分離領域の科学：追加の装置を必要とすることなく、処理能力や効率を向上
乳製品メーカーは現在、生産量を向上させると同時に、製品品質を高め、プロセス効率を最適化するというプレッシャーに直面しています。このような要求に応えるため、加工処理技術はある程度の進化を遂げてきました。しかし、特に処理能力に関して言えば、食品加工処理ラインの制限要因となっている機器が 1 つあります。それは、遠心分離機です。
この課題に対する従来の解決策は、複数の遠心分離機を備えた加工処理ラインを設計することでした。しかし、この方法には明らかな欠点がいくつかあります。たとえば、設備投資の膨張や限られた工場スペースにおける設置場所の増加、エネルギーと水の消費量の増加による操業コストと環境フットプリントの増大などです。その結果、1 台の遠心分離機で処理能力の増強を実現することが、これまで以上に求められています。
分離能力を制限するものとは何でしょうか？
遠心分離機の最大能力は複数の要因によって決まりますが、重要なのはボウル内の合計分離表面積です。このことは、1880 年代に製造された最初の乳製品用遠心分離機のことを考えるとよく分かります。このような基本的な機械では、回転するボウルによる遠心力でクリームと脱脂乳を分離していました。しかし、分離面はボウル自体の面積に限られていたため、一度に少量しか製造できませんでした。
10年後にディスクスタックが出現して、変化が起こりました。円錐形の金属製ディスクにより、ボウル内の分離表面積が増加したのです。ディスクの枚数が多ければ多いほど、分離面積も大きくなります。その結果、ディスクスタックによって高い処理能力が可能になり、最終的には連続的な乳製品加工処理への移行につながりました。このような理由から、ディスクスタック技術は 1 世紀以上経った今でも乳製品分離の中心となっているのです。
ディスクスタックはボウル内の分離表面積を決定する鍵となります。ディスクが多ければ多いほど、分離面積も広がります。
大きいことがいつも良いことではない
このソリューションは簡単ではありませんか？ 分離面積を大きくすることが能力向上の鍵であるならば、必要なのはより大きなディスクスタックだけということになります。しかしながら、残念なことに現実はもっと複雑です。
歴史的に見て、ディスクスタックのサイズを大きくすると、遠心分離機自体のサイズは当然大きくなります。しかし、一つの機器のサイズを大きくすることには限界があります。設置面積が大きくなるという課題に加え、機械が大きく重くなると製造や設置にかかるコストも高くなります。また、小型の機種と同じ速度で動かすにはより多くの電力が必要で、洗浄にもより多くの水と薬品が必要になります。つまり、遠心分離機を追加したラインを設計するときと同じような課題に直面することになるのです。
適切な問いかけ
したがって、能力と製品品質の向上というニーズを満たすには、遠心分離機のサイズそのものを大きくするのではなく、分離面の総面積を増やすことが課題となります。つまり、遠心分離機の内側を外側よりも大きくする必要があるのです。これは一見、物理的に不可能なことのように思えますが、
本当にそうでしょうか？ テトラパックでは、この問題に別の方法でアプローチし、「装置の設置面積を変更したり、分離ボウルのサイズを大きく変更したりすることなく、ディスクスタックにディスクを追加できるか」という問いを立てました。この問いに答えるには、考慮すべき 2 つの重要な要素があります。最も重要なのは、スタック内の各ディスク間の必要な隙間の量であり、次に考慮すべきは遠心分離機ボウルの形状です。
容量と製品の品質に対する要求の高まりに対応するためには、基本的に遠心分離機の内側を外側よりも大きくする必要があります。
ディスクの間隔
乳製品の分離プロセスをスムーズにするためには、ディスクスタック内の各ディスク間の間隔を均等にすることが非常に重要です。従来は、金属製のスペーサーをディスクに溶接することでこれを実現していました。このスペーサーは、ディスク間の距離を一定にするための信頼性が高く効果的な方法であり、基本的な設計原理は 1 世紀以上変わっていません。
このように、スペーサーは遠心分離機の動作の要となるものですが、同時に容量上の課題も発生します。各ディスク間の間隔が広ければ広いほど、スタックに収められるディスクの枚数が少なくなり、分離可能な表面積が減少します。この問題を解決しようと、時代とともに小さな改良が加えられてきましたが、溶接方式は本質的にディスクの枚数を増やす可能性を制限してしまいます。
そこで、溶接されたスペーサーをすべて取り除くことにしました。スペーサーにマイクロエンボス加工を施した一体型にすることで、ディスクの間隔を均一に保ちながら、ディスク間のスペースを最小にすることができます。この工夫に加え、より薄いディスクを製造することが可能となったことから、機器を大型化することなくディスクのためのスペースを確保することができるようになりました。
ディスクの間隔は遠心分離機を運転する上で非常に重要ですが、同時に容量の課題も発生します。間隔が大きければ大きいほど、スタックに収められるディスクの枚数は少なくなります。
ボウルの設計
遠心分離機のボウルの形状は、数十年にわたって依然としてほとんど変わっていない設計要素です。従来、ボウルフードは15°の角度で製造されています。一見、些細なことですが、この角度によってボウル内の利用可能なスペースが減少し、その結果、スタックに装着できるディスクの枚数がさらに制限される可能性があります。フードの角度を 13° に変更することで、機器全体のサイズを大きく変更することなく、分離表面積を増やすためのスペースを追加することができます。
ボウルのフードを変更することで、機器の設置面積を変えることなく、表面積を増やすためのスペースを増大させることができます。
容量拡大の効果は容量面だけにとどまらない
分離面積は、容量の問題だけではありません。それは、分離性能を向上させるための重要な要素でもあります。
粉ミルク製造のように、製品品質に対する要求が高い用途では、ディスクの枚数を増やすことで、維持された容量でスキミング効率を大幅に向上させることができます。また、性能と処理能力のニーズに応じて遠心分離機の速度をよりよく調整し、速度を落として運転することでエネルギー消費を最小限に抑え、販売製品 1 リットルあたりの光熱費を削減できます。
つまり、処理能力は単に容量だけの問題にとどまらないのです。分離面積を増やすことで、柔軟性が高まり、特定の加工処理ニーズに応じた最適な構成を実現できます。同等の分離性能を維持しながら、以前よりも多くの量を製造することも、現在の容量で運転しながら効率を向上させることもできます。つまり、単一の加工処理ラインで複数の製品をより簡単に製造し、必要な加工処理特性に合わせて遠心分離機を調整できるのです。
分離面積を増やすことで、柔軟性が高まり、特定の加工処理ニーズに応じた最適な構成を実現できます。
分離技術の可能性を最大限に引き出す
しかし、その柔軟性を十分に活用できるかどうかは、単に分離面積の大きさだけではありません。ここでは、機械全体の設計を考慮する必要があります。
重要なのは、処理中に空気が混入しないように、遠心分離機が密閉シールによる完全密閉式として設計されていることです。密閉式分離技術により、オーバーフローなどのリスクを負うことなく、ニーズに応じて機器の速度を簡単に調整することができます。一方、半密閉式の機器では、このような調整を行うには、配管を外して機器を開け、手作業で時間をかけて変更する必要がありました。
密閉式分離によって機器の性能を最大限に発揮させる方法については、次の 2 つの記事をご覧ください。
