凝集は、液体または溶液中の小さな粒子の集合を促進し、フロックと呼ばれる大きなクラスターを形成するために使用される基本的なプロセスです。
通常、このプロセスは、凝集剤と呼ばれる特殊な化学薬品を添加することで実現されます。凝集剤は粒子の凝集を促進し、粒子の衝突と付着を促進します。凝集は多くの産業や自然システムで重要であり、液体からの固体の分離や水などの液体の精製を可能にします。
凝集とは？
凝集と凝固の違いとは？
凝集と凝固は、不純物や汚染物質を除去するために同時に使用されることが多い2つのプロセスです。
凝固には、粒子を不安定化して凝集させる、凝固剤と呼ばれる化学薬品を水、標準液、または溶媒に添加することが含まれます。通常、このプロセスには「フロック」と呼ばれる粒子の生成が含まれますが、より正確には凝集体としての特性があります。凝集体は、沈殿またはろ過によって可溶性成分（多くの場合は水）から簡単に分離できます。
凝集では、凝固中に生成されたこれらの小さな凝集体を取り込み、「フロック」と呼ばれるさらに大きな凝集体として結合します。通常、このプロセスは凝集剤を添加することで実現されます。凝集剤は、粒子の凝集を促進する特殊な化学薬品です。
本質的に、凝固は粒子凝集の最初のステップですが、凝集はその後のステップであり、より簡単に除去できる大きい凝集フロックを生成します。どちらのプロセスも、水やその他の水溶性物質から不純物や汚染物質を除去するために重要です。
ステップ1: 凝固
凝固剤は、液体中に懸濁する微粒子の凝集や凝固を促進するために使用される薬剤です。凝固は、分散粒子の電荷を中和するために凝固剤を添加する化学プロセスです。サブミクロンの小さい生体分子や化学分子は、凝集や安定化を妨げる負の表面電荷を帯びていることがよくあります（1a）。
凝固剤薬品は粒子に吸着し、負の電荷を中和できます。中和、または場合によっては酸性pHへの滴定により、粒子同士が付着し合い、マイクロフロックと呼ばれる、安定し十分に懸濁したサブミクロンの凝固剤粒子が形成されます（1b）。
粒子の衝突と凝集の形成を促進するために、急速な攪拌で凝固剤薬品を適切に拡散させる必要があります（1c）。結合した粒子はまだ非常に小さく、肉眼では見えません。
ステップ2: 凝集
凝集によって、まだサブミクロンサイズの凝固剤の塊が大きくなり、分離しやすくなります。このためには、一般的に、高分子量ポリマーまたは他のイオン性凝集剤を穏やかに混合し、使用する必要があります。凝集剤は凝固剤粒子を吸着し、表面特性を変更し、隙間を埋めてフロックの形成を促進します（2a）。粒子を近接させることで、ファンデルワールス引力の有効範囲が広がり、凝集のエネルギー障壁が減少します。これにより、緩く固まったフロックのグループが形成されます。
フロックの凝集、結合、そして強化は、目に見えるマクロな浮遊フロックが形成されるまで継続します（2b）。適切な粒子の重量、サイズ、相互作用の強さがあれば、沈殿が発生します。大きいマクロフロックは攪拌の影響を非常に受けやすく、強いせん断力で一度引き裂かれると、再形成は困難、あるいは不可能です。
凝集は自然界で雪の結晶や海底堆積物の形成時に生じており、バイオテクノロジー、石油、パルプ紙、廃水、鉱業などの産業で人為的に応用されています。
なぜ凝集は重要なのか？
業界のアプリケーション
バイオ医薬品
生存率の高い哺乳類の全細胞は、そのサイズと分布により、多くの場合、簡単にフィルタリングできます。ただし、細菌系や酵母系の微生物細胞は、これよりも大幅に小さい単量体細胞単位を持っています。微生物細胞や生存率の低い哺乳類の細胞からのバイオマスは、粒度の中央値が小さいことに加えて、フィルタを詰まらせ、ろ過の速度を低下させる多くの小さい細胞断片を作り出す可能性があります。凝集を使用して粒子の総数を減らし、粒度分布を大きくすることで、ろ過を改善し、効率的でコスト効率の高い方法で細胞物質を上澄みから分離することができます。凝集は、細胞培養で複数の生成物や副生成物が生成され、それらが発酵マトリックスの異なる細胞構造や微小環境で発現する場合にも適用できます。例として、膜結合型、膜間腔、または上澄みでの発現に加えて、ポリマーに吸着した生成物や、エマルションなどの多相捕捉型の生成物もあります。
水/廃水処理
廃水には大量の懸濁粒子状物質が含まれ、沈降するまでに長い時間がかかる場合があります。凝集による水の処理は沈降を促し、効率的な固液分離が可能になります。大量の使用水を迅速に処理できるため、水の保管に必要な時間とスペースが減少し、環境への影響を最小化するために役立ちます。
パルプ紙
セルロース繊維はパルプ紙の主な原料の1つですが、紙製品の基準を満たす場合、求められる紙の特性を実現するには、粘剤、含浸、フィラーも必要になります。凝集は、固体材料を迅速に分離し、大量生産できるように、繊維、フィラー、その他の添加物を結びつけるために脱水プロセスで頻繁に使用されます。
貴金属鉱業
多くの場合、製品ストリームには幅広い種類の金属が含まるため、純粋な生産物を得るためには分離する必要があります。通常、個別の金属の選択的な沈殿には凝集と沈降が伴い、これにより液体からの迅速な分離が可能になります。
