JP2724313B2 - 氷結晶の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は食品、発酵、製薬、各種
廃水処理、汚水の浄化、海水の淡水化等の分野で利用さ
れる凍結濃縮（または凍結脱水）方法に有用な氷結晶の
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】凍結濃縮方法（または凍結脱水方法）
は、例えばコーヒー抽出液、果汁などの液状食品を０℃
以下の低温領域で凍結させてこの液状食品の水分を氷の
結晶として分離することにより濃縮（または脱水）する
方法である。前記凍結濃縮方法は溶液から水分を氷結晶
として取り除くことから気液間の物質移動がないため、
香り成分を保持したまま溶液より水分を取り除くことが
できる。また、氷の融解潜熱は水の蒸発潜熱の１／７で
あるため、前記凍結濃縮は蒸発濃縮よりも省エネルギー
な溶液の濃縮方法である。更に、操作が低温で行われる
ため、熱に不安定な物質や雑菌汚染を受けやすい物質の
濃縮に適している。

【０００３】しかしながら、前記凍結濃縮方法におい
て、溶液を凍結させて生成した氷結晶表面には溶液が付
着するため、濃縮溶液から前記氷結晶を分離する際に溶
質が氷結晶と共に持ち出されて溶液中の溶質の回収率が
低減するという問題点があった。また、海水の淡水化の
ように生成した氷結晶の方を利用する場合には、前記氷
結晶表面の溶液がその融解により塩分として混入するた
め、飲料水や農業用水として不適切であるという問題点
があった。溶質の氷結晶表面への付着を低減させて氷結
晶の純度を向上させるには、溶質の付着が氷結晶の比表
面積の大きさに比例して多くなるため、氷結晶の比表面
積が小さい大粒径の氷結晶を生成させる必要がある。

【０００４】また、前記凍結濃縮方法においては、生成
した氷結晶の分離を簡単にするために、粒径が揃った氷
結晶を生成させる必要がある。

【０００５】ところで、前記凍結濃縮方法としては従来
より、晶析槽において微細氷を生成させた後、熟成槽に
おいて前記微細氷をオストワルドのライプニング効果を
利用して直径１ｍｍの大粒径の氷結晶に成長させる方法
が知られている。氷結晶の氷点は氷結晶の大きさに依存
し、小さい氷結晶は大きな曲率を維持しなければならな
いので、その氷点は大きな氷結晶よりも低くなる。その
結果、熟成槽中に大きな氷結晶と小さな氷結晶が共存す
ると、この熟成槽の溶液の氷点はこれらの氷結晶の氷点
の中間の温度になるため、小さな氷結晶が融解する。こ
の時、大きな氷結晶と小さな氷結晶の大きさに十分な差
があれば、融解潜熱は大きな氷結晶の成長に利用されて
大粒径の氷結晶が製造される。

【０００６】しかしながら、製造の初期段階では前記熟
成槽中の微細氷は大小の差が小さいため、小さな氷の融
解潜熱は大きな氷結晶の成長に寄与しない。小さな氷結
晶の融解が進行して大きな氷結晶との大きさの差が十分
に開くまで、つまりスタートアップが完了するまでの時
間が十数時間と極めて長いという問題点があった。ま
た、製造装置が複雑であるために装置の制御や管理方法
が繁雑になり、製造コストが高くなるという問題点があ
った。

【０００７】このようなことから本発明者らは、Ａｇｒ
ｉｃ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．，５１（９），２３５９〜
２３６６，１９８７のＭｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｉｃ
ｅＧｒｏｗｔｈ ｉｎ ａ Ｂａｔｃｈ Ｃｒｙｓｔａ
ｌｌｉｚｅｒ ｗｉｔｈａｎ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃｏ
ｏｌｅｒ ｆｏｒ Ｆｒｅｅｚｅ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａ
ｔｉｏｎにおいて氷結晶の製造方法を発表した。この方
法によれば、１０％のラクトース溶液をこの溶液の氷点
よりも０．５℃高い温度まで晶析槽の外部に設けられた
冷却器によって冷却した後、この溶液を晶析槽に移し、
１０μｇの種氷結晶１個（溶液重量に対して０．０６重
量％）を投入することにより粒径が１〜３ｍｍと大き
く、かつ粒径が比較的揃った氷結晶を製造することが可
能である。この方法による大粒径の氷結晶生成のメカニ
ズムは次のように考えられる。まず、種氷結晶の表面か
ら氷片が剥離し、氷結晶に成長する。その後はこの氷結
晶よりも小さい氷結晶が生成するが、前記晶析槽内の溶
液の氷点が前記小さい氷結晶の氷点と最初に生成した氷
結晶の氷点との中間になるため、前記小さい氷結晶の大
部分は成長することなく融解する。前記小さい氷結晶と
前記最初に生成した氷結晶との大きさの差が十分に大き
いため、この融解潜熱により前記最初に生成した氷結晶
が大粒径の氷結晶に成長したり、あるいは偶然に融解せ
ずに残存した氷結晶と前記最初に生成した氷結晶とが凝
集されることにより大粒径の氷結晶が製造される。

