JP3858670B2

JP3858670B2 - 膜式脱気装置及び飲料水製造装置

Info

Publication number: JP3858670B2
Application number: JP2001342140A
Authority: JP
Inventors: 威小野; 文夫荒瀬; 吉雅中野; 匡晃黒須
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: JP2003145135A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、除菌された脱酸素水を必要とする分野、例えば、食品や飲料水製造分野、医薬分野、電子産業分野等に好適な膜式脱気装置と、この膜式脱気装置で飲料水を製造する飲料水製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
食品分野では、食品中の栄養素や香味成分の酸化や変質、分解防止のために、溶存酸素（ＤＯ）を除去した水（以下、「脱酸素水」と記す。）を用いている。医薬品分野では、注射液や輸液などに含まれる有用成分の酸化や変質、分解防止のために脱酸素水を使用している。また、電子産業分野では、ウエハーを洗浄する際に超純水を使用するが、ウエハーなどの酸化防止のため、その超純水を脱酸素処理して使用する場合がある。
【０００３】
このような脱酸素水の製造には膜式脱気装置が用いられている。膜式脱気装置は、膜によって内部が水室と気室とに区画された膜式脱気装置本体と、この膜式脱気装置本体の水室に被処理水を供給する手段と、水室から処理水を排出する手段と、気室を吸引する手段とを備え、膜式脱気装置本体の水室に被処理水を通水すると共に気室を吸引して脱気処理水を取り出す構成とされている。
【０００４】
膜式脱気装置は、その脱気膜の構造上、菌の温床になり易いため、膜の殺菌を行わないと、脱気処理水のコースポイントにおいて、菌による障害が発生する。例えば、脱気処理水を利用した飲料製品に菌の死骸が混入することにより、飲料製品の味にも影響がでる。
【０００５】
膜式脱気装置の殺菌方法としては、従来、熱水による殺菌方法と薬品による殺菌方法とがある。
【０００６】
薬品による殺菌の場合、過酸化水素、ホルマリン、二亜硫酸ソーダや次亜塩素酸等の塩素系殺菌剤などの薬品を濃度調整した殺菌剤が用いられているが、薬品による殺菌では、殺菌終了後、膜に付着した薬品を洗浄除去する必要があり、洗浄廃液を処理する必要がある。また、食品用水及び医薬用水などに用いる膜式脱気装置では、残留薬品がその用途上問題となる。例えば、飲料製品では残留薬品により味に影響が出る。さらに、薬品により完全な殺菌を行う場合には、膜式脱気装置の中空糸の水室側及び気室側に殺菌剤を通水する必要があり、この場合には、気室側の薬品洗浄と脱気処理との切替が複雑になるという問題があった。
【０００７】
これに対して、熱水による殺菌であれば、薬品殺菌の場合のように廃液処理等の問題もなく、短時間で殺菌を行うことができると共に、微生物の再発生の抑制効果も高い。
【０００８】
熱水による殺菌手段を備える膜式脱気装置として、特開平１１−３０９３０２号公報には、膜式脱気装置本体に加熱水を循環させて系内を殺菌するに当たり、原水の導入を停止して、系内の水を加熱する加熱工程と、所定の温度に昇温された加熱水を循環して系内を殺菌する殺菌工程と、原水の導入を再開すると共に、膜式脱気装置本体から排出される水の一部を系外に排出して循環水の温度を低下させる降温工程と、その後、循環水の降温と共に、膜式脱気装置本体における脱気を行う降温脱気工程を行う膜式脱気装置が開示されている。この膜式脱気装置では、降温脱気工程を行うことで、降温と共に、殺菌後の系内の溶存酸素（ＤＯ）等の溶存気体を除去し、その後の通水脱気処理再開時の脱気処理水の水質を良好なものとしている。
【０００９】
