JP4859085B2 - 砂糖の冷却晶析方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は粒径分布の揃った大粒径の砂糖をバッチ晶析操作で晶出させるのに適した砂糖の冷却晶析方法および装置に関するものである。

従来、双目糖などの砂糖を生産する場合、煎糖、分離、乾燥、分級操作を繰り返して砂糖を所望の粒径まで成長させる蒸発濃縮法が一般的に採用されている。この場合、煎糖工程において、結晶缶内で発生する偽晶を溶解するために結晶缶の真空度を下げることによって昇温したり、水を添加したりする方法が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

そして、氷砂糖などの大きな粒径の砂糖を生産する場合には、種晶を結晶皿と呼ばれる容器や回転網をもつ結晶缶に仕込み、常圧または真空下で加熱濃縮を繰り返し、数日〜２０日程度の期間をかけて結晶を成長させている。

しかしながら、双目糖などの比較的粒径が大きく生産量の低い糖種を生産する場合、煎糖、分離、乾燥、分級操作を２〜４回繰り返し、さらに種晶以外に発生する偽晶を溶解させる操作は煎糖操作毎に数回行われ、さらにまた氷砂糖の様に大きな粒径の結晶を生産するためには加熱蒸発を常圧または真空下で行うため、希望の粒径に成長するためには数日〜２０日程度の期間が必要となる。つまり、従来の方法では生産量に対する設備およびエネルギーの効率が悪く、生産に長時間を必要としていたのである。

一方、生産効率を上げるべく、偽晶溶解操作を省略すると、粒度分布が揃わなくなり、歩留まりが低下する。
特開平５−１１１６０２号公報

そこで、本発明の主たる課題は、生産効率及びエネルギー効率を改善するとともに、粒度分布を均一化し、歩留を向上させることにある。

上記課題を解決した本発明は次記のとおりである。
＜請求項１記載の発明＞
種晶をファインリカーに加えてなる原料スラリーを結晶缶内において冷却しつつ晶析を図る方法であって、
晶析の開始から終了までの期間において、スラリーの冷却速度を経時的に上昇させながら晶析を図り、
前記期間中において、粒径センサーを用いて前記スラリー中の粒子の粒度分布を計測し、所定粒径未満の粒子数が所定数以上に増えたとき、前記スラリーを加熱するとともに、前記結晶缶内の前記スラリー温度以上の温度に加熱したファインリカーを追加し、前記スラリーの温度を所定温度まで上昇させる偽晶溶解操作を行い、
前記所定粒径未満の粒子数が所定数未満となったとき、偽晶溶解操作開始の温度以下までスラリー温度を低下させる冷却操作を行い、
前記偽晶溶解操作及び前記冷却操作を多数回行いながら、所定の冷却スケジュールに従ってスラリーの冷却速度を上昇させながら晶析を行う、
ことを特徴とする、砂糖の冷却晶析方法。

（作用効果）
ある大きさ、量の種晶を添加して冷却晶析を行う場合、結晶成長には限界があり、その限界を超えた場合偽晶が発生する。結晶成長の限界とは、冷却によって生じる過飽和を結晶が成長によって吸収できなくなる状態である。そして、結晶成長の限界は結晶（種晶）の粒径、量に依存する。特に液の粘度が高く結晶成長が遅い砂糖の場合はこの傾向が顕著に現れる。そのため、種晶添加時から晶析操作初期にはスラリー濃度が低く、偽晶が発生しやすい状態にある。一方、晶析操作末期には種晶が成長し（つまり過飽和を十分に吸収できる表面積をもつようになり）、スラリー濃度が高くなり偽晶が発生しにくい状態になる。本発明はかかる特性を巧みに利用したものである。

すなわち、本発明に従って、スラリーの冷却速度を経時的に上昇させながら晶析を図ることにより、偽晶が発生し易い晶析操作初期には、冷却効率は低くなるものの偽晶が発生し難い低冷却速度で晶析を図り、反対に偽晶が発生し難い晶析操作末期には、偽晶は発生し易くなるものの冷却効率が高くなる高冷却速度で晶析を図ることができる。したがって、本発明のように、スラリーの冷却速度を経時的に上昇（連続的もしくは断続的）させながら晶析を図ることにより、偽晶の発生を抑制しうる範囲内で結晶の成長度合いに応じて結晶の成長に必要な分の冷却が与えられ、効率良く晶析を図ることができる。よって、生産効率及びエネルギー効率を改善するとともに、粒度分布を均一化し、歩留を向上させることにある。

なお、本発明における「冷却速度を経時的に上昇させる」とは、晶析操作中において、ある時間における冷却速度がそれ以前の時間における冷却速度よりも遅くならないことを意味し、この範囲内であれば速度の上昇は連続的であっても段階的であっても良い。