【０００８】前記種氷結晶を投入する方法は、前記種氷
結晶から剥離した氷片が氷結晶に成長するまでの時間が
短く、かつその後はこの氷結晶よりも極めて小さい氷結
晶が生成するため、前述した熟成槽中にて微細氷を大粒
径に成長させる方法に比べてスタートアップが完了する
までの時間が短縮される。

【０００９】しかしながら、前記種氷結晶を投入する方
法は、１０％を越えるグルコース溶液や１５％を越える
ラクトース溶液などの濃度が０．４ｍｏｌ／ｌ以上の高
濃度になると、大粒径の氷結晶を生成することが困難に
なる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の問題を
解決するためになされたもので、０．４ｍｏｌ／ｌ以上
の高濃度の溶液において粒径が揃った大粒径の氷結晶を
製造することが可能な氷結晶の製造方法を提供しようと
するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、濃度が０．４
モル／ｌ〜０．５６モル／ｌの溶液を所望の温度まで冷
却した後、溶液重量に対して５重量％以上の種氷結晶を
投入することを特徴とする氷結晶の製造方法である。

【００１２】前記種氷結晶の平均粒径は、５００μｍ以
上にすることが望ましい。前記平均粒径が５００μｍ未
満になると、大粒径の氷結晶を製造することが困難にな
る恐れがある。

【００１３】本発明の製造方法では図１に示す氷結晶製
造装置を用いる。

【００１４】アクリル樹脂製の晶析槽１は内面に冷媒が
循環される中空有底容器２を有する。前記容器２の冷媒
供給口３及び冷媒排出口４には図示しない熱電対がそれ
ぞれ取り付けられている。サーミスター５は、前記晶析
槽１内の処理液６中に挿入されている。記録計７は、前
記サーミスター５にブリッジ回路８を通して接続されて
いる。第１の攪拌器９の攪拌羽根１０は前記晶析槽１内
の処理液６中に挿入されている。冷媒であるエチレング
リコール溶液１１が収容された冷媒タンク１２は、前記
晶析槽１に隣接して設置されている。前記冷媒タンク１
２はバルブ１３が取り付けられた冷媒排出口１４と、冷
媒還流口１５とを有する。循環手段としてのポンプ１６
は、一端が第１の供給管１７を介して前記バルブ１３に
連接され、他端が第２の供給管１８を介して前記容器２
の冷媒供給口３に連接されている。配管１９は、一端が
前記容器２の冷媒排出口４に接続され、かつ他端が前記
冷媒タンク８の冷媒還流口１５に接続されている。前記
バルブ１３を開放し、前記ポンプ１６を駆動すると、前
記冷媒タンク１２内のエチレングリコール溶液１１は前
記冷媒排出口１４から前記供給管１７、前記供給管１８
を通して前記容器２内に導入され、前記冷媒排出口４か
ら前記配管１９、前記冷媒還流口１５を通して前記冷媒
タンク１２内に還流される。

【００１５】第２の攪拌器２０の攪拌羽根２１は前記冷
媒タンク１２内のエチレングリコール溶液１１に挿入さ
れている。複数の冷却器２２はその下端が前記冷媒タン
ク１２内のエチレングリコール溶液１１に浸漬されてい
る。ベックマン温度計２３はその下端が前記冷媒タンク
１２内のエチレングリコール溶液１１に浸漬されてい
る。温度調節器２４はその下端が前記冷媒タンク１２内
のエチレングリコール溶液１１に浸漬されている。

【００１６】

【作用】本発明の氷結晶の製造方法によれば、濃度が
０．４ｍｏｌ／ｌ〜０．５６ｍｏｌ／ｌの溶液を所望の
温度まで冷却した後、溶液重量に対して５重量％以上の
種氷結晶を投入することによって、短時間でスタートア
ップを完了することができると共に平均粒径が１．５ｍ
ｍ以上と大きく、かつ粒径が揃った氷結晶を製造するこ
とができる。

