F0値とは何ですか？

121.1℃で何分加熱したのと同じ殺菌効果があるかを表す値です。温度Tでの1分は、10^((T−121.1)/10) 分ぶんの効果に換算します（z値10℃）。110℃なら0.078分、130℃なら7.8分ぶんです。ボツリヌス菌を1兆分の1に減らす12Dは、D値0.21分なら2.52分で、実務ではF0 3分以上がよく使われます。

缶詰の殺菌時間はどう決めますか？

最も温まりにくい点（伝導加熱の缶では中心）の温度の時間変化を求め、そのF0値が目標に達するまで加熱します。直径75 mm・高さ110 mmの缶では、121.1℃で59分加熱して中心のF0が3分になりました。中心は最高でも114℃にしかならず、121℃に届きません。

冷却中にも殺菌は進みますか？

進みます。伝導加熱の缶は中心の温度上昇が遅れるため、加熱を止めた後もしばらく中心の温度が上がり続け、高温が続きます。計算例では、F0 3分のうち加熱中に稼いだのは1.1分で、残りの1.9分は冷却中でした。冷却の効果を無視すると、加熱しすぎて品質が落ちます。

滅菌プロセス熱解析

カテゴリ: 熱解析・産業プロセス | 2026-10-01 改稿

CAE visualization for sterilization thermal theory - technical simulation diagram

滅菌プロセス熱解析

理論：温度の履歴から殺菌量を積み上げる

概要

🙋

缶詰は121℃で殺菌すると聞きますが、何分加熱すればいいかはどう決めるんですか？

🎓

缶の中で一番温まりにくい点の温度がどう変わるかを求め、その温度の履歴から殺菌の量を積み上げて決める。菌が死ぬ速さは温度に対して指数関数的に変わるので、121.1℃で1分加熱したのと同じ効果が何分あるか、というF0値で表す。とろみのある食品は熱伝導だけで温まるので、缶の中心は外より大きく遅れる。そのため加熱を止めた後の冷却中にも中心は高温が続き、殺菌が進む。缶の中心温度とF0値を計算してみよう。

F0値とクック値

$$ F_0 = \int_0^{t} 10^{(T(t') - 121.1)/z}\,dt',\quad z = 10\ ^\circ\mathrm{C},\qquad C_{100} = \int 10^{(T - 100)/33}\,dt $$

z値は、殺菌の速さが10倍になる温度の差。菌は z = 10℃ 程度だが、色や栄養などの品質の劣化は z = 30℃ 前後とゆるやかなので、高温短時間ほど品質を守りやすい。品質の劣化はクック値 C₁₀₀ で表す。

缶の中心温度

$$ \frac{T_c - T_R}{T_0 - T_R} = \left[\sum_n \frac{2}{\beta_n J_1(\beta_n)}e^{-\beta_n^2\alpha t/R^2}\right]\left[\sum_m \frac{2(-1)^m}{\lambda_m}e^{-\lambda_m^2\alpha t/H^2}\right] $$

有限円柱の中心の温度は、無限円柱と平板の解の積で表せる（表面温度をレトルト温度とした場合）。冷却は、表面温度が冷却水の温度に切り替わる変化を重ね合わせて求めた。

Coffee Break よもやま話

缶詰とボールの方法

缶詰の原型は、1810年ごろフランスのアペールが、ナポレオンの軍の食料のために考えたびん詰めだ。なぜ腐らないのかは、半世紀後にパスツールが微生物の働きを示すまで分からなかった。1920年代、アメリカのボールとビゲローは、缶の中心温度の測定値から殺菌量を計算する方法をまとめ、F値の考え方の基礎を作った。今ではこうした計算を数値解析で行い、缶の形や加熱方法を最適化している。

計算例：伝導加熱の缶詰

熱拡散率1.7×10⁻⁷ m²/s、初期温度40℃、レトルト121.1℃、冷却水20℃。缶の表面はレトルトの温度に等しいとした。中心のF0値が3分になる加熱時間を求めた。

缶の大きさ	加熱時間	加熱停止時の中心温度	中心の最高温度	F0（加熱中＋冷却中）	中心のクック値
直径75×高さ110 mm	59.4 分	112.8 °C	114.4 °C	1.11 + 1.89	79 分
直径52×高さ60 mm	30.1 分	115.9 °C	117.0 °C	1.41 + 1.59	50 分

温度と殺菌の速さ

温度	1分あたりのF0
110 °C	0.078
115 °C	0.245
121.1 °C	1.000
125 °C	2.455
130 °C	7.762

🙋

大きい缶では、加熱を止めた時点でF0がまだ目標の3分の1ほどしかないんですね。

🎓

中心は熱伝導だけで温まるので、外より大きく遅れる。加熱を止めても、外側にたまった熱が中心へ流れ込み続けるので、中心の温度はしばらく上がり、114℃まで達する。F0は温度が少し違うだけで大きく変わるので、この冷却中の高温が全体の6割以上を稼いでいる。冷却の効果を見込まずに加熱中だけでF0 3分を確保しようとすると、加熱時間がずっと長くなり、外側の食品が煮えすぎる。小さな缶は中心まで早く温まるので、加熱時間が半分になり、中心の品質の劣化も3分の2ほどに抑えられる。

解析と設計のポイント

最も温まりにくい点（伝導加熱は中心、対流加熱は中心より下）を探す。
冷却中のF0も含めて評価し、過剰な加熱を避ける。
食品の熱物性（温度・成分で変わる）を測定値で与える。
殺菌（F0）と品質（クック値）の両方を評価する。
計算は温度センサーを入れた試験で必ず確かめる（安全に関わるため）。

Coffee Break よもやま話

「回転させたら半分の時間で済んだ」

ある食品工場で、とろみのあるスープ缶の殺菌に1時間以上かかり、外側の具が煮崩れることが問題になっていた。缶をレトルトの中で回転させる方式に変えると、缶の中で中身がかき混ぜられ、熱が伝導ではなく対流で中心まで運ばれるようになった。殺菌時間は半分以下になり、品質も改善した。熱の運ばれ方を変えるのが、時間を短くする最も効く方法になることがある。

よくある間違い

間違いと対策

間違い	起きること	対策
表面温度でF0を評価	殺菌不足	最冷点で評価
冷却中のF0を無視	過剰な加熱	冷却まで計算
物性を水の値で代用	時間を誤る	食品の実測値
z値の取り違え	F0を大きく誤る	対象菌のz値
試験で確認しない	安全性の欠如	温度試験で検証

🙋

関連する内容も知りたいです。

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食品殺菌のD値ツールと牛乳殺菌のz値ツールで試せるよ。関連するページは内部発熱を伴う非定常伝導、ハイスラー線図、乾燥プロセスが参考になる。

滅菌プロセス熱解析

理論：温度の履歴から殺菌量を積み上げる

概要

F0値とクック値

缶の中心温度

缶詰とボールの方法

計算例：伝導加熱の缶詰

温度と殺菌の速さ

解析と設計のポイント

「回転させたら半分の時間で済んだ」

よくある間違い

間違いと対策

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