JP2023520943A - 消費材の冷凍保存方法及び装置 - Google Patents

Abstract

消費材を保存するための装置であって、外側断熱ハウジング内に配置された内側ハウジングを有し、内側ハウジングの壁が消費材を受け入れるための区画を規定し、当該壁は、熱交換流体を区画内に流入させるための入口壁、熱交換流体を区画から流出させるための対向する出口壁、側壁及び基部を含み、側壁およびベースは、入口壁と出口壁に隣接しており、入口壁および出口壁はそれぞれ、動作時に、内側ハウジングの区画に受け入れられた消費材が熱交換流体に浸されて熱交換流体と熱交換するように、装置を通過する連続した熱交換流体の流れを収容する一連の開口部を含むことを特徴とする。

Description

本発明は、消費材を冷凍する方法および消費材を保存する装置に関するものである。

冷凍による食品の保存は、家庭環境および商業環境で広く用いられている。製品の温度は、化学反応および酵素反応、ならびに微生物の繁殖のようなすべての劣化プロセスが遅くなる程度に低下される。典型的には、リパーゼ活性のような酵素反応は、凍結の前に製品を湯通し（ブランチング）することによって停止させることができる。

利用可能な家庭用冷凍システムは、運用コストと製品の保存期間を長くする適切な冷凍温度とのバランスをとるように設計されている。このようなシステムの温度範囲は予め決められており、ユーザが容易に変更することはできない。また、家庭用冷凍庫の多くは、直立型のディスプレイを採用しているため、消費者のアクセスは容易であるが、冷却効率が低下する可能性がある。

商業的な冷凍システムには、液体窒素個別急速冷凍（ＩＱＦ）システム、液体窒素浸漬システム、およびエアブラスト冷凍が含まれる。これらの技術の中には、高い熱伝達係数を達成し、微生物を死滅させ、食品と直接接触させることができるものもあるが、いずれも感覚結果（味、食感、外観）が低下し、典型的には低価値の製品にのみ適している。

食品を冷凍することの保存上の利点はよく知られているが、既存の方法では品質が低下することがあり、主な品質低下は食感や味の変化で、多くの場合、製品の外層の脱水が原因である。また、「ドリップロス」という問題もある。これは、製品内で氷の結晶が成長して細胞壁に穴を開け、果汁が流出し、解凍時に製品の質量が減少してしまうものである。その結果、硬さ、栄養、風味が損なわれてしまう。氷晶の成長速度は、ゆっくりとした凍結プロセスや何度も凍結融解を繰り返すと、細胞内部から細胞外への液体の移動により、より深刻になる。急速凍結では、細胞外への水分移行を最小限に抑えることができるため、より小さな細胞内氷の形成が促進され、組織へのダメージやドリップロスが少なく、より均質な構造を作り出すことができる。極低温凍結システムは、バイオメディカル分野において、細胞を保存し、後で使用するために頻繁に使用されている。凍結保存のプロセスは、一般的に大きく２つのステップで構成されている。
１．細胞の制御された冷却と保存
このステップでは、細胞から液体を取り除き、凍結保護剤で置換した後、制御された液体窒素浴に入れ、ガラス化を達成する。
２．液体窒素による長期保存
冷却制御して保存された細胞は、液体窒素の貯蔵タンクに入れられ、数年間または必要な期間、保存される。

食品保存のためのＩＱＦ技術および液体窒素浸漬システムは、広く第２段階に基づいているが、上述のように、このプロセスは、非効率であるだけでなく、製品に損傷を与える可能性がある。食品はその液体を除去して凍結保護剤に置き換えることができないので、第１段階は食品を保存するための解決策としては一般に使用されない。

さらに、食品の相転移は保存食の品質に大きく関係している。ガラスは、非結晶であるため、液体または非晶質状態と同様の無秩序な構造を有している。ガラス状態では、劣化に関与する化合物は分子間距離に対して非常にゆっくりとしか拡散することができない。そのため、ガラス転移温度以下の食品は、数カ月から数年にわたり高い安定性を保つことができる。食品は多成分の混合物から構成されているため、全体的な特性を予測することが難しく、ガラス転移温度は実際の食品ではなく、純粋な成分について報告されるのが一般的である。このことは、一貫した正確なデータが存在せず、不可能ではないにせよ、達成することが困難な食品保存の分野では、継続的な課題となっている。

この文脈では、ａ）微生物の減少または除去をもたらす目標温度を達成する必要性、ｂ）氷結晶の形成およびそれによって細胞の損傷を低減するために必要な凍結速度、およびｃ）経済的実行可能性のバランスをうまくとる凍結による食品保存の信頼できる方法が必要である。

食品を冷凍するための浸漬タンクは存在するが、これまでのシステムは、低温での流体の高粘度と、流体を有機汚染物質から隔絶して維持するという問題を有していた。食品を封じ込め、汚染を防止するために包装が使用されている場合、液体窒素プロセスによる凍結を含む急速冷却プロセス中に、包装が破れたり、その他の方法で損傷したりする傾向がある。

味や栄養価への悪影響を減らすなど元の食品の完全性を維持し、製品の安全性を高める、費用対効果の高い方法で消費材（例えば、魚、肉、牛乳など）を保存するシステムの改良が必要である。

