JP3716207B2 - 無菌水製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、清水等の無菌水の製造装置及び方法に関し、特に缶、ペットボトル等の容器の洗浄、充填機の充填バルブの洗浄、或いは充填する飲料用の清水そのものの加熱殺菌処理を施す製造装置と方法に関する。
【従来の技術】
日本においては飲用の自然水が豊富であり、日常使用する水道水も良質の原水から取り込んでいたため、欧州に比べ、天然水、ミネラルウォータ等の飲料水の容器詰め製品の製造と普及が遅れていた。しかし、近来の良質の自然水に対する嗜好の差別化に伴い、各地方の有名な天然水の銘柄がペットボトルに充填されて市場に出回るようになってきている。また、緊急時の保存飲料水に対する需要も増加する傾向にある。
天然水の産地での容器充填は小規模に行われ、流通範囲が限定される場合が多かったので、容器の殺菌、洗浄は、洗剤と洗浄桶による手作業に準じた便宜的な洗浄方法により行われ、充填する天然水は殺菌処理をせずに充填するので、充填設備も小規模で間に合っていた。
しかし、最近では、全国的な保存飲料水の需要の高まりに従って、より大規模な容器詰飲料水の充填製造設備が求められるようになり、この設備の付帯部分として、長期間の保存にも飲料用としての品質が保証できるように、容器の殺菌、洗浄用のための大能力の連続無菌水製造設備が必要になってきた。
【０００２】
従来の大規模な無菌水製造設備として、図４の無菌水製造装置の要素部品配置と原料清水のフロー図に示したような連続無菌水製造装置がある。この装置は、プレート方式の熱交換器を３組設け、それぞれ、常温の原料清水と加熱無菌水との熱交換用熱交換器Ｅ０７、熱交換器Ｅ０７で温められた原料清水を加熱蒸気０１０により殺菌可能な温度に再加熱する熱交換器Ｈ０９、無菌水製造設備の稼動前に配管系統に高温無菌水を循環してプレ加熱殺菌した後に高温無菌水を充填温度や充填機の洗浄温度まで冷却するための冷却水０１４による熱交換器Ｃ０１２と、役割分担をさせているものである。０２は清水の送水ポンプ、０８はブースターポンプ、０１１は保熱用のホールディングチューブ、０１８は配管系統のプレ加熱殺菌時に熱水量を加減する熱水循環タンクである。
清水タンク０１に貯溜されている原料清水は、送水ポンプ０２で送られて熱交換器Ｅ０７で加温され、ブースターポンプ０８で加圧され、熱交換器Ｈ０９で１２１℃〜１３５℃に加熱され、ホールディングチューブ０１１で所要時間保持された後、熱交換器Ｅ０７の熱媒側に通されて原料清水と熱交換して温度を下げ、減圧弁０１３で圧力を下げて容器濯ぎリンサ０１５、充填機０１６、キャップ殺菌洗浄０１７等へ供給される。熱交換器Ｃ０１２は配管系統のプレ加熱殺菌後の高温無菌水の冷却時だけに使用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来方式の連続無菌水製造装置は、３セクションのプレート式熱交換器を用いたもので、装置構造が複雑であり、プレート式熱交換器はプレート間に挟設されたパッキンの形状が複雑で数量が多いため、高熱で劣化したり、清掃時に傷ついたりし易く、原料清水の漏れや異物混入の虞がある。
本発明は、装置構造がより簡単で、パッキン等からの原料清水の漏れや異物混入の虞の少ない熱交換器を備えた構成の連続無菌水製造装置とこの装置を用いるときの無菌水製造方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点に対し本発明は、以下の各項に述べる特徴を有する手段により課題の解決を図る。
（１） 飲料の原料水を貯める清水タンクと、清水タンクの原料清水を送り出す送水ポンプと、戻り殺菌済熱水と熱交換して原料清水を加熱する第１の熱交換器と、第１の熱交換器で加熱された原料清水を加熱蒸気で殺菌温度に再加熱する第２の熱交換器と、第１の熱交換器から第２の熱交換器へ繋がる配管に設置された原料清水を加圧するブースターポンプと、第２の熱交換器で加熱された原料清水の温度制御手段と、第２の熱交換器で加熱された原料清水を一定時間温度保持して殺菌済水とするホールディングチューブと、ホールディングチューブから送出された殺菌済水を第１の熱交換器の熱媒側へ送り込む殺菌済水配管と、第１の熱交換器で低温の原料清水と熱交換した加熱殺菌済水の圧力を低下させる減圧手段と、減圧した殺菌済水をキャップ殺菌洗浄、充填機、容器濯ぎリンサ等へ送給し、また熱水循環タンクへ繋がっている循環水配管と、循環水配管と繋がる熱水循環タンクと、循環水配管から分岐して上記清水タンクへ繋がる分岐配管とで構成された無菌水製造装置。
