JP2008119671A - 高濃度原液対応の凍結濃縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来、凍結濃縮（特に原液溶質濃度１％以上の処理）の装置は、数時間・数日間単位の断続的運転が困難、氷生成部単位容積当たりの原液処理量が少ない、また濃縮液への溶質回収率が低いという問題点を持っていた。
【解決手段】 本発明の装置は、氷生成部が高濃度濃縮液を含む非流動（氷・液）混合物を生成し、また分離部が高分離効率、多量処理を可能とする均し機、高精度掻き取り機および吸引筒等からなり、上記問題点を解決した。
【選択図】図１

Description

本発明は、食品、薬品および廃液の処理等における溶液の濃縮、または溶質濃度希薄化のための凍結濃縮の装置に関する。

従来、凍結濃縮（特に被濃縮原液（以下原液）溶質濃度１％以上の処理）の装置は、基本的に氷生成部と分離部から構成されている（例えば非特許文献１参照）。左記氷生成部においては、原液から氷結晶を生成し固液混合物とする。また、左記分離部は、氷生成部からの固液混合物を氷（氷晶付着液を含む）と濃縮液とに分離する。

ここで上記従来の氷生成部には、左記固液混合物を（イ）固体割合の多い固体状の混合物とする場合と（ロ）液体割合の多いスラリー状（流動状）の混合物とする場合がある。また、上記従来の分離部の方法としては、洗浄法、遠心分離法、圧搾法があり、上記氷生成部の（イ）の場合には分離部として遠心分離法、圧搾法が用いられ、また上記氷生成部の（ロ）の場合には洗浄法、遠心分離法、圧搾法が用いられる。
柴田正人、「果汁の凍結濃縮」、冷凍、第５８巻６７４号、１９８３、ｐ１１３７−１１４３

上記従来凍結濃縮装置の（イ）の場合においては、分離部における固液の分離が不十分となり濃縮液への溶質の回収率が低い問題点を抱えている。

また、上記従来凍結濃縮装置の（ロ）の場合は、氷生成部に撹拌槽を用い、氷を生成・成長させる。この時、氷の成長に時間がかかり、氷生成部単位容積当たりの原液の処理量を多くできない。また、この撹拌槽では、撹拌の維持のために固液混合物の流動状態を維持する。この時、撹拌槽内の攪拌を行いうる氷スラリーの限界濃度が最大限で３５％ほど（濃縮倍率は最大限で１．５倍ほど）とされる。このため、濃縮倍率を上げるために装置の多段化、また分離後の濃縮液の氷生成部へのリサイクルの方法が取られる。しかし、この場合、多くの稼動中機器の操作条件を、それぞれの規定値に保持、また相互にバランスさせる運転操作が要求され装置操作および装置構成が複雑となり以下の問題点を持つことになる。
１．初動の立ち上がりおよび定常運転時における運転操作が複雑となるために数時間・数日間単位（朝起動、夕停止等）の断続的運転が困難・不可能である。このことは、少量生産、多品種生産および労働条件等に問題を抱えることになる。
２．処理量に対して装置コストが非常に高い。

本発明は、このような上記従来の凍結濃縮の装置が有していた問題点を解決しようとするものであり、定常運転までの立ち上がりが速く、数時間・数日間単位の断続的運転が可能、原液の多量処理が可能、さらに濃縮液への溶質回収率の高い装置を実現することを目的とするものである。

本発明は上記目的を達成するために、上記（イ）の場合において以下の氷生成部と分離部から構成される凍結濃縮の装置とする。

本発明の氷生成部は、氷生成部単位容積当たりの冷却面積を格段に増加させ、また原液から濃縮倍率の大きい濃縮液と氷から形成される非流動混合物（原氷）を連続的に生成する。なお、この氷生成部としては、〔発明の実施のための最良の形態〕に記載のドラム式、またはオーガー式等がある。

また、本発明の分離部は、本発明の氷生成部からの非流動混合物の（濃縮液への）高溶質回収率および多量処理を可能とする以下の工程・操作および要素技術の組み合わせからなるバスケット型遠心分離器（以下分離器）とする。
上記分離器は、
（ａ）バスケット低速回転での氷生成部からの非流動混合物の供給、
（ｂ）バスケット高速回転での非流動混合物の濃縮液と分離氷への分離、
（ｃ）バスケット低速回転での▲１▼分離氷の掻き取り、▲２▼掻き取られた分離氷（以下では、掻き取られた分離氷を掻き取り氷とする）の排出の工程からなり、これらが（ａ）→（ｂ）→（ｃ）（▲１▼・▲２▼）の順に時系列に行われ、それを１サイクルとしてそのサイクルを継続させることにより連続的に濃縮液と分離氷に分離を行う。