本発明の第１の態様によれば、外側断熱ハウジング内に配置された内側ハウジングを備える消費材保存用の装置が与えられ、当該装置は、内側ハウジングの壁が、消費材を受け入れるための区画を規定し、壁は、熱交換流体を前記区画に流入させるための入口壁と、熱交換流体を区画から流出させるための対向する出口壁と、側壁及びベースとを含み、側壁およびベースは、入口壁および出口壁に隣接しており、入口壁および出口壁はそれぞれ、動作時に、内側ハウジングの区画に受け入れられた消費材が、熱交換流体に浸されて熱交換流体と熱交換するように、装置を通過する連続した熱交換流体の流れを収容する一連の開口部を含むことを特徴とする。

本発明の第２の態様によれば、熱交換流体を用いて保存装置内で消費材を保存する方法が提供され、当該方法は、
ａ．冷凍される消費材の近似的な形状の総表面積を決定する工程と、
ｂ．タンク形状およびタンク内の食品の所定の配置と、熱交換流体の所定の温度上昇の両方による流れの制約に基づいて、装置内の消費材について数値流体力学解析を実行する工程と、
ｃ．所定の製品表面温度における消費材の熱伝達係数を決定する工程と、
ｄ．工程ｃで決定された最も低い熱伝達係数の１０未満を切り捨てて、熱伝達係数を選択する工程と、
ｅ．消費材の近似的な形状を、予め定められた数の等分体積増分に分割する工程と、
ｆ．消費材の熱的特性を推定する工程と、
ｇ．工程ｄで決定された熱伝達係数を用いたエネルギー保存分析に基づいて、所定の熱交換流体温度と熱交換流体の所定の流量に対して、各増分が所定の初期温度から所定の最終温度に到達するのに必要な時間を計算する工程と、
ｈ．工程ｆで計算された時間に基づいて、達成可能な冷却の平均速度を決定する工程と、
ｉ．達成可能な冷却の決定された平均速度が毎分０．５℃以上である場合、所定の熱交換流体温度を選択し、達成可能な冷却の決定された平均速度が毎分０．５℃より小さい場合、達成可能な冷却速度が少なくとも毎分０．５℃となるように、所定の熱交換流体温度より十分に低い熱交換流体温度を選択する工程と、
ｊ．消費材を、保存のために装置内に配置する工程と、
ｋ．工程ｉで決定された温度を使用して、消費材を冷却にさらし、消費材を少なくとも毎分０．５℃の速度で冷却する工程と
を有する。

総表面積は、消費材の簡略化された幾何学的推定の総表面積であってもよい。例えば、牛乳瓶は、円筒として近似されてもよく、従って、総表面積は、それらの円筒の総表面積となる。

消費材は、例えば、魚や肉、野菜などの食品であってもよい。また、消費可能製品は、牛乳などの飲料や液体成分などの液体製品から構成されてもよい。また、本明細書で使用する消費材は、例えば瓶、プラスチックフィルム等の包装に加えて、消費される製品を指すこともある。

