を不安定にし，崩壊しやすくすると考えられる。８）

３－４臨界膜厚さの相関

アルコールを添加した場合と添加していない場合の臨界膜厚さの比（JcAlcohol/JcO）を求め，キャピラリー数 Ｃａとアルコールの質量分率工の関数としてFigurel2に示す。図より，次の相関式を得る。

A…L='十小加圃). βＣＯ (4)

弍中の係数A，指数BおよびＣはTablelに示したHLB値の関数となり，Eqs.(5)－(13）で与えられる。

ＭｅＯＨ添加の場合

。＝L35x106xexp{-9.90x10-zx(HLB)｝

Ｂ＝-8.73×10-3(HLB)＋ＬＯ７

Ｃ＝９.O8x10-4(HLB)Z-848x10~2(HLB)＋2６８

(5) (6) (7)

EtOH添加の場合

バー-62.7(HLB)2-42.6(HLB)＋7.61ｘ１０４ Ｂ＝－１３３×10~2(HLB)＋Ｌ５３

Ｃ＝－L79x10-2(HLB)-6.85xlO-3

(8) (9) (10）

l-PrOH添加の場合

A-216xlOl2(HLB)-492

β＝4.10×10-3(HLB)2-3.44×10-1(HLB)＋８３３ Ｃ＝－２．８ｌｘ10-3(HLB)＋7.67×10~’

Ｊ１Ｊ１２３１１ｌ

ｌｌく

臨界膜厚さの比をEqs.(4)－（13）の相関式より求め，実験値と比較した結果をFigurel3に示す。図より，

ほぼ±５０％の誤差範囲におさまった。この結果より，キャヒ゜ラリー数，HLB値添加するアルコールの質量 分率およびアルコールを添加していない場合の臨界膜厚さが分かれば，アルコールを添加した場合の臨界膜 厚さをある程度予測可能であるといえる。すなわち，細胞状泡沫層の安定性を評価できよう。

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Fig.１３Parityplotfbrcriticalfilmthickness

４．結言

三種類の陰イオン｣性界面活'性剤水溶液に三種類のアルコールＭｃＯＨ，EtOH，１戸PrOHを添加し，細胞状泡沫 層の成長および崩壊過程における泡沫層高を測定し，以下の結果を得た。

泡沫層成長時の最大泡沫層高は，温度，およびアルコール添加濃度の増加により最大値は減少する。ま た，崩壊時における泡沫層高の崩壊時間は，温度およびアルコール添加濃度の増加により短くなる。

臨界膜厚さJcは，アルコール添加濃度が増加するにつれて増加する。

任意のアルコール添加濃度における臨界膜厚さJcAIcoholと泡沫層高/jfbは，キャピラリー数Ｃａ，HLB値，添 加するアルコールの質量分率xおよびアルコールを添加していない場合の臨界膜厚さDC･が分かれば,ある

程度の予測が可能である。

添加するアルコールの炭素鎖が大きいものほど，泡沫層を不安定にさせる。

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Notation Ca CAIcohol c/ｂ Ｆ

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A化＝cellularfbamheightattherupturcoflamella Ao＝initialcellularfbamheight

〃＝numberofsolidsurface

R＝radiusofcircularfilmhavingsamearcaasfaceofdodccahedron T＝temperaturc

r＝time

Ugc＝superficialgasvclocity

jp＝massffactionofalcohol J＝filmthickness

Jc＝criticalfilmthickness

Jco＝criticalfilmthicknessintheabsenceofalcohol JcA1cohol＝criticalfilmthickncssinthepresenceofalcohol

〃＝viscosity p＝density

ひ＝surfacetension

(Subscripts）

Alcohol＝ＭｅＯＨ,ＥｔＯＨ，１－PｒＯＨ

Litemturecited

l)Hartland,Ｓ・ａｎｄＡ.Ｄ,Barber;"AModelfbraCellularFoam,,,刀α"s,ｍｓｊ".Ｃ/ie"１．Ｅ"97s.,52,43-52(1974）

2)Barber,Ａ、.ａｎｄＳ・Hartland;“TheCollapscofCellularFoams,”乃α"ｓｍｓｊ".Ｃ/he"2.Ｅ"９７s.,53,106-111（1975）

3)FUjita,Ｋ;“StabilityofCcllularFoam,”DoctoralDisscrtation,OkayamaUnivcrsityofScience(2007）

4）FUjita,Ｋ､,ａｎｄＴ,Miyahara;“InfluenccofAdditionoflnorganicSaltonStabilityofCellularFoam,,ＷｊｅＢ"ﾉﾉerj〃ｑ/ＯノセZ)ﾉα耐Q

UzjversilOﾉq/Scje"Ｃｅ,No.４５Ａ,85-93(2009）

5)TsUji,S､;NyukaKayokanoGlijutsu,10-12,KogakuTosho,Tokyo,Japan(1196）

6)Miyahara,Ｔ､,Ｙ・Matsuba,ａｎｄＴ,Takahashi;“SizeofBubblesGcneratedfTomPerfbratedPlates,”ＫＱｇａﾉt"Ｒｏ"6""ｓｈ",8,13-17

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7)Manev,Ｅ、,Ｓ､Ｖ・SazdanovaandDT・Wassan;“EmulsionandFoamStability-TheEffectofFilmSizconFilmDrainage-,”

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8)Ikeda,Ｍ､andTOkuyama;IntroducriontoOrganicChemistry,261-262,HirokawaPublishingCo.,Tokyo,Japan(1999）

Influence of Addition of Alcohol on Stability of Cellular Foam

Kae FUJITA, Sato FUJIWARA , Naoki NAGATANI** and Toshiro MIYAHARA*

Department of System Science,

* Department ofApplied Chemistry, Graduate School ofEngineering,

** Department ofApplied Chemistry and Biotechnology, Faculty of Engineering,

Okayama University ofScience,

l-l Ridai-cho, Kita-ku, Okayama 700-0005, Japan

(Received September 12, 2012; accepted November 1, 2012)

In our previous papers3)'4), the stability of cellular foam generated from nonionic, anionic, cationic and

amphoteric surfactant aqueous solutions was investigated for the purpose of foam breakage in chemical reactors and bioreactors. From the results, it was found that the cellular foam formed from anionic surfactant aqueous solution was the most stable one.

In the present study, the growth and collapse process of cellular foam formed on a perforated plate in a standard bubble column was observed using three kinds of anionic surfactant aqueous solutions under the addition of three kinds of alcohols (methanol, ethanol and 1-propanol). As a result, the addition of alcohol decreased the stability of cellular foam. The effect was enhanced by alcohols with long carbon chain

lengths.

Keywords: cellular foam! foam stability! anionic surfactant; critical film thickness; foam breakage.