AQUALABの主任食品科学者であるザカリー・カートライト博士が登壇する本ウェビナーでは、食品、医薬品、化粧品など、多岐にわたる業界における粉末製品の水分管理に関する課題について解説します。本プレゼンテーションでは、以下の主要トピックを取り上げます：

• 粉末における水分関連の課題の概要：さまざまな産業で一般的に使用される粉末（例：粉乳、乳糖、タルク、マイカなど）と、それらに共通して見られる水分関連の課題について考察する。
• 物理的変化の防止：プロテインパウダーや米ぬかエキスなどの実例を用い、粉末における固結や凝集の段階、および流動性の低下を防ぐために臨界水分活度を特定することの重要性について考察する。
• 水分の移動：水分が水活性の高い領域から低い領域へと移動する仕組みの解説、およびこの移動を防ぐための対策について。ホエイプロテインなどの粉末を用いたプロセスを示す実例やアニメーションも含まれます。
• 構造変化の特定：ショ糖や塩化カルシウムなどの例を用いて、結晶性粉末と非晶性粉末、および無水物と水和物の違いを理解する。
• 生産上の課題：目標湿度精度の維持、ばらつきの低減、手戻りの回避、エネルギー消費の削減といった一般的な生産上の課題への対応、および自動化やオペレーター研修などの解決策。
• ΔTアプローチ：製造工程における湿度変動を補正するためのΔT法の詳細な解説。その科学的仕組みに加え、自動化のメリットやダッシュボードを通じたリアルタイムのフィードバックについても解説します。
• AQUALABソリューション：AQUALAB 4TE、VSA、MATソフトウェア、SKALA DryなどのAQUALAB製品およびサービスを、こうした水分関連の課題に対するソリューションとしてご紹介します。

ウェビナーの最後には、連絡先情報、関連資料、および質疑応答の時間が設けられています。

読み上げテキスト（読みやすさを考慮して編集済み）

ザカリー・カートライト博士：皆さん、こんにちは。まもなく始めさせていただきます。「粉末における湿気の問題の克服」という本セミナーにご参加いただき、誠にありがとうございます。本題に入る前に、いくつかご案内させていただきます。

まず初めに、私の名前はザカリー・カートライトです。アクアラボの主任研究員を務めています。本日はお時間を割いて、このウェビナーにご参加いただき、誠にありがとうございます。ウェビナーの開催は1、2年ぶりとなりますが、再開や今回のテーマに関するご要望を数多くいただいておりました。

この新しい形式について、取り上げてほしいトピックやご意見・ご感想などがございましたら、ぜひお聞かせください。皆様からのご意見を心よりお待ちしております。皆様のご意見を参考に、今後もさらに良いコンテンツをお届けできるよう努めてまいります。

はい。後ほど、このセッションの録画を公開します。スライドの資料と共にメールでお送りします。また、後日、当団体のウェブサイトにも掲載する予定です。ただし、それよりも早くご覧になりたい場合や、何らかの理由で資料が届かない場合は、直接私までご連絡ください。画面にメールアドレスが表示されていますので、喜んで資料をお送りいたします。

私の連絡先は以下の通りです。今すぐメモしておいてください。プレゼンテーションの最後にも記載されます。

もちろん、最後には質疑応答の時間を設けるほか、途中でもいくつか質問にお答えできればと思います。もし何らかの理由で皆様の具体的な質問に答えられなかった場合は、ぜひ後日ご連絡ください。必ず回答させていただきますので。それでは、早速始めましょう。本日は30分から40分程度を予定しており、最後に質疑応答の時間を設けます。

現在、粉末は多くの産業で使用されています。もちろん、食品業界でも、粉ミルクやホエイプロテインパウダー、ココアパウダー、コーンスターチなどが使われています。 これらの多くは皆さんにもお馴染みだと思いますが、他の産業でも粉末は使われています。たとえば、製薬業界の方で、乳糖や微結晶セルロース、あるいはステアリン酸マグネシウムなどの粉末を扱っている方もいらっしゃるかもしれません。

あるいは、今日は化粧品業界の方々が参加されており、タルクやコーンスターチ、米粉などを扱っているのかもしれません。いずれの業界においても、粉末は存在し、その課題は粉末の種類や業界を問わず似通っています。通常、粉末についてチームと話し合う際、私が耳にする主な課題は以下の通りです。例えば、物理的転移の防止などです。

具体的には、粉体の固まりや塊の発生、あるいは流動性の低下などが挙げられます。これらは通常、私たちが直面する最大の課題だと思います。しかし、保存期間や包装についても懸念があり、保存期間を迅速に予測する方法や、取り扱っている各粉体や製品に適切な包装が使用されているかどうかを把握したいと考えているかもしれません。 もし粉末を混合している方であれば、異なる成分間や異なる粉末間の水分移動を懸念し、混合後に最終的な水分量や水分活性がどうなるのか気になっているかもしれません。

彼らが面談する多くのチームは、吸湿性を懸念しています。彼らは、さまざまな環境下で粉末がどのように水分を吸収するかを明確かつ効果的に定義し、異なる粉末や添加剤の吸湿性を相互に比較できる方法を求めています。もちろん、温度も常に重要な課題であり、温度変化が各製品の品質や安全性にどのような影響を及ぼすかを理解することが求められています。

構造を評価したり、物質が結晶性であるか、あるいは水和物を形成する可能性があるかを把握したいと思うこともあるでしょう。そして最後に、粉末の製造は時に非常に困難であり、品質を安定させ、手直しや製品のロスを可能な限り避けるのは非常に難しいものです。ですから、今日ここにお集まりいただいた皆様に直接お話しできるとしたら、これらの課題のうち、どれが特に皆様にとって大きな課題となっているのかをお聞きしたいです。 なぜ今日ここに来られたのでしょうか？つまり、これらの中で最も大きな課題は何でしょうか？もしよろしければ、こちらのチャット欄に書き込んでいただければ、あなたやあなたのチームが今日、最も学びたいと考えている問題がどれなのか、私がしっかりと理解できると思います。