本明細書に開示される方法及び装置の好適実施形態は、氷晶の形成を最小限に抑え、保存中の細胞損傷を防止することができる。

本明細書に開示される方法及び装置の好適実施形態は、いかなる糖類又は合成添加物も使用しない保存を提供する。

本明細書に開示される方法の好適実施形態は、消費材の昇華を伴わない保存を提供する。

本明細書に開示される方法及び装置の好適実施形態は、従来の冷凍と比較して低減されたドリップロスを提供する。

本明細書に開示される方法及び装置の好適実施形態は、新鮮な製品と比較して、栄養価が保持され、製品の安全性が保持又は改善される、消費材の保存を提供するものである。

本発明の実施形態は、非限定的な例として添付の図面を参照して説明される。

図１は、消費材保存用タンクの下方斜視図である。 図２は、消費材の保存のためのタンクの上方斜視図である。 図３は、牛乳瓶を収容するタンクの上方斜視図である。 図４は、魚又は肉用のトレイを収容したタンクの上方斜視図である。 図５は、魚又は肉用のトレイを収容したタンクの上方斜視図である。 図６は、哺乳瓶を収容するための空のバスケットを含むタンクの上方斜視図である。 図７は、ボトル用バスケットの上方斜視図である。 図８は、肉または魚のトレイを保持するためのラックの上方斜視図である。 図９は、肉または魚を保持するための個々のトレイである。 図１０は、１リットルの牛乳１００本を収容したタンク内の温度を数値流体力学的に解析した結果を示す画像である。 図１１は、タンク内の流速の数値流体力学的解析を示す画像である。 図１２は、図１０に示す解析の伝導率上面図である。 図１３は、タンク内の温度分布を示す瓶の列の間のカットプロットである。 図１４は、タンク内の温度分布を示すボトルの列を通るカットプロットである。 図１５は、タンク内の速度分布を示すボトルの列を通るカットプロットである。 図１６は、全牛乳の比エンタルピーの温度との関係を示すグラフである。 図１７は、牛乳の伝導率を示すグラフである。 図１８は、牛乳を保存する第１の事例について、１１等分した増分での経時的な温度低下を示すグラフである。 図１９は、牛乳を保存する第１の事例について、経時的なエネルギーレベルを示すグラフである。 図２０は、牛乳を保存する第２の事例について、１１等分した増分での経時的な温度低下を示すグラフである。 図２１は、牛乳を保存する第２の事例について、経時的なエネルギーレベルを示すグラフである。 図２２は、牛乳を保存する第３の事例について、１１等分した増分での経時的な温度低下を示すグラフである。 図２３は、牛乳を保存する第３の事例について、エネルギーレベルの経時変化を示すグラフである。 図２４は、牛乳を保存する第４の事例について、１１等分した増分での経時的な温度低下を示すグラフである。 図２５は、牛乳を保存する第４の事例について、経時的なエネルギーレベルを示すグラフである。 図２６は、魚の比エンタルピーと温度との関係を示すグラフである。 図２７は、魚製品の伝導率を示すグラフである。 図２８は、魚を保存する第１の事例について、１１等分した増分での経時的な温度低下を示すグラフである。 図２９は、魚を保存する第１の事例について、経時的なエネルギーレベルを示すグラフである。 図３０は、魚を保存する第２の事例について、１１等分した増分での経時的な温度低下を示すグラフである。 図３１は、魚を保存する第２の事例について、経時的なエネルギーレベルを示すグラフである。 図３２は、食肉を収容するタンク内の温度を数値流体力学的に解析した結果を示す画像である。 図３３は、食肉を収容するタンク内の速度の数値流体力学的解析を示す画像である。 図３４は、タンク内の温度分布を示す肉のトレイを通るカットプロットである。 図３５は、タンク内の速度分布を示す肉のトレイを通るカットプロットである。 図３６は、魚を保存する第３の事例について、１１等分した増分での経時的な温度低下を示すグラフである。 図３７は、魚を保存する第３の事例について、経時的なエネルギーレベルを示すグラフである。 図３８は、魚を保存する第４の事例について、１１等分した増分での経時的な温度低下を示すグラフである。 図３９は、魚を保存する第４の事例について、経時的なエネルギーレベルを示すグラフである。 図４０は、食肉の比エンタルピーと温度との関係を示すグラフである。 図４１は、食肉製品の伝導率を示すグラフである。 図４２は、食肉を保存する第１の事例について、１１等分した増分での経時的な温度低下を示すグラフである。 図４３は、食肉を保存する第１の事例について、経時的なエネルギーレベルを示すグラフである。 図４４は、食肉を保存する第２の事例について、１１等分した増分での経時的な温度低下を示すグラフである。 図４５は、食肉を保存する第２の事例について、経時的なエネルギーレベルを示すグラフである。 図４６は、食肉を保存する第３の事例について、１１等分した増分での経時的な温度低下を示すグラフである。 図４７は、食肉を保存する第３の事例について、経時的なエネルギーレベルを示すグラフである。 図４８は、食肉を保存する第４の事例について、１１等分した増分での経時的な温度低下を示すグラフである。 図４９は、食肉を保存する第４の事例について、経時的なエネルギーレベルを示すグラフである。 図５０は、冷凍装置の配管及び計装図である。

浸漬タンク
図１および図２は、消費材の保存のための浸漬タンク１を示す。この例では、浸漬タンク１は、瓶を収容した状態で示されており、最大１００本の牛乳瓶を収容できる容量を有している。タンク１は、ＡＳＴＭ Ａ２４０に適合するように鋼鉄で構成されている。タンク１は、２つの熱交換流体入口２と２つの熱交換流体出口３とを有し、入口２は入口壁４に位置し、出口３は出口壁５に位置している。図２は、タンク１の外壁の内部に位置する内側ハウジング１０を示す。内側ハウジング１０は、入口壁１４、出口壁１５およびベース１６を有し、それぞれが、内側ハウジング１０への熱交換流体の流入および流出を可能にする開口部１１を含む。開口部１１は、入口壁１４および出口壁１５に１０個ずつ４列、ベース１６に１０個ずつ１０列で設けられている。入口壁１４とベース１６に設けられた開口部１１は直径１０ｍｍであり、出口壁１５に設けられた開口部１１は直径２０ｍｍである。入口壁１４は、入口２の内側面１２から１００ｍｍ離れた位置にあり、そのため空隙１３が設けられている。出口壁１５と出口壁５の内壁面との間にも同様の空隙が設けられている。さらに、ベース部には１００ｍｍの空隙が設けられている。内側面１２は、入口２から５０ｍｍ離れて配置され、ブラケットで固定された鋼板型枠によって規定され、タンク１の製造中にポリウレタンフォーム断熱材が圧入される空洞を提供する。断熱材は、タンクの頂部からタンクの壁の約５９５ｍｍ下まで、タンクの４つの壁全てに同様の方法で提供される。直径３０ｍｍの穴２２の列が、各壁の底面に沿って、ベース７とタンクの壁との間に約４５°の角度で位置するストリップ２３に沿って設けられている。ストリップ２３は、タンク構造を支えるために設けられ、また、トレイまたはバスケットが内側ハウジング１０の壁またはベースに対して静止するのを防ぐためのガイドとして使用することも可能である。タンク構造を補強し、ガイド機能を果たす他の配置も可能であることが理解されよう。穴２２は、ストリップ２３の存在によりタンクのこれらの領域に蓄積する可能性のある熱交換流体の停滞を低減するのに役立つ。

タンク１のベース７からドレイン６が設けられ、タンク１の出口壁５を越えて熱交換流体出口３の下方に延びるように向けられたエルボ管として形成されている。熱交換流体入口２および熱交換流出口３は、直径８０ｍｍを有する。

タンク１は、鋼板（図示せず）で形成された蓋をさらに含む。タンク１のベース７は、タンク１の中央重量を支持する４つの中央脚部８と、タンク１の角部に位置し、タンク壁の端部に形成された脚部１６とを含む。タンク壁の下端には、タンクのベース７のメンテナンスのためのアクセスを提供するための切り欠き部９が設けられている。タンク１は、約１．１０５ｍの高さを有し、１．７０５ｍの辺の長さを有する正方形状に構成される。牛乳を冷凍する場合、図３に示すように、蓋（図示せず）には、ボトルバスケット１７からなる構造体が、対向する両端にフックを有するバー１８によって吊り下げられ、バー１８は、取付部１９によって蓋に取付け可能である。

