JP2018047426A - 被処理水液の脱酸素処理方法及び脱酸素処理システム、並びに硬度成分を含有する脱酸素炭酸水液の製造方法 - Google Patents
被処理水液の脱酸素処理方法及び脱酸素処理システム、並びに硬度成分を含有する脱酸素炭酸水液の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
飲料の脱酸素処理法として、曝気法(ガス置換法)、加熱脱気法、真空脱気法等の物理的な脱気法が知られている。曝気法は、窒素ガス等の不活性な高純度ガスを被処理液に吹き込み、被処理液中の酸素分圧を下げることにより溶存酸素を除去する方法である。加熱脱気法は、被処理液を開放系で加熱し、溶存ガスを放出除去する方法である。真空脱気法は、被処理液と接触する雰囲気を真空にすることにより、被処理液中の溶存ガスを取り除く方法である。この真空脱気法として、気体透過膜を用いて被処理液中の溶存ガスを減圧下の気相へと取り出す膜式真空脱気法も知られている(例えば特許文献1)。これらの物理的脱気法に加え、化学的処理による脱気法(化学的脱気法)も知られている。この化学的脱気法として、例えば、脱酸素剤等の薬品を被処理液中に添加する方法が知られている。
これらの脱酸素処理法のうち、加熱脱気法は開放系の処理故に、取り除いた酸素の一部が再び被処理液中に溶け込んでしまう懸念がある。また、熱によって変質する飲料には適用できず、汎用性にも劣る。また、化学的脱気法では脱酸素剤等の薬品を使用するため、飲料の風味を損なうおそれがあり、また安全面においても懸念がある。したがって、信頼性、安全性の観点から、曝気法又は真空脱気法が工業的に広く用いられている。さらに、気体透過膜を介した気液ガス交換により液中の溶存酸素を除去することも提案されている(例えば特許文献2)。
また本発明は、溶存酸素及び硬度成分を含有する被処理水液中に炭酸ガスを溶解して炭酸水液を得、この炭酸水液を気体透過膜を用いた気液ガス交換により脱酸素処理して、硬度成分を含有する脱酸素炭酸水液を得るに当たり、気体透過膜表面への炭酸塩の析出を効果的に防ぐことができる、脱酸素炭酸水液の製造方法を提供することを課題とする。
また本発明は、上記脱酸素処理方法又は上記脱酸素炭酸液の製造方法を実施するのに好適な被処理水液の脱酸素処理システムを提供することを課題とする。
〔1〕
溶存酸素及び硬度成分を含有する被処理水液中に炭酸ガスを溶解することにより、該被処理水液を、ランゲリア指数が−1.0以下の炭酸水液とし、該炭酸水液を、気体透過膜を介した気液ガス交換により脱酸素処理することを含む、被処理水液の脱酸素処理方法。
〔2〕
炭酸ガスを含む不活性ガスを気相とし、前記被処理水液を液相とする二酸化炭素溶解膜を介した気液ガス交換により、前記のランゲリア指数−1.0以下の炭酸水液を調製する、〔1〕記載の脱酸素処理方法。
〔3〕
前記の炭酸水液の脱酸素処理において、気液ガス交換の気相として窒素ガス及び/又は炭酸ガスを用いる、〔1〕又は〔2〕記載の脱酸素処理方法。
〔4〕
前記の炭酸水液の脱酸素処理を、気液ガス交換の気相を真空引きしながら行う、〔1〕〜〔3〕のいずれか記載の脱酸素処理方法。
〔5〕
前記被処理水液中、硬度成分の含有量が10〜2000mgCaCO3/Lである、〔1〕〜〔4〕のいずれか記載の脱酸素処理方法。
〔6〕
溶存酸素及び硬度成分を含有する被処理水液中に炭酸ガスを溶解することにより、該被処理水液を、ランゲリア指数が−1.0以下の炭酸水液とし、この炭酸水液を、気体透過膜を介した気液ガス交換により脱酸素処理することを含む、硬度成分を含有する脱酸素炭酸水液の製造方法。
〔7〕
炭酸ガスを含む不活性ガスを気相とし、前記被処理水液を液相とする二酸化炭素溶解膜を介した気液ガス交換により、前記のランゲリア指数−1.0以下の炭酸水液を調製する、〔6〕記載の製造方法。
〔8〕
