過去数十年の間に, 数え切れないほどの食品や飲料が食料品店の棚に並んできましたが, 数年後には販売中止となっていました. あなたのお気に入りのスナックや飲み物が, どこからともなく姿を消したように思い当たるかもしれません. このような食品の消失は, 非常に単純な答えで説明できます： 売れていない商品は, 再入荷の可能性が低いです.
このブログでは, 過去に失敗した製品とマルチフィジックスシミュレーションの活用が, 食品業界における革新的な機器, 製品, プロセスの創造にどのようなインスピレーションを与えるかを探ります.
失敗することによって成功した食品
製造中止になった製品や失敗した製品は必ずしも悪いことではありません. その理由は次のとおりです. その失敗から多くのことを学ぶことができ, ベストセラーにつながるアイデアを生み出すことができます. その一例として, アメリカの朝食シリアル Wheaties® の起源の物語があります.
1920 年代初頭, 現在 General Mills として知られる Washburn Crosby Company の従業員が小麦ふすま混合物を準備していました. その過程で, 彼らは誤って半液体の混合物の一部を熱いストーブの上に落としてしまい, すぐにカリカリになってフレーク状になってしまいました. (参照 1) こうして, 今日知られている Wheaties® が誕生しました. しかし, 話はそこで終わりません.
このフレーク状のシリアルは一夜にして成功したわけではなく, 1924 年に発売されてから何年も失敗した製品でした. 全米のラジオ局でこのシリアルに関する広告ジングルが流れたことで, 最終的にはよく知られるようになりました. シリアルの名声はさらに高まりました. その スポーツ界との密接な関係のおかげでシリアルの名声はさらに高まりました. (Wheaties® の箱の表紙には 850 人以上のアスリートが描かれています. )
食品業界におけるもう 1つの同様の失敗から成功の物語は, 電子レンジの発明の背後にある物語です. Wheaties® と同様, 電子レンジも偶然の発見でした. マグネトロンをテストする研究室で働いていたとき, 物理学者で発明家の Percy Spencer 氏は次のことに気づきました. 彼のポケットの中にあったピーナッツの塊の棒が溶け始めていたのです. マグネトロンの調理能力をさらに調査するために, Spencer 氏はポップコーンの粒と卵をマグネトロンにさらしました. 彼はポップコーンが弾けて卵が爆発することに気づきました.
これらの観察により, Spencer 氏は, マグネトロンから発生する低密度マイクロ波エネルギーは食品を温めているだけでなく, 急速に加熱しているという結論に達しました. 1945 年, Spencer 氏と彼の雇用主である Raytheon 氏は, この発見に基づいて “ラダレンジ” と名付けた >発明の特許を取得しました.
船のラダレンジ. 画像：Acroterion – 作. Wikimedia Commons経由の CC BY-SA 3.0ライセンスによる.
ラダレンジの初期バージョンは, そのサイズ, 価格, 重さのために成功を収めることができませんでした.
(冷蔵庫よりも大きく, 現在の貨幣価値で5万ドル以上し, 重さは750ポンド以上にもなりました！). 設計に大幅な改良が加えられ, 家庭用としてより実用的になり, 電子レンジとして知られるようになったこの発明の売上は急増しました. 今日, 米国の家庭の90％以上が電子レンジを所有しており, この電子レンジには Percy Spencer 氏の発見に基づく技術が使われています.
このような話は, 失敗から学び, それを糧にし, インスピレーションを失わないことが重要であることを教えてくれます. その1つの方法が, 古い設計の最適化や新しい設計のテストを容易にするシミュレーションの活用です. 次に, 食品業界におけるシミュレーションの可能性について見てみましょう.
食品産業におけるシミュレーション
シミュレーションを使用することで, エンジニアや研究者は, 研究対象の製品, プロセス, デバイスの性能に関する貴重な知見を得ることができます. シミュレーションでは, 物理的なテストが困難な, あるいは不可能なパラメーターをテストすることができます. また, シミュレーションを使用して, 新しい設計を提案したり, デバイスを最適化したり, プロトタイピングプロセスを加速したりすることもできます. 再現性の高い製品を実現するために, さまざまなパラメーターに対する製品品質の感度を調べることもできます. シミュレーションによって得られる製品，プロセス，デバイスの詳細な理解は，食品業界で働くエンジニアにとって特に重要です. 食品のわずかな特性の変化は, 消費者の嗅覚と味覚によって検出されます．
COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用することで, エンジニアは食品に影響を与えるさまざまな物理現象 (熱伝導, 流体流れ, 化学反応, 固体力学, 電磁気学など) を 1つの直感的なソフトウェア環境で解析することができます. この多機能性により, COMSOL Multiphysics® は, 生産, 加工, 流通, 小売, レストランなど, 食品製造チェーンのすべての段階に役立つプラットフォームとなっています.