図４に示すように、肉や魚を保存するための蓋に、４０ｋｇのラックトレイ２１からなる構造物を吊り下げることができる。

図５は、タンク１内の肉／魚ラックトレイ２１を示す上方斜視図である。図６は、タンク１内のボトルバスケット１７を示す図である。ボトルバスケット１７は、ボトルの側面を保持するための受け穴２０を含む。

図７は、ボトルバスケット１７を分離して示している。バスケット１７は、ベース２４と、対向する側面３０とを有する。側面３０は、取付部１９を介して蓋に取り付けられることになるバー１８の対向する端部に取り付けられている。ボトルスタビライザー部分２０ａは、ボトル受け部２０を含み、対向する側面３０に設けられたスロット３１にクリップすることによって、バスケット１７に取り付けられる。ボトル受け部２０の間にはさらに孔２０ｂが設けられ、バスケット１７がボトルで満たされ、熱交換流体中に浸されたときに、ボトル間の流体の流れを容易にする。

図８は、肉／魚ラックトレイ２１を分離して示している。ラックトレイ２１はまた、個々のトレイ２８がスロット３１でクリップすることができる対向する側面３０を含む。個々のトレイ２８は、それぞれラッチ２５で閉じられている。ラックトレイ２１は、バー１８の対向する端部から吊り下げられ、取付部１９によってタンクの蓋の下側に取り付けられる。ユーザは、ラックトレイ２１から個々のトレイ２８をスライドさせるためにハンドル２９を掴むことができる。

図９は、個々のトレイ２８を分離して示している。このトレイは、肉又は魚の個々のピースを封入するための形状部分２６を有する。トレイ２８は、ヒンジ接合部２７を中心に閉じられ、ラッチ２５によって固定される。

タンク１内には、－７０℃以上では凍結しない熱交換流体が充填されている。熱交換流体は、熱交換流体入口２を介して空隙１３に毎時１７立方メートルの体積流量でタンク１内に圧送される。熱交換流体が開口部１１の制限された領域を通って押し出されるので、空隙１３内に圧力が蓄積され、したがって体積流量は減少するが、内側ハウジング１０に入る流体の速度は増加する。また、一部の流体は、内側ハウジング１０の下を移動し、出口壁５の対向する空洞に押し上げられ、一部の流体は、内側ハウジング１０のベース７に設けられた開口部１１を通って上方へも移動する。開口部１１は、タンクのすべての部分への冷たい流体の分配を改善し（例えば、タンク全体の温度分布を示す図１０を参照）、さもなければ入口領域から離れた場所で発生しそうなホットスポットの発生を最小限に抑えることができる。熱交換流体がタンク１内を連続的に流れるにつれて、牛乳および牛乳瓶から熱が除去され、タンク１を出る加熱された熱交換流体は、その後、熱交換流体を連続的に冷却する冷凍装置と交換されることになる。熱交換流体自体は、冷凍装置内の冷媒と熱交換を行う。

好ましくは、タンクの浸漬流体として、有利に、極低温でも比較的低い粘度を有する低域熱伝達流体が使用されることで、ひいては、システムのためのポンプ電力要件を減少させることができる。下の表（表１）は、熱伝達流体の熱特性のいくつかを規定する。

上記の各温度において、熱交換流体は、非常に低くかつ水の密度より小さい密度を有する。タンクの運転中に何らかの破損又はこぼれが生じた場合、破損又はこぼれた物質はタンクの下部に沈む傾向があり、熱交換流体の実質的な損失なしにその物質を容易に排水できるのが好ましい。熱交換流体は、保存に必要な低温で過剰なポンプ出力を必要としない程度の低粘度であれば、任意の適切な熱交換流体を使用できることが理解されよう。また、熱交換流体は、食品として安全なものであることが好ましい。

上記の表２は、タンク内の流体から２０ｋＷの熱が抽出されると仮定して、熱交換流体の様々な流量に対するタンク入口と出口との間の温度差を与える。表２から、約４ｋｇ／秒の質量流量を用いて、入口と出口との間に３℃の温度差を達成することができることが分かる。この温度差は、必要な蒸発器デューティと必要な製品の冷却の観点から、許容できる温度上昇であると判断された。許容可能な温度上昇は、システムを商業的に成立させるために一度に処理できる製品の最大数に関連するコストと釣り合わせなければならない。熱交換流体と消費材との間の熱伝達を高めるためには、流量が多い方が望ましいことは理解できよう。しかし、流量が大きいと流動抵抗も大きくなるため、より高いポンプ動力が必要となる。

牛乳の数値流体力学解析
熱交換流体がタンク内をどのように流れるかを可視化し、熱交換流体と消費材との間の熱伝達係数を推定し、熱交換流体がタンク内を流れる際の圧力損失を求めるために、タンクに対して数値流体力学的解析を行う。

図１０は、ボトル表面温度を－３０℃と規定した場合のタンク内の熱交換流体の流動解析のシミュレーションを示す側面図である。図では、タンク内の様々な箇所の温度を表すために、黒が最も暖かいゾーン、白が最も寒いゾーンを表すように陰影がつけられている。矢印は、タンク内とボトルの周囲を移動する流体の軌跡を表している。５０℃の冷たい流体は，開口部１１による分布によってボトルを取り囲むことができる．この図からわかるように、熱交換流体は、この図ではタンクの左側にある入口壁から約－５０℃でタンクに入る。熱交換流体が消費製品（この場合、牛乳瓶）から熱を吸収すると、約－４７℃のわずかに暖かい熱交換流体が、出口壁から出る前にタンクの上部に蓄積される。熱交換流体の温度が３℃上昇することは許容範囲とされた。