本日のセッションを進めるにあたり、主な目標は3つあります。まず、これらの課題を一つひとつ理解することです。課題の根本原因を突き止め、前のスライドに挙げられたすべての課題が、何らかの形でこの種の製品に含まれる水分と関連していることを認識したいと考えています。そして、適切な水分に関する知見を活用して、これらの課題を克服する方法についてお話ししたいと思います。 私が「正しい」と言う理由は、多くのチームが水分含有量だけを用いてこれらの課題を克服しようとしているのを目にするからです。しかし、先ほど挙げた課題を科学的に克服するためには、水分活性や吸湿等温線についての理解が不可欠なのです。

そして最後に、利用可能な解決策をいくつか検討し、皆様が活用できるさまざまな技術やソフトウェア、知見についてお話ししたいと思います。そうすることで、これらの課題を迅速に克服し、夜も眠れないほど悩んだり、頭を悩ませたりする事態を終わらせることができるでしょう。私たちは、これらの問題をできるだけ早く解決できるよう尽力したいと考えています。

では、今日は早速本題に入ります。これらの課題を一つずつ取り上げ、それぞれの目標について詳しく見ていきます。最後に、解決策についてお話しします。

つまり、最初の課題は、物理的な変化を防ぐことでした。具体的には、固まりや塊の発生、そして流動性の低下を防ぐことを指しています。

当然のことながら、粉末が水分や湿度の高い環境にさらされると、粉末は水蒸気を吸収することになります。この過程は、基本的に5つの明確な段階を経て進行します。まず、「湿潤段階」があり、ここでは初期のわずかな水分吸収が起こり、粉末が少しべたつき始めます。その後、固まりや塊が生じ始めるようになります。

しかし、実際には、この凝集段階に達した時点で、固まりや塊の形成が本格的に始まっているのです。この段階に至ってしまえば、すでに手遅れです。さらに上へ進むにつれ、水分を吸収し続けると、ある程度の圧縮が生じます。そして最終的には、液状化の段階に達し、物質が液体へと変化し始める可能性があります。

つまり、このプロセスはさまざまな要因、とりわけ粒子の形状や大きさに影響を受けます。粒子が小さければ小さいほど、凝集段階に早く到達することになります。しかし、温度や時間といった要素も影響を及ぼします。温度が上昇すると、相対湿度が低い場合でもこの現象がさらに速く進行する可能性があります。これについては、後ほど詳しく見ていきます。 また、時間についても同様です。特定の温度と相対湿度下で過ごす時間が長ければ長いほど、これらの段階をより速く通過することになります。

最後に、化学組成の変化や、さらには加えられる圧力といった要素も、これらの異なる段階をどのくらいの速さで通過するかに影響を及ぼします。

キッキングを予測するにあたっては、主に3つの要因が関係してきます。それは、粉末の水分活性、粉末の保管温度、そして温度や相対湿度によって変化する様々な環境条件にさらされる時間です。

そして、ここでRHCと表記する臨界水分活度を特定し、その臨界水分活度が正確にどこにあるのかを知るためには、高解像度の水分吸着等温線を用いることが極めて重要です。そこで、等温線について調べると、主に2つの方法が用いられていることがわかります。 DDI（動的露点吸着等温線）と、DVS（動的蒸気吸着等温線）です。ここで示しているこの図は、これら2つの違いを非常に分かりやすく示しています。

そして、このオレンジ色の曲線、つまりDDIに注目してほしい。これは非常に高解像度の曲線であり、DVS曲線に比べてはるかに高速に作成できる等温線だからだ。DVS曲線はどちらかといえば静的な曲線であり、動的試験には非常に適している。つまり、この2つの曲線の違いがわかるだろう。今日は等温線について詳しく掘り下げるつもりはない。 等温線そのものについては、別途アプリケーションノートやウェビナーをご用意しています。

しかし、今日、私たちがさらに議論を進めるにあたり、粉末が動的な状態でどのように水分を吸収するかを正確に評価するためには、ダイナミック露点等温線（DDI）を用いる必要があるということを、ぜひご理解いただきたいのです。

それでは、臨界点を特定する例を見ていきましょう。最初の例では、固まりや塊ができるという問題を抱えているタンパク質粉末を取り上げます。この粉末について、まず最初に行うのは、DDI法を用いて吸湿等温線を作成することです。 ご覧の通り、水分量のわずかな変化に対して、水活度の変動幅が非常に大きく、その後、水分吸収が急増する変曲点に達しています。等温線を得たら、次に2階微分を求めます。基本的には、この微分を用いて曲線の傾きがどのように変化しているかを調べます。そして、ここで私たちが探しているのは、2階微分におけるピークです。

このピークを曲線上の水分活度と照らし合わせると、水分活度が0.67の時点で、凝集が本格的に始まっていることがわかります。また、この2次微分をもう少し詳しく見てみると、水分活度が0.5程度までは、この粉末は非常に安定していると言えます。その後、2スライド前に話したような、初期の付着現象がわずかに見られます。 そして、0.67に達すると、凝集や塊の形成が本格的に始まります。

ですから、もしこれがあなたのプロテインパウダー、つまりあなたが開発に取り組んでいる粉末だとしたら、臨界水分活性が0.67であっても、仕様の上限を0.5に設定するかもしれません。0.67に達してしまったら、それは行き過ぎです。 ですから、一般的に私がチームに推奨しているのは、この凝集や塊の発生、あるいは臨界点がどこにあるか把握したら、その点より0.1ウォーターアクティビティ単位低い値を仕様として設定し、流動性を失うような状態には決してならないよう、少し余裕を持たせることです。

では、2つ目の例を見てみましょう。これは米ぬかエキスの例です。これは非常に興味深い例です。なぜなら、等温線をみると、実際に水分が吸収されている箇所が複数あることがわかるからです。

実際、この曲線の2階微分を求めると、2つの臨界点が確認できます。 1つ目は水分活度が0.4の地点で、2つ目は0.63の地点に見られます。この2つ目の例では、水分活度が0.4という低い値にあるガラス転移点において、固着や凝集が生じている可能性があります。さらに水分活度が高くなり、0.63という2つ目の地点に達すると、ここで結晶化や別の種類の転移が起きていると考えられます。