効率的な凝集プロセスに関する主な留意事項
プロセスパラメータとダウンストリームのパフォーマンス
凝集は、効率的に実行するために開発と最適化が必要な重要な単位操作です。主な留意事項とプロセスパラメータは次のとおりです。
- 凝集剤または凝固剤の種類と濃度
- 攪拌強度、せん断応力、攪拌時間
- 添加速度、場所、温度
- 固体濃度
- 粒度と数
- ダウンストリームパフォーマンスの分析:
- 凝集の完全性（反応速度）
- 固体除去の処理時間と労力
- 液相純度（残留凝集剤の測定を含む）
- ろ過能力と効率
- 粉塵や副生成物のろ過膜破過
凝集中の液体
凝集剤、標準液、界面活性剤
凝集剤の添加
凝集は、主に、凝固と粒子の凝集を開始するために添加される化学薬品の種類と量によって決まります。2次的な要因には、より伝統的な物理パラメータ（攪拌、温度など）が含まれます。液体凝集剤の安定性、攪拌速度論、均質性、最終濃度の特性評価は、プロセスの特性評価でも、より明確な粒子エンジニアリングの目標（ 粒度分布や個数など）と同様に重要です。添加した凝集剤や賦形剤は、凝集の結果に与える影響や、プロセスの反応速度や規制への影響についても特性評価する必要があります。
in situ ATR-FTIRとラマン分光法は、複数の凝集剤または賦形剤をリアルタイムで同時に追跡し、定量できる強力な多属性メソッドです。この分光データを粒子分布や反応速度に関する情報と組み合わせることで、必要な凝集剤の適切な量（多くの場合は最小限の量）を決定し、ダウンストリームでの除去の負担を最小限に抑えることができます。標準液と界面活性剤も、リアルタイムで正確に特性評価し、制御することができます。
凝集剤の除去
プロセスに凝集を組み込むという決定には、添加された凝集剤、界面活性剤、またはプロセス中間体を完全に除去するためのダウンストリームの要件という重要なトレードオフを伴います。この要件により、多くの場合プロセス時間が長くなり、処理賦形剤が追加されていないことを定量化または検証するための追加の分析メソッドが必要になります。したがって、添加する凝集剤、凝固剤、界面活性剤、または他の成分の量を最小限に抑えることが有利です。
ATR-FTIR分光法またはラマン分光法などのインラインメソッドをクロマトグラフィーの前後に組み込むと、生成物、凝集剤、賦形剤の定量的なマストランスファー測定も実施できます。これがオフライン分析メソッドを補完する可能性があります。
粒子メカニズムの理解
凝集と破砕
in situ粒度分布ツールにより、研究者は個々の粒度クラスの傾向を追跡し、定常状態で攪拌された粒子の挙動をリアルタイムで観察できます。凝集剤を添加すると、細かい粒子の数は大幅に減少し、大きなフロックの数は急激に増加します。最終的に、攪拌モーターのせん断によりフロックが破壊され始めます。大きい粒子数は減少し、小さい粒子数が再び増加します。
凝集粒子のメカニズムを理解することは、最適に至っていないプロセス、ダウンストリーム製造での課題、規格外製品などの根本的な原因を特定するのに役立ちます。詳細なin situ粒子データの取得は、効果的なプロセス最適化、Quality by Design（QbD）、効率的な製造への最初のステップです。
攪拌の強度とせん断力
フロック破砕の速度論
凝集は穏やかに攪拌する必要があります。フロックの種類ごとに強度が異なるため、特定のフロック系でどの程度のrpm範囲が穏やかな攪拌速度になるかを理解することが重要です。in situ粒度分布ツールは、フロックを生成し、さまざまな速度で攪拌した場合に、小さい粒度クラスがどのように変化するかについての情報を提供します。速く攪拌するとフロックが破壊され、微粒子の数が凝集前とほぼ同じレベルまで増加することがあります。ゆっくりと攪拌すると、ほとんどのフロックがそのまま残ります。in situ粒度分析装置の画像でもこの所見が裏付けられており、低速の攪拌で大きなフロックが見られます。
攪拌の強度とせん断力の最適化は、フロック破砕を防ぐために有効な方法です。凝集の目的が無効化され、ろ過時間が延びるため、フロックの破砕は避ける必要があります。ろ過速度とケーキ脱水は、最適な凝集点で最も速くなります。このポイントから逸脱すると、操作、製品品質、製造コストに影響を与えます。
攪拌領域滞留時間（MZRT）
適切な時間帯
凝集プロセスは、さまざまな業種で、動的または静的なミキサーを使用してバッチまたは連続モードで実行されます。両モードでカギとなるプロセスパラメータの1つに、攪拌領域滞留時間（MZRT）があります。このケースでは、最適な凝集のポイントは、凝集剤を注入してから1分38秒後に位置しています。
in situ粒度分析装置を使用すると、このツールは、フロックが完全に成長し、フロックの破砕が支配的なプロセスになりつつある様子を示します。トレンドでは、サイズごとの最適な凝集のポイントも視覚化されており、小さな粒子の数が許容範囲の最少数に達するMZRT時間帯が定義されます。