図１１は、同じ事例のタンク内の熱交換流体の流動解析のシミュレーションの側面図であるが、図は様々な流速を表現するために陰影を付けている。牛乳瓶の周りのタンク内の流速は非常に小さく、すなわち、０．０２ｍ／ｓ未満である。しかし、流体が開口部を通過する際の入口壁（画像左側）、底部のさまざまな開口部、および出口壁の開口部（画像右側）では、流速が高くなっていることがわかる。

図１２は、図１０および図１１と同じ条件下で、温度分布に陰影をつけたタンクの上面図である。

他の様々なボトル表面温度で同様のプロセスの分析を行い、牛乳（ボトルを含む）と熱交換流体の間で決定された平均熱伝達係数を示す以下の表（表３）が作成された。

熱交換流体の流速を非常に低く設定したので、ボトルから熱交換流体への対流熱伝達は、流体の局所加熱とそれに対応する密度差によって生じる流体の自然運動、すなわち浮力駆動流によって大きく駆動されることになる。入口から出口までの圧力損失は、流量４ｋｇ／ｓで約６６０パスカルであることがわかった。

牛乳に関する熱伝達解析
冷凍システムの入力パラメータを変化させた場合の影響を調査することによって、さらなる分析が行われる。これには、製品の幾何学的形状、製品の温度、包装の特性、利用されるラッキングシステムの特性などが含まれる場合がある。この方法では、消費材を幾何学的な単位に分割する（例：瓶の円筒形の殻）。つまり、与えられたタイムステップで、ある量のエネルギーがシェルから除去され、その結果、そのシェルの温度が低下する。除去されるエネルギー量は、隣接するシェルの温度とシェル間の熱流に対する抵抗の関数である。このため、温度による消費材の熱特性を考慮する必要がある。

牛乳は、２℃の開始温度、およびＡＳＨＲＡＥ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｈａｎｄｂｏｏｋ－Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｆｏｏｄｓ（タンパク質、脂肪および水の含有量を含む）で与えられる特性を有する固体塊として扱うことができると仮定して分析が行われた。図１６は、ハンドブックから得られた異なる温度における全牛乳の比エンタルピー値をプロットしたものである。図１４は、Ｋｏｐｅｌｍａｎ法により測定された全牛乳の伝導率を示すグラフである。

牛乳瓶製品の異なる幾何学的形状と熱交換流体の異なる温度を評価するために、多くの事例が調査された。下の表（表４）は、調査された事例の概要を提供する。

表３に示した数値流体力学解析で得られた結果を考慮して、熱伝達係数を推定すると、シミュレーションされた最も低い熱伝達係数を取り、その１０未満を切り捨てて得た１３０Ｗ／ｍ^２・Ｋである。下表（表５）は、上記の調査した事例について、シミュレーションソフトで予測された凍結時間の結果を示している。

図１８は、調査した事例１について、ボトルの表面からコアまでの１１個の幾何学的な均等分散増分における温度－時間関係を示すグラフである。図１８から分かるように、ボトルの最外層では最初の５分以内に急激な温度低下が観察されるが、芯部では約４１分まで大きな温度低下が観察されない。さらに、中心部の温度が－３０℃に達するのは、約４３．５分後である。この結果から、氷の結晶の形成を最小限に抑えることができたと推測される。

図１９は、製品の平均温度がそれぞれ－１０℃および－３０℃にあるエネルギーレベルに対して比較した、調査した事例１の時間経過に伴う総エンタルピーを示す。これらの目標温度である－１０℃および－３０℃は、多くの要因に基づいて関連する目標値として選択された。例えば、微生物の活動は、当該微生物に基づいて異なる温度で死滅または減速され、また、目標温度での冷却速度および時間の長さが異なる。特に、－１０℃で数日間食品を保存すると、トキソプラズマ・ゴンディ、エンタメーバ、トリパノソーマなど特定の微生物にとって致命的である。しかし、商業的に成立させるためには、この温度を妥当な時間内に達成する必要があり、さらに、氷晶の形成による細胞の損傷を最小限に抑えるために急速冷凍が必要である。経済性、細胞の損傷（食品の感覚的な劣化をもたらす）、微生物の破壊および／または遅延、これらの要因のバランスを考慮した値が選択される。

冷蔵システムは、４℃からスタートした１リットルの牛乳瓶１００本を３５分以内に最終温度－３０℃まで保存する必要があると判断された。

牛乳の質量を１０３．８ｋｇと計算
４℃の牛乳の比エンタルピーは、３６９ｋＪ／ｋｇ
３０℃の牛乳の比エンタルピーは、１８．５ ｋＪ／ｋｇ
牛乳からの必要なエネルギー除去量は、次式で与えられる。
ｍ（ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ}―ｈ_{ｆｉｎａｌ}） （１）
ここで、
ｍ＝牛乳の質量
ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ}＝牛乳の初期比エンタルピー（４℃の場合）
ｈ_{ｆｉｎａｌ}＝牛乳の最終比エンタルピー（－３０℃の場合）

したがって、牛乳から除去される熱量は
１０３．８（３６９－１８．５）＝３６３８２（ｋＪ）となる。
冷凍時間が３５分の場合、必要な除熱速度は
３６３８２／（３５（ｍｉｎｓ）×６０（ｓｅｃｓ））＝１７．３（ｋＷ）である。

