ペレット飼料の結合粒子モデル確立に関する研究とその応用

小さな飼料ペレットを守ることが重要な理由

現代の農場や魚の孵化場では、動物用飼料は輸送や保管、摂食が容易な小さなコンパクトなペレットで供給されることが多い。しかし、配管、コンベヤ、給餌装置を通るあいだにこれらのペレットはひび割れ、粉状になってしまう。過剰な粉状物は高価な栄養素の浪費を招き、動物の健康を損ない、環境汚染の原因にもなる。本研究は一見単純な問いを投げかける：ペレットは具体的にどのように壊れるのか、そしてコンピュータモデルはより優しい装置設計や壊れにくいペレット作りに役立つのか？

見た目は一体でも内部では亀裂が始まる

研究者たちは家畜や養殖で広く使われる仔豚用飼料ペレットに着目した。肉眼では固体に見えても、内部は小さな粒子が圧縮されて詰まった構造になっている。機械で押しつぶされたり衝撃を受けると、目に見えて粉砕する前から微視的な亀裂や粒子間の結合破壊が生じる。そうした過程を直接観察するのは難しいため、エンジニアは仮想実験で個々の粒を追跡するデジタル手法にますます頼るようになっている。

単一ペレットのデジタルツインを構築する

仮想ペレットを現実的にするため、研究チームはまず実験室で実際のペレットの寸法、重量、密度、水分、ゆっくりと一方向に押し潰すときの破壊力を測定した。次に、専用ソフトウェア内で単一ペレットを何百もの小さな球の集まりとして再現し、それぞれの球を見えない結合で隣り合う粒に接着した。これらの結合は材料内部の実際の結びつきを代替するものだ。結合の剛性や破断するまでの強さなどの主要パラメータを慎重に調整することで、シミュレーションでの圧壊試験の力‐変形曲線が実験結果とほとんどの荷重領域で約10％以内に一致するまでモデルを校正した。この工程により、仔豚用ペレットの「デジタルツイン」が事実上得られた。

ペレットを回転式衝撃試験の仮想装置へ

モデルペレットが検証された後、チームは低速圧縮から高速衝撃へと移行し、実際の飼料取り扱いで起きる状況を模擬した。回転インペラがペレットを外側の固定リングに弾き飛ばす遠心衝撃装置のコンピュータ版を構築した。回転速度が上がると衝突速度とペレットに与えられるエネルギーも増加する。シミュレーションでは各ペレットの内部結合を監視し、結合が切れるとペレットは大きな破片と粉状物に分裂した。破断した結合の比率は微視的な損傷指標となり、研究者は同時に物理的な衝撃試験で実際に失われた質量も測定した。回転数500〜1500回転毎分の範囲で、シミュレーションの結合破壊比率と測定された質量損失はともに着実に増加し、ほぼ一致して追随した。

衝突角度が破砕パターンをどう変えるか

次にチームは、ペレットが衝突リングに当たる角度が損傷に与える影響を調べた。正面から衝突すると主に正面圧縮を受け、浅い角度だと側方の力を受けやすく回転が促される。シミュレーションは、破砕量が角度によって単調に増減するわけではなく、中間的な角度で最大になることを示した：およそ75度である。この角度では正面と側方の荷重が組み合わさり、ペレットが長時間応力下に置かれて内部により多くの亀裂を進展させる。一方、より急な角度やより浅い角度では衝突エネルギーの多くが弾性的に跳ね返されたり回転・滑りに変換され、破砕は小さくなる。

より良い飼料と優しい機械設計への示唆

簡潔に言えば、本研究は単一ペレットの精密に調整されたコンピュータモデルが高速装置内での実際のペレットの崩壊を忠実に予測できることを示している。目に見えない内部結合の破断を可視的な破砕量に結びつけることで、飼料生産者や装置設計者に実用的なツールを提供する。ペレットの配合や水分、装置設定（インペラ速度や衝突角など）の変更が耐久性にどう影響するかを、すべて物理的に試作・試験しなくても仮想的に検討できるようになる。こうした仮想試験は、壊れにくいペレットとより優しい取り扱いシステムの設計を導き、廃棄物を減らし動物生産の効率と持続可能性を向上させる可能性がある。

引用: Liu, Z., Kong, X., Wang, W. et al. Research on establishment of bonded particle model for pellet feed and its application. Sci Rep 16, 13224 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43893-y

キーワード: ペレット飼料の破砕, 離散要素法モデリング, 遠心衝撃試験, 粒状材料, 飼料工学