一般的に、どのような粉末であっても、あらゆる物理的転移の温度範囲を下回るようにする必要があります。今回のケースでは、もしこれが実際に扱っている物質だとすれば、こうした物理的転移を確実に回避するために、水分活度を0.3前後にとどめておくのが望ましいでしょう。

つまり、要約すると、粉末を分析する際には、上部のグラフに示されているような等温線を求めます。次に、下部のグラフに示されているようにその2階微分を求め、ピーク点がないかを確認します。そして、この情報を基に、扱う各粉末に適した仕様を設定するのです。

さて、結晶性の粉末についてですが、このチャットで誰かが、グラニュー糖やその他の結晶性物質について質問していました。

結晶性粉末とは、塩や砂糖、特定の酸やビタミン、さらには医薬品の有効成分などを指します。

そして、これらは水分を一切吸収しないという点で非常にユニークです。その代わりに、結晶格子が実際に破壊されるのに十分なエネルギーや水分活性が得られるまで、水分は表面に留まります。そして、これが起こると、この結晶性粉末は固体から液体へと瞬時に変化します。これを「潮解」と呼びます。

したがって、結晶性粉末の等温線を観察すると、このような形状が見られます。 ここでは塩化ナトリウムとショ糖を例に挙げていますが、どちらも似たような形状を示しており、幅広い水分活性の範囲において、吸湿がほとんど見られないことがわかります。そして、ある点に達すると、突然溶解する「潮解点」が現れます。このように、これらの物質は非常に特徴的な形状を示しており、この種の試料における潮解点を正確に特定するのは非常に容易です。

結晶性粉末では、キッキングや凝集が生じることがあります。これは主に、相対湿度の変動がある場合に発生します。つまり、高い相対湿度から低い相対湿度へと、何度も行き来を繰り返すと、基本的には潮解と結晶化のサイクルが繰り返し起こるのです。 この過程で、この種の粉末中の異なる粒子や結晶の間に架橋が形成され始め、それがキッキングや凝集を引き起こす原因となります。したがって、これを研究するためには、等温線発生装置や吸着分析装置などを使用し、異なる相対湿度を設定して繰り返し変化させることで、こうしたサイクルがどのようにキッキングや凝集につながるかを明らかにするとよいでしょう。

ここで触れておきたいもう一つ、非常に興味深い点があります。それは、混合物の吸湿点についてです。つまり、2種類の結晶性粉末を混ぜ合わせると、その混合物の吸湿点が、個々の成分の吸湿点よりもさらに低くなることがあるのです。これは実に興味深い現象です。 もし、なぜそのようなことが起こるのかをよく理解されている方がいらっしゃれば、ぜひ詳しくお話しさせていただきたいです。

では、2つ目の課題は保存期間と包装についてです。粉末が流動性のある状態である場合、最も避けたいのは、包装した後に顧客やエンドユーザーの手元に届く頃には、粉が固まって塊になってしまっていることです。ですから、適切な包装を行うこと、そして開発中の各粉末にどのような包装が必要かを正確に判断することが極めて重要です。

これはフィックの拡散の法則を用いて計算することができます。式は画面に表示されています。これらはよく知られ、広く公表されている式です。Aqualabが独自に考案したものではありませんが、私たちはこれらを非常に使いやすい電卓の形式にまとめました。その詳細については、後ほど見ていきます。

もう一つ非常に重要な点であり、私が最も多くの間違いを目にするのは、こうした計算や予測を行う際に適切な水分モデルを使用することです。

したがって、このアプローチを用いれば、包装の種類や、包装の表面積、パッケージ内の製品量などを考慮に入れることができます。 また、温度、相対湿度、気圧といったさまざまな保管条件も考慮できます。そして最後に、吸着特性を考慮し、それをモデル化するとともに、粉末の流動性を確保したり、この種の製品内で微生物が繁殖しないようにするために設定した臨界点や臨界限界もモデルに組み込みます。したがって、

まず、臨界点を特定し、適切な仕様を設定する必要があります。そこで、ココアパウダーを例に挙げてみましょう。ココアパウダーの場合、等温線はこのような形になります。ここでも、2階微分を求めます。

この2階微分曲線のピーク点を求めているのですが、それは水分活性0.46の地点で発生します。そして、その情報を基に、上限値を0.36に設定します。つまり、キッキング段階や凝集段階を経て、スティッキング段階や凝集段階に決して達しないよう、少し余裕を持たせるためです。

2つ目のステップですが、ここでもやはり、最も多くの間違いが見られることが多いのですが、適切なモデルと適切な水和活性範囲を選択することです。例えば、これが私たちの等温線であり、これらは使用可能なさまざまなモデルです。ここには3つの異なるモデル、すなわち線形モデル、DLPモデル、そしてGABモデルがあります。これまでに100以上のモデルが発表されています。

また、アクアラボでは通常、DLP（二重対数多項式モデル）を使用しています。データの裏側にあるのが、そのモデルです。緑色のデータポイントは等温線を作成するための生データです。そして、青い線がモデルを表しています。

ご覧の通り、データにかなりよく合致しています。しかし、これを拡大して見ていただくと、このモデルでは水分量と水分活性が上昇し、その後わずかに低下してから再び上昇していることに気づくはずです。本来、このモデルは左から右に向かって常に上昇し続けるべきものです。今これを修正しておかないと、意味をなさない計算結果が出てしまうことになります。

これを修正するには、データの範囲を狭く選定するだけで済みます。例えば、行いたい賞味期限の計算に適した範囲を選び、その範囲に対して再度モデルを適合させるのです。つまり、データセットは同じです。単に一部を切り出しただけで、今度はDLPを使用します。予想通り、モデルは常に左から右に向かって増加しています。