次のセクションでは, 食品業界でシミュレーションを使用することの利点を強調する5つの具体例を紹介します.
チュートリアルモデルの例
COMSOL Multiphysics® とそのアドオンモジュールには, 食品・飲料業界で一般的に使用される様々なプロセ ス, 産業機器, および家庭用電化製品をモデリングするための機能が含まれています. 多くの例のいくつかを見てみましょう…
プロセス
フリーズドライ
フリーズドライは, 熱に弱い素材を乾燥させるプロセスで, 抗生物質やワクチンの保存に使われる製薬業界から, 水に浸かった本や美術品, 写真などの修復に使われる文書修復業界まで, 幅広い業界で使用されています.
ただし, このプロセスは, 食品を最長 30 年間保存できるため, 食品業界で使用されることが最も広く知られています. 食品などの材料をフリーズドライする場合, まず凍結させてから昇華と呼ばれるプロセスを通じて直接気体状態に変えます.
前のブログでは, 固体が液相をスキップして直接気相に移行する方法を, 相図がどのように示すことができるかを説明します.
フリーズドライコーヒーのクローズアップ画像. 画像：Pleple2000 – 自身の作品. Wikimedia Commons経由のライセンスCC BY-SA 3.0による..
フリーズドライプロセスを深く理解するには, 熱伝達シミュレーションを使用してプロセスをモデル化および分析できます. たとえば, COMSOL Multiphysics® の機能とアドオン伝熱モジュールを使用すると, 多くの凍結乾燥セットアップで一般的なテスト ケースである, 真空チャンバー条件下でバイアル内の多孔質媒体を通る氷の昇華をモデル化できます. 凍結乾燥チュートリアルモデルを使用して, その方法を段階的に説明します.
フリーズドライモデルの画像.
ビール醸造における発酵
食品および飲料業界で使用されるもう 1つのプロセスは, ビールの製造によく使用される発酵プロセスです. ビールの醸造プロセスでは, 発酵が行われます. 麦汁中の糖をエチルアルコールと炭酸ガスに変換し, これによりビールにアルコール分と炭酸が与えられます. このプロセスは, 冷却した麦汁 (20℃未満) と酵母を発酵容器 (通常は嫌気条件下の密閉タンク) に加えるときに始まります. この作用により麦汁が発酵します. 発酵が終わるとビールが残ります. (ヒント: 発酵プロセスの詳細については, ブログ “ビール醸造における発酵のモデル化による優れた製品の生成” を参照してください” ）
発酵容器群. 画像：Antoine Taveneaux – 自身の作品. Wikimedia Commons経由のライセンス CC BY-SA 3.0による.
発酵プロセスの結果は, 最初の糖分含有量, 酵母の種類, 選択したプロセス温度など, 多くの異なる要因に依存するため, 予測不可能な場合があります. ビール醸造における発酵のチュートリアルモデルを使用すると, このプロセスをさらに分析し, 化学モデリングでその結果をよりよく予測することができます.
このチュートリアルでは, 発酵プロセスを 2 つのステップでモデル化します. ステップ 1 では, 反応工学インターフェースを使用して, 完全に混合されたタンク内で発酵プロセスをモデル化します. ステップ 2 では, モデルが物質移動, 熱伝達, 自然対流を考慮した球円錐形のタンク形状に拡張されます. どちらのモデルでも, 発酵プロセスで生成される最終的なアルコール含有量に影響を与える可能性があるさまざまなパラメーターを評価できます. このモデルの MPH ファイルと PDF の手順については, こちらをご覧ください.
ビール発酵反応器における平均濃度からの局所的な偏差. このモデルにより, 発酵反応器内の局所的な温度と流量に対する製品の感度を理解することができます.
産業設備
ミキサー
食品業界では, 工業用ミキサーは, 2種類以上の別々の原料を混ぜ合わせ, 多種多様な食品や飲料を製造するために使用されますが, これらに限定されるものではありません：
- キャンディ
- チューインガム
- コーヒー
- ドレッシング
- ジュース
- ソース
- スープ
- シロップ
これらの機械は, 味や食感といった食品の特性を決定する上で重要な役割を果たしています. これらの特性は, 前述のとおり, 消費者が容易に変化を感知できるものです.