また、上記特許文献１記載の先行技術は偽晶の発生を全体の粒子数により検知し、溶液の過飽和度を下げ、偽晶の溶解を測るものであり、偽晶の発生を抑制するものではない。したがって、上記先行技術は偽晶を溶解するために、溶解の必要のない成長結晶まで溶解させてしまうものであり、生産効率およびエネルギー効率が顕著に低下するものである。

本発明は偽晶の発生自体を防ぐことを主体とするものであるが、補助的に、偽晶が発生した際には偽晶溶解操作を行うのが好ましい。

偽晶溶解操作は、溶解させる必要がない成長結晶の溶解を伴うものであり、迅速な偽晶溶解を行わないと、生産効率及びエネルギー効率の向上という本発明の利点が薄れてしまうおそれがある。一般的な砂糖プラントにおける偽晶溶解操作は、スラリーの加熱による温度上昇と水の添加の組み合わせであるが、間接冷却方式を採用する場合、水の添加は歩留まりの低下を招くので好ましくない。また、偽晶溶解操作では可能な限り偽晶のみを速やかに溶解させる必要があるが、スラリーの加熱操作のみではタイムラグを避け得ないため、偽晶のみを速やかに溶解するのは困難である。そこで、本請求項３記載の発明では、単にスラリー温度を上昇させるだけでなく、その温度以上のファインリカーの追加をも組み合わせることによって、タイムラグが少なく且つ迅速な加熱を行い、歩留まりの低下を可能な限り防ぎながら、迅速な偽晶溶解を行うこととしたものである。

＜請求項２記載の発明＞
種晶をファインリカーに加えてなる原料スラリーの晶析操作が行われる結晶缶と、
前記結晶缶に設けられた間接熱交換器と、
この間接熱交換器に冷媒を供給する冷媒供給手段とを備え、
前記結晶缶内に粒径センサーを設け、前記間接熱交換器に加熱媒体を供給する加熱媒体供給手段を設け、ファインリカーが貯留されるファインリカー貯留槽およびその貯留ファインリカーを加熱するファインリカー加熱手段を設け、
晶析中に前記冷媒供給手段により冷媒を前記間接熱交換器に供給して、前記結晶缶内のスラリーを冷却しつつ、かつ経時的に冷却速度を上昇させ、
前記粒径センサーにより前記スラリー中の粒子の粒度分布を計測し、所定粒径未満の粒子数が所定数以上に増えたとき、前記加熱媒体供給手段により加熱媒体を前記間接熱交換器に供給するとともに、前記ファインリカー加熱手段により前記ファインリカー貯留槽に貯留されたファインリカーを前記結晶缶内の前記スラリー温度以上の温度に加熱した後、結晶缶内に追加して、前記結晶缶内のスラリーの温度を所定温度まで上昇させる偽晶溶解操作を行い、
前記所定粒径未満の粒子数が所定数未満となったとき、間接熱交換器に冷媒を供給し、前記スラリーの温度を加熱開始時の温度以下とする冷却操作を行い、
前記偽晶溶解操作及び前記冷却操作を多数回行いながら、所定の冷却スケジュールに従って冷却速度を上昇させるように構成した、
ことを特徴とする砂糖の冷却晶析装置。

以上のとおり、本発明によれば、生産効率及びエネルギー効率を改善するとともに、粒度分布を均一化し、歩留を向上させることができるようになる、等の利点がもたらされる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ詳説する。
図１は、結晶缶２と、これに対する種晶供給手段Ｓおよびファインリカー供給手段Ｆとを備えた晶析装置例を示している。結晶缶２としては、スラリーを冷却するための手段を備えたものであれば特に限定されない。スラリーを冷却するための手段としては、結晶缶２内にドラフトチューブ等の間接熱交換器ｃ１を設けたり、結晶缶２外面に冷却ジャケット等の間接熱交換器ｃ２を設けたり、あるいは両者を併用したりすることができる。これらの間接熱交換器ｃ１，ｃ２に対して図示しない冷媒供給手段から冷却水等の冷媒を供給することにより、結晶缶２内のスラリーを冷却することができ、またその供給速度を変化させることにより冷却速度を変化させることができる。

また、結晶缶２としては、攪拌機２ｍを備え、スラリーを攪拌して缶内循環を行うタイプのものが好適に使用できる。攪拌機２ｍとしては、大粒径の結晶が存在する高粘度スラリーを結晶缶２内に均一に分散させることが可能なものが好適であり、高粘度のスラリーを低回転数で均一に攪拌できるような大型翼を供えているものが特に好適である。

かかる結晶缶２に対して、種晶供給手段Ｓおよびファインリカー供給手段Ｆ（詳細は後述する）により、種晶およびファインリカーが投入され、結晶缶２内に原料スラリーが仕込まれる。図示しないが、結晶缶２外で、種晶とファインリカーとを予め今後し原料スラリーを製造しておき、これを結晶缶２内へ供給することもできる。

