JP4534779B2 - 粉粒物質の加熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は粉または粒状の穀物原料を短時間加熱する加熱処理装置に関するものである。

一般に、米糠や大豆などの粉状または粒状の物質を、例えば、摂氏１５０度（以下１５０℃と略す）で均一且つ正確に９秒間加熱するという適切な短時間加熱制御装置がなかった。例えば，米糠の殺菌処理については特許文献１に華氏８５度（摂氏３０度）で２０分加熱する例が示されている。電磁波や赤外線加熱法はこの目的に適合するがエネルギー効率や均一性が悪い。押出し機（ｅｘｔｒｕｄｅｒ）は原料が押出される過程で摩擦とせん断により原料自身で熱が発生するので加熱装置として適している。例えば、特許文献２の図１および特許文献３の図３にその例が示されている。しかし、摩擦とせん断が押出し機のシリンダー管面に集中するため、原料に温度むらが生じ、目的とする熱処理が均一に出来なかった。
特願平６−５１３２０１（１４頁 例１） 米国特許Ｕ．Ｓ．４，７４１，２６４（図１） 特許広報第２９５６６２２号（３頁 図３）

粉や粒状の穀物を加熱する場合、調理などで経験するように数分〜数十分といった長い時定数の熱処理にはいろいろな方法が適用可能であるが数秒間という短時間加熱の制御方法はあまり見当たらない。例えば、米糠の酸化腐敗（酸敗という）の原因であるリパーゼの失活および微生物の殺菌と米糠に含まれるビタミン等の栄養素の保存を両立させる米糠殺菌処理過程においては温度と時間の厳密な条件設定と管理が必要になる。すなわち、リパーゼを失活させるにはフライパンなどで数分間１５０℃に加熱すれば良いが、この熱処理過程で米糠に含まれるビタミンは分解して消失してしまう。リパーゼを失活させ且つビタミンを保存する熱処理条件は、例えば１５０℃で９秒間加熱するというように短時間且つ正確な制御が必要になる。このような目的の粉体殺菌装置として過熱水蒸気を用いたものがあるが、装置コストおよび運転コストが高いばかりでなく、収量の損失もあり、１ｋｇ当たりの処理コストは数百円となる。米糠の原料コストは１ｋｇ当たり数円〜十数円であるから、これでは殺菌コストは原料の約１０倍以上となる。本発明は１ｋｇ当たりで比較して、原料コストと同等のコストで実現する短時間加熱による殺菌装置を提供するとである。

押出し機は原料が押出される過程で原料自身の摩擦とせん断による発熱を利用できるので、構造が簡単でエネルギー効率が良く、低コストの加熱装置として適している。しかしながら、押出し機の場合は原料がバレル内で圧縮塊となるため、シリンダー管面に接する部分では摩擦とせん断熱により品温が上昇するが、それ以外の部分では発熱が少ないため原料の熱伝導率が悪いと品温に著しいむらが発生する。このため、熱処理が不均一となり、リパーゼ失活や殺菌が不十分になる。米糠は熱伝導率が極めて悪いため、実験によれば品温むらは１５０℃〜８０℃と大きい。本発明はバレル内での原料が通路の中央付近および極めて幅の狭い通路でせん断されるようにすることで、品温むらをなくし且つ低コストでエネルギー効率の良い加熱処理装置を提供しようとするものである。

本発明は、粉または粒状原料の押し出し機を、原料の加圧・せん断を担うバレルと流量調節を担う出口ノズルとで構成し、バレルのスクリュー外面及びシリンダー内面のそれぞれに羽根を付け、スクリュー外面の羽根の高さとシリンダー内面の羽根の高さの和を原料が通過するバレル間隙より僅かに小さくし、かつ羽根の角度は相互に交差するようにして、原料の押し出しとせん断が両立するように構成したことを特徴とする加熱処理装置にかかわるものである。