MZRTの時間帯を外れた操作は、フロックがまだ完全に形成されていないか、フロックの破砕によってフロックのサイズと最適なプロセスパフォーマンスがすでに低下していることを意味します。どちらの場合でも、遊離小粒子の数が多いために最適な状態とは言えず、MZRT時間帯の範囲内のみで望ましい製品とプロセスのパフォーマンスを確保できます。MZRTの時間帯は粒子/凝集剤システムごとに異なり、懸濁液の組成、攪拌の強度、凝集剤の種類に応じて調整が必要です。
最良の凝集剤の選択方法
凝集剤スクリーニング
化学企業は、新しい革新的な凝集剤を継続的に開発しており、凝集のパフォーマンスは向上しています。しかし、すべての凝集剤があらゆる粒子系に適しているわけではありません。特定の粒子系で凝集のパフォーマンスをテストし、確認することで、最適な凝集剤を確実に使用できます。粒度分析装置により以下が明らかになります。
- 凝集剤Aは凝集パフォーマンスが弱いことを示しており、系内の小さな粒子の数はほとんど減りません。
- 凝集剤Bは、多量の小さな粒子を捕捉しています。しかし、凝集の反応速度は遅く、凝集の破砕率は最適な凝集のポイントよりも高くなります。
- 凝集剤Cのみが全体的に良好なパフォーマンスを示しており、凝集反応速度は速く、微粒子をほぼ完全に捕捉し、最適な凝集のポイントを過ぎてもフロックの安定性に優れています。
in situ粒度分析装置は、さまざまな凝集剤の凝集パフォーマンスをリアルタイムでモニタリングできます。これにより研究者/エンジニアは、凝集剤の選択や凝集プロセスの最適化について、事実に基づいた意思決定を下すことができます。
凝集プロセスを最適化するための機器
- PVM®粒度分析装置 – フロックの形成、成長、安定性を研究
- FBRM®粒度分析装置 – さまざまな凝集剤とプロセス条件がフロックのサイズ、形状、構造に与える影響を調査
- 自動有機合成装置 – 温度、pH、攪拌強度、凝集剤の添加速度など、さまざまなプロセスパラメータを正確に制御
- プロセス開発ソフトウェア、モデリング、シミュレーション – さまざまなプロセス条件下でフロックのサイズ、形状、沈降速度を予測
特集アプリケーション: 連続凝集 – 抗体採取
プロセスのフィードバックと直交分析
完全連続式の統合された製品ラインを実現するためには、効率的で柔軟性が高く、コスト効率のよい連続細胞除去メソッドを開発する必要があります。著者は、凝集と深層ろ過とを組み合わせた細胞分離を行うためにこのような統合された連続式/使い捨ての設定を開発し、試験を行う方法を説明しています。
0.0375%のpDADMACを添加し、管状リアクターの出口に配置した後（静的攪拌）、リアルタイム粒度分布測定装置ParticleTrackによるインライン測定を行いました。リアルタイム粒度分布測定装置ParticleTrack（FBRM）はフロックサイズをモニタリングします。時間分解圧力と重ね合わせると、フィルタの飽和に近づく様子と圧力イベントによる傾向がわかります。多様なメソッドと凝集剤のタイプを評価した結果、医薬品原体の総収率、純度、高分子量指数（HMWI）についてさまざまな結果が得られました。これらの結果は、選択したフロックのタイプによりさまざまな粒度分布との相関も示しました。
このデータは、フロック試薬濃度、攪拌強度またはせん断力、攪拌共鳴時間、温度、全細胞培養液の開始条件や組成など、他の凝集パラメータとの相関関係を示した過去の論文に基づいています。凝集を利用することにより、連続抗体採取にリアルタイム粒度分布測定装置ParticleTrack（FBRM）が適していた従来のろ過トレインの4分の1まで必要な深層ろ過面積を削減することに成功しました。
Burgstaller, D., Krepper, W., Haas, J., Maszelin, M., Mohoric, J., Pajnic, K., Jungbauer, A., & Satzer, P. (2018b). Continuous cell flocculation for recombinant antibody harvesting.Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 93(7), 1881–1890. https://doi.org/10.1002/jctb.5500
引用と参考文献
学術誌における凝集
- Zhang, C., Zhu, Z., & Liu, R. (2023c). The intrinsic relationship between flocculation effect and apparent viscosity of fresh slurry.Construction and Building Materials, 371, 130769. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.130769
- Jokinen, L. (2022). Optimising flocculation and cell separation of fermentation broth with in situ particle size analysis.Theseus. https://www.theseus.fi/handle/10024/744426