よし。モデルの修正が終わったので、次は電卓を使って計算をしてみましょう。

こちらは当社の保存期間計算ツールで、「水分分析ツールキット」ソフトウェア内に搭載されています。これについては、このウェビナーの最後に詳しくご説明します。それでは、具体例を見ていきましょう。例えば、このココアパウダーが相対湿度65％の環境で保管されるとします。

例えば、室温が摂氏25度前後で、海抜0メートル（海面）にある場合を考えてみましょう。必要なのは、パッケージ内の製品の乾燥総質量、包装の表面積、そして現在の水蒸気透過率だけです。この値は、すでに包装材の供給業者から提供されているはずです。隠された数値などではなく、すぐに確認できる情報であるはずです。

ここから、初期の水活度を入力します。これは包装時の水活度と、設定した許容限界値です。繰り返しになりますが、ここでは0.36を使用します。水活度が0.46付近で結塊や固まりが生じるという許容限界に達する前に、少し余裕を持たせておくためです。

ここから、等温線上で選択して操作するだけです。私はその狭い範囲を使用しています。バックグラウンドでは、自動的にDLPモデルに変換されています。そして、「計算」をクリックすると、保存期間が算出されます。

つまり、この例では、設定した条件下で初期水分活度が臨界値に達するまでに125日かかることになります。 ご覧の通り、これは非常に強力なツールです。等温線の作成には1日ほどかかりましたが、今では関心のあるさまざまなパラメータをすべて瞬時に変更できます。加速試験のために数ヶ月、あるいは全保存期間試験のために1年も待つ必要がなく、特に非常に特定の水分活性範囲内に収めようとしている私にとって、必要な知見を非常に迅速に得ることができます。

この計算ツールには、皆様のお役に立つかもしれないいくつかのバージョンがあります。例えば、この計算ツールでは、時間の経過に伴う水分活度を算出することができます。見た目は基本的にすべて同じです。主な違いは、特定の条件下での日数を入力できる点です。

では、例えば7日間、この特定の条件下で保管し、その期間経過後の水分活度を知りたいとします。ここでも同じ等温線を使用しますが、今回は出力として水分活度が表示されます。 この計算ツールを使えば、プロセスの各段階――例えば倉庫での保管、高温のアマゾン輸送コンテナ内での保管、棚での保管、そして最終ユーザーの環境への搬入――といった異なる条件をシミュレートできます。これらすべてで条件はわずかに異なりますが、この種の計算ツールを使えば、水分活性がどのように変動するかを詳細に分析することが可能になります。

ここには、仕様が0.36であるという質問があるようですが、その通り、私は0.36を限界値として設定しています。0.46になるとキッキングや凝集が顕著に現れますが、多少の余裕を持たせておきたいですし、初期段階での付着や凝集が絶対に起きないようにしたいのです。

最後に、このソフトウェアにはこの計算ツールの3つ目のバージョンがあります。この最終バージョンでは、特定の保存期間を達成するために必要な水蒸気透過率を正確に計算することができます。ここでも、見た目は非常に似ています。主な違いは、希望する保存期間を入力する点です。

では、この例で、この製品を1年間保存し、適切な水分活度範囲内に保つ必要があると仮定しましょう。ここでも同じ等温線を使用し、「計算」をクリックします。すると、今回は、この保存期間を維持するために必要な水蒸気透過率が算出されます。 この値をそのまま包装業者に提示すれば、包装が過剰でも不足でもなく、取り扱っている各粉末や各製品にとって最適なバランスを実現できているかを確認できます。ここには、乾燥剤パックの使用や、ケイ酸塩などの添加をどのように考慮すべきかという、非常に良い質問も寄せられています。

これらの方程式では、そうした要素は考慮されていません。しかし、私の理解では、通常、そのようなものを加える場合、保存期間が50％程度延長されるといったことが言われています。 そして、その点も計算に加えることができます。また、当社の装置を使用すれば、サンプルと一緒に乾燥剤パックを封入し、乾燥剤パックがこのプロセスを実際にどの程度遅らせるか、あるいは乾燥剤パックが臨界点の位置にどのような影響を与えるかを詳細に調査する方法もあるかもしれません。

その点については、いくつか研究方法があります。もしさらに詳しく知りたい場合は、このウェビナー終了後に、喜んで詳しくお話しさせていただきます。

では、次に、水分移動の防止と予測についてお話ししましょう。複数の粉末や乾燥原料を混ぜ合わせる作業を行う方にとって、このセクションは大変参考になるはずです。粉末を混ぜ合わせるたびに、最終製品の水分活性は変化します。

しかし幸いなことに、この現象は非常に予測可能な形で起こります。そのためには、混合する各原料や成分ごとに等温線データが必要です。そして、その同じDLPモデルを用いて、これら異なる物質がどのように混合していくかをシミュレーションすることができます。例えば、ホエイプロテインパウダーを例に挙げましょう。まずは簡単な例で考えてみましょう。

ここでは、3つの成分だけがあると仮定しましょう。ホエイプロテインブレンド、マルトデキストリン、そしてヒマワリレシチンです。これらそれぞれに固有の等温線があるとしましょう。

それぞれが独自の形状を持っています。そして、そのモデルを用いることで、これらをすべて組み合わせ、平衡点に達するまで十分な時間を置いた際に、水分活度がどのように平衡状態に至るかを予測することができます。 つまり、要約すると、各成分の等温線があれば、任意の数の成分に対してこの分析を行うことができます。通常は上位5～8つの成分を選びますが、各成分について等温線を得た後、DLPモデリングを用いて混合等温線を予測することが可能です。画面上の赤色で表示されているのがそれであり、そこが平衡水活度の値となります。

等温線をすでに予測できるため、その等温線を利用して遡って分析し、異なる保存期間の計算さえ行うことができます。そのため、このアプローチを採用している多くのチームでは、自社で扱う粉末用の等温線ライブラリを内部で作成しています。そうすれば、実際に現場に出て様々な材料を混ぜ合わせる前に、コンピュータ上でシミュレーションを行い、それらを混合した際に何が起こるかを検討することができるのです。