この特開平１１−３０９３０２号公報に記載される膜式脱気装置では、降温工程及び降温脱気工程において、循環水の加熱を停止すると共に、原水の導入を再開し、膜式脱気装置本体から排出される水の一部のみを系外に排出し、残部は循環させている。これは、膜式脱気装置本体から排出される水の全量を系外へ排出すると、降温の温度勾配が急になり、脱気膜が熱的なダメージを受けるおそれがあり、これを防止するためである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、熱水殺菌方式の膜式脱気装置本体から排出される水の一部のみを系外へ排出し、残部を循環させる方法では、降温に長時間を要し、このため、殺菌に要する時間が長くなる。
【００１１】
なお、ユーザーによっては、脱気膜がダメージを受けたとしても、運転効率、生産水量を高める方を重視する場合があり、この場合には、迅速な降温を行って、早期に通水脱気処理を再開することが望まれる。
【００１２】
本発明は、熱水による殺菌手段を備えた膜式脱気装置であって、熱水殺菌後の降温工程において、短時間で急激に降温する工程と、時間をかけてゆっくりと降温する工程とを選択することができる膜式脱気装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の膜式脱気装置は、被処理水を貯水する原水タンクと、該原水タンクに貯水された水が導入される膜式脱気装置本体と、該膜式脱気装置本体から排出される水を系外へ排出する処理水排出配管と、該膜式脱気装置本体から排出される水を原水タンクへ戻す戻り配管と、該戻り配管内の水を加熱するための加熱手段と、該加熱手段によって加熱された加熱水の一部を系外へ排出可能な第１の排出配管と、該加熱水の全量を系外へ排出可能な第２の排出配管とを備え、該第１の排出配管と第２の排出配管は、前記加熱手段の後段に設けられていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の膜式脱気装置では、殺菌後の降温工程において、加熱水の一部を第１の排出配管から排出し、残部を循環させることにより、時間をかけて緩やかに降温することができ、この場合には、脱気膜等へのダメージを抑制することができる。また、加熱水の全量を系外へ排出可能な第２の排出配管から加熱水を排出することにより、短時間で降温することができ、この場合には、殺菌後の通水脱気処理を早期に再開することができる。
【００１５】
本発明の飲料水製造装置は、このような膜式脱気装置の処理水を用いて飲料水を製造するものであり、上記降温工程を選択することにより、膜式脱気装置の殺菌に要する時間を調整し、要求される生産水量に柔軟に対応することが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１７】
まず、図１を参照して本発明の膜式脱気装置の実施の形態を説明する。図１は本発明の膜式脱気装置の実施の形態を示す系統図である。
【００１８】
図中、１は原水タンク、２は膜式脱気装置本体であり、脱気膜により内部が水室２Ａと気室２Ｂとに仕切られている。３は処理水タンク、４は熱交換器、５は封水タンク、Ｐ−１は供給ポンプ、Ｐ−２は真空ポンプである。Ｖ−１〜Ｖ−７はバルブを示す。ポンプＰ−１，Ｐ−２の作動及びバルブＶ−１〜Ｖ−７の開閉は図示しない制御装置によって制御される。
【００１９】
この膜式脱気装置において、通水脱気工程と、昇温工程、殺菌工程及び降温工程からなる一連の殺菌処理工程は次のような操作手順で実施される。
【００２０】
［通水脱気工程］
バルブＶ−１，Ｖ−２，Ｖ−５を開，バルブＶ−３，Ｖ−４，Ｖ−６，Ｖ−７を閉として、ポンプＰ−１，Ｐ−２を作動させ、配管１１より導入される原水を、原水タンク１から配管１２より膜式脱気装置本体２の水室２Ａに導入し、Ｎ_２等の不活性ガスが供給される気室２Ｂを吸引することにより、脱気膜を透過した原水中のＤＯ等を脱気する。脱気処理水は、配管１３，１４より処理水タンク３に送給される。なお、Ｎ_２等の不活性ガスは脱気性能を向上させる目的で供給している。
【００２１】
［昇温工程］
