JP5380545B2 - 気／液または液／液の分散、溶解、可溶化、または乳化用の処理装置 - Google Patents

気／液または液／液の分散、溶解、可溶化、または乳化用の処理装置 Download PDF

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Description

本発明は、食品、飲料、化粧品、医薬品、衛生材料等の製造や、環境分野の用途等における液体への気体の分散、溶解および可溶化、液体への異種液体の分散、溶解、可溶化、および乳化（エマルジョン化）のための処理装置に関するものである。
従来、炭酸水、酸素水、水素水等の飲料水において、炭酸ガス、酸素ガス、水素ガス等の気体を液体に溶解させる技術は主として、（１）モータによる羽根の回転を利用して気体を巻き込んで攪拌する方法、（２）高圧下の気体中に液体を噴霧する方法、（３）気体のバブリングによる方法等によって行われている。
しかし、（１）の方法は、気体を均一に攪拌、混合するのが難しく、スタティックミキサーのような密閉系での利用に留まっている。（２）の方法は、炭酸水の製造に見られるように高圧制御のため大規模設備を必要とし、設備投資やコスト上のデメリットが否めない。（３）の方法は、Ｍｇによる水素の発泡や、水の電気分解による水素水製造に見られるようにバブル技術を用いる方法であるが、径の小さな気泡を均一に液体に接触させることができず、そのため高濃度の均一かつ安定した溶解状態を得るのが難しい。
一方、各種の食品の製造には、液体（含ゲル状や粘性液体）と異種液体との均一混合の工程が欠かせない。この液／液混合においては、主に羽根による攪拌、混合、混練等が可溶化や乳化に常用されてきた。
しかし、この方法は攪拌の仕方や能力に依存し、相分離しない可溶化状態や、きめの細かい乳化状態が得るのが難しく、その物性の程度（グレード）に著しく影響を与える。
この問題点に対処するものとして、近年では高圧乳化法のように高度な技術が開発され、高度な乳化を達成している。例えば、生クリームの製造は気体と液体との攪拌混合によってなされているが、そのクリーミーな乳化状態は攪拌の仕方に微妙に影響されて決まる一例である。
本発明者らは、抗酸化作用や活性酸素消去能を有する活性水素水に関する基礎および応用研究に取り組んできたが、活性水素水の研究過程において気体を液体に溶解する技術の検討を行ってきた。しかしながら、上記したような従来の方法ではいずれも生産効率、生産コスト、設備規模等の点で一長一短があった。
そこで本発明者らは、従来の方法よりも効率良く低コストで気体を液体に溶解することができる方法について検討を行ってきた。そしてこの過程において、加圧遠心ポンプ（特許文献１〜５参照）に着目した。
この加圧遠心ポンプは、気体を積極的に吸引し加圧と攪拌とを一台のポンプで同時に行うことができるものである。カスケード型等の従来のポンプは、ポンプ性能である高吐出力を目的に作製されているが、そのため気体の混入によるキャビテーションを嫌う。これに対して加圧遠心ポンプは積極的にキャビテーションの衝撃波の力によって気体の混合を可能にし、吐出力を従来の約３倍にも高めた画期的なポンプとして開発されたものである。
図６〜図８は、加圧遠心ポンプの一例を示したものである。この加圧遠心ポンプ１は、図６および図７に示すように、吸込口３および送出口６を有するドラム状のケース２を備え、ケース２は、吸込口３を有する加圧ケース２ａと、送出口３を有する羽根車ケース２ｂとを左右一対として形成されている。
加圧ケース２ａは、吸込管４を有するケース蓋部に加圧部１４が一体に形成され、羽根車８を組み付けた状態の羽根車ケース２ｂの開口部に加圧部１４を嵌挿し、加圧ケース２ａと羽根車ケース２ｂとを固定具で締着固定しケース２を閉鎖状に構成する。これにより加圧部１４と羽根車８との間に、吸込口３から吸い込んだ流体を羽根車８を介して加圧し送出口６から送出するポンプ室１３（図８の加圧室１５）を形成する。