また、上記分離器の工程には、以下の要素技術を持たせたものとしている。
１）上記（ａ）において氷生成部から供給され分離器バスケット内に堆積する非流動混合物を水平に均す均し機を用いる。
２）上記（ｃ）の▲１▼において回転扁平円盤と掻き取り刃からなる高精度掻き取り機をバスケットの上から下方向に移動し分離氷を掻き取る。なお、上記高精度掻き取り機の回転扁平円盤は、バスケットに接触、または極僅かなクリアランスとする。
３）上記（ｃ）の▲２▼において、上記掻き取り操作▲１▼と同時に掻き取られた分離氷（以下掻き取り氷）を吸引バッファ筒（以下吸引筒）へ吸引し、吸引されて吸引筒に蓄積した掻き取り氷を吸引筒底部のフタを間欠的に開くことにより、吸引筒外へ排出する。

なお、上記本発明の装置は、低温室内（０℃以下等）に設置すると分離器等において氷の融解等がなく好適である。

上記の手段の結果、以下の作用を持つ装置となる。
本発明装置の定常運転までの時間を決めるのは、氷生成部の設定冷却温度に対する氷生成部原液槽内の原液の温度の安定時間（３０ｍｉｎほど）である。装置の他の構成機器の設定条件は、目的の生成物（溶質濃度、量）を得るための装置の定常運転までの時間に関係しない。このため定常運転までの立ち上がりが速く、数時間・数日間単位の断続的運転の可能な装置となる。

また、上記本発明の氷生成部の課題解決手段は、以下の作用を持つ。
本発明装置の氷生成部は、氷生成部単位容積当たりの冷却面積を格段に増加させ原液から原氷を連続的に生成する。このため氷生成部単位容積当たりの原液の多量処理が可能となっている。また、この原氷は、含まれる溶液が（原液に対して）濃縮倍率の大きい濃縮液となっている。このため濃縮倍率を上げるための濃縮液のリサイクル処理が不必要・単純化された装置となる。

また、上記本発明の分離部の課題解決手段は、それぞれ以下の作用を持つ。
上記の１）による作用は次の通りである。
すなわち、従来の分離器への非流動混合物の供給は、分離器バスケット内への非流動混合物の蓄積のバラツキ・偏在を起こす。このため分離器の高速回転また多量処理でのアンバランス回転による分離器破損・回転不可が起こる。本発明では、分離器に従来にない均し機をつけ、分離器内への氷生成部からの非流動混合物の不均一供給（蓄積のバラツキ・偏在）を均し（非流動混合物の蓄積上面水平化）、高溶質回収率のための高速回転、また多量処理でのアンバランス回転による分離器破損・回転不可の問題を解決している。

上記（ｂ）において分離器の遠心効果を１０００Ｇ以上とすると好適である。すなわち、従来の既存大型上部排出バスケット型遠心分離器（バスケット有効容量２５ｌ以上）の遠心効果は９００Ｇ以下である。このため凍結濃縮用としては、多量、また高溶質濃度濃縮液の分離において固液の分離が不十分となる場合がある。このことから本発明のバスケット遠心分離器の遠心効果を１０００Ｇ以上とすると好適である。このことにより濃縮液への溶質の回収率の向上が可能となる。

また、上記の２）による作用は次の通りである。すなわち、従来の分離器の分離氷の掻き取り機は、図３に示す掻き取り刃Ｂ２３を用いるものである。しかし、この方法は、掻き取り刃Ｂ２３がバスケットに非接触である。このため分離氷が分離器内バスケットの壁面に残り（残氷）、分離効率を低下させている。さらに繰り返しの回転分離によりその残氷がしだいに硬く固化し、よりいっそう分離効率を低下させている。

この残氷のバスケット壁面からの剥離を目的としてエアージェット（高圧空気）を用いる方法が開発されている。しかし、この方法は、剥離氷が飛散する、残氷の剥離率が低い、また掻き取りのための機器が複雑・高コスト化する問題を抱えている。

