『果肉入り果汁飲料の殺菌機導入計画に伴う生産工程設計』

2. チューブラー側の標準構成

 果肉入りジュースでは、製品側はチューブラーが前提。

（１）典型的な構成

  ・多管式または「チューブ・イン・チューブ」型の熱交換器

  ・チューブ径は「最大果肉粒径の 8〜10 倍以上」を目安に選定

  ・製品側：チューブ内側を流す
   加熱媒体：シェル側に温水やスチームを流す

  ・保持部：加熱後に同径またはやや太めのホールディングチューブで F値確保

  ・冷却部：同じくチューブラーで段階冷却（水 → 冷水 → 氷水など）

（２）設計上のポイント

  ・粒子が均一に流れるよう、層流になりすぎない流速レンジを確保

  ・圧力損失とポンプ容量のバランス（充填機まで押し切れるか）

  ・CIP 時にはスラグ流にならないような洗浄流速を確保

3. プレート式を使うとしたら「熱回収・予熱」だけ

 果肉入りジュースでは、プレート式熱交換器は通常、以下のような使い方になる。

（１）役割

  ・濾過済みの“清澄ジュース部分”の予熱・冷却

  ・洗浄液（CIP）用の加熱・冷却

  ・場合によっては、パルプを含まないシロップやベース液の熱処理

（２）なぜ製品本体の殺菌には使いにくいか

  ・プレートの流路は狭く、果肉粒が噛んで目詰まりしやすい

  ・粒と液の加熱がアンバランスになりやすく、F値設計・バリデーションが難しい

  ・高糖度＋酸性でスケールやカラメル化が起こりやすく、CIP 頻度が増える

このため、果肉入りの「最終製品流路」をプレートに通さない構成が一般的。

4. 果肉入りジュースUHTラインのモデル比較

A案：プレート＋チューブ ハイブリッド

 主な流れのイメージ（ベース濃縮とパルプを別扱いする場合）

  ① ベース濃縮ジュースをプレート式で予熱（高効率な熱回収）

  ② 別ラインでパルプを温水中で軽く予熱、あるいは未加熱のまま混合点へ送液

  ③ ミキサー手前でベースとパルプを混合

  ④ 混合後の製品をチューブラーで殺菌加熱＋ホールディング

  ⑤ チューブラーで段階冷却し、アセプティックタンクへ

 この構成では、プレートは「熱回収担当」、チューブラーは「最終製品担当」という役割分担。

B案：製品すべてチューブラーで処理

 よりシンプルに、

  ・予熱〜殺菌〜冷却まで、すべてチューブラーで構成

 とするパターン。

  ・熱効率は A案よりやや劣るが、製品経路はシンプルで設計・バリデーションがわかりやすい

  ・小〜中規模ラインに向く構成

5. 果肉入りジュースにおけるプレート/チューブラーの使い分け

 表1. にプレート式とチューブラー式の使い分けについて整理して示す。

表1. プレート/チューブラーの使い分け

6. 工程設計における実務での決め方のステップ

 果肉入りジュース用の熱交換方式を決めるなら、次の順で考えると整理しやすい。

  ① 最大粒径と想定固形分比率を決める

  ② 粘度曲線（温度別）をおおまかに押さえる

  ③ 「ベース液とパルプを分けて処理するか、一括処理か」を決める

  ④ 熱回収率目標と CIP インターバル（汚れやすさ）を設定する

  ⑤ それに応じて「プレートはどこまで入れるか」「チューブ径をどこまで太くするか」を決める

7. 仮前提条件の設定で設計

 たとえば、仮に日産40〜50トンで果肉3〜5 mm と前提条件を設定。
 プレート式とチューブラーの「現実的な棲み分け」を数字感も含めて設計する。

【前提条件の整理】

  日産量：40〜50 t／日（ここでは 45 t／日を代表値とする）

  24時間運転換算：45,000 kg ÷ 24 h ≒ 1,875 kg/h（約 1.9 t/h）

  2直16時間運転なら：約 2.8 t/h

  果肉粒径：最大 3〜5 mm

  製品：オレンジパルプ入りジュース

  想定殺菌条件：95〜100 ℃、数十秒ホールド後ホットパックまたはアセプティック

 この規模と粒径なら、機種選定としては「チューブラーがメイン＋プレートは熱回収補助」が基本ライン。

（1）チューブラー側：必要能力のイメージ

 ① チューブ径の目安

  ・一般的な果肉入り飲料では、「粒径の 8〜10 倍以上のチューブ内径」を取るのが安全側である。

  ・粒径 5 mm を最大とすると、チューブ内径 40〜50 mm クラスが目安。

 実務では、

  ・呼び32A（外径42.7mm）や 呼び40A（外径48.6mm）のステンレス鋼管クラスの多管式を複数本束ねて、必要能力を出す構成が典型。

  ・多管式は「外径基準」で見積もりたいのか、「有効伝熱面としての内径基準」で合わせたいのかで設計の仕方が変わるので注意が必要。

 ② 処理量から見た段数イメージ

  ・1.9〜2.8 t/h レベルであれば、40〜50 mm 級チューブを数十本束ねた多管式を「予熱／加熱／保温／冷却」で数段構成にするイメージ。

 例（ここでのイメージ）

  ・予熱段：多管式チューブラー（製品 vs 温水）