大気から１ｋＷの熱を得ると仮定すると、必要な冷凍システムのデューティは１８．３ｋＷである。牛乳の凍結は冷凍システムにとって最も高い負荷となるため、少なくとも１リットルの牛乳１００本を３５分で保存できる仕様、すなわち１８．３ｋＷ以上の仕様が必要である。従って、冷凍システムの初期設計条件として、１．７ｋＷの安全マージンを含め、蒸発器デューティを２０ｋＷとする。タンクの入口温度は、－５０℃でも－７０℃でもよい。

事例１に戻り、直径８５ｍｍのガラス製牛乳瓶は、入口温度－５０℃、流量４ｋｇ／ｓ、熱伝達係数１３０Ｗ／ｍ^２・Ｋを有する熱交換流体によって冷却されており、ガラス外層の厚さは１ｍｍである。

図２０は、事例２の等分増分での温度プロファイルを示す図である。この場合、牛乳は、直径８５ｍｍ、厚さ１ｍｍ、容量１リットルのガラス瓶に収容されている。熱交換流体は、入口温度－７０℃、質量流量４ｋｇ／ｓで、熱伝達係数は１３０Ｗ／ｍ^２・Ｋである。

図２１は、調査した事例２について、製品の平均温度が－１０℃と－３０℃になるエネルギーレベルに対して、経時的に計算されたエネルギーをそれぞれ比較したものである。

図２２は、事例３の等分増分での温度プロファイルを示す。この場合、牛乳は直径６９ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、容量５００ｍＬのペットボトルに収容されている。熱交換流体は、入口温度－５０℃、質量流量４ｋｇ／ｓ、熱伝達係数１３０Ｗ／ｍ^２・Ｋである。

図２３は、調査した事例３について、製品の平均温度が－１０℃と－３０℃になるエネルギーレベルに対して、経時的に計算されたエネルギーをそれぞれ比較したものである。

図２４は、事例４の等分増分での温度プロファイルを示す。この場合、牛乳は、直径６９ｍｍ、プラスチック１．５ｍｍ、容量５００ｍＬのプラスチックボトルに収容されている。熱交換流体は、入口温度－７０℃、質量流量４ｋｇ／ｓ、熱伝達係数１３０Ｗ／ｍ^２・Ｋである。

図２５は、調査した事例４について、製品の平均温度が－１０℃と－３０℃になるエネルギーレベルに対して、経時的に計算されたエネルギーをそれぞれ比較したものである。

図１８、図２０、図２２、図２４の比較からわかるように、直径８５ｍｍのボトルと６９ｍｍのボトルとでは、凍結時間に大きな差はないことが確認された。１．５ｍｍ厚のプラスチックボトルは、１ｍｍ厚のガラスボトルよりも耐熱性が高いことがわかる。５００ｍＬボトルの表面積は１０００ｍＬボトルより大幅に小さい。

魚の熱伝達解析

魚の開始温度もまた２℃とした。魚の種類はタラとし、その物性はＡＳＨＲＡＥ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｈａｎｄｂｏｏｋ－Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｆｏｏｄｓから得たものである。図２６は、得られた魚の比エンタルピー値である。図２４は、魚について得られた伝導率の値を示している。

表６に示す数値流体力学解析で得られた結果を考慮して、熱伝達係数を見積もると、シミュレーションした最も低い熱伝達係数の１０未満を切り捨てて得た１００Ｗ／ｍ^２・Ｋである。

魚について調査した事例を下表に示す（表７）。

上記に示すように、熱交換流体の流量、ひいては熱伝達係数（ＨＴＣ）は、上記の各事例において同じままである。下表（表７）は、上記調査した事例について、シミュレーションソフトにより予測される凍結時間の結果を示すものである。

上記の各事例について、魚の表面から芯まで等分した１１個の増分での時間的な温度変化を計算する。図２８は、事例１の温度プロファイルを示す。この場合、魚の厚さは５０ｍｍであり、長さは１００ｍｍ、幅は５０ｍｍである。魚は、０．１ｍｍのプラスチックに収められている。熱交換流体の入口温度は－５０℃、質量流量は４ｋｇ／ｓ、熱伝達係数は１００Ｗ／ｍ^２・Ｋである。

図２９は、調査した事例１について、製品の平均温度が－１０℃と－３０℃になるエネルギーレベルに対して、経時的に計算されたエネルギーをそれぞれ比較したものである。

図３０は、事例２の温度プロファイルを示す。この場合、魚は厚さ５０ｍｍで、長さと幅がそれぞれ１００ｍｍと５０ｍｍである。魚は０．１ｍｍのプラスチック内に収められている。熱交換流体は、入口温度が－７０℃、質量流量が４ｋｇ／ｓであり、熱伝達係数は１００Ｗ／ｍ^２・Ｋである。

図３１は、調査した事例２について、製品の平均温度が－１０℃と－３０℃になるエネルギーレベルに対して、経時的に計算されたエネルギーをそれぞれ比較したものである。

図３６は、事例３の温度プロファイルを示す。この場合、魚は厚さ２５ｍｍで、長さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍである。魚は０．１ｍｍのプラスチック内に収められている。熱交換流体は、入口温度が－５０℃、質量流量が４ｋｇ／ｓであり、熱伝達係数は１００Ｗ／ｍ^２・Ｋである。