前記の炭酸水液の脱酸素処理において、気液ガス交換の気相として窒素ガス及び/又は炭酸ガスを用いる、〔6〕又は〔7〕記載の製造方法。
〔9〕
前記の炭酸水液の脱酸素処理を、気液ガス交換の気相を真空引きしながら行う、〔6〕〜〔8〕のいずれか記載の製造方法。
〔10〕
前記被処理水液中、硬度成分の含有量が10〜2000mgCaCO3/Lである、〔6〕〜〔9〕のいずれか記載の製造方法。
〔11〕
溶存酸素及び硬度成分を含有する被処理水液中に炭酸ガスを溶解し、該被処理水液を、ランゲリア指数が−1.0以下の炭酸水液とする手段Xと、該炭酸水液を、気体透過膜を介した気液ガス交換により脱酸素処理する手段Yとを有する、被処理水液の脱酸素処理システム。
〔12〕
前記手段Xが、前記被処理水液を流通させた流通管内に炭酸ガスを含む不活性ガスを合流して該被処理水液中に炭酸ガスを溶解させることを含み、
前記手段Yが、前記気体透過膜の一方の膜面Kに前記炭酸水液を導入して該炭酸水液を膜面Kに接触させ、かつ前記気体透過膜の他方の膜面Lには不活性ガスを導入して該不活性ガスを膜面Lに接触させることを含む、〔11〕記載の脱酸素処理システム。
〔13〕
前記脱酸素処理システムが、気体透過膜を有する気液ガス交換ユニットを2つ以上直列に配した多段ユニット構成を有し、
前記多段ユニットを構成する各気液ガス交換ユニットの気相に炭酸ガスを含む不活性ガスを導入し、
前記多段ユニットの一方の末端に位置する気液ガス交換ユニットの液相には前記被処理水液を導入し、導入された被処理水液は多段ユニットを構成する各気液ガス交換ユニットの液相内を順次、一方向に流通しながら、気体透過膜を介した気液ガス交換により炭酸ガスの溶解と脱酸素を生じ、
導入された被処理水液の、ランゲリア指数−1.0超の状態における気液ガス交換を前記手段Xとし、導入された被処理水液中への炭酸ガスの溶解により、該液のランゲリア指数が−1.0以下に低下した状態における気液ガス交換を前記手段Yとする、〔11〕記載の脱酸素処理システム。
本発明の脱酸素処理システムは、本発明の被処理水液の脱酸素処理方法ないし本発明の脱酸素炭酸水液の製造方法に好適に用いることができる。
本発明において「被処理水液」とは、水を主成分とする液であって、溶存酸素及び硬度成分を含有すれば特に制限はない。ここで、「水を主成分とする液」とは、この液から固形分を除いた液成分中に占める水の割合が50質量%以上である液を意味する。つまり、「水を主成分とする液」とは、この液から固形分を除いた液成分のすべてが水である液、又は、この液から固形分を除いた液成分中に占める水の割合が50質量%以上100質量%未満である液を意味する。上記「水を主成分とする液」において、固形分を除いた液成分中に占める水の割合は70質量%以上が好ましく、より好ましくは80質量%以上である。本発明に用いる被処理水液において、固形分を除いた液成分中に存在しうる、水以外の液成分としては、アルコール、油分等を挙げることができる。
本発明に用いる被処理水液は、通常は飲料又は飲料の原料液である。被処理水液の好ましい具体例として、天然水、水にミネラル成分を配合した液(本明細書において、「天然水」と「水にミネラル成分を配合した液」とを総称して「ミネラル水」という。)、あるいはミネラル水に糖類、甘味料、果汁、香料、ビタミン類、アミノ酸、着色料、酸味料等を配合した液を挙げることができる。なかでも、上記被処理水液はミネラル水であることが好ましい。
また、上記被処理水液がミネラル水である場合、このミネラル水の溶解性残留物は12〜5000mgCaCO3/Lであり、より好ましくは50〜1000mgCaCO3/Lである。
炭酸塩の析出をより確実に抑える観点から、被処理水液中への炭酸ガスの溶解により、得られる炭酸水液のランゲリア指数を−1.5以下とすることがより好ましく、−2.0以下とすることがさらに好ましく、−2.2以下とすることがさらに好ましく、−2.5以下とすることが特に好ましい。また、上記炭酸水液のランゲリア指数の下限に特に制限はなく、−5.0以上とするのが実際的であり、通常は−3.0以上とする。