羽根車ケース２ｂは、円盤状の側壁の外周に、羽根車８および加圧ケース２ａの加圧部１４を内嵌する幅の周壁が一体に形成される。周壁には、複数枚の羽根９，９・・に跨がる所定長さの送出口６が、羽根車８の羽根幅に対向する所定部位に穿設されている。そして、送出口６には流体の送出方向に湾曲した送出管７が一体的に接続されている。
羽根車ケース２ｂの側壁はその外側に支持部を一体に連結しポンプ軸をポンプ室１３の中心部に位置させ回転可能に支持する。
羽根車８は、羽根側壁となる円盤状の羽根板１０の中心部から、ポンプ軸への取付け部材を兼ねる円筒状のボス部１２が一体に形成されている。
そして、羽根板１０およびボス部１２から各羽根９を所定間隔を設けて放射状に突出させ、各羽根９と羽根板１０とボス部１２とにより形成される空間部が、流体を内包させる羽根室１１となる。
羽根車８は、ボス部１２および羽根９の側端を略同一の高さに形成しており、羽根車ケース２ｂに装着した際に、ボス部１２の端面を加圧ケース２ａの中心部に形成した平坦面状の仕切壁１９の端面と近接させ、両者間には耐磨耗性部材を介装しシールドしている。
この羽根車８の羽根９は、円盤状の羽根板１０の一側面にボス部１２から羽根車回転方向上手側に向けて放射方向に突設され、側面視で平板状の羽根片を長さの中途部で屈曲し後退傾斜させている。
さらに、加圧ケース２ａ側の羽根９の外側端面（板厚端）を羽根板１０の基部側より先行させるように、図８に示すように羽根面に前傾角（掻込角）θを設けて羽根車８の回転方向下手側に向けて傾けて形成している。
この羽根形状により、羽根車８の回転に伴い流体を吸込口３から掻き込み易くし、そして羽根室１１内で流体を保持する。そして、各羽根９は送出口６の部位に至るとき、羽根室１１内の流体を後退傾斜させた羽根形状によって遠心力を加えながら、あたかもキックさせるように押し出し付勢し、遠心方向への流圧を高め流体の送出効率を上げることができる。
そして図８に示すように、ポンプ室１３は、流体の吸い込みを促進させる吸込室５と、これに連通し流体の加圧を行う加圧室１５とを備えている。
また、加圧室１５の終端と吸込口３との間には、複数の羽根９の側面に近接し羽根室１１内の流体漏出を規制する加圧仕切り壁１６が、図７の仕切壁１９から面一な平坦面状に形成される。これにより羽根車８のボス部１２の端面に対向する仕切壁１９の周囲には、吸込室５と加圧室１５および加圧仕切り壁１６が一連に形成される。
また、吸込口３側から加圧仕切り壁１６に至る範囲に滑らかな傾斜面で形成される加圧面１７は、吸込室５側から羽根９に徐々に近接する加圧室１５を収束状に形成する。これにより、吸込口３からポンプ室１３内に吸い込まれる流体は、羽根車８の回転によって順次各羽根室１１内に掻き込み保持された状態で、長い通路の加圧室１５を介して複数の羽根９によって徐々に加圧される。
加圧面１７は、加圧仕切り壁１６の始端部に位置する加圧終了点１８まで形成され、吸込室５から下手側に移動する流体を加圧面１７に沿わせて羽根室１１内に加圧誘導する。また、ポンプ室１３内で流体に急激な加圧変動を生じさせることなく加圧し、加圧終了点１８の位置において最高圧力に加圧された流体を送出口６から効率良く押し出す。
ポンプ軸の一側を原動機側から駆動して羽根車８を矢印方向に回転駆動すると、各羽根９が吸込口３から流体とエアーを羽根室１１内に掻き込んで吸い込むとともに、各羽根室１１に流体を収容した状態で持ち回り連続的にポンプ室１３内に至らせる。そして加圧室１５内の流体とエアー気泡は、加圧面１７に沿って加圧され羽根室１１内に圧力を高めながら入り込んで加圧仕切り壁１６に至り、最加圧状態になって、加圧面１７の形状および羽根９の回転による押し出し力と遠心力を付加されて送出口６から送り出される。
特開２００１−１５９３９８号公報 特開２００２−０８９４７７号公報 特開２００４−０６０４７０号公報 特開２００５−２９０９９９号公報 特開２００８−０３８６１９号公報
この加圧遠心ポンプ１は、気体を積極的に巻き込むことにより高いポンプ性能、すなわち高い吐出量を得ることを目的にして開発されたものであるが、本発明者らは、このポンプ内での加圧、圧縮、攪拌、混合、遠心、キャビテーションの衝撃波等の作用に着目し、この技術を応用して、効率の良い気体の液体への分散、溶解、可溶化、乳化を可能とし、さらには液体の異種液体への分散、溶解、可溶化、乳化をも可能とする処理装置について検討を行った。