図３７は、調査した事例３について、製品の平均温度が－１０℃と－３０℃になるエネルギーレベルに対して、経時的に計算されたエネルギーをそれぞれ比較したものである。

図３８は、事例４の温度プロファイルを示す。この場合、魚は厚さ２５ｍｍで、長さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍである。魚は０．１ｍｍのプラスチック内に収められている。熱交換流体は、入口温度－７０℃、質量流量４ｋｇ／ｓ、熱伝達係数１００Ｗ／ｍ^２・Ｋである。

図３９は、調査した事例４について、製品の平均温度が－１０℃と－３０℃になるエネルギーレベルに対して、経時的に計算されたエネルギーをそれぞれ比較したものである。

以上の結果からわかるように、厚みのある魚片よりも薄い魚片の方が早く冷凍できることがわかる。

食肉に関する熱伝達解析
肉の開始温度も２℃に仮定した。肉の種類は赤身のサーロインとし、その物性はＡＳＨＲＡＥ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｈａｎｄｂｏｏｋ－Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｆｏｏｄｓから得たものである。図４０に、得られた魚の比エンタルピー値を示す。図４１は、魚について得られた伝導率の値を示している。

食肉について調査した事例を下表に示す（表９）。

上記に示すように、熱交換流体の流量、ひいては熱伝達係数（ＨＴＣ）は、上記の各事例において同じままである。下表（表１０）は、上記調査した事例について、シミュレーションソフトにより予測される凍結時間の結果を示すものである。

上記の各事例について、肉の表面から芯まで等分した１１個の増分の経時的な温度変化を計算する。図４２は、事例１の温度プロファイルを示す。この場合、肉は厚さ５０ｍｍで、長さが１００ｍｍ、幅が５０ｍｍである。肉は０．１ｍｍのプラスチックに収められている。熱交換流体の入口温度は－５０℃、質量流量は４ｋｇ／ｓ、熱伝達係数は１００Ｗ／ｍ^２・Ｋである。

図４３は、調査した事例１について、製品の平均温度が－１０℃と－３０℃になるエネルギーレベルに対して、経時的に計算されたエネルギーをそれぞれ比較したものである。

図４４は、事例２の温度プロファイルを示す。この場合、肉は厚さ５０ｍｍで、長さと幅がそれぞれ１００ｍｍと５０ｍｍである。肉は０．１ｍｍのプラスチック内に収容されている。熱交換流体は、入口温度が－７０℃、質量流量が４ｋｇ／ｓであり、熱伝達係数は１００Ｗ／ｍ^２・Ｋである。

図４５は、調査した事例２について、製品の平均温度が－１０℃および－３０℃となるエネルギーレベルに対して、経時的に計算されたエネルギーをそれぞれ比較したものである。

図４６は、事例３の温度プロファイルを示す。この場合、肉は厚さ２５ｍｍで、長さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍである。肉は０．１ｍｍのプラスチック内に収容されている。熱交換流体は、入口温度が－５０℃、質量流量が４ｋｇ／ｓであり、熱伝達係数は１００Ｗ／ｍ^２・Ｋである。

図４７は、調査した事例３について、製品の平均温度が－１０℃と－３０℃になるエネルギーレベルに対して、経時的に計算されたエネルギーをそれぞれ比較したものである。

図４８は、事例４の温度プロファイルを示す。この場合、肉は厚さ２５ｍｍで、長さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍである。肉は０．１ｍｍのプラスチック内に収容されている。熱交換流体は、入口温度が－７０℃、質量流量が４ｋｇ／ｓであり、熱伝達係数は１００Ｗ／ｍ^２・Ｋである。

図４９は、調査した事例４について、製品の平均温度が－１０℃と－３０℃になるエネルギーレベルに対して、経時的に計算されたエネルギーをそれぞれ比較したものである。

以上の結果からわかるように、厚みのある肉片よりも薄い肉片の方が早く冷凍できることがわかる。

本発明の好適実施形態において、消費材は、包装内に収容されるか、または、タンクへの浸漬に使用されるバスケットまたはトレイ構造内に収容される。有利には、これにより、割れの問題により包装を使用しない既存の浸漬保存方法の問題である、保存プロセス中の製品の昇華が防止される。

有利には、上記の分析を用いて、所望の流量（例えば４ｋｇ／秒）で所望の時間（例えば３０分）内に食品の温度を目標温度（例えば－５０℃）まで下げるために、本装置を使用することができる。装置の入力パラメータは、分析結果に基づいて設定される。これにより、本装置を使用する際、ユーザーは製品（例えば、魚の切り身）を選択するだけでよい。真空パックや熱収縮包装など、空隙の少ない薄型の包装を使用することが好ましい。

毎分１０℃又は毎分１００℃の理論的な凍結速度は、消費材中の微生物レベルについてさらに大きな除去結果をもたらし、かつ細胞損傷が少なくなる可能性があるが、そのような速度は、商業的凍結システムには実行不可能である。さらに、驚くべきことに、より遅い冷却速度、例えば毎分約１℃の速度で、高度な感覚品質を保持し、包装への損傷を防止しながら、著しいレベルの微生物減少を達成できることが見出されている。

上述の実施例における熱伝達分析は、各消耗性食品の１１個の体積増分について実施されたが、この数は変更可能であることが理解されよう。

下表は、－５０℃の熱交換流体中に浸漬された－３０℃の温度まで４５分間の冷却期間にわたって保存された牛乳についての結果を示している。この結果は、低温殺菌処理と同様であると記載されている。

冷凍システム
図５０は、熱交換流体を連続的に冷却する冷凍システムの配管図および計装図である。

冷凍システムは、熱伝達流体と、Ｒ４０４Ａであってよい冷媒との間で熱交換を行うための熱交換器を含む。

Claims (25)