本高精度掻き取り機は、バスケットの分離氷をほとんど残氷なく掻き取ることができる。このため繰り返しの回転分離においてもバスケット内分離氷の濃縮液に対する濾過抵抗が減少することにより、原液から濃縮液への高溶質回収率（分離効率の向上）、分離時間の短縮化および原液処理量の増加が図れる。また、本高精度掻き取り機は、構造・操作が単純化されている。このため装置が単純化され、さらに低コスト化されることになる。

なお、上記エアージェットをエアージェット単独で用いるのよりも低圧として、かつ本高精度掻き取り機に連動させ本高精度掻き取り機と併用にして用いると、さらに掻き取りが高効果となる場合もある。

また、上記３）の分離器からの掻き取り氷の排出に、本発明の吸引筒を用いることによる作用は次の通りである。
すなわち、従来、分離器においては、固液混合物の分離固体を自動的に排出する方法として底部排出型のものが知られている。しかし、この分離器は、固液混合物の分離固体の排出を目的として分離器底部中央に排出穴が設けられている。このため以下の問題点を持つ。▲１▼分離器への固液混合物の供給量を多くできない、▲２▼本発明の固体状の非流動混合物の供給が困難、また▲３▼非流動混合物の固液分離のためのバスケット多穴側面に対する左記側面垂直方向への均一供給が困難（アンバランス回転を起こす）である。本吸引筒の使用により、本発明装置の分離器は、分離器底部中央に排出穴を設け掻き取り氷の排出を行う必要がない。このため上記問題点を解決し、分離器への固液混合物の供給量を多くし、非流動混合物の供給を可能とし、また上記１）の均し機を用いることができ非流動混合物の不均一供給によるアンバランス回転を防止することができる。

さらに、この吸引筒の使用は、掻き取り氷が分離器と離れた場所へ送られるため、その掻き取り氷の搬出、または融解再処理が容易な装置となる。なお、吸引筒において吸引筒内壁に掻き取り氷が付着する場合、その付着掻き取り氷の落氷を目的として吸引筒の内壁をステンレスに比べ氷滑り抵抗の小さい材料（例えばテフロン等のプラスチック面）とすると好適である。また、吸引筒にショッカ等の衝撃機器を用い、この衝撃機器単独でまたは上記内壁氷滑り抵抗の小さい材料との併用での使用とするのも好適である。

上述したように本発明は、以下の理由により定常運転までの立ち上がりが速く、数時間・数日間単位の断続的運転が可能、原液の多量処理が可能、さらに濃縮液への溶質回収率の高い装置となっている。本発明の装置が、定常運転までの立ち上がりが速く、数時間・数日間単位の断続的運転が可能なことの理由は、
▲１▼氷生成部において原液から濃縮倍率の大きい濃縮液を含む原氷を生成する。このため濃縮倍率を上げるための濃縮液のリサイクル処理が不必要・単純化された装置となっている。
▲２▼本発明装置の定常運転までの時間を決めるのは、氷生成部の設定冷却温度に対する氷生成部原液槽内の原液温度の安定時間（３０ｍｉｎほど）である。装置の他の構成機器の設定条件は、目的の生成物（溶質濃度、量）を得るための装置の定常運転までの時間に関係しない。

また、本発明の装置が、原液の多量処理が可能および濃縮液への溶質回収率の高い装置となっていることの理由は、
▲１▼氷生成部が、氷生成部単位容積当たりの冷却面積を格段に増加させ原氷を連続的に生成する。このため原液の多量処理が可能となっている。
▲２▼分離器が、以下の要素技術の組み合わせから構成されている。
イ．均し機により非流動混合物の供給によるアンバランス回転を防止し、高溶質回収率のための高速回転、また多量処理を可能としている。
ロ．高精度掻き取り機により高溶質回収率を可能としている。
ハ．吸引筒により上記多量非流動混合物の分離後の掻き取り氷の排出を可能としている。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図１においてＲは非流動混合物（原氷）を生成する氷生成部であり、この氷生成部Ｒは、冷却された回転式の円筒（以下ドラム）Ｒ１、ドラムＲ１の円周下部が原液に浸るように設けられた氷生成部原液槽Ｒ２および原氷掻き取り刃Ｒ３からなる。