殺菌処理に当っては、バルブＶ−１，Ｖ−２，Ｖ−５，Ｖ−６，Ｖ−７を閉、バルブＶ−３，Ｖ−４を開とし、ポンプＰ−２を止めると共に、熱交換器４に蒸気を供給し、ポンプＰ−１により、原水タンク１内の水を配管１２，水室２Ａ，配管１３，熱交換器４、配管１５の順に循環させ、この循環系内の水を熱交換器４により加熱する。
【００２２】
［殺菌工程］
上記昇温工程で循環系内の水が所定温度に上昇した後は、上記昇温工程と同様にして更に加熱水を所定時間循環させて系内を殺菌する。
【００２３】
［降温工程］
殺菌工程終了後は、バルブＶ−１，Ｖ−３を開とすると共にバルブＶ−６及びＶ−７のいずれか一方を開とする。また、バルブＶ−２，Ｖ−５，Ｖ−４を閉とすると共にバルブＶ−６及びＶ−７のいずれか一方を閉とする。これにより、ポンプＰ−２停止のまま、蒸気の供給を停止して原水を導入し、系内の加熱水を、導入した原水により配管１２、水室２Ａ，配管１３，１５から配管１６又は１７を経て系外へ押し出して系内の水温を下げる。
【００２４】
配管１６は、熱交換器４からの循環水のうちの一部のみが流入するように、配管１５よりも径の小さい配管で構成され、配管１７は熱交換器４からの循環水の全量が流入するように配管１５と同径の配管で構成されている。
【００２５】
通常の殺菌処理において、系内の水をゆっくり降温させる場合には、バルブＶ−６を開、バルブＶ−７を閉として、熱交換器４からの水の内の一部のみを系外へ排出し、残部は配管１５より原水タンク１に戻す。これにより、循環水の一部のみを原水と置換して系内の水を緩やかに降温することができ、脱気膜へのダメージを抑えることができる。以下において、循環水の一部のみを排出する降温工程を「低速降温工程」と称す場合がある。
【００２６】
また、殺菌処理に長時間をかける余裕がなく、通水脱気工程を早期に再開する必要がある場合には、バルブＶ−７を開、バルブＶ−６を閉として、熱交換器４からの水の全量を系外へ排出する。これにより、循環水の全量を原水で系外へ押し出し、系内の水を急激に降温させて早期に通水脱気工程を再生することができる。以下において、循環水の全量を排出する降温工程を「高速降温工程」と称す場合がある。
【００２７】
なお、図１に示す如く、この排出配管１６，１７を熱交換器４の後段に設けることにより、循環水の一部を排出する場合でも全量を排出する場合でも、熱交換器４に必ず水が通水されるため、熱交換器４へのダメージを低減することができる。
【００２８】
配管１６より循環水の一部のみを排出する低速降温工程において、その排出量は好適な降温速度が得られるような割合であれば良く、通常の場合、循環水（熱交換器４からの水）の５〜３０％を排出することが好ましい。
【００２９】
なお、この降温工程は、低速降温工程と高速降温工程とのいずれか一方のみを行う工程に限られるものではなく、降温工程の前半で配管１６からの一部排出により比較的緩やかな低速降温工程を行い、系内の水がある程度の温度にまで低下した後に、配管１７からの全量排出により高速降温工程を行うようにしても良い。
【００３０】
いずれの場合であっても、配管１７からの全量排出を行う高速降温工程を実施することにより、降温に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００３１】
この降温後、系内の水温が通水脱気処理温度、好ましくは２５〜３５℃程度にまで低下した後は、前述の通水脱気工程を再開する。
【００３２】
本発明において、加熱水で殺菌する際の脱気膜及びその他の機器や配管の熱膨張係数の差による変形や水漏れを最小限に抑えた上で良好な殺菌効果を得ると共に、殺菌後において装置の立ち上り状況を良好なものとするためには、バルブＶ−１〜Ｖ−７の開閉やポンプＰ−１，Ｐ−２の作動を制御する制御装置により、上記の昇温工程、殺菌工程及び降温工程よりなる一連の殺菌処理工程の処理条件を適宜制御することが好ましい。
【００３３】