【０００５】
（２） 上記（１）の無菌水製造装置において、第１の熱交換器、第２の熱交換器はシェルとチューブを組み合わせた熱交換器とし、第１の熱交換器はシェル側に供給原料清水を通し、チューブ側に高い水圧を維持している加熱殺菌後の被冷却水（熱水）を通して、加熱殺菌水に未殺菌の供給原料清水が侵入しないようにした無菌水製造装置。
（３） 上記（１）〜（２）の無菌水製造装置において、無菌水の圧力の減圧手段としてオリフィスを用いた無菌水製造装置。
（４） 上記（１）〜（３）の無菌水製造装置を用い、清水タンクの原料清水を第１の熱交換器へ送り、第１の熱交換器で戻り熱水と熱交換して昇温し、昇温した原料清水を第２の熱交換器に入る前にブースターポンプで加圧し、第２の熱交換器において加熱蒸気で加熱して加熱水とし、ホールディングチューブで加熱水を一定時間温度保持して殺菌処理した後、第１の熱交換器の熱媒側へ加熱水を送って新しい原料水と熱交換して水温を下げた後、オリフィスで殺菌済水の圧力を下げ、キャップ殺菌洗浄、充填機、容器濯ぎリンサ等へ送給し、余剰な殺菌済水は上記の分岐配管を通して清水タンクへ還流する無菌水製造方法。
【０００６】
（５） 上記（４）の無菌水製造方法において、第１の熱交換器から送り出された殺菌済水を充填機、容器濯ぎリンサ等へ送給せず、全てを熱水循環タンクへ回流し、熱水循環タンクから直接に前記送水ポンプで第１の熱交換器の原料水供給側へ送って熱水を循環させ、殺菌水の配管系のプリ殺菌洗浄を行わせるようにした無菌水製造方法。
（６） 上記（５）の無菌水製造方法によりプリ殺菌洗浄後、熱水循環配管に設置してあるドレーンから循環熱水の１部を排出すると同時に、残りの熱水を循環配管から清水タンクへ高温の殺菌済水を送り込み、ドレーンから排出する熱水量を漸次増加して循環する熱水量を減少させ、その熱水減少量に見合う常温の清水を清水タンクへ供給することにより、第１の熱交換器へ送られる循環水温度を徐々に下げて、戻りの循環配管内を無菌状態に保ったまま通常の殺菌水製造工程へ移行させるようにする無菌水製造方法。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の無菌水製造装置及び製造方法について、図に基づいて説明する。
図１は無菌水製造装置の無菌水製造工程における原料清水の流れを示すブロック図、図２は図１の無菌水製造装置の配管路の熱水殺菌工程の熱水の流れを示すブロック図、図３は図２の無菌水製造装置の配管路の熱水殺菌の後の図１に示す無菌水製造工程へ移行する時の熱水、清水の流れを示すブロック図である。
図において、１は飲料の原料清水を貯める清水タンクであり、清水タンク１へは純水９が補給される。清水タンク１には清水の水面レベルを検出するレベルセンサ２７が設置され、レベルセンサ２７が清水タンク１の水面レベル低下を検出すると、レベルセンサ２７の検出信号が純水補給配管に設置されたダイアフラム作動弁２８を作動して純水９を清水タンク１へ補充する。２は清水タンク１の原料清水を配管３２を経て第１の熱交換器３へ送り出す送水ポンプであり、送水ポンプ２はインバータで回転数を制御されるＡＣモータで駆動される。清水タンク１と送水ポンプ２とを結ぶ配管３１には制御装置２０からの作動指令ｆにより動作する作動弁２６が設置されている。
【０００８】
