粉体解析基本MPS法DEM解析流動層粉体乾燥燃焼解析応用

はじめに：製造業現場で高まる粉体解析の重要性

製造業はグローバル化、自動化、DXの波にさらされ、変化を迫られる時代にあります。

特に化学、医薬、食品、素材といった分野では、粉体（パウダー）が製品や工程の核を成しています。

その粉体挙動を科学的に“見える化”し、より良い生産の根拠を与える粉体解析技術は、現場改善や新製品開発の切り札となりえます。

本記事では、製造現場に立脚した目線でMPS法・DEM解析など最前線の計算手法から流動層や粉体乾燥、燃焼解析への応用まで、網羅的にご紹介します。

現場担当者〜バイヤー志望の方に、一歩進んだ“粉体ソリューション”の実践的ヒントを提供します。

MPS法とDEM解析の基礎知識：プロが押さえるべきポイント

MPS法（Moving Particle Simulation）とは

MPS法は粉体や流体など連続体現象の解析に特化した、メッシュ不要の粒子法です。

各粒子が自身の“周辺粒子”と影響し合うことで、バルクな流動や界面挙動も物理的に表現できます。

従来の流体シミュレーション（CFD）が苦手とする“粉体の堆積・分離・流動切替”など、非定常な現象の再現に強い手法として昭和的現場でも比較的導入の敷居が低く、一部装置メーカーも採用しはじめています。

DEM解析（離散要素法）とは

DEM（Discrete Element Method）解析は、粉体や粒状体を“個々の粒子”として物理計算する手法です。

異なる粒径・密度・形状の粒子を、個体ごとに“接触力”や“摩擦”を計算し、個々の運動や全体の流動挙動をダイナミックに再現します。

実際の粉体プロセスでは、凝集・分散・棚詰まり・混合不良といったトラブルが絶えませんが、DEM解析による“現象の見える化”は、昭和的な勘と経験だけに頼らない次世代プロセス管理を支えています。

現場出身者がリアルに感じるメリットとは

– 原材料メーカーや装置ベンダーとの共同検証が可能になり、バイヤー-サプライヤー間のトラブルが劇的に減る
– “試してみないと分からない”から、“シミュレーションで予測できる”へ知見が高まり、トラブル未然防止と素早い現場改善が進む
– アナログ文化に根ざした工程でも、“数値根拠”を持ち込めるため全社納得の合意形成が加速
このように、MPS法やDEM解析は単なる“新技術”ではなく、現場と経営層をつなぐ“共通言語”へと進化しています。

粉体流動層と乾燥・燃焼プロセスへの粉体解析応用

流動層プロセスでの粉体挙動管理

流動層装置は、粉体粒子の均一な撹拌や加熱・乾燥などを高効率に行えるため、近年ますます重要度を増しています。

しかし、流動層には“チャンネル流”や“デッドゾーン”、粒径・比重差による“分級現象”など意外な落とし穴が潜んでいます。

これらの“死角”を現場の経験者に根拠づけて説明するのは難しく、従来は手探りの改良やベテラン頼みの調整に委ねられていました。

DEM解析による流動層挙動の再現は、その解決策です。

粒子の動線や相互作用を定量的に見える化し、そのデータから
– 最適な撹拌翼形状
– ベッド内の粒径分布変化
– 装置スケールアップ時のリスク
などを事前予測できるため、バイヤー側も“確信を持った製品選定・導入”が期待できます。

粉体乾燥・燃焼プロセスの最適化

製剤原料や食品素材、セラミックス、火力発電向けバイオマス粉体など、多様な製品工程で乾燥や燃焼プロセスの効率管理が求められています。

・乾燥では粒子毎の水分挙動や加熱むら
・燃焼では燃料粒子の分布偏りや不完全燃焼

こうした複雑な物理現象も、MPS法やCFD+DEMのハイブリッド解析により
– 乾燥完了までの時間短縮
– 焼成炉内の偏析・堆積リスク低減
– 環境面でのCO₂排出削減や副生成物の改善
など、実践的な現場課題の解決につながっています。

現場では“工程条件の決め打ち”や“非効率な余剰運転”がしばしば発生していますが、粉体挙動まで計算根拠をもつことで、操業コスト削減・品質均一化が一段階レベルアップします。