なお、昇温工程における昇温速度は１〜１０℃／ｍｉｎ，特に２〜５℃／ｍｉｎであることが好ましく、この昇温工程に要する時間は３０〜６０ｍｉｎ程度であることが好ましい。また、殺菌工程における系内の循環加熱水の水温は６０〜８５℃、特に８０〜８５℃であることが好ましく、このような温度に保持する殺菌工程は１０ｍｉｎ以上、特に１０〜３０ｍｉｎ程度とするのが好ましい。このような水温及び処理時間で保持することにより、系内をほぼ完全に殺菌することができる。
【００３４】
また、この殺菌工程後の降温工程の降温速度は、低速降温工程の場合は、１〜１０℃／ｍｉｎ、特に２〜５℃／ｍｉｎで、この降温工程に要する時間は３０〜６０ｍｉｎであることが好ましい。
【００３５】
また、高速降温工程の場合は、系内の保有水量や加熱水や原水の水温等によっても異なるが、一般的には、循環水の全量排出で降温速度１５〜２５℃／ｍｉｎで、降温工程に要する時間は１〜３ｍｉｎ程度で足りる。
【００３６】
このような昇温工程、殺菌工程及び降温工程からなる一連の殺菌処理工程は、通常一週間〜１日に１回の頻度、好ましくは１日に１回の頻度で実施され、これにより、除菌された脱酸素水を得ることができる。
【００３７】
本発明においては、８５℃までの加熱水による殺菌にも十分に耐える耐熱性の脱気膜を用いる必要があるが、このような脱気膜としては、市販品として、セルガート（株）製「リキ・セル」等が提供されている。
【００３８】
図１に示す膜式脱気装置は、本発明の実施に好適な装置の一例を示すものであって、本発明の膜式脱気装置は何ら図示のものに限定されるものではないが、原水タンク１及び配管１２，１３，１５で形成される循環系を設けることにより、必要最小限の熱交換容量及び水使用量で昇温、殺菌及び降温することができ、好ましい。なお、熱交換器は図１の配管１２又は配管１３に設けられていても良い。
【００３９】
また、殺菌処理工程においても前述の昇温工程、殺菌工程及び降温工程のみから構成されるものに限られず、降温工程後、必要に応じて以下の降温脱気工程を行った後通水脱気工程を再開するようにしても良く、この場合には、一連の殺菌処理工程終了前に系内を脱気することで、殺菌処理工程終了後の通水脱気再開時には、直ちにＤＯ等の濃度が十分に低い良好な処理水を得ることができる。
【００４０】
［降温脱気工程］
前記降温工程で系内の水温が所定温度にまで低下した後、バルブＶ−５を開とし、ポンプＰ−２を作動させ、その他のバルブ及びポンプＰ−１については降温工程、好ましくは低速降温工程と同じ状態で気室２Ｂを吸引して脱気処理することにより、殺菌工程で系内に付着したＤＯ等の溶存気体を除去する。
【００４１】
次に、図２を参照して、このような本発明の膜式脱気装置を用いた本発明の飲料水製造装置の実施の形態を説明する。図２は本発明の飲料水製造装置（ミルクコーヒー飲料等の製造装置）の実施の形態を示す系統図である。
【００４２】
井水等の原水は、濾過装置、純水装置等の水処理設備２１で処理された後、受水タンク２２を経て膜式脱気装置２３に導入される。飲料水製造用の脱気処理水としては、この膜式脱気装置２３による脱気処理でＤＯ５０ｐｐｂ以下、特に２０ｐｐｂ以下の脱気処理水を得ることが好ましい。
【００４３】
膜式脱気装置２３からの脱気処理水は貯水タンク２４を経て、飲料水製造工程２５に供給され、原料の抽出や調合等が行われ、製品として供給される。
【００４４】
このような飲料水製造装置では、本発明の膜式脱気装置を採用することにより、殺菌処理工程における降温工程として低速降温工程及び高速降温工程を採用して脱気処理水の要求量に応じて脱気処理水生産量を調節することができる。即ち、平常時には、膜式脱気装置の殺菌処理工程において低速降温工程を行って所定量の脱気処理水を供給し、季節等により飲料水の生産量を増加する必要がある場合には、膜式脱気装置の殺菌処理工程において高速降温工程を行って早期に脱気処理水の採水を再開して脱気処理水の供給量を増加させることができる。
【００４５】
なお、図２は本発明の飲料水製造装置の実施の形態の一例であって、本発明はその要旨を超えない限り何ら図示のものに限定されるものではなく、本発明はミルクコーヒー飲料の製造装置以外の飲料水製造装置にも適用可能である。
【００４６】