第１の熱交換器３はシェル＆チューブ式であり、第１の熱交換器３はシェル側に送水ポンプ２で送水された原料清水を通し、チューブ側に高い水圧を維持している加熱殺菌後の被冷却水（熱水）を通して熱交換を行っている。後述するようにチューブ側に通す加熱殺菌水は２〜３ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を有しているので、シェル側の未殺菌の原料清水が侵入する虞はない。第１の熱交換器３と第２の熱交換器５を繋ぐ配管３３に設置されたブースターポンプ４は第１の熱交換器３で加熱された原料清水を、２〜３ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力に加圧するもので、送水ポンプ２と連動させるために、インバータで回転数を制御されるＡＣモータで駆動される。第２の熱交換器５もシェル＆チューブ式であり、ブースターポンプ４で加圧された原料清水はチューブ側を通り、加熱蒸気６はシェル側に投入して原料清水を再加熱して殺菌温度（１２１〜１３５℃）まで昇温させる。第２の熱交換器５のシェル側に圧力安全弁２９が設置されている。原料清水の温度は、第２の熱交換器５の出口側に繋がれた配管３４に設置された温度検出センサ２１の検出信号で作動するダイアフラム式流量調整弁２２により加熱蒸気６の供給量を調整することにより原料清水の温度が制御される。
【０００９】
第２の熱交換器５の出口側に繋がれた配管３４と結合しているホールディングチューブ７は、第２の熱交換器５から流出する高温の原料清水を一定時間、温度保持が可能な長さを有しているチューブよりなり、ホールディングチューブ７から流出する高温の無菌処理済水は配管３５により第１の熱交換器３のチューブ側へ送り込まれる。第１の熱交換器３で低温の原料清水と熱交換して約４０℃に冷却された無菌処理済水は無菌水配管３６に設置されたオリフィス８によって圧力を降下し、配管３６によって送られる途中で分岐し、作動弁１５を介して飲料充填製造装置のキャップ殺菌洗浄１０、作動弁１６を介して充填機１１、作動弁１７を介して容器濯ぎリンサ１２等へ分配するようになっている。配管３６は熱水循環タンク１３に繋がれ、配管３６の途中にはダイアフラム式の流量調整弁２３によって開閉するドレーンＤが設置されている。配管３６と流量調整弁２３の間の配管にドレーンＤを冷水４４で冷却するクーラー４３が設置されている。４１は配管３６を流れる循環水の温度を検出する温度センサ、４２は配管３６内の圧力を検出する圧力検出センサである。作動弁１５、１６、１７及び流量調整弁２３は制御装置２０の指令ａ，ｂ，ｃと内蔵するプログラムによって作動される。
【００１０】
配管３６の熱水循環タンク１３に近い位置から分岐配管３８が分岐し、配管３８の端部は清水タンク１内に開口している。分岐配管３８には作動弁２４が設置され、制御装置２０の指令ｄにより開閉される。熱水循環タンク１３の下部に循環配管３７が設けられ、循環配管３７は清水タンク１から流出する原料清水の配管３１に合流している。循環配管３７に作動弁２５、清水の配管３１に作動弁２６が設置され、制御装置２０の指令ｅ，ｆにより開閉される。熱水循環タンク１３に近い配管３６に圧力安全弁３０が設けられている。
【００１１】
無菌水の製造工程を説明する。
作動弁２５を閉じ、作動弁２６を開いて清水タンク１から常温（２５℃）の原料清水を配管３１に通して送水ポンプ２に送り、原料清水は送水ポンプ２により配管３２を通って第１の熱交換器３のシェル側へ送られる。原料清水は第１の熱交換器３でチューブ側の熱水と熱交換して昇温し、昇温した原料清水をブースターポンプ４で加圧して第２の熱交換器５のチューブ側へ送り、第２の熱交換器５において加熱蒸気６をシェル側へ投入して殺菌温度（１２１〜１３５℃）まで加熱する（原料清水はブースターポンプ４で加圧して３ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を有していれば原料清水がこの殺菌処理温度で沸騰することはない）。殺菌温度（１２１〜１３５℃）の原料清水は、ホールディングチューブ７内を流れて一定時間殺菌温度を保持して殺菌処理した後、配管３５により、第１の熱交換器３のチューブ側へ送られる。第１の熱交換器３で前述の新しい原料清水と熱交換して約４０℃に温度を降下した後、オリフィス８で殺菌済の原料清水の圧力を下げ、制御装置２０の指令ａ，ｂ，ｃに夫々従って、配管３６から分岐する配管に備えられた作動弁１５を開いてキャップ殺菌洗浄１０、作動弁１６を開いて充填機１１（充填バルブの洗浄）、作動弁１７を開いて容器濯ぎリンサ１２等へ分配する。余剰の無菌水は作動弁２４を開いた状態にして分岐配管３８を通して清水タンク１へ回流させる。
【００１２】
無菌水製造を開始する前に行う、装置の循環配管路のプリ熱水殺菌工程を図２に基づいて説明する。