本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、気体の液体への均一な分散、溶解、可溶化、乳化、および液体の異種液体への均一な分散、溶解、可溶化、乳化を、大容量かつ短時間で行うことができる処理装置を提供することを課題としている。
本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。
第１：気体を液体に分散、溶解、可溶化、または乳化し、あるいは液体を液体に分散、溶解、可溶化、または乳化するための処理装置であって、
吸込口および送出口を有するドラム状のケース内で、羽根板の側面でボス部から複数の羽根を回転方向に後退角を有するように放射状に突出した羽根車に、羽根に対向し吸込口側から送出口側に向けて収束する加圧室を形成する加圧面および羽根の側面に近接し羽根室内の流体の漏出を防止する加圧仕切り壁を有する加圧部を対設したポンプ室を備える加圧遠心ポンプと、
加圧遠心ポンプの吸込口および送出口に連通し、加圧遠心ポンプとともに循環路を構成し、加圧遠心ポンプの駆動により分散、溶解、可溶化、または乳化するための気／液流体または液／液流体を加圧遠心ポンプの送出口から吸込口に循環させる循環部と、
循環部における加圧遠心ポンプの下流に設けられ、加圧遠心ポンプにより加圧された気／液流体または液／液流体を通過させる微小開口を有するノズル部と、
循環部におけるノズル部の下流に設けられ、気／液流体または液／液流体を収容可能なチャンバとを備えることを特徴とする気／液または液／液の分散、溶解、可溶化、または乳化用の処理装置。
第２：ノズル部の微小開口の幅を弁体により調節可能なバルブを備えることを特徴とする上記第１の気／液または液／液の分散、溶解、可溶化、または乳化用の処理装置。
本発明によれば、加圧遠心ポンプにより加圧された流体を通過させるノズル部と、ノズル部を通過した流体を収容可能なチャンバとを設けて、加圧遠心ポンプ、ノズル部、およびチャンバに流体を循環させる構成としている。
加圧遠心ポンプを駆動すると、流体はポンプ内で加圧、圧縮、攪拌、混合、遠心、キャビテーション等の作用を受け、送出口から加圧状態で吐出される。吐出された流体は、加圧遠心ポンプの下流のノズル部の作用によりさらに加圧、圧縮、流速変化等を受けて気／液または液／液の流体の分散、溶解、可溶化、または乳化が促進され、典型的には発泡する。そしてノズル部の微小開口を通過した流体は、圧力を制御する溜としての大容量のチャンバに一旦受け止められて圧力が緩和され、安定に均一化する。さらに、チャンバ内の流体は循環路により加圧遠心ポンプの吸込口に戻されて、以上の工程が繰り返される。これにより、気／液または液／液の流体の均一な分散、溶解、可溶化、乳化が達成される。
このようにノズル部とチャンバは加圧遠心ポンプの機能と協同し、分散、溶解、可溶化、乳化の効率を高めるように作用して圧縮発泡等を可能にしている。すなわち、本発明によれば、一工程で加圧、圧縮、攪拌、混合、遠心、キャビテーションおよびバブリング等を同時に効率良く行うことができ、気体の液体への均一な分散、溶解および可溶化、そしてゲルや粘性液体等の液体の異種液体への均一な分散、溶解、可溶化、および乳化を、大容量かつ短時間で行うことができる。
従って、本発明の処理装置は、食品、飲料、化粧品、医薬品、衛生材料、環境等の各分野において、生産設備の簡略化、省エネルギー化、高生産効率、生産コスト削減等が可能である。
本発明の処理装置の実施形態を示した図である。 本発明の処理装置に用いられるバルブを示す断面図である。 実施例５における乳化状態の高さと時間との関係を示すグラフである。 実施例６における乳化状態の高さと時間との関係を示すグラフである。 実施例７において製造した水素水の大気開放下における溶存水素量、ｐH、酸化還元電位（ORP）の経時変化を示すグラフである。 加圧遠心ポンプを一部破断して示す側面図である。 加圧遠心ポンプのケース構造を示す分解斜視図である。 加圧遠心ポンプのポンプ室の構成を示す断面図である。