【００１７】また、本発明の製造方法によると、前述し
た図１に示す簡単な構造を有する汎用の氷結晶製造装置
を利用することができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を前述した図１を参照
して詳細に説明する。 実施例１ まず、処理液６としての１０％のグルコース溶液４５０
ｇ（モル濃度は０．５６モル／ｌ）を晶析槽１に収容し
た。バルブ１３を開放し、ポンプ１６を駆動することに
より予め前記処理液の氷点よりも２〜３℃低い温度まで
冷却されたエチレングリコール溶液１１を容器２内に導
入し、前記処理液６を攪拌器９で攪拌しながら前記容器
２内を循環されるエチレングリコール溶液１１によって
冷却した。前記処理液６が氷点よりも０．１℃高い温度
に達したとき、平均粒径が１８８０μｍで、溶液重量に
対して１２重量％（５４ｇ）の種氷結晶を投入し、２時
間放置することにより氷結晶を製造した。なお、初期過
冷却度は０．２１℃であった。 実施例２ 平均粒径が１９１０μｍで、溶液重量に対して６．２重
量％（２８ｇ）の種氷結晶を用いたこと以外、実施例１
と同様な方法によって実施例１と同様な処理液中に氷結
晶を製造した。なお、初期過冷却度は０℃であった。 実施例３ 処理液６として１５％のラクトース溶液４５０ｇ（モル
濃度は０．４４モル／ｌ）を用い、かつ平均粒径が１２
６９μｍで、溶液重量に対して約１２重量％（５２ｇ）
の種氷結晶を用いたこと以外、実施例１と同様な方法に
より氷結晶を製造した。なお、初期過冷却度は０℃であ
った。 比較例１ 処理液である１０％のグルコース溶液１７０ｇ（モル濃
度は０．５６モル／ｌ）を晶析槽の外部に設けられた冷
却器により前記処理液の氷点よりも０．５℃高い温度ま
で冷却した後、この溶液を晶析槽に収容し、攪拌器によ
り攪拌しながら粒径が２．６ｍｍで、溶液重量に対して
０．０６重量％（１０μｇ）の種氷結晶を投入し、２時
間放置することにより氷結晶を製造した。なお、初期過
冷却度は０．１４℃であった。 比較例２ 処理液として１５％のラクトース溶液１７０ｇ（モル濃
度は０．４４モル／ｌ）を用いた以外、比較例２と同様
な方法により氷結晶を製造した。なお、初期過冷却度は
０．１６℃であった。

【００１９】得られた実施例１〜３及び比較例１，２の
氷結晶の直径の分布図をそれぞれ図２、図４、図６、図
８、図９に示す。各分布図から氷結晶の平均粒径及び標
準偏差を求め、その結果を下記表１に示す。また、実施
例１〜３の氷結晶を顕微鏡写真で撮影した写真（１５
倍）をそれぞれ図３、図５、図７に示す。

【００２０】 表１ 平均粒径（ｍｍ） 標準偏差（ｍｍ） 実施例１ ２．４ ０．７ 実施例２ １．５ １．０ 実施例３ ２．５ ０．５ 比較例１ ０．７ ０．１ 比較例２ ０．８ ０．１ 表１及び図３、図５、図７から明らかなように、０．４
モル／ｌ〜０．５６モル／ｌの溶液に溶液重量に対して
５重量％以上の種氷結晶を投入することにより製造され
た実施例１〜３の氷結晶は、粒径が比較的揃い、かつ平
均粒径が１．５ｍｍ以上と極めて大きいことがわかる。
これに対して、溶液重量に対して０．０６重量％の種氷
結晶を投入することにより製造された比較例１〜２の氷
結晶は、粒径は比較的揃っているものの平均粒径が０．
７〜０．８ｍｍと小さいことがわかる。

【００２１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の氷結晶の製
造方法によれば、短時間でスタートアップを完了するこ
とができ、かつ粒径の揃った大粒径の氷を製造すること
ができ、インスタントコーヒーの製造、濃縮ジュースの
製造、粉ミルクの製造、チーズホエーの処理、酵素の濃
縮、パルプ廃液の脱水、海水の淡水化処理などのための
凍結濃縮方法（または凍結脱水方法）に有効に利用でき
る等顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で用いられる氷結晶製造装置を
示す概略断面図。

【図２】本発明の実施例１の氷結晶の直径分布を示す特
性図。

【図３】本発明の実施例１の氷結晶を顕微鏡写真で撮影
した氷結晶の粒子構造を示す写真。

【図４】本発明の実施例２の氷結晶の直径分布を示す特
性図。

【図５】本発明の実施例２の氷結晶を顕微鏡写真で撮影
した氷結晶の粒子構造を示す写真。

【図６】本発明の実施例３の氷結晶の直径分布を示す特
性図。

【図７】本発明の実施例３の氷結晶を顕微鏡写真で撮影
した氷結晶の粒子構造を示す写真。

【図８】比較例１の氷結晶の直径分布を示す特性図。

【図９】比較例２の氷結晶の直径分布を示す特性図。

【符号の説明】

１…晶析槽、２…中空有底容器、９…攪拌器、１２…冷
媒タンク、１６…ポンプ、１９…配管。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２５Ｃ 1/00 Ｆ２５Ｃ 1/00 Ｚ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 濃度が０．４モル／ｌ〜０．５６モル／
   ｌの溶液を所望の温度まで冷却した後、溶液重量に対し
   て５重量％以上の種氷結晶を投入することを特徴とする
   氷結晶の製造方法。
2. 【請求項２】 前記種氷結晶の平均粒径は、５００μｍ
   以上であることを特徴とする請求項１記載の氷結晶の製
   造方法。
3. 【請求項３】 前記種氷結晶の投入量は、溶液重量に対
   して５重量％〜１２重量％であることを特徴とする請求
   項１記載の氷結晶の製造方法。