では、次の課題は相対的な吸湿性の評価についてです。

また、吸湿性とは、物質が水分を吸収しようとする性質のことです。粉末は、他の多くの製品と比べて特にこの性質が顕著です。そして、粉末が吸収する水分の量は、実際には周囲の温度や湿度に大きく左右されます。

DDI（動的露点等温線）は、この仕組みを理解する上で非常に優れた手法です。繰り返しになりますが、これは、さまざまな粉末や添加剤がどのように水分を吸収するかを把握するための、極めて高解像度の方法です。そして、これは特に重要です。 製薬業界の方で、さまざまな添加剤の中から最適なものを選定しようとしている場合、DDI法を活用することで、添加剤の溶解性や吸湿性を詳細に検討したり、さらには吸着速度の推移を観察し、潮解がどこで発生するかを特定したりすることができます。

では、ここに一例があります。これらは、使用される可能性のあるさまざまな添加剤や粉末のリストです。相対的な吸湿性を比較するために、水分活度に対する水分含有量の変化を見ていきます。つまり、基本的には、これらの曲線の傾きを観察するだけです。

これをみると、このクロス・カルメロスが最も吸湿性が高いと言えるでしょう。赤い線で示されているものです。そう言える理由は、その勾配が最も急だからです。水分活性が上昇するにつれて、最も多くの水分を吸収しているのです。

一方、マンニトールのような物質は、ここに見られるように、濃い青色の他の物質の陰に隠れてしまっています。しかし、マンニトールは吸湿性がないと言えるでしょう。なぜなら、水分活性が非常に高い状態でも、吸湿量は極めて少ないからです。

結晶状のショ糖などは、潮解点に達するまでは吸湿性がほとんどありませんが、そこを過ぎると突然溶液になります。

つまり、吸湿性を比較する際は、これらの曲線の傾きだけでなく、水分活性の範囲やグラフのどの部分を見るかにも左右されます。ですから、さまざまな添加剤を選定したり、異なる粉末の吸湿性を比較したりする際は、この点を念頭に置いておいてください。

では、次に、温度変動が品質と安全の両方にどのような影響を与えるかについて、少しお話ししましょう。

つまり、温度に関して言えば、温度が上昇するにつれて、通常、製品や粉末の水分活性も高くなります。これにより臨界水分活性も低下するため、凝集や塊状化が起こる温度、あるいは潮解点が低下する可能性があります。 私がよく例に挙げるのが、粉乳のケースです。15℃で等温線を作成すると、水活度が0.5付近で凝集が始まります。

しかし、これらはそれぞれ5度ずつ上昇し、40℃に達します。そして40℃になると、水活性が0.3付近で凝集が始まります。したがって、この図は、その臨界点における曲線の形状が温度によってどのように影響を受けるかを理解する上で、非常に役立ちます。

任意の温度における水分活度の臨界点を予測するには、予測を行うために少なくとも2つ、場合によっては3つの等温線が必要となります。これはクラウジウス・クラペイロン関係式を用いて行われます。これは、任意の温度における蒸気圧を推定するために用いる単なる数学的モデルに過ぎません。さらに、線形回帰分析を用いることで、より広い温度範囲で何が起こるかを実際に外挿することも可能です。

例えば、こちらに米粉があり、25度と30度で作成した2つの等温線があります。室温である25度では、水分活度は0.45であり、これを下回らなければならない臨界点は0.55です。 前のスライドの方程式を用いると、これを摂氏35度まで外挿した場合、水分活度が先ほど特定した臨界点を超えていることがわかります。

さらにこれを推し進めてみると、摂氏70度では、水分活性が安全基準値を超え、微生物の許容限界である0.7を上回っていることがわかります。 このように、すべてのデータを徹底的に外挿することで、温度に関連して「キッキング」や「凝集」の問題がどこで発生し得るか、また安全上の問題がどこで生じ得るかを特定し、理解することができます。もちろん、これは扱う粉末の種類や配合ごとに異なりますが、この分析を通じて、温度変化が現在扱っている粉末の品質や安全性にどのような影響を及ぼす可能性があるかを、先を見据えて理解する手がかりになると思います。

では、次に構造の変化の特定について見ていきましょう。研究対象となる構造にはさまざまな種類があることを念頭に置いておいてください。等温線を観察し、水分活性と含水率の関係を定義する際、その関係は実際には製品の構造に基づいています。そして、構造が変化すると、データや等温線の形状にも異なる傾向が見られるようになります。

つまり、これは結晶性粉末と非晶性粉末の比較に当てはまるかもしれませんし、これら2種類の粉末間で生じた相転移の程度について議論することもできます。あるいは、無水物と水和物の比較を扱っている場合もあるでしょう。繰り返しになりますが、これは製薬業界にとって非常に重要であり、特に水和物の生成を防ごうとしている場合にはなおさらです。それでは、結晶性と非晶性の比較から始め、それぞれの例を簡単に見ていきましょう。

では、ショ糖を例に取ると、結晶状の試料はこのような状態になります。結晶は極めて規則正しい構造を持っていることを覚えておいてください。このような分子構造を持っており、ここではオレンジ色で示されています。以前結晶について見たのと同様に、水分含有量にはほとんど変化が見られません。しかし、潮解点に達すると、突然溶液へと変化します。

しかし、これを非晶質の状態で見ると、以前ほど構造化されていません。もう少しランダムな状態になっています。次に、2番目の等温線を見ると、初期段階でわずかなキッキングや凝集が見られることがわかります。 曲線の上方にある潮解点に達する前に、水活度が非常に低い領域で勾配の変化がわずかに見られます。したがって、この等温線の形状に基づいて、どのような構造を持っているのかを実際に理解するのに役立てることができます。

さて、水和物の生成について見ていくと、ここでは塩化カルシウムを取り上げます。水和物の生成は、等温線曲線に見られるように、非常に独特な形状を示します。この例では――実はラベルの向きが逆になっていると思いますが――二水和物がオレンジ色で示されています。しかし、これらの等温線は左から右へと移動していきます。 水活性と水分含有量は増加しています。水分含有量は上昇しているにもかかわらず、水活性が突然低下する点に達し、その後、等温線に沿って変化が続きます。