清水タンク１を除く、熱水循環タンク１３を含む水配管に清水を満たし、作動弁１５、１６、１７、２４、２５及び流量調整弁２３を閉じ、作動弁２６を開いた状態で送水ポンプ２とブースターポンプ４を回して熱水循環タンク１３までの水圧を約３kgf／cm^２に上昇した後、作動弁２６を閉にし、作動弁２５を開にして熱水循環配管を密閉し、送水ポンプ２とブースタポンプ４を回して水を循環し、第２の熱交換器５に加熱蒸気６を投入して水温を上昇させる。
【００１３】
循環する水温は少なくとも１２１℃以上とし、所定時間を経過して装置のプリ熱水殺菌を完了したら、図３の如く作動弁２５を閉じ流量調整弁２３を開いて熱水を放出する。水温が沸点より高いので、このままでは流量調整弁２３を通った後で水蒸気となって噴出する。これを避けるために、流量調整弁２３を通る前に循環熱水配管に設置してあるクーラー４３に冷水４４を流入し、循環熱水を冷却して１００℃以下にする。作動弁２５を閉じると同時に作動弁２６を開き、清水タンク１内の清水を送水ポンプ２により第１の熱交換器３へ送出する。第１の熱交換器３で熱交換をして冷却された循環熱水が１００℃以下になったら（温度センサ４１で検出する）、作動弁２４を開いて循環熱水を清水タンク１へ戻し、常温の清水と混合して熱交換器へ送り通常の無菌水製造工程へ移行する。流量調整弁２３を通して排出される循環熱水に見合った純水９が清水タンク１へ補給される。この間も送水ポンプ２、ブースターポンプ４も駆動され、第１、第２の熱交換器３、５における熱交換も行われ殺菌処理は続けられており、循環熱水の温度が４０℃になり、圧力検出センサ４２の検出圧力が常態の無菌水製造時の圧力に戻ったことを確認して流量調整弁２３を閉じて通常の無菌水製造へと移行する。このようにすれば、製造装置の配管を無菌状態に保つことができる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の無菌水製造装置は、原料清水を第１の熱交換器へ送り、第１の熱交換器で戻り熱水と熱交換して昇温し、昇温した原料清水を第２の熱交換器に入る前にブースターポンプで加圧し、第２の熱交換器において加熱蒸気で加熱して加熱水とし、ホールディングチューブで加熱水を一定時間、温度保持して殺菌処理した後、第１の熱交換器の熱媒側へ加熱水を戻して新しい原料清水と熱交換した後、オリフィスで殺菌済水の圧力を下げて無菌水を製造し、容器洗浄、充填機等へ供給した後の余剰な殺菌済水は分岐配管を通して清水タンクへ還流するようにしているので、第１の熱交換器で熱回収ができ、特別な冷却水の供給をしなくても洗浄等に手頃な水温の無菌水を製造することができ、また、余剰な殺菌済水も回収でき、運転コストが経済的な無菌水製造装置である（請求項１、４）。
【００１５】
２組の熱交換器はシェルとチューブ式とし、第１の熱交換器はシェル側に供給原料清水を通し、高い水圧を維持している加熱殺菌後の被冷却水（熱水）をチューブ側に通しているので、殺菌済水に未殺菌の供給原料清水が侵入することを防止でき、熱回収効率が良好である。また、プレート式の熱交換器の場合は形状が複雑なパッキンを多数使っているので、分解手入れのときにパッキンの損傷や洗浄等の保守作業に多くの人手と時間がかかるが、シェルとチューブ式の熱交換器はパッキンは形状が単純で数が少なく、洗浄手入れも簡単で人手が掛からない（請求項２）。
殺菌済水の減圧手段に単純な形状のオリフィスを使用すれば水流に停滞する部分が殆ど無く、堆積物が付着する虞が無い（請求項３）。
【００１６】
熱交換器を作動させたままの状態で殺菌済水を充填機、容器濯ぎリンサ等へ分配しないで熱水循環タンクへ回流し、熱水循環タンクからそのまま熱交換器の原料水供給側へ送って熱水を循環させることにより、容易に配管系のプリ殺菌洗浄を行わせることができる（請求項５）。
上記のプリ殺菌洗浄後、熱水循環配管を清水タンクに繋ぎ、熱水循環配管からドレーンする熱水量を漸次増加し、それに見合うように原料清水の供給量を増加させれば、特別の冷却装置を使用する事なく、製造装置の循環配管を無菌状態に保ったままクールダウンして通常の無菌水製造工程へ移行させることができる（請求項６）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る無菌水製造装置の無菌水製造工程における原料清水の流れを示すブロック図である。
