バルブは食品や飲料の製造方法にどのような変革をもたらすのでしょうか

バルブは、つい見過ごされがちな存在です。しかしそれにもかかわらず、その開き方、閉じ方、そしてその位置を維持する方法が、生産ライン全体の稼働方法、つまり生産量、消費エネルギー量、清潔さの維持に影響を与えるのです。GEAのバルブ製品ラインナップに新たに加わった製品により、食品・飲料メーカーは、既存のスペース、エネルギー、設備をより有効に活用できるようになります。

世界のビールの飲み方は変化しています。世界的な販売量は伸び悩み、年間約19億ヘクトリットルで横ばいとなっています。これに伴い、単一の醸造所が生産しなければならない品揃えは、プレミアムスタイルから急成長しているノンアルコールおよび低アルコール飲料の部門に至るまで、ますます拡大し続けています。成熟市場では、その圧迫はさらに深刻になっています。ヨーロッパの生産量は、2019年の3億6,700万ヘクトリットルから2024年だけで3億4,500万ヘクトリットルに減少しましたが、稼働中の醸造所数は約9,700軒で横ばいとなっています。

どこにおいても、課題となるのは、既存の設備スペースからより多くの多様性を引き出すことです。その柔軟性の多くは、プロセスの驚くほど奥深く、つまりバルブレベルで決定されています。食品・飲料工場では、バルブが配管やタンクのネットワークを通じて液体を導き、流量を調整し、製品と洗浄液を安全に分離するのに役立っています。工場がビール、牛乳、ヨーグルトのいずれを製造している場合であっても、バルブは生産の安全性、一貫性、効率性を維持する上で直接的な役割を果たしています。これらのバルブの操作方法を変えるだけで、プロセス全体でできることが変わります。

水によるバルブ操作

食品・飲料工場では、バルブは一般的に圧縮空気を使用して操作されています。GEA Hydract® Actuation Technologyは、密閉されたデジタル制御回路内で、代わりに水を用いてバルブを駆動します。その結果、バルブを正確に所定の位置に保持し、微調整しながら段階的に操作することが可能になりました。これにより、エネルギー消費量の削減と、制御性の向上が実現します。すべてのバルブからのリアルタイムデータと、既存のタンクを活用してより幅広い種類の完成品を製造できる柔軟性を組み合わせることで、このソリューションは、変化する市場に対応するために生産者が必要とする選択肢を提供します。

このアイデアは、GEAのPure Flow Processing部門で現在ビジネス開発担当シニアディレクターを務めるエンジニア、ピーター・エスペルセンに端を発しています。彼は、水圧システムが油を使用する重機との比較を挙げています。「油を使用する従来の油圧システムは、基本的に巨大な掘削機を動かすために設計された、力任せの技術です。高圧と大流量が特徴です。食品加工の分野においては、私のチームはすべてを小型化しなければならない、つまり油圧の考え方を小型化する必要があることを認識していました」

エスペルセンは、次のような簡単な例えでこれを説明しています。「自転車の空気入れのポンプの先端に指を当てて押してみると、しなやかです。両側から水を満たすと、何もできなくなります。完全にロックされてしまうのです」水は圧縮されないため、バルブは単に開閉するだけでなく、その位置を正確に保持します。

しかし、衛生的なバルブとして機能することを実証するには、長年にわたる、目立たない地味な開発が必要でした。現在、シート位置は目標値から0.03ミリメートル以内の精度に収まり、完全な調整サイクルは0.5秒で完了します。

GEA VARIVENT®シリーズはますます進化しています

GEAは、この技術を食品・飲料生産向けの定評あるGEA VARIVENT® バルブシリーズに導入しています。まずは最も広く使用されているバルブタイプから始め、そこから順次展開していきます。生産者にとっては、これは別のバルブシステムに切り替えることなく、水圧式駆動を採用できることを意味します。

導入は、最も即効性のある分野から始まります。最も広く使用されている3種類のGEA VARIVENT® バルブ（遮断、分流、混合防止用途）は、すでにほとんどの液体食品プロセスをカバーしています。今後は、GEA VARIVENT® シリーズ全体に水圧駆動を拡大する計画であり、無菌バルブもこのアップグレードのロードマップに含まれています。

醸造所がバルブを重視する理由

ビール市場は縮小傾向にあり、そのことが醸造業者に製品の再考を迫っています。Krombacher社のように、製品ラインナップに全く異なる飲料を追加しているところもあります。また、Störtebeker社のように、現在では低アルコールビールやノンアルコールビールの幅広いラインナップを提供しているところもあります。品揃えの多様化に加え、醸造業者はより厳しい持続可能性の目標や、操業コストに対する、絶え間ない圧力に直面しています。これら多種多様な製品を効率的に生産するには、各ビールが最終的な形になるタイミングが鍵となります。バルブを精密に制御することで、醸造所は少数のベースビールを維持し、ボトリング直前にそれらをブレンドして完成品に仕上げることができます。業界ではこれを「後期段階の製品の差別化」と呼んでいます。これにより、充填や洗浄が必要なタンクの数が減り、貯蔵されている完成品のビールの量も少なくなります。