  ・本加熱段：多管式チューブラー（製品 vs 高温温水／蒸気）

  ・ホールディング：同径ホールディングチューブ

  ・冷却段：多管式チューブラー（製品 vs 冷却水 → 氷水）

（2）プレート式の役割：熱回収と周辺のみ

 この条件だと、製品（果肉入り）をプレートに通すのはプレート間隙が小さくほぼ無理である。

 ① プレート式の主な使いどころ

  ・濃縮オレンジ果汁やシロップの予熱・冷却パルプを含まないベース部分だけをプレートに通して高効率に熱回収。

  ・CIP 洗浄液の加熱・冷却用

  ・必要なら、「ベース液だけプレートで HTST → 後段でパルプ混合 → チューブラーで再加熱短時間殺菌」という 2段殺菌的な構成も検討余地あり。

 ② こうしない方がよいパターン

  ・果肉入り最終製品をそのままプレートに通す → 3〜5 mm 粒で日量 40〜50 t クラスだと果肉が流せない（粒詰まり・ファウリング発生）ので現実的ではない。

（3）推奨ライン構成イメージ

 ① モデル構成

 前段：調合〜脱気

  ・調合タンク（ベース液＋パルプ）

  ・インラインミキサー（必要なら）

  ・真空脱気装置（溶存空気除去）

 熱交換・殺菌部

  ・予熱チューブラー：60〜70 ℃程度まで昇温（温水との熱交換）

  ・本加熱チューブラー：95〜100 ℃まで昇温（温水／蒸気温水）

  ・ホールディングチューブ：数十秒〜1分程度の保持時間

  ・冷却チューブラー：一段目：40〜50 ℃まで（温水との熱回収）→ 二段目：20〜30 ℃まで（冷水／氷水）

 その後

  ・アセプティックタンク

  ・アセプティック充填機（PET／紙容器など）

 ② ここにプレートをどう入れるか

  ・パルプなしの濃縮果汁・シロップライン → プレート式で高効率予熱／熱回収

  ・CIP → プレート式でアルカリ・酸・熱水を加熱し、チューブラー系を洗浄

 「製品本流＝チューブ」「ベース液・CIP＝プレート」という明確な役割分担にするのが堅実。

表2. プレート vs チューブラーの整理

8. 概略仕様の具体化

 24時間連続運転＋アセプティック＋パルプ20％、「製品前提“飲みやすさ”を崩さない設計」をポイントに製品設計。

（1）前提条件の再整理

  ・日産量： 45t／日

  ・運転：24 h 連続（CIP は別枠で設定）

  ・瞬時能力：約 1.9 t/h（1,875 kg/h）

  ・製品：オレンジパルプ入りジュース

  ・パルプ配合：20％、粒径 3〜5 mm

  ・食感：ストローでも飲みやすいレベル（粒は感じるが“ゴロゴロ”までは不要）

  ・充填：無菌タンク経由アセプティック充填

（2）熱交換方式の結論

 ① 製品本流

  ・チューブラーをメイン採用

  ・内径 40〜50 mm クラスの多管式チューブラーを複数段

  粒径 5 mm × 8〜10 ≒ 40〜50 mm で安全側

 ② 役割

  ・予熱 → 本加熱 → ホールディング → 冷却をすべてチューブラーで構成

 ③ プレート式

  ・製品本流には通さない

  ・使うのは以下の用途

   ○ 濃縮果汁／シロップなどパルプを含まないベース液の予熱・冷却

   ○ CIP 洗浄液の加熱・冷却

   ○ 必要なら「清澄ジュース HTST」用ライン

（3）概略プロセスフロー案（アセプティック対応）

 ① 前処理・調合

  ・ベース濃縮果汁＋水＋糖液を調合タンクで混合

  ・パルプを別タンクから計量投入し、軽くミキシング

  ・真空脱気装置で溶存空気除去（泡と酸化抑制）

 ② 殺菌系（すべてチューブラー想定）

 目安プロファイル案（飲みやすい食感を残す前提）

  ・予熱チューブラー

   ○ 入口：20 ℃前後

   ○ 出口：65〜70 ℃

  ・本加熱チューブラー

   ○ 入口：70 ℃ → 出口：95〜98 ℃

  ・ホールディングチューブ

   ○ 95〜98 ℃で 20〜40 秒程度保持

   ○ F値は製品設計・規格次第で最終決定

  ・冷却チューブラー

   ○ 一段目：95〜98 → 50 ℃（温水による熱回収）

   ○ 二段目：50 → 25〜30 ℃（冷水／氷水）

  ・その後、アセプティックタンクへ送液し、無菌充填

 ③ ポイント

  ・温度は「果肉の食感を崩しすぎないギリギリライン」で調整

  ・保持時間と温度の組み合わせで微生物指標（酵母・カビ・耐熱菌）に必要な F値を確保

（4）「飲みやすい食感」側からの設計ポイント

  ・パルプ20％でも、粒径 3〜5 mm ＋ストロー通過を意識するなら

   ○ 過度な加熱で果肉が崩れて“ドロドロ”にならないよう、「温度は高め・時間は短め」の方向で調整

  ・チューブ内の流速は

   ○ 速すぎると滞留が不均一になり F値バラつき

   ○ 遅すぎると粒が沈んで滞留しやすい → ここはポンプ選定＋チューブ径の組み合わせで詰める

 表３．にプレート vs チューブラーの最終設計を以下にまとめる。

表3. プレート vs チューブラーの最終設計