磁気共鳴イメージングを使用してミキシング定量化

本実験の目的は、磁気共鳴画像法（MRI）を強力なツールとして用いて、混合およびプロセス装置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において2つの液流を混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で、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、化学物質、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用いる主な利点は、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。可視化および混合の確認において、MRIを用いることで、空間的に測定された濃度分布と計算上の濃度分布を詳細に比較でき、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の場合があります。プレートには、流体が流れるための開口部を持つさまざまな設計があります。プレートをパイプ内に繰り返し配置することで、混合が行われ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つの流体は、リピーティングモチーフに導入される2つの流体を流すために使用されます。一方の流体ストリームは中央に配置され、もう一方の流体ストリームはその上下に配置されます。これらの相対的な流量比は 10 対 1 です。

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、8枚のプレートIによって、流体は物理的に2つの垂直チャネルに分離されます。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枚のプレートを通過し、2つの水平チャネルに分割されます。

この反復モチーフは、8枚のオープンチャ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パイプを通じて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的ミキサーにカルボポール溶液をポンプで送り込む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します。

この磁石は、最大勾配強度 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、試験流体の質量流量を制御および記録可能なほぼ立方体のエンクロージャを備えています。さらに、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、円筒形体積の場合は 4 巻きのソレノイドで構成され、PVC パイプに密着する高周波コイルを設置します。最後に、2 種類の異なる溶液を吸入口に接続します。

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。撹拌槽内の脱イオン水に、秤量したポリマーをゆっくりと篩い入れることで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に中和してください。

中和を行うことで、ポリマーが水中で膨潤し、溶液が最大粘度に達します。ゲルを形成するために、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。流動挙動またはレオロジーを特性評価し、せん断粘度を測定するには、流体温度25 °Cで標準的なコークレット形状を使用します。

LAリズムモードを用い、0.1から500 pascalまで、1デカードあたり10ポイント、許容差5%で定常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、1デカードあたり10ポイントで周波数スイープを行い、歪みを測定します。イメージングパラメータを選択する際は、画像全体の信号対雑音比に加えて、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。

このケースでは、グラジエントエコーシーケンスを選択し、信号強度が濃度に対して線形依存性を持つように濃度を選択しました。このMRシーケンスには流速補正は含まれていません。

したがって、モーションアーチファクトを避けるため、静止液の状態でのイメージングを行い、イメージング時間は1～4分程度に設定します。異なる軸方向の位置にある体積をイメージングするために、ミキサーを再配置してください。目的の体積が磁石の中心にあるNMRコイルの中央に位置するまで、ミキサーチューブを軸方向に沿って磁石の中へスライドさせます。

次に、イメージング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に区別はありませんでした。

溶液の粘弾性特性は、貯蔵弾性率が損失弾性率を上回り、弾性率および損失がほぼ一定であるというゲル系の特性を示しました。周波数が高くなるにつれて損失弾性率／貯蔵弾性率の傾きが増加し、対応する位相遅れも同様の傾向を示したことから、流れにおける慣性力に対する粘性力の相対的な寄与が評価されました。レイノルズ数は、プレート間の平均流速として算出されました。

これらの値は1.0よりも大幅に小さく、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、層流による伸長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、以下に異なる軸方向の位置における選択画像を提示します。

SARミキサーは、第1、第2、および第3ミキシング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。ドープされた流体のストライプ数は、各ミキシング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と、モチーフを通過するたびにドープされた流体のストライプが増加することがわかります。

ミキサー内で反時計回りに90度回転する一連の画像は、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示しています。2つの流体ストリームは、何度も倍増されます。これらの測定を行う際は、分子拡散が成分濃度分布に影響を与える時間に比べて、測定時間が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のに特に有用です。

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に磁気共鳴画像法（MRI）を使用する方法について、十分に理解することができます。