Ｈはホッパー、Ｔはチューブコンベアであり、原氷を氷生成部Ｒから下記の分離器Ｂへ導く。

Ｂは上記原氷を濃縮液Ｃと分離氷ｌに分離するバスケット型遠心分離器であり、Ｂｂが原氷を投入するバスケット、さらにこの分離器には以下それぞれ自動で動く櫛状の均し機Ｂ１、掻き取り機Ｂ２および掻き取り氷の吸引管Ｖ１が取り付けられている。

ここで掻き取り機Ｂ２は、図３に示すように掻き取り軸Ｂ２１、回転扁平円盤Ｂ２２と掻き取り刃Ｂ２３からなる。

Ｖは吸引筒であり、バグフイルタＶ２および吸引筒底部の開閉フタＶ３が取り付けられている。

以下、上記構成の動作を説明する。
原液は、原液タンクｔから氷生成部Ｒの原液槽Ｒ２に送られる。原液の凍結は、回転する冷却されたドラムＲ１の円周外表面（冷却面）において行われる。なお、ドラムの冷却は、冷凍機による冷媒またはブラインのどちらを用いてもよい。回転するドラムＲ１の冷却面が原液槽Ｒ２内の溶液に浸されているとき、冷却面上に氷結晶が発生し、ドラムの回転に伴い、溶液を含んだ原氷の氷結晶が成長する。冷却面に付着したこの原氷は、円周上の（原氷の原液槽Ｒ２離脱と）反対方向に位置している掻き取り刃Ｒ３によりドラム表面から連続的に剥離される。

この構造により本発明の氷生成部は、ドラムの回転と掻き取り刃Ｒ３により冷却面が氷の付着のない冷却面として常に更新され、氷生成部単位容積当たりの冷却面積を格段に増加させ原液から原氷を連続的に生成する。このため氷生成部単位容積当たりの原液の多量処理が可能となっている。また、ドラムの冷却温度と回転数の調整により原液から濃縮倍率の大きい濃縮液を含む非流動混合物（原氷）を連続的に生成する。このため濃縮倍率を上げるための濃縮液のリサイクル処理が不必要・単純化された装置となる。さらに、上記原氷（の融解液）の溶質濃度は、原液とほぼ同じであり（氷生成部原液槽の原液溶質濃度が変わらない）、かつ時間的に安定している。このため目的の溶質濃度の濃縮液を得るための装置の構成・操作が単純化されている。

ドラムＲ１から掻き取られた原氷は、氷生成部Ｒの下に配置されたホッパーＨに落下し、蓄積される。ホッパーＨに一定量蓄積された原氷は、ホッパーＨの下部に配置されたチューブコンベアＴで分離器ＢのバスケットＢｂへ搬送される。なお、このとき本発明装置の濃縮液と分離氷の分離効率を高めるために、氷生成部からの原氷量をホッパーまたは分離器バスケットにおいて超音波等の検出機を用い検出し、ドラムの回転速度および分離器の分離時間を調整すると好適である。

チューブコンベアＴで搬送されバスケットＢｂに投入された原氷は、以下の工程を経る。
（ａ）分離器ＢのバスケットＢｂに投入された原氷は、低速回転するバスケットＢｂ内で櫛状の均し機Ｂ１により水平に均される。
（ｂ）次ぎにバスケットＢｂを高速回転とし、原氷を濃縮液Ｃと分離氷ｌに分離する。
（ｃ）次ぎにバスケットＢｂを低速回転として、掻き取り軸Ｂ２１に取り付けられた回転扁平円盤Ｂ２２と掻き取り刃Ｂ２３をバスケットＢｂの上から下方向に移動し分離氷ｌを掻き取る。また、この掻き取り操作と同時に（吸引筒Ｖに接続された）真空ポンプ（またはブロワー）Ｐにより負圧となっている吸引管Ｖ１を用い掻き取り氷ｌを吸引筒Ｖへ吸引する。なお、吸引管Ｖ１は、上記（ｂ）の原氷が濃縮液Ｃと分離氷ｌに分離された後にバスケットＢｂの上から下降し、バスケットＢｂの底面に接近している。吸引されて吸引筒に蓄積された掻き取り氷ｌは、吸引筒底部のフタＶ３を間欠的に開く（圧搾空気、または電動により）ことにより、吸引筒外へ落下排出する仕組みとなっている。