つまり、水分活度が急激に低下し、その後水分含有量が増加してから再び曲線が上昇するといったジグザグ状の形状が見られる場合、それは通常、水和物の存在を示しています。ここで言う「水和物」とは、水分子が閉じ込められたり、調査対象の粉末の構造の一部となったりしている状態を指します。これは、特に医薬品有効成分などを扱っている場合、非常に有害となる可能性があります。 通常、こうした水和物の形成は避けたいものです。水活性や水和物形成の原因となる条件を把握していれば、それを確実に回避するための適切な規格を設定することができます。

では、本日最後に取り上げる課題は、生産業務に関するものです。生産部門で働いている方や、生産チームに所属している方なら、この業務がいかに大変かご存じでしょう。きっと皆さんにも、今年の省エネやばらつきの低減といった大きな目標があり、どうすればその目標を達成できるか悩んでいることと思います。

したがって、製造における一般的な課題としては、目標水分率の達成や製品の平均水分率の向上、ばらつきの低減、そして可能な限り一貫性を保つことが挙げられます。もちろん、手直しやロットの廃棄を避けることも重要です。私たちは廃棄物を可能な限り削減したいと考えています。エネルギー消費に関しては、私たちが協力しているチームから、エネルギー消費量を削減し、この種の製品を製造する際に過乾燥を起こさないようにするという、大きな目標が掲げられていることを承知しています。

オペレーターの育成は依然として大きな課題となっています。というのも、この業界には30年、35年、あるいはそれ以上も在籍しているベテランが数多くいるからです。しかし今、彼らは、噴霧乾燥機の操作や各種システムの運用に関する細かいノウハウをすべて把握していない新人たちに取って代わられつつあり、新人たちは短期間で迅速に訓練を受けなければなりません。そして最後に、多くのチームが自動化に目を向け、作業を可能な限り無人化し、常に同じ品質の製品を安定して製造できるようにしようとしています。

こうした生産上の課題をすべて克服するためには、変動が生じたその場で修正する方法が必要です。また、製品が乾燥機から出る前に水分変化を検知できる必要があります。そのため、現在多くのチームでは、工程の末端でサンプリングを行っています。つまり、噴霧乾燥プロセスやその他の乾燥機を通過させた後、末端で測定を行い、その情報をもとに噴霧乾燥機の設定を遡って調整しようとしているのです。

しかし、通常はすでに20分、30分、40分が経過しており、その間にさらに多くの製品が処理されてしまっているため、必要な調整を行うには手遅れになってしまいます。そこで必要なのは、乾燥機の設定をリアルタイムで調整できる機能です。私たちが目指しているのは、現在の制御システムを活用することです。この例では、現在の制御システムがここ（オレンジ色で表示されている部分）にあります。

ばらつきがかなり大きいです。まず最初に行うべきことは、現在の管理体制を見直し、管理を強化してそのばらつきを減らすことです。

そして、変動幅を縮小できれば、平均含水率を高めることができます。ご覧の通り、平均含水率が右側にシフトしています。制限値は変わりませんが、これを右側にシフトさせることができれば、生産量が増加し、収量も向上するだけでなく、この種の製品を製造するために必要なエネルギーも削減できるのです。 つまり、この仕組み、その背後にある科学的根拠は、注目すべき重要な数値は水分ではなく温度であるということです。AQUALABとしては、水分や水分活度にこれほど重点を置いている私たちにとって、こう言うのは少し皮肉な話かもしれません。実際、NIR（近赤外分光法）を活用した様々な手法や、生産ライン上で水分や水分活度を測定する異なるアプローチも試してきました。しかし、私たちが発見したのは、注目すべき重要な数値は温度であるということです。

特に、このプロセスを通じて生じる温度差、すなわちデルタTが重要です。デルタTは、蒸発冷却の原理と、それによって生じる温度差に基づいて機能します。つまり、バーナーでの高温と、製品を通過して冷却された後の温度を比較することになります。適切な水分規格を満たすためには、この温度差を適切に維持することが極めて重要です。 したがって、自動化を検討する際、例えば噴霧乾燥機や、場合によっては接続された流動層乾燥機を使用する場合でも、このプロセスを自動化するために、2つの異なるループ、つまり2つの異なるフィードバックループを使用します。

最初のループは高速ループです。温度センサーから受信したデータに基づいて、継続的に自動調整を行います。これらのセンサーは、ほとんどの場合、乾燥システム自体にすでに設置されています。つまり、稼働を停止させることなく導入できるということです。

重要なのは、適切なデータと数値を見極めることです。例えば、この噴霧乾燥機の場合、高温点と低温点の差に注目しています。あるいは、この流動層乾燥機でも同じ考え方です。ここでも、高温点と低温点の温度差に注目しているのです。

また、スローループもあり、そこからフィードバックが得られることで、仕様が依然として適正範囲内にあることを確認できるほか、長期的な調整を行うことも可能になります。これは下流工程でのサンプリングに基づいています。この工程を経た後の製品について、下流工程でのサンプリングを行い、水分活度の測定を継続して実施することで、我々が正しい道を歩み続け、正しい方向に向かっていることを確認したいと考えています。

このデルタTアプローチを採用する利点は、ばらつきを大幅に低減し、製品の乾燥不足や過乾燥を完全に防ぐことができる点にあります。通常、粉末製品の場合、収率が約0.25％程度向上し、極端なケースでは最大1％まで向上することもあります。ペットフードなどの他の種類の製品においても、この手法を適用することで、水分含有量が数パーセント増加することが確認されています。

このアプローチを採用することで、オペレーターによるミスが大幅に減少します。その理由は、こうした分析結果を活用することで、さまざまな乾燥に関する問題を迅速に解決できるからです。また、機械的な問題が発生した場合でも、これらの具体的な数値を確認することで、迅速に対処し、効率の向上を図ることができます。

デルタTアプローチを採用することで、製品が異なっていても非常に明確な運転パラメータを設定することができ、その結果、極めて短時間で定常状態の生産に到達することが可能になります。

