食品粉体と変形や破壊をともなう固形油脂のモデリ
ングとその混合に関する研究
著者
河村 順平
学位授与機関
Tohoku University
論文内容要約
本論文では，食品粉体と固形油脂を混合して製造されるプレミックス粉の混 合不良の改善を目的として，食品粉体を表現するモデルと変形と破壊の両方の 特性を併せ持つ固形油脂を表現するモデルを新たに開発し，混合機内部におけ る食品粉体と固形油脂の混合挙動の解析や固形油脂をより均一に混合可能な混 合羽根の提案を行った． まず食品粉体の流動挙動を表現できるモデルの開発を行った．回転ドラムを 用 い た 食 品 粉 体 の 流 動 挙 動 の 観 察 実 験 か ら 食 品 粉 体 は Cascading 挙 動 と Cataracting 挙動，Centrifuging 挙動を示すことがわかった．また，離散要素法 (DEM：Distinct Element Method)を用いて，食品粉体の流動挙動の表現には粒子 径や粒子径分布，粒子形状より粒子間作用力の影響が大きいことがわかり，粒 子間に働く作用力に遠隔力も考慮した簡易付着力を用いる食品粉体モデルを新 たに開発した．粒子間および粒子-壁間にそれぞれ簡易付着力を作用させ，食品 粉体が塊になる挙動や，壁面に張り付く挙動を表現し，食品粉体の流動挙動の 表現を可能とした． 簡易付着力モデルは単一種類の食品粉体を対象としているため，異なる食品 粉体の混合挙動に適用するために，2 粒子間に働く付着力を高い付着力を持つ 粒子の付着力に合わせる最大付着力モデルを検討した．異なる食品粉体の混合 割合を変化させた混合実験および分割した初期状態からの混合実験とそれぞれ の混合シミュレーションを行った．食品粉体の流動挙動や回転ドラム側面の粒 子占有面積より，最大付着力モデルを用いた混合シミュレーションは混合実験 と傾向が一致することがわかり，異なる食品粉体同士の混合挙動の表現を可能 とした． 次に混合機内部で大きな塊の固形油脂が変形や破壊されながら混合されてい く挙動を表現するために，変形と破壊の両方を同時に表現できる固形油脂モデ ルの開発を行った．ADEM(Advanced Distinct Element Method)延性モデルをベー スに ADEM の破壊モデルを組み込むことで，新たに ADEM 延性破壊モデルを 開発した．固形油脂の圧縮実験と切断実験を行い，圧縮され変形する挙動や切 断され破壊する挙動，荷重-ひずみ曲線より，本モデルにおいて固形油脂の表現に必要なパラメータを決めることで，変形と破壊をともなう固形油脂の表現を 可能とした． 家庭用ミキサーを使用した小麦粉と固形油脂の混合実験と，食品粉体および 固形油脂モデルを用いた混合シミュレーションを行い，固形油脂の大きさや混 合度の変化が実験結果と同様の傾向を示した．また，実際に工場で使用されて いる混合機をモデルとした混合羽根など 3 種類の混合羽根を提案し，食品粉体 (食卓塩，片栗粉，小麦粉)と固形油脂の混合シミュレーションを行った．混合 機内部での食品粉体の流動挙動や固形油脂の混合挙動の解析から，固形油脂を 解砕機に誘導するような機構を持たせることで，より固形油脂を均一に混合で きることがわかった． 以上より，食品粉体および変形と破壊をともなう固形油脂のモデルの開発を 行い，実験では観察することができなかった混合機内部における食品粉体と固 形油脂の混合挙動を明らかにすることができた．また，食品粉体および固形油 脂モデルを用いた混合シミュレーションは，食品粉体と固形油脂をより均一に 混合可能な混合機の混合羽根の設計が可能であり，混合機開発の設計指針を得 るためのツールとなることを示した．