本発明の実施の形態を示す凍結濃縮装置 同分離器と吸引筒 同分離器バスケット内における分離氷掻き取り時の掻き取り機の配置

符号の説明

ｔ 原液タンク
Ｒ 氷生成部
Ｒ１ 冷却回転式円筒
Ｒ２ 氷生成部原液槽
Ｒ３ 原氷掻き取り刃
Ｈ ホッパー
Ｔ チューブコンベア
Ｔｍ チューブコンベアモータ
Ｂ バスケット型遠心分離器
Ｂｂ バスケット
Ｂ１ 櫛状の均し機
Ｂ２ 高精度掻き取り機
Ｂ２１ 掻き取り軸
Ｂ２２ 回転扁平円盤
Ｂ２３ 掻き取り刃
Ｖ 吸引バッファ筒
Ｖ１ 吸引管
Ｖ２ バグフイルタ
Ｖ３ 吸引筒底部の開閉フタ
Ｐ 吸引真空ポンプ、またはブロワー
Ｃ 濃縮液
ｌ 分離氷、掻き取り氷
Ａ 冷温室
ｒ 冷凍機

Claims (4)

1. 凍結濃縮装置において、氷生成部単位容積当たりの冷却面積を格段に増加させ、また原液から濃縮倍率の大きい濃縮液と氷から形成される非流動混合物（以下非流動混合物、または原氷と呼ぶ）を連続的に生成する氷生成部と上記非流動混合物を濃縮液と分離氷に分離するバスケット型遠心分離器（以下分離器）から基本的に構成し、上記分離器を以下の工程および要素技術の組み合わせとした凍結濃縮装置。
   上記分離器は、（ａ）バスケット低速回転での氷生成部からの非流動混合物の供給、（ｂ）バスケット高速回転での非流動混合物の濃縮液と分離氷への分離、（ｃ）バスケット低速回転での▲１▼分離氷の掻き取り、▲２▼掻き取り氷の排出の工程からなり、これらが（ａ）→（ｂ）→（ｃ）（▲１▼・▲２▼）の順に時系列に行われ、それを１サイクルとしてそのサイクルを継続させることにより連続的に濃縮液と分離氷に分離を行う。
   また、上記分離器の工程には、以下の要素技術を持たせたものとしている。
   １）上記（ａ）において氷生成部から供給され分離器バスケット内に堆積する非流動混合物を水平に均す均し機を用いる。
   ２）上記（ｃ）の▲１▼において回転扁平円盤と掻き取り刃からなる高精度掻き取り機をバスケットの上から下方向に移動し分離氷を掻き取る。なお、上記高精度掻き取り機の回転扁平円盤は、バスケットに接触、または極僅かなクリアランスとする。
   ３）上記（ｃ）の▲２▼において、上記掻き取り操作▲１▼と同時に掻き取り氷を吸引バッファ筒（以下吸引筒）へ吸引し、吸引されて吸引筒に蓄積した掻き取り氷を吸引筒底部のフタを間欠的に開くことにより、吸引筒外へ排出する。
2. 請求項１において、氷生成部を以下とした凍結濃縮装置。
   冷却された回転式の円筒（以下ドラム）、ドラムの円周下部が原液に浸るように設けられた溶液槽および原氷掻き取り刃からなり、ドラムの冷却温度と回転数の調整によりドラムの円周外表面に原氷を形成し、その原氷を掻き取り刃により掻き取る構造とした氷生成部。
3. 請求項１、２において、請求項１の３）の掻き取り氷が吸引筒内壁へ付着した場合の落氷を目的として吸引筒を以下の構造とした凍結濃縮装置。
   １）吸引筒の内壁をステンレスに比べ氷滑り抵抗の小さい材料（例えばテフロン等のプラスチック面）とする。
   ２）また、吸引筒にショッカ等の衝撃機器を取り付けこの衝撃機器単独で、または上記内壁氷滑り抵抗の小さい材料との併用で使用する。
4. 請求項１、２、３において、装置の濃縮液と分離氷の分離効率を高めるために、氷生成部からの原氷量をホッパーまたは分離器バスケットにおいて超音波等の検出機を用い検出し、ドラムの回転速度および分離器の分離時間を調整する凍結濃縮装置。

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