通常、エネルギー消費量は5～10％程度削減されますが、これはシステムによって異なります。場合によってはそれ以上になることもあれば、わずかに下回ることもありますが、実際には現在のシステムを分析し、どのような改善が可能かをしっかりと把握する必要があります。また、この種のシステムでは、導入から効果が出るまでの期間が非常に短く、投資回収も極めて早いのが特徴です。

場合によっては、1ヶ月以内にこの作業が完了することもあります。というのも、粉末メーカー、つまり数百万トンもの粉末を生産している企業であれば、水分含有量が0.25％増えるだけで、その影響が極めて大きくなることを理解しているからです。もし、現在この分野に取り組んでいる、あるいはもっと詳しく知りたいという方がいらっしゃいましたら、ぜひこの後、弊社までご連絡ください。

では、最後の数枚のスライドです。もう40分ほど経ってしまいましたが、まとめとして、Aqualabが提供するソリューションについてお話ししたいと思います。Aqualabは、こうした様々な課題を克服するための最適な技術とソリューションを専門としています。

「アクアラブ」という名前をご存知の方も多いかと思います。当社は40年以上の歴史を誇ります。社名は何度か変わりましたが、ブランドとしての「アクアラブ」はかなり長い間、皆様に親しまれてきました。そこで、次の数枚のスライドでは、当社のソリューションの中からいくつかご紹介したいと思います。

ただし、もしこのプレゼンテーションの後、お会いして、皆様が抱える具体的な課題についてさらに深く掘り下げ、それらをどのように克服できるかについて話し合いたいとお考えでしたら、ぜひその機会を設けたいと願っています。繰り返しになりますが、私の連絡先は最後に記載されています。

通常、品質チェックや研究開発において、水分活度の測定値を取得するために最も一般的に使用されている装置は、当社の「AQUALAB 4 TE」です。ここでは、その主な機能についてご紹介します。すべてを詳しく説明するつもりはありませんが、この装置が露点センサーを採用していることは知っておいていただきたいです。これは水分活度を測定する主要かつ直接的な方法です。 同時に水分含有量も測定したい場合は、当社のScalaデータ管理システム（失礼、データ管理システム）に接続することができます。そうすれば、先ほどお話ししたような等温線法を用いて、同じ装置から水分活性と水分含有量の両方を測定することが可能です。

今日は吸湿等温線について詳しくお話ししました。これらは当社の吸湿分析装置を使用して作成されます。当社の等温線生成装置の非常にユニークな点は、先ほど触れた両方の等温線を作成できることです。そして繰り返しになりますが、DDI（動的露点等温線）こそが、粉末がどのように水分を吸収するかを明確に定義するために不可欠なものです。 改めて、この装置の主な仕様をいくつかご紹介します。詳細には触れませんが、こうした吸着等温線を作成するためのソリューションを当社が提供していることをご承知おきください。そして、これらの吸着等温線を作成したら、先ほどご紹介した「水分分析ツールキット」というソフトウェアに取り込むことができます。

このツールキットには、本プレゼンテーションで言及したあらゆるツールが揃っています。

原材料の配合や、各工程の切り替えポイントの特定、賞味期限の迅速な算出などです。これらすべての機能がソフトウェアに搭載されており、非常に使いやすいです。もし貴社のチームにとって有益なツールだとお考えでしたら、喜んでソフトウェアの詳細をご説明し、具体的な事例を交えてご案内させていただきます。

そして最後に、製造工程において、当社が提供するソリューションは「Scala Dry」と呼ばれています。これは当社のモデルベース制御システムです。数枚前のスライドで説明したのと同じデルタTアプローチを採用しています。これは、噴霧乾燥機や流動層乾燥機、あるいは適用可能なあらゆる種類の乾燥機を使用している場合に、非常に有効なソリューションです。

これにより、非常に早い段階から精密な制御が可能になります。これは、製品から放出される水分を利用しています。水分値を監視しつつ、水分規格を満たすために温度差に重点を置いています。また、その温度差に加え、生産量や供給速度も考慮に入れることで、可能な限り安定した品質を確保することができます。

これはあくまで簡単な概要でした。後ほど、このスライドの資料をお送りします。ここには「ここをクリックして詳細を見る」といった機能も含まれており、非常にインタラクティブな内容になっています。

スライドショーを見ている間、他にもクリックできる項目がたくさんあり、それらも役立つかもしれません。

最後に、簡単にまとめとして、改めて本日の目標について触れておきたいと思います。本日の目標は、これらの課題を一つひとつ理解することでした。もし見落とした課題があったり、今後改めて取り上げてほしい点があれば、ぜひお知らせください。また、適切な水分に関する知見を活用して、それぞれの課題を克服する方法についても話し合いました。これには、水分活性の理解や、適切な種類の吸湿等温線の活用が含まれることがお分かりいただけたかと思います。

その後、すぐに利用可能な解決策を洗い出し、検討しました。今後、これらについてさらに詳しくお話ししたい場合は、ぜひご連絡ください。

他にもさまざまな参考資料がありますので、ぜひご参照ください。ちょうど今、画面に質問が表示されました。では、甘味料の凝集点を特定しようとする場合、どのような手順を踏むのが妥当でしょうか？サンプルを採取し、流動状態から凝集状態に至るまでの全段階にわたって試験を行うべきでしょうか、それとももっと効率的な方法があるのでしょうか？

わかりました。素晴らしい質問ですね、モフィンさん。では、凝集点を特定するためには、凝集する前の流動性のあるサンプルを採取します。もし別の甘味料を使用している場合は、元の粉末と、甘味料を添加したものを比較するのが良いでしょう。そして、動的露点等温線を作成します。

そして、それを基に曲線の形状を比較し、2階微分解析を用いて、その甘味料がどのような影響を与えているかを正確に特定・理解し、急変点や凝集点がどこにあるのかを確認します。

わかりました。ちょうど別の質問が入ってきました。BET単層水分量を下回る水分量を増加または減少させることで、粉体に見られる固結、流動性、安定性といった問題はすべて解決されるのでしょうか？