本発明によれば、以下のような作用が得られる。原料を例えば米糠とした場合、注入される米糠はスクリューとシリンダーで挟まれた通路をスクリュー羽根により出口方向に押出されるが、シリンダー内面に羽根があるために、これらの羽根の間でせん断される。もし、通路間隙を５ｍｍとし、両方の羽根の高さをそれぞれ２．４ｍｍにしておけば、米糠は管面ではなく通路の中央でせん断される。ここで発生した熱は中央から四方に広がるため品温むらは少なくなる。さらに出口ノズルの間隙を１ｍｍ以下と狭くし、ここでも米糠のせん断が生じるようにすれば品温むらはさらに少なくなる。また、羽根の高さを、原料の入り口近くではバレル間隙一杯に高くして押出し力を確保し、出口に向けては１／２程度または１／３から２／３程度まで変化させて、原料が通路内の異なる位置でせん断されるように構成すれば押出し過程で原料が攪拌され品温の均一性は更に増す。
また、本発明の実施例３および４に記載のフィードバック制御を加えれば、注入する原料の温度や湿度が変化してもエネルギー効率を損なうことなく目標とする加熱処理を安価に実現できるという優れた効果を奏し得る。

図１は本発明を実施する最良の形態として押出し機の機構全体を示す。以下、原料が米糠の場合について説明するが、本発明はこれに限定されることなく、米、麦、豆、とうもろこしおよびこれらの粉状体、ふすま（糠）、胚などに適用できる。また、穀物以外でも粉または粒状に加工した野菜、果物、キノコ、植物、肉、魚介類にも適用できる。なお、米糠の加熱処理の目的は内因性リパーゼを失活させ、米糠に含まれる微生物を殺菌することである．このような目的の押出し機はその用途にちなんでスタビライザと呼ばれることが多いので、図１はスタビライザ全体図としてある。

次に、上記図示例の作動を説明する。米糠はホッパー３に注入されフィーダー２を通して押出し機バレルに注入される。押出し機の主要部は、バレル部と出口ノズル部と主モータ１とで構成される。バレル部はシリンダー１５と羽根の付いたスクリュー１６とで構成され、両者で挟まれた間隙が原料の通路５となり、押出し圧力と摩擦、せん断により米糠を発熱させる。出口ノズル部は内輪９および外輪１０とで構成され、両者で挟まれた間隙をバレル間隙よりも狭くすることにより、流量を調節する弁の役割を果たし、バレル内を通過する原料に圧力を発生させる。スクリュー１６と出口のズル内輪９は機械的に結合しており、主モーター１により駆動され回転する。

原料米糠はシリンダー１５とスクリュー１６とで挟まれた間隙で構成される通路を通り、スクリュー羽根１７により出口方向に押し出される。ここで、スクリュー羽根１７より入り口側にある羽根の高さは通路間隙とほぼ等しくして、十分な押出し力を確保する。スクリュー羽根１９から以降は羽根の高さを低くし、これと同時にシリンダー内面に破線で示すシリンダー羽根１８を取り付ける。ここで、通路間隙をＨ、スクリュー羽根の高さをＨ１、シリンダー羽根の高さをＨ２とすると、Ｈ＝Ｈ１＋Ｈ２＋αとなるようにそれぞれの羽根を機械加工する。なお、αは上下の羽根が接触しないようにするためのクリヤランスで通常は０．１〜０．３ｍｍとする。

羽根の高さは、例えば、原料の進行方向（スクリューの軸方向）に向かって、入り口付近ではＨ１＝Ｈ−αとし、途中からはＨ１＝（Ｈ−α）／２とする。また、シリンダー羽根とスクリュー羽根の角度は、互いに交差し、且つシリンダー羽根の角度（またはピッチ）はスクリュー羽根の角度（またはピッチ）より若干小さくする。なお、図１では、簡単のため両者の角度は同じ場合を示している。

以上のようなバレルを使って、原料米糠を押し出すと、米糠は２つの羽根に挟まれた部分を通過する際にせん断され、自身で熱を発生する。発熱する場所が通路のほぼ中央になるため、熱は中心から四方に伝導し通路内での温度差は小さくなる。通常の押出し機バレルではシリンダーは中空で、内面には羽根がついていないため、摩擦とせん断はシリンダー管面で集中的に発生し、熱はシリンダー鉄管から外部に放出される。このため、通路のシリンダー管面は高温になるが、内側には熱が伝わらず、通過する原料に著しい温度むらが生じる。米糠の実験によれば、シリンダー管面が１５０℃の場合、スクリュー面は８０℃で、７０℃もの温度差が生じる。