- Costine, A., Fawell, P. D., Chryss, A., Dahl, S., & Bellwood, J. (2020b). Development of Test Procedures Based on Chaotic Advection for Assessing Polymer Performance in High-Solids Tailings Applications.Processes, 8(6), 731. https://doi.org/10.3390/pr8060731
- Grabsch, A., Yahyaei, M., & Fawell, P. D. (2020b). Number-sensitive particle size measurements for monitoring flocculation responses to different grinding conditions.Minerals Engineering, 145, 106088. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2019.106088
- Vajihinejad, V., & Soares, J. B. P. (2018). Monitoring polymer flocculation in oil sands tailings: A population balance model approach.Chemical Engineering Journal, 346, 447–457. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.04.039
- Burgstaller, D., Krepper, W., Haas, J., Maszelin, M., Mohoric, J., Pajnic, K., Jungbauer, A., & Satzer, P. (2018c). Continuous cell flocculation for recombinant antibody harvesting.Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 93(7), 1881–1890. https://doi.org/10.1002/jctb.5500
- Senczuk, A., Petty, K., Thomas, A. L., McNerney, T. M., Moscariello, J., & Yigzaw, Y. (2016b). Evaluation of predictive tools for cell culture clarification performance.Biotechnology and Bioengineering. https://doi.org/10.1002/bit.25819
- McNerney, T. M., Thomas, A. L., Senczuk, A., Petty, K., Zhao, X., Piper, R., Carvalho, J. G., Hammond, M. D., Sawant, S. G., & Bussiere, J. L. (2015c). PDADMAC flocculation of Chinese hamster ovary cells: enabling a centrifuge-less harvest process for monoclonal antibodies. mAbs, 7(2), 413–428. https://doi.org/10.1080/19420862.2015.1007824
- Cobbledick, J., Nguyen, A. K., & Latulippe, D. R. (2014). Demonstration of FBRM as process analytical technology tool for dewatering processes via CST correlation.Water Research, 58, 132–140. https://doi.org/10.1016/j.watres.2014.03.068
- Li, Z. J., Pizzelli, K., Romero, J., Chrostowski, J., Evangelist, G., Hamzik, J., Soice, N., & Cheng, K. W. E. (2013a). Clarification of recombinant proteins from high cell density mammalian cell culture systems using new improved depth filters.Biotechnology and Bioengineering, 110(7), 1964–1972. https://doi.org/10.1002/bit.24848