通常、水分を減らすことは有効ですが、私たちは特に水分活度の低下に注力したいと考えています。なぜなら、水分活度ははるかに高精度な測定値だからです。これにより、等温線上のどの位置にあるかを正確に把握し、水分活度が十分に低い状態にあることを確認するのに大いに役立ちます。 繰り返しになりますが、水分量だけを見てこれを行おうとするチームを多く見かけますが、ほとんどの水分測定法には、キッキングや凝集を防ぐために必要な知見を得るのに必要な精度が備わっていません。

いい質問ですね、アディット。

はい。皆さん、本当にありがとうございました。私のプレゼンテーションには、いくつか追加の資料がありました。

プロデューサーが私の画面を再び表示できるかどうかは定かではありませんが、プレゼンテーションには他にもご覧いただける資料がいくつか用意されています。各種アプリケーションノートや動画、過去のウェビナーなど、多岐にわたる資料を取り揃えています。ですから、私のプレゼンテーション内だけでなく、当社のウェブサイトにも多くの追加資料がございます。

最後に、私の連絡先をお伝えします。お住まいの地域のAQUALABアドバイザーをご存知でしたら、そちらに直接ご連絡ください。もし私にご連絡いただきたい場合や、より技術的なご質問がある場合は、ぜひご連絡ください。そしてもちろん、私たちのポッドキャスト『The Drip』もぜひ聴いてみてください。ここでは、科学や音楽、そしてマントラについて取り上げています。 ぜひ聴いて、チャンネル登録をお願いします。もし番組へのゲスト出演にご興味があれば、ぜひご連絡ください。その機会について、ぜひ一緒に検討させていただきたいと思っています。

さて、残り数分となりました。最後までお付き合いいただき、誠にありがとうございます。もしご質問がございましたら、この場でいくつかお受けしたいと思います。

了解です。デイジー、コメントありがとう。フリオ、ありがとう。

ありがとう、エリック。

はい。皆さん、お集まりいただき本当にありがとうございます。質問を1、2つだけお受けしたいと思います。ちょうど今、1件質問が入ってきました。「オペレーターにとって、デルタTは実際にはどのようなものなのでしょうか？」という質問です。

ここに例があります。ちょっと探してみます。

デルタTを実行した場合の実際の様子を例に挙げてみます。画面には多くの情報が表示されていますが、いくつかポイントだけ指摘させてください。 この青い部分が、いわゆる「高速ループ」です。ここで、維持すべきデルタTを設定することができます。そして、左側のこちらが「低速」のオートメーション・フィードバック・ループです。ここでは、下流のサンプルの水分活度を入力します。

左上のこれらのゾーンはすべて、乾燥機内の各ゾーンにおける温度差を表しています。さらに、供給速度も設定できます。これらすべての情報を入力すると、画面上で、こうした変動をどのように抑え、より一貫性のある結果を得られるかがすぐに確認できます。 つまり、デルタTアプローチは、いわば「クルーズコントロール」をオンにして、一度目標値に近づいたら、それを適切な範囲内に確実に維持するための方法だと考えてください。いつでもこの機能をオフにして手動モードに切り替えることは可能です。しかし、特に長時間運転を行う場合には、この機能はまさにその「クルーズコントロール」を実現するために設計されています。

さて、どうだろう。

他に何か質問はありますか？

もう一つ質問が入ってきました。異なる粉末の混合物に対して等温線予測モデリングを使用する場合、これは粉末が等量で混合されている場合にのみ適用されるのでしょうか、それとも組成比率に応じて補正する方法はありますか？ 素晴らしい質問ですね、フェイスさん。DLPモデリングを使用すれば、異なる質量比を考慮に入れることができます。

つまり、当社のソフトウェアを使用する際は、原料を入力し、等温線を選択し、初期の水活度を入力してから、量を設定します。そうすることで、さまざまな質量比を試すことができ、それが最終的な等温線や、算出される平衡水活度に影響を与えます。ですから、はい、その点は考慮に入れることができます。ありがとう、フェイス。

もし最後の質問が1つあるなら、今それを受け付けましょうか。他に質問があれば、どうぞ。では、この最後の質問を受け付けます。タニアさん、ありがとうございます。計算の妥当性を検証するために、パッケージXを使用した実際のサンプルを用いた実験と、ソフトウェアで推定された結果との比較検証を行いましたか？

はい。弊社では、取引先のお客様とよくこのような取り組みを行っています。お客様と直接検証試験を行い、こうした知見を活用することで、保存期間試験の一部を完全に、あるいは少なくとも部分的に置き換えることができることを実証しています。したがって、これらの計算は保存期間試験の完全な代替とはなりません。

たいていの場合、私たちの計算では保存期間を5～10％ほど過小評価してしまいます。しかし、過大評価するよりはむしろ、この方が望ましいと私は考えていますので、その点は念頭に置いておいてください。とはいえ、私たちの認識が一致しているか、あるいは正しい方向に向かっているかを確認するために、時には検証試験を行う必要があります。とはいえ、過去には様々な種類の製品について、クライアントと直接連携してこうした検証を行ってきました。

ですから、この件については引き続き取り組んでいくべきだと思います。もしこの分野を研究されており、研究プロジェクトに取り組みたいとお考えでしたら、ぜひ私たちと一緒に取り組ませていただければ幸いです。

さて、本日はご参加いただき、誠にありがとうございました。少し長くなってしまいましたが、今日はお伝えしたいことがたくさんありました。今回の内容がお役に立てば幸いです。繰り返しになりますが、今後のウェビナーのテーマについてご提案がございましたら、ぜひお知らせください。また、費用についてお聞きになりたい方は、ここに費用に関する質問が寄せられていますが、私までご連絡ください。 AQUALABの担当アドバイザーをご紹介し、正確な価格情報をお伝えいたします。

皆さん、ご参加いただき本当にありがとうございました。残りの一日も素晴らしいものになりますように。また次回のウェビナーでお会いできることを楽しみにしています。それでは、また次回お会いしましょう。

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