米糠の温度はバレルの出口付近で急上昇する。もし、出口ノズルが完全に閉じていれば、米糠は排出されずに押し戻されバレル内で摩擦とせん断を繰り返して高温加熱され、焦げる。出口ノズルの間隙を少し広げると、米糠は外部に排出される。この時のバレル内での発熱量は主モーター１の動力、シリンダーおよびスクリューの構造、形状、材質および米糠の物性値（ポアソン比、比熱、密度、せん断係数、鋼との摩擦係数、熱伝導率、含水率）などによって決まる。一方、発熱は出口ノズル部分でも発生し、その発熱量は出口ノズルの構造および形状により大きく変わる。また、バレルと出口ノズルは結合しているので、内部発熱はこれらの構造および形状の組み合わせによって変わる。

図１で出口ノズルの形状は出口側に向かって径が小さくなる円錐形、すなわち、ダイ型にしてある。この構造の特長は出口ノズル外輪１０をスライドさせることによって、出口ノズル内輪９との間の出口ノズル間隙を容易に変化させることが出来ることである。図において出口ノズル外輪はシリンダー内面にネジではめ込まれ固定されており、外輪を回すことによりスライドできる。外輪を出口方向にスライドすれば出口ノズル間隙はいくらでも大きくすることが出来る。また、この構造の場合は、内輪が回転中、すなわち動作中にも外輪をスライドさせることができる。従って、手動でスライドさせるだけでなく、図１に示すようにギア７を介してモーター８に接続することにより、出口間隙を自動制御することが出来る。

出口ノズルの形状は出口側に向かって径が大きくなる円錐形、すなわち、コーン型にすることも出来る。この構造の特長は出口に向かって原料が出易くなることであり、バレル内部での目詰まりのリスクを減らすことが出来る。しかし、ノズル外輪１０をスライドさせるには、バレルと一体にして動かす必要があり、ダイ型に比べると構造が複雑になる。この他、出口ノズルの形状としては円錐型ではなく、円筒型にすることも出来る。この場合、出口ノズル間隙は加工時点で決まってしまうので、間隙を調節するには部品交換が必要になる。出口ノズル間隙をどのぐらいの物理寸法にするかは、設計的事項であり、主モーターの動力、回転数、バレルの構造や寸法によって異なるが、バレル間隙の１／５程度を一つの目安にすることが出来る。

出口ノズルは原料の流量を調節する役割を果たす重要な部分である。流量の調節は出口ノズル間隙の他に、原料の動きを邪魔する溝や突起を付けることによっても実行できる。この場合、原料が出口ノズルを通過する際にどのような動きをするかを分析し、この動きを抑制するための抵抗体を考えれば良い。実験によれば、原料は出口ノズルでは円周方向に連れ周りしながら、軸方向に押し出され排出されることが分かっている。従って、出口ノズル外輪の抵抗体としては、軸方向に突起または溝を付けるとともに、円周方向に溝を付けるのが効果的である。また、回転する内輪に対しては軸方向への動きを抑制するために、円周方向に溝を付けるのが効果的である。溝や突起の数、深さ、高さ、間隔などは設計的事項であるが、突起の高さはノズル間隙の１／２、本数は９０度間隔に４本、円周方向の溝は出口のズルの軸方向に等間隔に５箇所程度を目安とする。