- Senaputra, A., Jones, F., Fawell, P. D., & Smith, P. (2014). Focused beam reflectance measurement for monitoring the extent and efficiency of flocculation in mineral systems.Aiche Journal, 60(1), 251–265. https://doi.org/10.1002/aic.14256
- Govoni, S., & Keiser, B. (2001b). Monitoring Flocculation of Newsprint in the Laboratory and on a Paper Machine.ResearchGate. https://www.researchgate.net/publication/289334218_Monitoring_Flocculation_of_Newsprint_in_the_Laboratory_and_on_a_Paper_Machine
- Blanco, A., Fuente, E., Alonso, A., & Negro, C. (2010). Optimal use of flocculants on the manufacture of fibre cement materials by the Hatschek process.Construction and Building Materials, 24(2), 158–164. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2007.06.017
- Uncles, R., Bale, A., Stephens, J., Frickers, P., & Harris, C. (2010). Observations of Floc Sizes in a Muddy Estuary.Estuarine Coastal and Shelf Science, 87(2), 186–196. https://doi.org/10.1016/j.ecss.2009.12.018
- Owen, A., Fawell, P. D., & Swift, J. (2007). The preparation and ageing of acrylamide/acrylate copolymer flocculant solutions.International Journal of Mineral Processing, 84(1–4), 3–14. https://doi.org/10.1016/j.minpro.2007.05.003
FAQ（よくある質問）
凝集に関するFAQ（よくある質問）
凝集の定義は何ですか？
凝集は、液体中の小さな粒子が集まって、フロックと呼ばれる大きな塊を形成するプロセスです。これは自然に発生することも、凝集剤と呼ばれる特定の化学物質の添加によって発生することもあります。自然凝集では、重力、ブラウン運動、静電気力などのさまざまな要因により液体中の小さな粒子が集まることがあります。これらの粒子が衝突して互いに付着すると、より大きな塊を形成し始め、最終的に液体から沈殿する可能性があります。
凝集は、フロックの形成を促進する物質である凝集剤の添加によっても誘導できます。これらの化学物質は、粒子表面の電荷を中和し、互いに引き付け合って大きな塊を形成することで機能します。凝集剤は、廃水処理、鉱業など、液体からの固体の分離が必要な業界で一般的に使用されています。フロックが形成されると、沈殿、ろ過、遠心分離などのさまざまな方法でフロックを液体から分離できます。多くの場合、得られる液体は凝集前よりもはるかに透明で扱いやすくなります。
水処理における凝集とは何ですか？
凝集・凝集プロセスは、廃水処理で濁度と細菌を除去するために一般的に使用されています。凝集は、懸濁粒子が互いに結合し、「フロック」と呼ばれる大きな凝集粒子を形成することを促進します。これらのフロックは容易に表面に浮遊したり、底部に沈殿したりするため、分離をスピードアップするための効率的でコスト効率の高い手段となります。
凝固と凝集の違いは何ですか？
凝固と凝集は、懸濁粒子を安定化させる力に打ち勝つために交互に使用する2つの異なるプロセスです。粒子の電荷は凝固によって中和されますが、粒子同士が結合して凝集によって成長するため、液体からの除去が容易になります。凝集と凝固の比較の詳細をご覧ください。
凝集懸濁液とは何ですか？
凝集懸濁液とは、液体中の固体粒子の混合物または分散物で、粒子が集まってフロックと呼ばれるより大きなクラスターまたは凝集体を形成したものを指します。これらのフロックは、液体全体に均一に分散するのではなく、ファンデルワールス力や粒子間の架橋などの弱い物理的な力によって互いに保持されます。懸濁液中にフロックが形成されると、固体粒子が沈降または分離し、液相からの除去またはろ過が容易になります。凝集は、廃水処理、鉱業、化学処理などのさまざまな業界で一般的に使用されており、液体からの浮遊物質の分離と清澄化を促進します。