【図２】図１の無菌水製造装置の配管路の熱水殺菌工程の熱水の流れを示すブロック図である。
【図３】図２の無菌水製造装置の配管路の熱水殺菌の後の図１に示す無菌水製造工程へ移行する時の熱水、清水の流れを示すブロック図である。
【図４】従来の無菌水製造装置の要素部品の配置と無菌水製造工程における原料清水の流れを示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 清水タンク
２ 送水ポンプ
３ 第１の熱交換器
４ ブースタポンプ
５ 第２の熱交換器
６ 加熱蒸気
７ ホールディングチューブ
８ オリフィス
１０ キャップ殺菌洗浄
１１ 充填機
１２ 容器濯ぎリンサ
１３ 熱水循環タンク
１５、１６、１７、２４、２５、２６ 作動弁
２０ 制御装置
２３ 流量調整弁
４３ クーラー

Claims (6)

1. 飲料の原料水を貯める清水タンクと、清水タンクの原料清水を送り出す送水ポンプと、戻り殺菌済熱水と熱交換して原料清水を加熱する第１の熱交換器と、第１の熱交換器で加熱された原料清水を加熱蒸気で殺菌温度に再加熱する第２の熱交換器と、第１の熱交換器から第２の熱交換器へ繋がる配管に設置された原料清水を加圧するブースターポンプと、第２の熱交換器で加熱された原料清水の温度制御手段と、第２の熱交換器で加熱された原料清水を一定時間温度保持して殺菌済水とするホールディングチューブと、ホールディングチューブから送出された殺菌済水を第１の熱交換器の熱媒側へ送り込む殺菌済水配管と、第１の熱交換器で低温の原料清水と熱交換した加熱殺菌済水の圧力を低下させる減圧手段と、減圧した殺菌済水をキャップ殺菌洗浄、充填機、容器濯ぎリンサ等へ送給し、また熱水循環タンクへ繋がっている循環水配管と、循環水配管と繋がる熱水循環タンクと、循環水配管から分岐して上記清水タンクへ繋がる分岐配管とで構成されたことを特徴とする無菌水製造装置。
2. 請求項１に記載する無菌水製造装置において、第１の熱交換器、第２の熱交換器はシェルとチューブを組み合わせた熱交換器とし、第１の熱交換器はシェル側に低温の原料清水を通し、チューブ側に高い水圧を維持している高温の殺菌済水を通して、殺菌済水に未殺菌の供給原料清水が侵入しないようにしたことを特徴とする無菌水製造装置。
3. 請求項１〜２に記載する無菌水製造装置において、無菌水の圧力の減圧手段としてオリフィスを用いたことを特徴とする無菌水製造装置。
4. 請求項１〜３に記載する無菌水製造装置を用い、清水タンクの原料清水を第１の熱交換器へ送り、第１の熱交換器で殺菌済の戻り熱水と熱交換して昇温し、昇温した原料水を第２の熱交換器に入る前にブースターポンプで加圧し、第２の熱交換器において加熱蒸気で加熱して加熱水とし、ホールディングチューブで加熱水を一定時間温度保持して殺菌処理した後、第１の熱交換器の熱媒側へ殺菌済熱水を送って新しい原料清水と熱交換して水温を下げた後、オリフィスで殺菌済水の圧力を下げ、キャップ殺菌洗浄、充填機、容器濯ぎリンサ等へ送給し、余剰な殺菌済水は上記の分岐配管を通して清水タンクへ還流することを特徴とする無菌水製造方法。
5. 請求項４に記載する無菌水製造方法において、第１の熱交換器から送り出された殺菌済水を充填機、容器濯ぎリンサ等へ送給せず、全てを熱水循環タンクへ回流し、熱水循環タンクから直接に前記送水ポンプで第１の熱交換器の原料水供給側へ送って熱水を循環させ、殺菌水の配管系のプリ殺菌洗浄を行わせるようにしたことを特徴とする無菌水製造方法。
6. 請求項５に記載の無菌水製造方法によりプリ殺菌洗浄後、熱水循環配管に設置してあるドレーンから循環熱水の１部を排出すると同時に、残りの熱水を循環配管から清水タンクへ高温の殺菌済水を送り込み、ドレーンから排出する熱水量を漸次増加して循環する熱水量を減少させ、その熱水減少量に見合う常温の清水を清水タンクへ供給することにより、第１の熱交換器へ送られる循環水温度を徐々に下げて、戻りの循環配管内を無菌状態に保ったまま通常の殺菌水製造工程へ移行させるようにしたことを特徴とする無菌水製造方法。

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