カールスバーグ社：製品のバリエーションを増やし、タンクの数は削減

「デンマークのフレデリシアにあるカールスバーグ社の醸造所では、ビールがタンクからボトルへと移送されるプロセスを再考しました」と、バルブ＆ポンプ事業部門の事業開発・デジタル化担当副社長の、バスティアン・トーレは説明します。「現在、この工場では、数種類の濃縮ベースビールを水やその他の原料とブレンドし、それらを瓶詰めラインへと流しています。各混合液は、バルブによってレシピ通りの正確な配合が維持されています」

この変化はタンクの数にも表れています。カールスバーグ社は以前、26基のライトビール用タンクに39種類のビールを貯蔵していました。これらは充填前のビールを貯蔵するためのものでしたが、平均して容量の54％しか充填されていませんでした。再設計された生産ラインでは、わずか14基のタンクで8～10種類のベースビールから同じ種類のビールを生産し、そのタンクは容量の90％まで充填されています。つまり、洗浄が必要なタンクの数が大幅に減り、スペースの有効活用も格段に向上します。タンクの数の削減により洗浄コストは約55％削減され、醸造所は新たなタンクを1基も追加することなく、利用可能容量を推定86～160％増加させることができました。

「水圧バルブの試験結果は、私たちの期待を上回るものでした」と、カールスバーグ・サプライ・カンパニー・デンマークの醸造所ディレクターであるアンダース・コクホルム氏は述べています。「圧縮空気と比較して水圧バルブで実現された精度と信頼性により、効率的なビール生産に向けた全く新しいアプローチが可能になりました。これは、将来におけるビールの製造方法を根本的に変えるものです」

戦略的価値はそこから生まれます。使用するタンクの数が減れば、洗浄作業も減り、それに伴い水、エネルギー、化学薬品の使用量も減るため、操業コストが削減されると同時に、持続可能性の面でも改善が図られます。水圧駆動システムへの初期投資額は高くなりますが、通常5～6年以内に回収が可能であり、圧縮空気ネットワークを一切設置しない新規の工場では、さらに早期に回収できます。

コンプレッサーの稼働を控えれば、省エネ効果が飛躍的に向上

圧縮空気の代わりに水を使用してバルブを操作することで、カールスバーグ社が必要とする電力を90％以上削減することができます。その理由はシンプルです。圧縮空気はコンプレッサーを24時間稼働させる必要がありますが、水システムでは1日数分間、小さなポンプを動かすだけで済むからです。カールスバーグ社では、250キロワットのコンプレッサーを、電気ケトルとほぼ同程度の電力である2.2キロワットのモーターに置き換えることで、1日あたり約5,700キロワット時の節電を実現しました。1年間で計算すると、その節電量は約200万キロワット時に達します。

それぞれのバルブがリアルタイムのデータソースに

精度の高さには、もう1つの利点があります。水圧アクチュエーターは位置を正確に保持し、その位置をデジタルで制御するため、常に自身の位置や動作履歴を把握しています。すべての動作が記録されるため、各バルブはプロセスや自身の状態に関するリアルタイムのデータソースとなります。「バルブがどの時点でどのような動作を行ったか、またシステムが正常に動作しているかどうかを正確に把握することができます」とエスペルセンは述べています。「これは、当社製品の状態監視なのです」この可視性により、工場ではシールが故障する前に摩耗を検知し、カレンダーに基づくのではなく、実際のデータに基づいてメンテナンスを計画することが可能になります。多くの異なる製品を製造する工場において、このレベルの透明性は、オペレーターがメンテナンスを予測するのに役立ち、生産のダウンタイムを削減することにつながります。

乳製品加工においてバルブが重要な理由

乳製品業界では、出発点が異なります。牛乳は価値が高く、傷みやすく、生きた原材料です。廃棄物ゼロと厳格な工程管理は、常に重要な課題となっています。乳製品工場では、厳しい洗浄体制が実施されており、他の食品業界では類を見ないほどの衛生基準が求められています。つまり、プロセスに導入されるあらゆる技術は、信頼性と制御性の面でその価値を証明しなければならないのです。

「ここが、水圧駆動のデジタル面が最も重要となる点です」とGEAのHydract Technologyセールスディレクターのフレデリック・ヴェレンドルフは述べています。「バルブの動作はすべて記録されるため、この技術はバルブ位置データを工場の監視システムに提供し、プロセスのトレーサビリティを強化するとともに、オペレーターに各バルブの動作状況を継続的に把握させることを可能にします。その同じデータが、状態に基づくメンテナンスの支援にも役立ちます」

精密な制御は、さらなる価値をもたらします。バルブを設定値に正確に維持することで、連続的な投入と最終製品のより厳格な標準化がサポートされます。また、充填機での脂肪分グレードのブレンドや、ベースヨーグルトへのフルーツの投入など、プロセスの特定の部分で、製造の最終段階での製品の差別化も可能になります。「乳製品業界では、こうしたメリットは、醸造業界のようにライン全体を再構築するというよりは、工場内の特定の箇所に集中する傾向があります。しかし、私たちは、それらがどこに適用できるかを積極的に模索しています」

工場に必要なものを再考する

当初は、より少ないエネルギーでバルブを駆動する方法として始まった取り組みが、工場の建設方法や実際に生産できるものについて、より広範な議論を呼び起こしました。醸造から乳製品に至るまで、GEAのバルブ技術における「空気駆動から水駆動へ」のシンプルな移行により、お客様にさらなる選択肢を提供するとともに、最も必要とされているこの時期に大幅なコスト削減を実現します。