バレル内を通過する原料を攪拌することが出来れば、内部発熱による原料の温度むらをより軽減することが出来る。せん断はシリンダー羽根とスクリュウ羽根の間でから、この位置を通路内で出口ノズル方向に変えれば、発熱位置が変化し、攪拌効果を得ることができる。これは羽根の高さＨ１を進行方向に変えることで実現できる。すなわち、バレル入り口付近ではＨ１＝Ｈ−αでスタートし、次にＨ１＝２（Ｈ−α）／３とし、次にＨ１＝（Ｈ−α）／２とし、次にＨ１＝（Ｈ−α）／３、次にＨ１＝（Ｈ−α）／２となるように羽根の高さを変化させる。このとき、シリンダー羽根の高さＨ２は、それぞれ、Ｈ２＝Ｈ−Ｈ１−αとなるように加工しておく。このような構造をどの程度の寸法で加工するかは、設計的事項であるが、例えば、それぞれを、スクリュー羽根２ピッチずつ配置し、全部で１０ピッチとすることができる。この方法により原料がせん断される位置がシリンダー内面から測定して、進行方向に０、Ｈ／３、Ｈ／２、２Ｈ／３、Ｈ／２と変化するので、これに応じて内部の発熱位置が変化し、品温がより均一化される。

図２は排出される原料の品温を目標値に自動制御するための制御ブロック図を示している。本図示例の特徴とするところは、図１および図２に符号１２および１４で示した温度センサを押出し機に装着し、これらのセンサ情報をコントローラ１３に入力し、コントローラ１３にて目標値制御のプログラムを動作させ、その出力を符号１，６，１０で示す各種モーターを通して押出し機を制御することにより処理温度を目標値に制御するように構成した点にある。図においてコントローラ１３の入力は押出し機の出口近辺の温度センサ１４および、排出部の温度センサ１２である。出口近辺の温度センサ１４はこの部分の温度勾配が急峻であり、制御特性上特に重要性が高いので出口方向に３つ並べて取り付けてある。一方、コントローラ１３の出力は、主モーター１（モーターＡ）による押出し機の回転数制御、フィーダー駆動モーター６（モーターＢ）による原料の供給量制御および流量制御モーター８（モーターＣ）による処理原料の排出量制御に使われる。

図１の機構と図２に示すコントローラから目標とする加熱処理を実現するための手順は次のようになる。まず、加熱処理の条件パラメータを予備実験から決める。すなわち、目標とする温度条件は主として主モーター回転数と出口ノズルの間隙によって決まるので、米糠を押出し機に連続的に供給した状態で流量制御位置をマニュアルで変化させ、この場合のスライダー位置、温度センサ１４および１２の値を、それぞれ実測し、目標に近い状態を実現するパラメータの組み合わせを割り出す。これらの入出力パラメータの関係をコントローラ１３に目標基準値設定プログラムとして書き込む。次に、これらの入力目標基準値と実際のセンサの値のずれデルタ１を計算し、デルタ１がゼロになるようにコントローラ１３の加熱処理プログラムを作成する。すなわち、加熱処理プログラムでは、入力系のずれデルタ１に対してモーターＡの回転速度制御値およびモーターＣの流量制御値の出力目標基準値に対する補正値ベータ１を計算し、回転速度制御と流量制御を行う。

次に、上記の状態での排出量および排出品温を測定すると共にマニュアルでモーターＢの回転数を変化させ排出量にバランスした供給制御の目標基準値を実測する。次に、実際の排出部温度センサの値と他のセンサの値に対して、目標基準値からの入力系ずれデルタ２を計算し、デルタ２がゼロになるようにフィーダー供給量制御プログラムを作成する。すなわち、フィーダー供給量制御プログラムでは入力系ずれデルタ２に対してモーターＢの回転速度制御値の出力系目標基準値から補正値ベータ２を計算し、供給量制御を行う。

図１には排出される原料の熱を有効利用してホッパー３における米糠のブリッジを防止する機構も示してある。ブリッジは原料同士が繋がって橋をつくり、ホッパー内に空洞を生じせしめる現象で、粉や粒状の物質を注入する場合にはよく生じる物理現象である。ブリッジが発生すると原料はブリッジに邪魔されて押出し機にうまく注入されない。図１において、熱流は排出部吸気口１１からパイプで配管され、ポンプＰを介してホッパー３に取り付けたブリッジ防止噴気ノズル４から原料に向けて噴出・照射される。これにより、原料に含まれる水分を蒸発させ米糠を乾燥させながらブリッジを防止するという一石二鳥の効果が得られる。米糠の水分含有量は１０〜１３％で、押出し駆動エネルギーのかなりの割合がこの水分蒸発に使われるので、このフィードバック機構はエネルギー効率の向上に大きく貢献する。なお、吸気口付近にはフィルターや弁を取り付け、排出物がパイプを通して逆流しないように工夫する。また、吸気口の代わりにヒートパイプを用いて熱を還流させることもできる。