また、本発明の膜式脱気装置は、飲料水製造装置以外の食品、医薬、電子産業その他の各種の脱気処理水使用分野にも適用可能である。
【００４７】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００４８】
実施例１
図１に示す膜式脱気装置で、下記処理条件及び装置仕様で通水脱気を行っている系において、下記表１に示すバルブの開閉、ポンプの作動制御及びタイムスケジュールで通水脱気工程、昇温工程、殺菌工程及び降温工程（低速降温工程）を行い、降温工程後は通水脱気工程を再開した。昇温工程、殺菌工程及び降温工程の一連の殺菌処理工程は１日に１回の頻度で実施した。
【００４９】
［処理条件及び装置仕様］
通水流量：２５ｍ^３／ｈｒ
脱気膜：セルガート（株）製「リキ・セルＸ−４０」
脱気膜配列：３本直列（１０インチφ×２８インチ高さ膜）
脱気膜有効面積：１３５ｍ^２／本
真空度：５０Ｔｏｒｒ
供給不活性ガス量：３０ＮＬ／ｍｉｎ（９９．９９５％Ｎ_２）
原水ＤＯ：８．５〜９．２ｍｇ／Ｌ（ａｔ２０℃）
処理水ＤＯ：４〜７．５ｐｐｂ（ａｔ２０℃）
【００５０】
【表１】

【００５１】
なお、昇温工程における昇温速度は３℃／ｍｉｎであり、８０℃の加熱水で殺菌を行った。その後の降温工程における速度は２℃／ｍｉｎであり、水温が２０℃にまで降温したときに通水脱気工程を再開した。
【００５２】
その後、脱気処理水の必要量が増えたため、殺菌処理工程の降温工程において、バルブＶ−６を閉、バルブＶ−７を開として、高速降温工程を行った。その他の操作は表１と同様とした。
【００５３】
その結果、高速降温工程における降温速度は２０℃／ｍｉｎであり、３分の高速降温工程で通水脱気工程を再開することができ、一連の殺菌処理工程に要する時間は４３分となり、低速降温工程を行う場合に比べて２７分も短縮された。
【００５４】
この結果、１日の脱気処理水の生産水量は低速降温工程を採用した場合は５７０ｍ^３であったのに対し、高速降温工程を採用することで５８０ｍ^３に増加した。
【００５５】
なお、脱気処理水のＤＯ濃度はもちろん、殺菌効果には全く変わりはなく、低速降温工程を採用した場合でも高速降温工程を採用した場合でも、殺菌処理後の生菌数は０．０１個／ｍＬ以下であり、良好な殺菌効果を得ることができた。
【００５６】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の膜式脱気装置によれば、殺菌処理工程において、循環水の一部を排出する低速降温工程と、循環水の全量を排出する高速降温工程とを選択することができる。このため、必要に応じて殺菌処理工程の降温工程において高速降温工程を採用して早期に通水脱気工程を再開し、生産水量を増加させることができる。
【００５７】
本発明の飲料水製造装置は、このような本発明の膜式脱気装置を用いて飲料を製造するものであり、要求される生産水量に柔軟に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の膜式脱気装置の実施の形態を示す系統図である。
【図２】本発明の飲料水製造装置の実施の形態を示す系統図である。
【符号の説明】
１原水タンク
２膜式脱気装置本体
２Ａ水室
２Ｂ気室
３処理水タンク
４熱交換器
２１水処理設備
２２受水タンク
２３膜式脱気装置
２４貯水タンク
２５飲料水製造工程

Claims

被処理水を貯水する原水タンクと、
該原水タンクに貯水された水が導入される膜式脱気装置本体と、
該膜式脱気装置本体から排出される水を系外へ排出する処理水排出配管と、
該膜式脱気装置本体から排出される水を原水タンクへ戻す戻り配管と、
該戻り配管内の水を加熱するための加熱手段と、
該加熱手段によって加熱された加熱水の一部を系外へ排出可能な第１の排出配管と、
該加熱水の全量を系外へ排出可能な第２の排出配管と
を備え、該第１の排出配管と第２の排出配管は、前記加熱手段の後段に設けられていることを特徴とする膜式脱気装置。
請求項１に記載の膜式脱気装置を用いて原水を処理し、飲料水を製造する飲料水製造装置。