(1)気体透過膜(二酸化炭素溶解膜)を介した気液ガス交換とは異なる方法により被処理水液中に炭酸ガスを溶解し、ランゲリア指数が−1.0以下の炭酸水液を得た後において、このランゲリア指数が−1.0以下の炭酸水液を、気体透過膜を介した気液ガス交換により脱酸素する処理。
(2)気体透過膜(二酸化炭素溶解膜)を介した気液ガス交換により、被処理水液中への炭酸ガスの溶解と脱酸素とを同時に生じさせる形態において、この気液ガス交換中にランゲリア指数が−1.0の状態に到達した炭酸水液が、引き続きこの気液ガス交換に付されている状態。つまり(2)においては、ランゲリア指数が−1.0に到達していない液(気液ガス交換による被処理水液中への炭酸ガスの溶解量がまだ少ない状態にあり、ランゲリア指数が−1.0超の状態にある液)が、気体透過膜を介した気液ガス交換により脱酸素されている状態は、本発明で規定する「脱酸素処理」には含まれないものとする。
この脱酸素処理の好ましい形態としては、気体透過膜の一方の面側には液相として炭酸水液を流通させ、他方の面側には気相として不活性ガスを流通させ、クロスフロー方式により気液ガス交換をする形態が挙げられる。
炭酸ガス溶解ユニット3から排出された炭酸水液は、気液ガス交換ユニット1の液相中へと導入され、脱酸素処理される。図4の実施形態では、気液ガス交換ユニット1に導入される液が、既にランゲリア指数−1.0以下の炭酸水液の状態であるため、気液ガス交換ユニット1の気相に流通させる不活性ガスは炭酸ガスに限られず、窒素ガスを使用したり、炭酸ガスと窒素ガスとの混合ガスを使用したりすることも好ましい。なお、気液ガス交換ユニット1の気相に流通させる不活性ガスとして窒素ガスのみを用いた場合、ガス交換により炭酸水液中の炭酸ガスと気相中の窒素ガスとをガス交換することもでき、この場合、気液ガス交換ユニット1から排出される液を脱酸素された炭酸水液とすることもできる。
他方、図4に示す脱酸素処理システム40の変形例においては、炭酸ガス溶解ユニット3内では被処理水液のランゲリア指数を低下させるものの、ランゲリア指数を−1.0以下にまでは低下させず、被処理水液を気液ガス交換ユニット1に導入した後に、気液ガス交換ユニット1内における気液ガス交換により、被処理水液のランゲリア指数を−1.0以下に低下させることもできる。この場合には、気液ガス交換ユニット1内の、少なくとも液の導入口付近においては、ランゲリア指数が−1.0超の状態の液が流通しながら気液ガス交換が行われている状態にあるが、このランゲリア指数が−1.0超の液の気液ガス交換は、本発明で規定する「脱酸素処理」ではなく、炭酸水液の調製工程として位置付けられるものとする。
被処理水液を上記の脱酸素処理に付して得られる処理水液において、酸素(O2)濃度は2mg/L以下であることが好ましく、1mg/L未満とすることがより好ましい。また上述した通り、処理水液は炭酸水液の状態でもよいし、非炭酸水液の状態とすることもできる。
手段Xが、被処理水液を、気体透過膜ないしは二酸化炭素溶解膜を用いた気液ガス交換に付して、ランゲリア指数が−1.0以下の炭酸水液を得る構成である場合、手段Xはより詳細には、気体透過膜ないしは二酸化炭素溶解膜の一方の膜面Mに被処理水液を導入することにより、この被処理水液を膜面Mに接触させ、かつ他方の膜面Nには炭酸ガスを含む不活性ガスを導入することにより、この炭酸ガスを膜面Nに接触させることを含む構成とすることができ、かかる構成により、膜を介した気液ガス交換により被処理水液中に炭酸ガスを溶解することができる。この気液ガス交換において、炭酸ガスを含む不活性ガスを導入する膜面N側(気相)は真空引きした状態とすることも好ましい。
