フリーズグラニュレーション（凍結造粒）

スプレードライは、液滴の瞬間乾燥時に溶媒が液滴表面から蒸発すると同時に内部の溶媒が表面に移動することで、液滴全体が収縮しながら液滴内の固形物が外側に移動しながら乾燥粒子となる傾向があります。そのため乾燥粒子の外側の密度が高く内側が密度の低い、中空形状となることがあります。
フリーズグラニュレーションは、液滴を瞬間的に瞬間凍結させることで、溶媒を含め液滴内部構造を固定させます。後工程の凍結乾燥は、長時間を要するため、溶媒の昇華による移動・収縮がないので低密度かつ内部・外部の密度差のない中実球となります。低密度な中実球は、医薬、機能性食品の溶解性の向上や、セラミックス、金属の粉末冶金の特性向上に寄与します。

スプレードライ

フリーズグラニュレーション

上記のアルミナ顆粒の浸液透光画像では、スプレードライは中空、フリーズグラニュレーションは中実であることが示されています。

スプレードライは、瞬間乾燥でかつ気流により高熱に曝されないタンク等捕集部に数十秒程度で移動するため、熱に弱い物性でも粉体化が可能です。しかし、熱風を乾燥媒体としているため常温以上の熱に曝されることは避けられず、高熱に極めて弱い物性の乾燥は困難です。
フリーズグラニュレーションは、常温以上の熱を全く与えることなく乾燥粉体を得ることができるため、医薬等に適しています。

スプレードライは微細液滴に熱風を接触させて粉体化することに対し、フリーズグラニュレーションは、凍結させてからフリーズドライするため、エネルギーコストが高く、高ランニングコストとなります。当社では液化窒素フリーの装置の開発等、ランニングコストの低下の検討を絶えず実施してきていますが、現状は広範囲な業界・品目の粉体製造に不適で、高付加価値製品の適用に限られています。

フリーズグラニュレーションは、近年まで多くても数百g程度の粉体を得る技術でしたが、当社特許技術により、バッチ当たり最大数十kgの粉体を製造することが可能です。世界最大規模の生産設備と自負しており、技術的には数百kgまでのスケールアップが可能です。しかし時間あたりトン単位の粉体を製造できるスプレードライと比較すると大量生産が難しいと言えます。

フリーズグラニュレーションは、凍結工程と乾燥工程の2工程の組み合わせによる粉体製造法です。類似の粉体製造方法として、「フリーズドライ＋粉砕」があります。原液をフリーザーで予備凍結させてからフリーズドライヤーで凍結乾燥させ、粉砕機による処理により粉末化させます。粉砕は凍結乾燥前の予備凍結体で実施することもあります。本手法の代表例として、インスタントコーヒーの製造が挙げられます。
フリーズドライ＋粉砕と、フリーズグラニュレーションとの大きな違いは凍結速度にあります。

予備凍結のフリーザーは、一般的には数十分～数時間で原液を凍結固化させるため、溶液であれば凍結中に濃縮による偏析、スラリーであれば更に沈降による偏析も懸念されます。対してフリーズグラニュレーションは、比表面積が増大化した微細液滴をミリセカンドで瞬間凍結させるため、原液が偏析することなく凍結により構造が保持されます。後工程の凍結乾燥にて固形物の移動・収縮がなく溶媒を昇華させるので、原液状態に近しい均質な構造を保持した乾燥粉体となります。

スプレードライ顆粒

スプレードライ顆粒拡大

フリーズグラニュレーション顆粒

フリーズグラニュレーション顆粒拡大

スプレードライ顆粒は粒度分布がシャープ、フリーズグラニュレーション顆粒はブロードです。これは本試験時のスプレードライはロータリーアトマイザー、フリーズグラニュレーションは二流体ノズル方式であったための違いと考えられます。顆粒の形状はスプレードライがより真球状となっています。拡大写真では、スプレードライ顆粒は一次粒子が密接に凝集していますが、フリーズグラニュレーション顆粒は一次粒子間に空孔が多く、低密度であることが分かります。

成形体はスプレードライ顆粒の密度が高くなりましたが、焼成後、フリーズグラニュレーション顆粒が高密度となり、性能が逆転しました。
フリーズグラニュレーションは、内部構造が均質な低密度顆粒（顆粒自体の充填量が少ない）が得られるため、成形体密度は向上しにくいと考えられます。しかし成形体自体も均質なため、焼成時に欠陥が生じにくく密度が向上したと考えられます。

スプレードライ顆粒は粒度分布がシャープで小さく、フリーズグラニュレーション顆粒は粒度分布がブロードで特に湿式冷却方式で調製した顆粒が大きいことが示されました。スプレードライがシャープな粒度分布であるのは、ロータリーアトマイザー方式で噴霧しており、フリーズグラニュレーションは二流体ノズルで噴霧していることが主要因です。またフリーズグラニュレーションは乾燥時に収縮が無いので、スプレードライと比較して粒子が大きくなる傾向です。フリーズグラニュレーションの乾式冷却と比較して湿式冷却の顆粒が大きい理由は、凍結固化速度の違いです。双方とも二流体ノズル方式で噴霧していますが、湿式冷却方式は吐出口近傍直下に液化窒素の液面が存在しているため、噴霧直後の大きい液滴が液化窒素に含侵して凍結固化されます。乾式冷却方式は冷却ガスの気流中に噴霧されるため、液化窒素と比較すると凍結固化速度が遅く、噴霧直後の大きい液滴が分裂して微細液滴となってから固化していると推察されます。

スプレードライ顆粒

スプレードライ顆粒拡大

フリーズグラニュレーション顆粒

フリーズグラニュレーション顆粒拡大

粒度分布の結果通り、SEMでもスプレードライ顆粒は粒度分布がシャープで小さく、フリーズグラニュレーション顆粒はブロードで大きいことが確認できます。形状はスプレードライ顆粒は球形で表面が膜のような構造をしていることに対し、フリーズグラニュレーション顆粒は歪な形状で表面の一部は膜状となっているが、大部分は多孔質な構造となっていることが確認できます。

X線回折装置（XRD）にて、結晶構造を測定した結果、SD8000rpmが一部結晶構造を保持しており、その他検体は、非晶質（アモルファス）であることが確認できました。SD8000rpmはロータリーアトマイザーの回転数が低く粒度分布結果からも大きい粒子となっていたので乾燥に時間を要したことが一部結晶構造を有したと考えられます。フリーズグラニュレーション顆粒においては、SD8000rpmよりはるかに大きい粒子となっていましたが、完全に非晶質な状態であることが確認できたので、フリーズグラニュレーションの優位性が示されたかと思います。