１ 加圧遠心ポンプ
２ ケース
２ａ 加圧ケース
２ｂ 羽根ケース
３ 吸込口
４ 吸込管
５ 吸込室
６ 送出口
７ 送出管
８ 羽根車
９ 羽根
１０ 羽根板
１１ 羽根室
１２ ボス部
１３ ポンプ室
１４ 加圧部
１５ 加圧室
１６ 加圧仕切り壁
１７ 加圧面
１８ 加圧終了点
１９ 仕切壁
θ 羽根前傾角
２０ 処理装置
２５ 循環部
２６ 循環路
３０ ノズル部
３１ 微小開口
３５ バルブ
３６ バルブ本体
３７ ベンチュリー管
３８ 流体入口
３９ 流体出口
４０ 弁体
５０ チャンバ
５１ 安全弁
６０ 液体サンプル貯槽
６１ 気体サンプル貯槽
６５ 混合器
６６ 混合器
７０ 流路切換バルブ
７１ 流路切換バルブ
８０ 貯槽
８１ 取出口
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の気／液または液／液の分散、溶解、可溶化、または乳化用の処理装置（以下、「処理装置」という。）の実施形態を概略的に示した図である。
図１に示すように、本実施形態の処理装置２０は、加圧遠心ポンプ１と、これに連通する循環部２５とを備えている。循環部２５は、加圧遠心ポンプ１の吸込口３および送出口６に連通し、加圧遠心ポンプ１とともに循環路２６を構成している。
循環部２５における加圧遠心ポンプ１の下流には、ノズル部３０が設けられ、さらに循環部２５におけるノズル部３０の下流には、チャンバ５０が設けられている。
加圧遠心ポンプ１としては、従来より知られているものを用いることができ、例えば、特許文献１〜５に記載の構成を備えたものを用いることができる。本実施形態では図６〜図８に示す構成を備えたものを用いている。
すなわち、図６〜図８に示すように、加圧遠心ポンプ１は、吸込口３および送出口６を有するドラム状のケース２内で、羽根板１０の側面でボス部１２から複数の羽根９を回転方向に後退角を有するように放射状に突出した羽根車８に、羽根９に対向し吸込口３側から送出口６側に向けて収束する加圧室１５を形成する加圧面１７および羽根９の側面に近接し羽根室１１内の流体の漏出を防止する加圧仕切り壁１６を有する加圧部１４を対設したポンプ室１３を備えている。そして加圧遠心ポンプ１を起動して羽根車８を矢印方向に回転駆動すると、各羽根９が吸込口３から流体と気体を羽根室１１内に掻き込んで吸い込むとともに、各羽根室１１に流体を収容した状態で持ち回り連続的にポンプ室１３内に至らせる。そして加圧室１５内の流体と気泡は、加圧面１７に沿って加圧され羽根室１１内に圧力を高めながら入り込んで加圧仕切り壁１６に至り、最加圧状態になって、加圧面１７の形状および羽根９の回転による押し出し力と遠心力を付加されて送出口６から送り出されるようになっている。
この加圧遠心ポンプ１に連通する図１の循環部２５において、循環路２６は、流体圧力等を考慮して、金属材その他の適宜の材料によるパイプ等の管路で構成することができる。
加圧遠心ポンプ１の下流に設けられたノズル部３０は、加圧遠心ポンプ１により加圧された流体を通過させる微小開口を有するものであり、加圧遠心ポンプ１により加圧された流体は、ノズル部３０において加圧、圧縮、流速変化等を受けて典型的には発泡し、流体の分散、溶解、可溶化、または乳化が促進される。
本発明におけるノズル部３０は、ノズルとしての一般的な作用、すなわち流れる流体の流量、流速、方向、圧力といった流体の持つ特性を制御する作用を有し、かつ流体を吐出する微小開口を有するものであれば（狭い孔を通す構成のものであれば）、必ずしも管形状に限定するものではなく広義に解され、例えば、バルブの弁体と弁座面との間隙が含まれ、弁体により微小開口の幅を調節することができる。このようなバルブとしては、例えば、ニードルバルブ、ゲートバルブ、グローブバルブ、ボールバルブ、ポートバルブ、バタフライバルブ等を用いることができる。