特に好ましい形態では、粒径センサー２ｓを用いて結晶缶２内のスラリー中の粒子の粒度分布を計測し、所定粒径未満の粒子数が所定数以上となったときに偽晶溶解操作を行う。このため、図示形態では、結晶缶２内に粒径センサー２ｓを設けている。粒径センサー２ｓとしては、インライン、リアルタイムで、粒度分布および粒子数を測定できるものが好適であり、レーゼンテック社製のFBRM(Focused Beam Reflectance Measurement)が好適である。レーゼンテックFBRMは、レーザービームを回転走査し、測定対象粒子が収束ビームを横切るときに発生する後方散乱光を１万本／秒以上検出し、各後方散乱光の持続時間及び走査速度に基づいて粒子の粒度と粒子数の変化を取得するものである。通常、大粒径（数ｍｍ程度）の砂糖結晶を生産する場合、種晶粒径は数百μｍであるのに対し、発生する偽晶は数〜十数μｍであるため、晶析開始当初から高い精度で偽晶の発生を検知できる。

偽晶溶解操作のための手段としては、スラリー温度を上昇させる等の過飽和度上昇手段を採用できる。スラリー温度を上昇させるための手段としては、結晶缶２に間接熱交換器ｃ１，ｃ２を設けるとともに、この間接熱交換器ｃ１，ｃ２に対して蒸気や温水等の加熱媒体を供給する加熱媒体供給手段（図示せず）を設けることで構成できる。図示例では、結晶缶２の間接熱交換器ｃ１，ｃ２をスラリーの冷却にも加熱にも利用する兼用構成となっているが、いずれか一方を冷却用にし、他方を加熱用にする等、相互独立に設けることもできる。

また、かかる加熱操作とともに（またはこれに代えて）、ファインリカーを追加する偽晶溶解操作を用いることが推奨され、図示例では、このための手段として、ファインリカー貯留槽３と、そこに貯留されたファインリカーを結晶缶２内に対して圧送するポンプ装置４とから構成されるファインリカー供給手段Ｆを利用し、結晶缶２内に原料スラリーを仕込む際のファインリカー供給手段Ｆを、そのまま追加にも利用する構成となっているが、これらは相互独立に設けることもできる。また特に好ましい形態では、ファインリカー貯留槽３に間接熱交換器ｃ３を設け、貯留されているファインリカーの加熱が可能な構成が採られる。さらに図示例のファインリカー貯留槽３は攪拌機３ｍを備えている。

他方、かくして構成された晶析装置によれば次のような晶析操作が可能になる。すなわち、先ずファインリカー貯留槽３から結晶缶２内にファインリカーが所定量供給されるとともに、種晶供給手段Ｓにより結晶缶２内に種晶が所定量投入される。またこの一方で、結晶缶２の間接熱交換器ｃ１、ｃ２に冷媒が供給され、間接的な冷却が行われつつ晶析が開始される。そして、かかる晶析中において冷媒供給速度または冷媒温度を経時的に上昇させることにより、スラリーの冷却速度を経時的に上昇させる。この冷却速度の上昇は段階的であっても良いが、晶析操作開始から終了まで連続的にするのが好ましい。この冷却スケジュールの具体例が図２に示されている。この例によれば、７８℃の原料スラリーを連続的に冷却速度を上昇させながら２５℃になるまで１２時間晶析することにより平均粒径２．４ｍｍの砂糖結晶を製造できる。このような冷却スケジュールは、偽晶の発生を抑制しうる範囲内で、結晶の成長度合いに応じて結晶の成長に必要な分の冷却が与えられるように、計算、シミュレーション、実験等を利用して適宜定めることができる。

かくして、本発明に従って、冷却速度を経時的に上昇させることにより、偽晶が発生し易い晶析操作初期には、冷却効率は低くなるものの偽晶が発生し難い低冷却速度で晶析を図り、反対に偽晶が発生し難い晶析操作末期には、偽晶は発生し易くなるものの冷却効率が高くなる高冷却速度で晶析を図ることができる。

他方、上述の手法により偽晶の発生を抑制しつつ、偽晶が発生したときには補助的に偽晶溶解操作が行われる。具体的には、図示形態において、結晶缶２内に設けた粒径センサー２ｓによりスラリー中の粒子の粒度分布を計測し、所定粒径（例えば１０μｍ）未満の粒子数が所定数（例えば種晶個数の１／１０）以上となったときを偽晶発生とし、結晶缶２の間接熱交換器ｃ１，ｃ２に対する冷媒供給を加熱媒体の供給に切り替えて、結晶缶２内のスラリーの温度を所定温度まで上昇させる（例えば５℃程度上昇させる）とともに、偽晶発生に対して事前又は事後的にファインリカー貯留槽３の間接熱交換器ｃ３に加熱媒体を供給し、ファインリカーを結晶缶２内のスラリー温度以上の温度に加熱した後、結晶缶２内に所定量追加する。