検証事例：現場改善とサプライヤー提案の双方メリット

ある製薬工場では、顆粒の乾燥工程にDEM解析を導入することで、乾燥ムラの原因特定と混合器羽根の最適化を実現。

検証前は“ベテランの勘と経験”が頼りで条件決定に時間がかかっていましたが、粉体解析を導入したことで
・生産トライ数が半減
・工程不良が約70%低減
・新規バイヤー教育期間短縮
と劇的な改善を達成しました。

サプライヤー側も“見える化されたデータ”に基づいた提案ができ、信頼性や高付加価値なサービス提案につながります。

昭和的アナログ現場での課題、デジタル化への壁と処方箋

根強いアナログ文化とその背景

実際の製造業現場には、未だ「膨大な紙記録」「手作業中心の管理」「ブラックボックス化した工程」が色濃く残っています。

これは一定の時代的背景が根底にあり、
– “失敗から学ぶ”組織文化
– 個人技術・現場技能の蓄積を重視
– ハイテクよりも安心・安定稼働が優先
といった方針に支えられています。

一方で、これが品質問題や調達トラブルの温床となるリスクも避けられません。

粉体解析導入のための“現場目線処方”

粉体シミュレーションや解析技術はあくまで“現場改善の道具”です。

真の効果を出すには、以下の工夫と視点が不可欠です。

1. 「分かりやすい」可視化にこだわる
シミュレーション画像や動画を現場担当者・経営層・サプライヤーが直感的に理解できる形で提示。

2. 現場検証とセットで小さく始める
いきなり大規模なシステム導入でなく、特定の“困りごと”から現場検証を重ね、徐々にノウハウや信頼を積み上げる。

3. バイヤー-サプライヤーの連携強化
発注者側・受注者側が「粉体解析」という共通言語を持ち、問題発生時にはオープンにデータを共有して改善サイクルを回す。

4. 人材育成と現場リテラシー向上
現場リーダーや若手バイヤーを対象に、“粉体挙動の基礎”や“データ利活用”をOJTでも実践的に学ばせる。

5. コスト効果とROI（投資対効果）の可視化
新技術導入の先に“人手・試作数削減”“製品価値向上”を数値で示し、経営層や関係部署の理解促進を狙う。
このような“現場感覚”をベースに、昭和型運用から令和型ソリューション現場への一歩を踏み出しましょう。

バイヤー・サプライヤーが知っておきたいこれからの業界動向

粉体解析技術は今や“現場改善”のみならず
– 調達先との共同開発
– 製品設計段階でのリスク診断
– プラント全体の生産最適化（スマートファクトリー連携）
– 脱炭素・GX時代のエネルギー効率化
など、バリューチェーン全体の進化に不可欠な“キー技術”となりました。

特に最近では、
・DEMやCFD-MPS法とAI/IoTの連携
・クラウド経由によるシミュレーションサービス提供
・世界的な品質基準・規格適合への対応
といった新しい潮流も加速しています。

調達・品質管理・商品開発担当者は、サプライヤー選定やRFP策定時点で
– 粉体解析の導入有無
– 装置・材料選定時のデータドリブン提案
– カスタマイズ可能な“現場ごとの解決力”
といった視点で業者や開発パートナーを比較・評価することが求められるでしょう。

サプライヤー側も“顧客の業界課題を読み取り、定量的根拠で課題を解決する”ことで、単なる価格勝負を超えた持続的な信頼関係を築くことができます。

まとめ：現場に根ざした粉体解析が拓く新たな地平

粉体解析ツールは単なる“IT投資”ではなく、現場オペレーションの改善、新技術への橋渡しとして今後ますます重要になっていきます。

昭和的なアナログ工程でも、現場目線を基軸に「小さく始めて効果を実感→データ蓄積→定量的改善サイクルへ」と進めれば、確実に現場が変わります。

バイヤー志望の方やサプライヤービジネスに携わる方も、製造業現場の課題と向き合い“粉体解析という共通言語”で共創を進めていきましょう。

次世代の製造現場を支えるのは、現場感覚＋数値根拠＝“実践型粉体解析”です。

ご質問や導入の相談は、ぜひ現場経験豊かな技術者・専門家とつながり、新しい地平線を切り拓いてください。