圧縮発泡によるマイクロバブルの生成に適した構成として、例えば、図２に示すバルブ３５を用いることができる。このバルブ３５は、流体入口３８と流体出口３９とを流体の流れ方向が垂直となるように形成したバルブ本体３６の内部に、流体入口３８からの流体流入方向に沿ってテーパ状に縮径するベンチュリー管３７を設け、ベンチュリー管３７の後端部に弁体４０をこの方向に進退自在に設け、弁体４０とベンチュリー管３７の後端部との間隙として微小開口３１を有するノズル部３０を構成している。ベンチュリー管３７の後端部の面に対して流路の反対側よりゲート弁を構成するニードル状の弁体４０が接近し、ノズル口径（微小開口３１の幅）を制御するようになっている。
図１の加圧遠心ポンプ１から吐出された流体は図２のバルブ３５の流体入口３８から流入し、テーパ状のベンチュリー管３７の広口径から狭口径に向けて流れ、テーパ先端の狭口径の微小開口３１を通過し流体出口３９から吐出される。
流体がベンチュリー管３７のテーパを通過する際、ベルヌーイの定理より大きい口径を通過するとき、流速（流速方向の圧力成分の動圧）は小さく、静圧（流速方向に垂直な圧力成分）は大きくなり、小さい口径を通過するときは、流速は大きくなり、静圧は小さくなる。従って、流体が大きい口径を通過する際には気体は液体に良く溶ける条件下にあり、一方、小さい口径を通過する際には気体は液体に溶けにくい状態となり、気泡が発生する。
ノズル部３０付近で発生した気泡は、さらに狭い口径の微小開口３１を潜り抜けるときに、せん断応力と圧力差（動圧の急激な減少）により、より小さなバブル化が促進される。従って、バブルの径はテーパの口径差に依存して決まり、ニードル状の弁体４０のねじ込みの程度によってバブルの径や分布状態を制御することができる。
図１のチャンバ５０は、圧力を制御する溜として作用し、ノズル部３０の微小開口から吐出された流体を一旦受け止めて圧力を緩和し、流体を安定に均一化する。チャンバ５０の蓋体には安全弁５１を設けており、この安全弁５１の開放により密閉したチャンバ５０内の圧力を逃がすことができるようにしている。
また、本実施形態では、気体を液体に分散、溶解、可溶化、または乳化する構成、例えば水等の液体をＯ2、Ｎ2、ＣＯ2、Ｈ2等の気体に分散、溶解、可溶化、または乳化する構成として、液体サンプル貯槽６０、気体サンプル貯槽６１を混合器６５、６６を介して循環部２５に接続し、液体サンプル貯槽６０に収容された液体６０、および気体サンプル貯槽６１に収容された気体を循環部２５に導入するようにしている。
液体サンプル貯槽６０、気体サンプル貯槽６１は必要に応じて設けられるものであり、例えば液体を供給源から直接に循環部２５に導入するようにしてもよい。
気体を加圧遠心ポンプ１に導入する際には、例えば、加圧遠心ポンプ１の自給により、あるいは加圧遠心ポンプ１に設けた気体混入孔から導入してもよい。
また、液体を異種液体に分散、溶解、可溶化、または乳化する場合、例えば、水、油、溶媒等の２種以上を分散、溶解、可溶化、または乳化する場合には、これらを収容した液体サンプル貯槽６０を複数接続する等の構成とすることができる。
混合器６５、６６は、例えば、逆止弁を備えた流路をこれとは別の流路に合流させる構成とすることができる。
また、本実施形態では、流路切換バルブ７０、７１を介して循環部２５に処理後のサンプル用の貯槽８０を接続し、処理後のサンプルを貯留しておき任意の時に取出口８１から取り出せるようにしている。
以上に説明した本実施形態の処理装置２０を用いて、次のようにして気体の液体への溶解、可溶化、乳化処理が行われる。
液体サンプル貯槽６０と気体サンプル貯槽６１からそれぞれ液体サンプル、気体サンプルを混合器６５、６６を介して循環部２５に流入させ、加圧遠心ポンプ１の駆動により気／液流体を循環部２５に循環させる。
この循環時において、加圧遠心ポンプ１内では、流体は加圧、圧縮、攪拌、混合、遠心、キャビテーション等の作用を受け、送出口６から加圧状態で吐出される。
吐出された流体は、加圧遠心ポンプ１の下流のノズル部３０の作用によりさらに加圧や流速変化等を受けて気／液の分散、溶解、可溶化、乳化が促進され、典型的には微細発泡を生成する。例えば、加圧遠心ポンプ１を起動した後、図２に示したようなバルブ３５の弁体４０を移動させてノズル部３０の微小開口３１を狭めると、加圧遠心ポンプ１とノズル部３０との間の流体圧は急激に上昇し、加圧状態で平衡に達する。するとノズル部３０において圧縮発泡が起こる。