そのため, ミキサーはバッチごとに効率的かつ一貫した性能を発揮することが非常に重要です (ほとんどの場合, ミキサーは単なるミキサーではなく, リアクターでもあります). シミュレーションは，高品質で均一かつ安全な製品をタイムリーに生産するミキサーを設計するために利用できます.
工業用ミキサー. 画像：Erikoinentunnus – 自身の作品. Wikimedia Commons経由のライセンスCC BY-SA 3.0による,
モジュラーミキサーのチュートリアルモデルでは, 3つの混合プロセスシナリオのモデル化方法を徹底的に解説しています：
- Rushton タービンを有する平底ミキサーにおける層流混合問題
- k-ε乱流モデルを用いたピッチド翼羽根車を有する皿底ミキサーにおける乱流混合問題
- k-ω(k-ω)乱流モデルを用いたピッチ付き翼羽根車を有する皿底ミキサーにおける乱流混合問題
このチュートリアルモデルを使用すると, 特定のミキサーアプリケーションやモデリングのニーズに合わせてミキサーのジオメトリを簡単に変更できます. このモデルを詳しく見て, アプリケーションギャラリで関連する MPH ファイルをダウンロードしてください.
Rushton タービンを備えたバッフル付き平底ミキサー (左) と, ピッチ付き4枚羽根インペラーを備えたバッフル付き皿底ミキサー (右) のモデル形状.
パスタ押出
パスタ押出機は, さまざまな形やサイズのパスタを効率的, 簡単, 迅速に製造できるため, 工業用パスタ工場でよく見られます. これらの機械は, セモリナ (小麦粉の一種) と水の組み合わせを, 多くの部品を通してさまざまな生のパスタの形 (スパゲッティのような) に成形することができます. このスクリューが動くことで, セモリナと水が生地に変わり, ミリメートルサイズの穴がたくさん開いたスクリーンからなる機械の押し出しベルに押し出され, 生地は2つの異なる出口からパスタの束となって機械から出てきます. 下の一番右の画像は, このようなパスタ押出機の模型です.
左: さまざまな形や大きさの乾燥パスタ. Unsplash の Karolina Kołodziejczak による写真. 右: パスタ押出機の流れ場と形状 (押出スクリュー, ベル, ミリメートルサイズの穴, 2つの出口を含む).
パスタ押出機は長い間存在していましたが, これらの機械の効率は完璧ではありません. 押出機の設計で発生する可能性がある問題には, 次のようなものがあります.
- 小麦粉と水の不完全な混合
- 不均一な圧力分布と押出速度
- 生地の循環不良
パスタ押出チュートリアルモデルを使用すると, 押出機内の条件がさまざまな生地レシピでこのような問題をどのように引き起こすかを予測できます. このモデルの詳細と設定方法については, こちらをご覧ください.
家庭用電化製品
電子レンジ
Percy Spencer 氏が電子レンジを発見してから何年も経つが, その設計はいまだに研究され, 改良され続けています. その理由のひとつは, この一般的な家庭用電化製品で数分のうちに食事を調理することを可能にする技術に欠点がないわけではないからです. 多くの電子レンジ所有者に共通する不満は, 常に均等に食品を加熱できないことです.
電子レンジで食事が不均一に加熱されると, 朝食, 昼食, 夕食, またはスナックは部分的に冷凍され, 部分的に調理されます. 電子レンジで加熱すると, 食材の水分含有量が異なるため, 加熱ムラが生じる食事があります. また, 電子レンジの使用中に起こる複雑な振動パターンも, 加熱ムラの原因となります.
RFモデリングは, 動作している電子レンジの中で起こっている物理現象をよりよく理解するために使うことができます. 例えば, 電子レンジのチュートリアルモデルは, ジャガイモを調理している間の電子レンジの加熱プロセスをモデル化するのに使用できます. この例では, 電子レンジは, 2.45GHzのマイクロ波源に接続された銅の箱としてモデル化されています.
モデル内の長方形導波管は, マイクロ波をオーブンの中心に向けます. こちらでモデルを詳しく調べてください.
電子レンジのモデル.
他の文献
食品業界におけるシミュレーションの活用についてもっと知りたいですか？COMSOL Multiphysics® を使用して, パフ入りスナック菓子, オヒョウのフィッシュロールフライの受賞レシピ, 世界的に有名なキャンディーバーの製造に関連する相互関連性の物理学を研究したストーリーをご覧ください.
参考文献
- “Wheaties®,” Wikipedia, Wikimedia 財団, 2022年9月8日； https://en.wikipedia.org/wiki/Wheaties
Wheatiesは General Mills IP Holdings II, LLC の登録商標です.
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