ろ過センセーション：洗浄機の原理

技術革新は多くの場合、漸進的な利益の形をとります。たまには、飛躍することもあります。その一例として、洗浄機があります。2022年9月に発表されたGEAの2つの新しいソフトウェアソリューションは、従来の常識を覆し、資源集約型の膜ろ過プロセスにおいて同様に劇的な効率向上を実現します。

乳清タンパクは、長年にわたって運命の変化を見てきました。何千年もの間、乳清タンパクはチーズ製造工程で出る廃棄物として扱われてきました。しかし、今は違います。今日、乳清タンパクは、筋肉増強、体重管理、骨、免疫、皮膚の健康サポートなど、生物学的に利用可能なタンパク質の便利な供給源として、老若男女の消費者から高く評価されています。需要が急増しています。2022年の時点では、乳清タンパクの世界市場規模は約200億ドルで、2032年までに倍増すると予測されています。

需要に見合うだけの乳清タンパクを作るには、膜ろ過と呼ばれる工業的プロセスが必要であり、これは多くの食品の品質と安全性を確保するために重要なプロセスです。膜ろ過技術は、食品、乳製品、飲料の製造において、水の精製や、ワイン、ビール、ジュースの清澄化、大豆タンパク質や乳タンパク質（乳清）の分離に使用されています。また、健康志向が強まる人々にますます人気が高まっている魚のコラーゲンの分離にも使用されています。

GEAのSmart Filtration CIPとFlushは、GEAの膜ろ過ユニット（逆浸透）内の洗浄プロセスを最適化するデジタルソリューションです。(画像提供元：GEA）

数あるろ過技術の中でも、膜ろ過は圧力によって物質を物理的に分離するプロセスであるため、熱処理（熱など）、化学処理（添加物など）、あるいはpH調整などの必要性が少なく、食品や飲料加工に理想的です。欠点があるとすれば、膜の汚れを除去し、効率的な運転を確保するために、膜を徹底的に洗浄する必要があることです。一般的な乳清タンパクプラントでは、毎日1回、ろ過プラントの CIP（clean-in-place：定置洗浄）サイクルを行っています。この工程は資源集約型で、総電力の10～20％、そして多くの場合、ろ過生産サイクルで使用する水の100％を消費します。より資源効率の高い膜ろ過に対する市場の要求が高まる中、GEAのエンジニアは、CIPプロセスが持続可能性を向上させるための大きなチャンスであると認識しました。そして、このプロセスを詳しく見て、再考することにしました。その結果は劇的なものでした。

ひらめきの瞬間

2020年から、GEAのエンジニアであるNils MørkとDavid Mikkelsenは、GEAの膜ろ過技術コンピテンスセンターのチームとともに、膜洗浄に必要な水と電力を根本的に削減する2つのデジタルソリューションの開発に着手しました。現在、両方のソリューションとも、特許出願中です。「私たちは洗濯機からインスピレーションを受けたと言えるでしょう」とMørkは笑顔で語ります。今日のエネルギー効率の高い洗濯機では、常に衣類を攪拌するのではなく、電力を節約するために休止時間を設けています。この想定された機能のようなアプローチは、標準的なCIPプロセスに取って代わる Smart Filtration CIP ソリューションの発見につながりました。「何十年もの間、ろ過膜の洗浄プロセスには、膜全体に連続的な最大圧力を加えることが含まれていました。これにより、高いせん断力と強力なすすぎの流れを確保し、最高の機械的洗浄を実現してきました」とMørkは説明します。「私たちは、効率的で完全な洗浄のためには、常に高い圧力が必要だという認識に挑戦しました」その結果、圧力ポンプを連続的に運転するのではなく、ソフトウェアを使用して圧力ポンプを脈動させることになりました。「結果として、CIPプロセスの有効性を維持しながら、消費電力を大幅に削減できることがわかりました」

GEAの膜ろ過技術コンピテンスセンターのチームが、Smart Filtration CIP および Flushを開発するために結集しました。(画像提供元：GEA）

「かなり」というのは控えめな表現かもしれません。同じ洗浄効率であれば、同社のSmart Filtration CIPソフトウェアは、エネルギー投入量を最大46％削減します。大規模な乳清タンパクプラントが1日1回のCIPサイクルを行うと、1日あたり最大400kWh、年間約15万kWhの電力節約につながり、これはドイツの一般家庭約40世帯に1年間電力を供給するのに充分な量です。