しかる後、粒径センサー５による計測結果において、所定粒径未満の粒子数が所定数未満となったときには、偽晶溶解が完了したものとして、偽晶溶解運転から定常運転に復帰させる。すなわち結晶缶２の間接熱交換器ｃ１，ｃ２に対する加熱媒体の供給を冷媒供給に切り替えて、結晶缶２内のスラリーを冷却し、例えば偽晶溶解操作開始時の温度になったならば、所定の冷却スケジュールに従って経時的に冷却速度を上昇していく。以降も、偽晶発生が検知される度に同様の操作が繰り替えされる。

偽晶溶解操作は、溶解させる必要がない成長結晶の溶解を伴うものであり、本発明の偽晶発生の抑制によりその回数は減るといっても、生産効率及びエネルギー効率の向上という本発明の利点が薄れるおそれがあるため、このような迅速な偽晶溶解操作を採用することが好ましい。なお、図２に示すグラフでは、かかる偽晶溶解操作の影響も示されており、またファインリカーの追加量は相対的なものとして併記されている（縦軸は温度ではない）。このグラフの例では、偽晶が定期的に発生し、その度ごとに偽晶溶解操作がなされ、５℃程度温度が上昇（温度曲線のピーク）した後、速やかに元の冷却曲線に復帰する温度変化となることが判る。

＜その他＞
（イ）上記例では、バッチ式への適用例を示したが、本発明の範囲内において連続晶析への適用も可能である。

（ロ）上記例の晶析操作は、適宜の制御装置を用い自動制御により行うのが好ましいが、そのうちのいずれか一つ若しくは複数、または全ての操作を作業員が手動で行うこともできる。

本発明は、砂糖をバッチ晶析操作で晶出させる用途に適用できるものである。

本発明に係る晶析装置例のフロー図である。 スラリーの冷却曲線および粒径成長曲線等を示すグラフである。

２…結晶缶、３…ファインリカー貯留槽、４…ポンプ装置。

Claims (2)

1. 種晶をファインリカーに加えてなる原料スラリーを結晶缶内において冷却しつつ晶析を図る方法であって、
   晶析の開始から終了までの期間において、スラリーの冷却速度を経時的に上昇させながら晶析を図り、
   前記期間中において、粒径センサーを用いて前記スラリー中の粒子の粒度分布を計測し、所定粒径未満の粒子数が所定数以上に増えたとき、前記スラリーを加熱するとともに、前記結晶缶内の前記スラリー温度以上の温度に加熱したファインリカーを追加し、前記スラリーの温度を所定温度まで上昇させる偽晶溶解操作を行い、
   前記所定粒径未満の粒子数が所定数未満となったとき、偽晶溶解操作開始の温度以下までスラリー温度を低下させる冷却操作を行い、
   前記偽晶溶解操作及び前記冷却操作を多数回行いながら、所定の冷却スケジュールに従ってスラリーの冷却速度を上昇させながら晶析を行う、
   ことを特徴とする、砂糖の冷却晶析方法。
2. 種晶をファインリカーに加えてなる原料スラリーの晶析操作が行われる結晶缶と、
   前記結晶缶に設けられた間接熱交換器と、
   この間接熱交換器に冷媒を供給する冷媒供給手段とを備え、
   前記結晶缶内に粒径センサーを設け、前記間接熱交換器に加熱媒体を供給する加熱媒体供給手段を設け、ファインリカーが貯留されるファインリカー貯留槽およびその貯留ファインリカーを加熱するファインリカー加熱手段を設け、
   晶析中に前記冷媒供給手段により冷媒を前記間接熱交換器に供給して、前記結晶缶内のスラリーを冷却しつつ、かつ経時的に冷却速度を上昇させ、
   前記粒径センサーにより前記スラリー中の粒子の粒度分布を計測し、所定粒径未満の粒子数が所定数以上に増えたとき、前記加熱媒体供給手段により加熱媒体を前記間接熱交換器に供給するとともに、前記ファインリカー加熱手段により前記ファインリカー貯留槽に貯留されたファインリカーを前記結晶缶内の前記スラリー温度以上の温度に加熱した後、結晶缶内に追加して、前記結晶缶内のスラリーの温度を所定温度まで上昇させる偽晶溶解操作を行い、
   前記所定粒径未満の粒子数が所定数未満となったとき、間接熱交換器に冷媒を供給し、前記スラリーの温度を加熱開始時の温度以下とする冷却操作を行い、
   前記偽晶溶解操作及び前記冷却操作を多数回行いながら、所定の冷却スケジュールに従って冷却速度を上昇させるように構成した、
   ことを特徴とする砂糖の冷却晶析装置。

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