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慶大、液体中を上昇する気泡の3D形状と速度をレーザーで測定

2004年10月04日 19時28分

慶応義塾大学理工学部応用化学科の寺坂宏一助教授は、液体中を上昇する気泡の3次元形状と上昇速度を同時にレーザーで測定する装置を開発した。バイオリアクター、食品製造装置、化学反応装置、廃水処理装置など、気泡塔と呼ばれる代表的な気相・液相系の反応装置内の気泡の挙動を事前にリアルタイムに把握でき、化学反応の最適設計につなぐことが期待される。


レーザーで計測した3次元データを基にさまざまな液中での流れを解析した例


従来、気泡の形状を測定するには、フィルムカメラやデジタルカメラで撮影した画像から輪郭をトレースしたり、高速度ビデオカメラの画像を処理していた。これらの方法では、画像処理の時間などが必要で、気泡の3次元形状をリアルタイムに求めるのは難しかった。


寺坂助教授は、幅が数十mmのレーザー光を発射するレーザー発振器とレーザー光を受けるCCD(電荷結合素子)センサーをxyの2方向に配置して、レーザー光を遮って上昇する気泡を2方向から形状を捉えるとともに、z方向のもう1台のレーザー発振器とCCDセンサーを用いて、通過時間から上昇速度を計測する装置を開発した。試作装置では、レーザー光の照射幅が35mmの可視光半導体レーザー発振器(波長670nm)を用いた。CCDの解像度は数μm。このため、直径が数10μm〜30mm程度の気泡を正確に測定できる。


計測して得られた3次元データから、気泡の形状や体積、表面積、上昇速度などが求められるため、最適な反応条件などを事前に評価し、装置の小型化や高効率化ができる。また、得られたデータは気泡周辺の液流れ解析にも容易に利用でき(図)、気相・液相反応の最適化などにつながる。(大西 順雄=日経BPクリエーティブ編集委員)


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