1. 外側断熱ハウジング内に配置された内側ハウジングを備える消費材保存用の装置であって、前記内側ハウジングの壁が、消費材を受け入れるための区画を規定し、前記壁は、熱交換流体を前記区画に流入させるための入口壁と、熱交換流体を区画から流出させるための対向する出口壁と、側壁及びベースとを含み、前記側壁および前記ベースは、前記入口壁および前記出口壁に隣接しており、前記入口壁および出口壁はそれぞれ、動作時に、前記内側ハウジングの前記区画に受け入れられた消費材が、前記熱交換流体に浸されて前記熱交換流体と熱交換するように、前記装置を通過する連続した熱交換流体の流れを収容する一連の開口部を含む、ことを特徴とする装置。
2. 前記ベースが一連の開口部を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 消費材を保持するために前記区画内に受け入れ可能な構造体を有し、前記構造体は、トレイ、ラック、およびバスケットのうちの１つ以上である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記構造体が前記装置の蓋から吊り下げられている、ことを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記外側ハウジングが、
   前記内側ハウジングの前記入口壁に対応し、入口側面と前記入口壁との間に入口空間を画定する入口側面と、
   前記内側ハウジングの前記出口壁に対応し、出口側面と前記出口壁との間に出口空間を画定する出口側面と
   を有し、
   前記入口側面が、前記外側ハウジングの外側から前記入口空間に連通する少なくとも１つの入口を含み、前記出口側面が、前記出口空間から前記外側ハウジングの外側に連通する少なくとも１つの出口を含み、
   前記熱交換流体は、動作時に、前記少なくとも１つの入口を介して前記装置内に導入され、前記少なくとも１つの出口を介して前記装置から除去される、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記入口空間および前記出口空間が流体的に接続されている、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記少なくとも１つの入口および前記少なくとも１つの出口は直径が８０ｍｍである、ことを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
8. 使用時に、前記装置が、外部の冷凍システムに接続され、それによって熱交換流体が冷媒と熱交換する、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 熱交換流体を用いて保存装置内で消費材を保存する方法であって、
   ａ．冷凍される消費材の近似的な形状の総表面積を決定する工程と、
   ｂ．前記タンク形状および前記タンク内の食品の所定の配置と、前記熱交換流体の所定の温度上昇の両方による流れの制約に基づいて、前記装置内の前記消費材について数値流体力学解析を実行する工程と、
   ｃ．所定の製品表面温度における前記消費材の熱伝達係数を決定する工程と、
   ｄ．工程ｃで決定された最も低い熱伝達係数の１０未満を切り捨てて、熱伝達係数を選択する工程と、
   ｅ．前記消費材の前記近似的な形状を、予め定められた数の等分体積増分に分割する工程と、
   ｆ．前記消費材の熱的特性を推定する工程と、
   ｇ．工程ｄで決定された前記熱伝達係数を用いたエネルギー保存分析に基づいて、所定の熱交換流体温度と前記熱交換流体の所定の流量に対して、各増分が所定の初期温度から所定の最終温度に到達するのに必要な前記時間を計算する工程と、
   ｈ．工程ｆで計算された時間に基づいて、達成可能な冷却の平均速度を決定する工程と、
   ｉ．達成可能な冷却の決定された前記平均速度が毎分０．５℃以上である場合、前記所定の熱交換流体温度を選択し、達成可能な冷却の決定された前記平均速度が毎分０．５℃より小さい場合、達成可能な冷却速度が少なくとも毎分０．５℃となるように、前記所定の熱交換流体温度より十分に低い熱交換流体温度を選択する工程と、
   ｊ．前記消費材を、保存のために前記装置内に配置する工程と、
   ｋ．工程ｉで決定された温度を使用して、前記消費材を冷却にさらし、前記消費材を少なくとも毎分０．５℃の速度で冷却する工程と
   を備える方法。
10. 前記所定の流量が約４ｋｇ／ｓである、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記所定の最終温度が－１０℃である、ことを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記所定の最終温度が－３０℃である、ことを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
13. 前記消費材の前記特性は、比エンタルピーを含む、ことを特徴とする請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記消費材の前記特性は、水分含有量を含む、ことを特徴とする請求項９から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記消費材の前記特性が脂肪含有量を含む、ことを特徴とする請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記消費材の前記特性がタンパク質含有量を含む、ことを特徴とする請求項９から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記所望の量の時間が３０分未満である、ことを特徴とする請求項９から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記熱伝達係数が１３０Ｗ／ｍ^２・Ｋである、ことを特徴とする請求項９から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記熱伝達係数が１００Ｗ／ｍ^２・Ｋである、ことを特徴とする請求項９から１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記熱交換流体の入口温度が－５０℃であり、前記熱交換流体の出口温度が－４７℃である、ことを特徴とする請求項９から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記決定された平均冷却温度速度が毎分０．５℃と毎分１．５℃との間であり、前記製品を毎分０．５℃と毎分１．５℃との間の速度で冷却する工程を備える、請求項９から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 前記決定された平均冷却温度速度が約毎分１℃であり、前記製品を約毎分１℃の速度で冷却する工程を備える、請求項９から２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 味、食感及び栄養の少なくとも１つの品質が保持されるような保存消費材を製造する、ことを特徴とする請求項９から２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 前記装置が、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置である、ことを特徴とする請求項９から２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 前記熱交換流体は、前記装置の外部の冷凍サイクルで、冷媒と熱交換することにより連続的に冷却される、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の装置を用いた消費材の保存方法。
    

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