硬度成分を含有する天然水等を、気体透過膜を用いた気液ガス交換により脱酸素処理する際に、スイープガスとして炭酸ガスを用いた場合(あるいは炭酸ガスを用いずに真空脱気とした場合であっても)、比較的短期間の連続運転で、気体透過膜の気相側表面には硬度成分と炭酸(炭酸イオン、炭酸水素イオン、二酸化炭素ガスを含む)とが反応して生じた炭酸塩が付着し、スケール層が形成される。スケール層の形成は有効膜面積を低下させ、気液ガス交換の効率を大きく低下させる。それ故、天然水等を気液ガス交換により脱酸素処理する際には、スイープガスとして炭酸ガス以外の不活性ガス(代表的には窒素ガス)を用いることが技術常識とされてきた。
ところが近年、炭酸飲料の原料として天然水を用い、飲料の付加価値を高めた製品開発が行われるようになってきた。例えば、天然水を用いた炭酸水、炭酸清涼飲料、ビール等が製品化されている。したがって、脱酸素処理のスイープガスとして炭酸ガスを用いることができれば、天然水の脱酸素と同時に炭酸水を調製することが可能となり、天然水を用いた炭酸飲料の製造効率を高めることが可能となる。
本発明者らはこの点に着眼して検討を重ねた結果、天然水等の被処理水液を気体透過膜を用いた気液ガス交換により脱酸素処理するに際し、スイープガスとして炭酸ガスを用いた場合でも、炭酸ガスを被処理水液中に過剰に溶解させることにより、ランゲリア指数を十分に低下させることができること、その結果、脱酸素処理において膜面に炭酸塩が析出しにくく、スケール層の形成を効果的に抑えられることを見い出し、本発明を完成させるに至った。本発明は、従来の技術常識を覆す新たな発想に基づくものである。
硬度成分を80mgCaCO3/Lの濃度で含有し、酸素を7mg/Lの濃度で含有する被処理水(ミネラル水)を試料とし、気体透過膜を用いた気液ガス交換(気相:炭酸ガス)により、ミネラル水中の全炭酸濃度が145mgCO2/Lとなるようにして脱酸素処理した。この脱酸素処理には外圧型分離膜コンタクター(商品名、サイズ:10×28inch、スリーエム社製)を用いた。この外圧型分離膜コンタクターはクロスフロー方式で気液ガス交換を行う装置であり、図2に示す形態において気体透過膜として中空糸タイプの気体透過膜を適用したものに相当する。
実施例1における外圧型分離膜コンタクターの運転条件を以下に示す。
<運転条件>
液相へのミネラル水供給速度:80m3/hour
気相への炭酸ガス供給速度:15m3/hour
気相の真空引き:有
気相の圧力: 6.7kPa
ミネラル水の温度:20℃
実施例1において、気相の圧力を13.4kPaとすることにより、ミネラル水中の全炭酸濃度が:245mgCO2/Lとなるようにしたこと以外は、実施例1と同様にして脱酸素処理を行った。排出された液(炭酸水)の成分組成ないし物性について下記表1にまとめて示す。
実施例1において、気相の圧力を20.0kPaとすることにより、ミネラル水中の全炭酸濃度が:345mgCO2/Lとなるようにしたこと以外は、実施例1と同様にして脱酸素処理を行った。排出された液(炭酸水)の成分組成ないし物性について下記表1に示す。
実施例1において、気相に炭酸ガスを供給しなかったこと以外は、実施例1と同様にして脱酸素処理を行った。この脱酸素処理は気相に交換ガスを供給しておらず、いわゆる真空脱気である。排出された液の成分組成ないし物性について下記表1に示す。
硬度成分濃度: JIS K0101(フレーム原子吸光法)により測定した。
酸素濃度: JIS K0101(隔膜電極法)により測定した。
全炭酸濃度: JIS K0101全炭酸(赤外線分析法)により測定した。
溶解性蒸発残留物濃度:JIS K0101により測定した。
これに対し、交換ガスとして炭酸ガスを用いた脱酸素処理において、ミネラル水中の炭酸ガス濃度を高度に高めた実施例1〜3の脱酸素処理方法では、ミネラル水のランゲリア指数を十分に低下させることができ、6か月間の連続運転を行っても洗浄を要する程度のスケール層を生じなかった。