排出原料は高温であり、これを冷却する必要がある。冷却には各種の方法があるが、ここでは自然冷却を加速する巧妙な方法を示す。図には示していないが、出口ノズル内輪の回転軸に直径が内輪より少し大きめの竹トンボのようなプロペラを取り付ける。プロペラの羽根の幅は例えば３〜５ｍｍとし、羽根の数は４〜１２とする。原料はコーンフレークやシリアルのような塊となって排出されるが、この塊がプロペラにより砕かれ細かくなる。従って、原料は粉状になり水分の蒸発面積が増大し、出口ノズルから空気中を落下する間に冷却が加速される。このようなプロペラは簡単に取り付けることが出来るので、極めて経済的に冷却を加速することが出来る。

尚、本発明の加熱処理装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

米糠は玄米の約１０％を占め、日本では年間９０万トン産出されるが、腐敗し易いため有効活用されずの廃棄されている。世界ではこの５０倍の年間４０００万トンが産出されているが殆どが廃棄されている。米糠は栄養価が高く食品として優れた健康効果があるので、米糠の腐敗を安価な装置で防止できれば、その有効活用の道が開かれる。本発明はこの課題を解決するもので、米糠の産業利用を促進するものである。

は加熱処理装置全体の機構図 は加熱処理装置の制御ブロック図

符号の説明

１は押出し機の主モーター、
２はフィーダー用押出し機、
３はホッパー、
４はブリッジ防止噴気ノズル、
５は原料の通路、
６はフィーダー用モーター、
７はギア、
８は流量制御モーター、
９は出口ノズル内輪、
１０は出口ノズル外輪、
１１は吸気口、
１２は排出部温度センサ、
１３はコントローラ、
１４は出口部温度センサ、
１５はシリンダー、
１６はスクリュー、
１７は入り口側スクリュー羽根、
１８はシリンダー羽根、
１９はスクリュー羽根、である。

Claims (5)

1. 粉または粒状原料の押し出し機を、原料の加圧・せん断を担うバレルと流量調節を担う出口ノズルとで構成し、バレルのスクリュー外面及びシリンダー内面のそれぞれに羽根を付け、スクリュー外面の羽根の高さとシリンダー内面の羽根の高さの和を原料が通過するバレル間隙より僅かに小さくし、かつ羽根の角度は相互に交差するようにして、原料の押し出しとせん断が両立するように構成したことを特徴とする加熱処理装置。
2. 請求項１に記載のスクリュー羽根の高さを、原料の入り口近くではバレル間隙一杯に高くして押出し力を確保し、出口に向けては１／２程度または１／３から２／３程度まで変化させて、原料が通路内の異なる位置でせん断されるように構成したことを特徴とする加熱処理装置。
3. 請求項１に記載の加熱処理装置において、出口ノズルをスクリューに結合する内輪とシリンダーに結合する外輪とで構成し、内輪と外輪とで挟まれたノズル間隙の大小により原料の出力流量を調節することを特徴とする加熱処理装置。
4. 請求項３に記載の出口ノズル内輪と外輪とを、径が軸方向に拡大または縮小する円錐形にして、内輪と外輪の相対位置を手動または自動で変えることによりノズル間隙の大小を調節することを特徴とする加熱処理装置。
5. 請求項３に記載の出口ノズルの外輪と内輪の一方または両方に、通過する原料の円周方向および軸方向の動きを抑制する溝または突起を付け、出口ノズルで原料のせん断を生じせしめるようにしたことを特徴とする加熱処理装置。

Images