さらに、洗浄ループを脈動させることで、温度を維持するためのエネルギーが少なくて済むため、つまり、CIP中に必要な冷却水の量もはるかに少なくて済みます。「400キロワットを追加しなければ、400キロワットの熱を除去する必要はありません。と、GEAの膜ろ過技術部門のテクニカルセールスマネージャーであるMads Bjerre Andersenは述べています。「これも効率向上のもう一つの素晴らしい例です。そして、お客様が戻ってきてGEAのソリューションを選択しているのを目の当たりにしています。なぜなら、当社の運用経費（OPEX）は現在、競合他社よりもはるかに低くなっているからです」

Smart Filtration CIPのパートナーソフトウェアは、ろ過装置の洗浄を管理する Smart Filtration Flush です。「従来のアプローチは、使用水量に基づいて洗浄サイクルの長さを決定するものでした。これは過去のデータに基づいているため、あくまでも近似値であり、最適とは言えません」とMikkelsenは説明します。最新のセンサー技術により、チームの新しいソフトウェアは製品の特性をリアルタイムで測定し、そのためオペレーターは個々のプロセスストリームがいつ充分に洗浄されたかを正確に把握することができます。結果が達成されるとすぐに、プロセスは停止します。「洗浄時間と水量は、使用する水の量ではなく、実際のインライン測定値に基づいて最適化されます」とMikkelsenは言います。

ここでも、素晴らしい結果が得られています。このソフトウエアは、従来の膜ろ過システムと比較して、CIP時の淡水消費量を最大52％削減します。「典型的な乳製品乳清タンパク濃縮プロセスでは、2基から4基の相互接続されたろ過プラントが必要で、このセットアップには、1回の洗浄サイクルに10万リットル以上の水が必要になることがあります」とMikkelsenは説明します。「今日、プラントテストから、このような大規模なプラントでは1回の洗浄で5万リットル、小規模生産では1回のCIPあたり500～700リットルの水を節約できることがわかっています」このソフトウェアを使用すれば、ひとつの大規模プラントで1日あたり最大10万リットル、年間ではおよそ3600万リットルの節水が可能で、これはドイツの一般家庭約400世帯分に供給するのに充分な量です。「洗浄の効率が上がったということは、CIPに必要な時間が短縮されたことを意味し、それは生産の稼働時間の延長につながるということです」とMikkelsenは述べています。「取水量が減るということは、廃水システムの水力負荷も減るということです」

ドイツ北部のアンマーラント酪農場では、1日400トン以上のチーズなどを生産しています。

デジタル化のスーパーチャージ

このブレークスルーは、GEAの「ミッション2030」戦略の中核目標である省資源イノベーションを達成するために、デジタル化の力を引き出した代表的な例です。このような省資源は、通常、段階的な効率アップという形で実現されますが、この場合、それはむしろ飛躍的でした。「私たちのようなソリューションを見つけると、時には、既存のプロセスを批判的に見るだけで、はるかに少ない電力と水で操業できることに気付くことがあります」とMikkelsenは言います。「そして、デジタル化は私たちにとって贈り物でした。ポンプや流量計、その他のプロセス機器からより多くの情報を得ることで、異なる速度や異なるポンプが電力や水の消費に与える実際の影響を知ることができます。これは、プロセスから当て推量を取り除き、私たちのお客様のためのコスト資源効率を大幅に向上させる多大な影響力が得られます」

GEAチームは最近、ドイツ北部のアンマーラント酪農場にCIPおよびFlushソフトウェアをインストールしました。世界最大級の近代的な酪農協同組合の1つであるアンマーラント社は、1日当たり400トンのチーズ、60トンのバター、160トンの粉乳を生産し、製品の半分を60カ国以上に輸出しています。2024年4月、アンマーラントのヴィーフェルシュテーデ生産拠点は、膜ろ過洗浄を最適化するため、GEAのSmart Filtration CIP および Flushソフトウェアを3つの膜ろ過プラントに組み込みました。これには、GEA以外のサプライヤーの膜ろ過プラント1基も含まれていました。2024年11月現在、アンマーラント社はCIPプロセスで水使用量を48％、エネルギー消費量を最大77％削減しました。

「世界中で稼働しているクロスフロー膜ろ過プラントの数を考えてみてください。電力消費量と環境への影響を削減できる可能性は計り知れません。このデジタルソリューションがエネルギー消費にこれほど大きな影響を与えているのを見るのは素晴らしいことです」とMørkは述べています。