1 気液ガス交換ユニット(脱酸素処理ユニット)
2 気体透過膜
3 炭酸ガス溶解ユニット
4 二酸化炭素溶解膜(気体透過膜)
BT 被処理水液(溶存酸素及び硬度成分を含む)
AT 脱酸素炭酸水液
p 気相
q 液相
VP 真空ポンプ
Claims (13)
- 溶存酸素及び硬度成分を含有する被処理水液中に炭酸ガスを溶解することにより、該被処理水液を、ランゲリア指数が−1.0以下の炭酸水液とし、該炭酸水液を、気体透過膜を介した気液ガス交換により脱酸素処理することを含む、被処理水液の脱酸素処理方法。
- 炭酸ガスを含む不活性ガスを気相とし、前記被処理水液を液相とする二酸化炭素溶解膜を介した気液ガス交換により、前記のランゲリア指数−1.0以下の炭酸水液を調製する、請求項1記載の脱酸素処理方法。
- 前記の炭酸水液の脱酸素処理において、気液ガス交換の気相として窒素ガス及び/又は炭酸ガスを用いる、請求項1又は2記載の脱酸素処理方法。
- 前記の炭酸水液の脱酸素処理を、気液ガス交換の気相を真空引きしながら行う、請求項1〜3のいずれか1項記載の脱酸素処理方法。
- 前記被処理水液中、硬度成分の含有量が10〜2000mgCaCO3/Lである、請求項1〜4のいずれか1項記載の脱酸素処理方法。
- 溶存酸素及び硬度成分を含有する被処理水液中に炭酸ガスを溶解することにより、該被処理水液を、ランゲリア指数が−1.0以下の炭酸水液とし、この炭酸水液を、気体透過膜を介した気液ガス交換により脱酸素処理することを含む、硬度成分を含有する脱酸素炭酸水液の製造方法。
- 炭酸ガスを含む不活性ガスを気相とし、前記被処理水液を液相とする二酸化炭素溶解膜を介した気液ガス交換により、前記のランゲリア指数−1.0以下の炭酸水液を調製する、請求項6記載の製造方法。
- 前記の炭酸水液の脱酸素処理において、気液ガス交換の気相として窒素ガス及び/又は炭酸ガスを用いる、請求項6又は7記載の製造方法。
- 前記の炭酸水液の脱酸素処理を、気液ガス交換の気相を真空引きしながら行う、請求項6〜8のいずれか1項記載の製造方法。
- 前記被処理水液中、硬度成分の含有量が10〜2000mgCaCO3/Lである、請求項6〜9のいずれか1項記載の製造方法。
- 溶存酸素及び硬度成分を含有する被処理水液中に炭酸ガスを溶解し、該被処理水液を、ランゲリア指数が−1.0以下の炭酸水液とする手段Xと、該炭酸水液を、気体透過膜を介した気液ガス交換により脱酸素処理する手段Yとを有する、被処理水液の脱酸素処理システム。
- 前記手段Xが、前記被処理水液を流通させた流通管内に炭酸ガスを含む不活性ガスを合流して該被処理水液中に炭酸ガスを溶解させることを含み、
前記手段Yが、前記気体透過膜の一方の膜面Kに前記炭酸水液を導入して該炭酸水液を膜面Kに接触させ、かつ前記気体透過膜の他方の膜面Lには不活性ガスを導入して該不活性ガスを膜面Lに接触させることを含む、請求項11記載の脱酸素処理システム。 - 前記脱酸素処理システムが、気体透過膜を有する気液ガス交換ユニットを2つ以上直列に配した多段ユニット構成を有し、
前記多段ユニットを構成する各気液ガス交換ユニットの気相に炭酸ガスを含む不活性ガスを導入し、
前記多段ユニットの一方の末端に位置する気液ガス交換ユニットの液相には前記被処理水液を導入し、導入された被処理水液は多段ユニットを構成する各気液ガス交換ユニットの液相内を順次、一方向に流通しながら、気体透過膜を介した気液ガス交換により炭酸ガスの溶解と脱酸素を生じ、
導入された被処理水液の、ランゲリア指数−1.0超の状態における気液ガス交換を前記手段Xとし、導入された被処理水液中への炭酸ガスの溶解により、該液のランゲリア指数が−1.0以下に低下した状態における気液ガス交換を前記手段Yとする、請求項11記載の脱酸素処理システム。
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