ノズル部３０の微小開口を通過した発泡後の流体は、圧力を制御する溜としての大容量のチャンバ５０に一旦受け止められて圧力が緩和され、気／液の分散、溶解、可溶化、乳化が促進され安定に均一化する。
さらに、チャンバ５０内の流体は循環路２６により加圧遠心ポンプ１の吸込口３に戻されて、以上の工程が繰り返される。
このようにノズル部３０とチャンバ５０は加圧遠心ポンプ１の機能と協同し、分散、溶解、可溶化、乳化の効率を高めるように作用する。すなわち、一工程で加圧、圧縮、攪拌、混合、遠心、キャビテーションおよびバブリング等を同時に効率良く行うことができ、気体の液体への均一な分散、溶解、可溶化、および乳化を大容量かつ短時間で行うことができる。
そしてサンプルを液／液系に置き換えれば、上記の気／液系の場合と同様の作用により、ゲルや粘性液体等の液体の異種液体への均一な分散、溶解、可溶化、および乳化を大容量かつ短時間で行うことができる。
本発明の処理装置は、気／液、液／液の均一な分散、溶解、可溶化、乳化を可能とし、例えば、生クリーム、バター、マヨネーズ、ドレッシング、ジュース、アイスクリーム、ホモ牛乳、ジェリー等の食品の製造に用いることができる。
また、気／液、液／液の均一な混合を可能とし、例えば、芳香剤等のエアロゾルや、乳液、クリーム、ジェル等の化粧品等の製造に用いることができる。
また、炭酸水、酸素水、水素水、オゾン水等の製造を容易にし、特にミネラルウォーター、スポーツドリンク、ジェリー飲料等の健康飲料の製造に用いることができる。
また、還元性水素水のように、抗酸化能、活性酸素消去能を有する輸液や薬液等の医薬品の製造に用いることができる。
また、濃度制御されたオゾン水製造のように、抗菌、殺菌、抗カビを目的とした衛生材料の製造や、環境分野の用途に用いることができる。
また、軽油／空気、あるいは軽油／空気／水からなるエマルジョン燃料の製造により、省エネルギー、ＣＯ２排出量削減に寄与する環境分野への用途に用いることができる。
また、重油（Ｃ）／水、乃至、重油／水／空気からなるエマルジョン燃料の製造により、省エネルギー、ＣＯ２排出量削減に寄与する環境分野への用途に用いることができる。
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
＜実施例１＞ 炭酸水の製造
3.7KWモータ搭載の加圧遠心ポンプ（米原技研社製）と、図２に示すようなベンチュリー管付きノズル部を備えたバルブと、チャンバとを図１に示すようにステンレスパイプ（SUS32）を用いて繋ぎ、サンプル液を循環させる循環部を構成した。
この処理装置を用いて、チャンバに30Lの水を入れ、三相200V、周波数60Hzで、インバータを介して回転数4000にて起動した。
循環流量は約100L/minとし、バルブのノズル部の口径を弁体により調節して加圧遠心ポンプの吐出側の静圧を0.4MPaに保った。
加圧遠心ポンプの吸入口側の気体サンプル貯槽より炭酸ガス（ＣＯ2）を3Ｌ/minの流量で循環部に注入した。これにより炭酸ガスと水とが加圧遠心ポンプ内で圧縮、攪拌等を受けてチャンバ側に吐出され、途中のベンチュリー管付きノズル部を経て発泡しチャンバに至り、この過程で炭酸ガスが水に溶解した。
本実施例ではチャンバの蓋を開けた状態で、大気開放下の条件で循環を行った。このような条件下では、溶解した炭酸ガスの一部は大気中に逃げることができる。サンプルはチャンバを通過し加圧遠心ポンプに戻っていくが、ポンプ直前にて再び気体サンプル貯槽から炭酸ガスが補給される。このサイクルを一循環とするため、1分間に30Lのサンプル液が約3.3回循環することになる。
水中に溶解した炭酸ガスの量を水溶液のｐＨを測定して（HORIBA pH METER F-52）、検量線から見積もった。その結果を表１に示す。
このように、サンプル液の循環とともに炭酸ガスの溶解量が次第に増加し、約15分後には、すなわち30Ｌのサンプルが50回程度循環する状態において、平衡状態に達することが明らかとなった。チャンバを密閉状態として駆動すれば、大気圧への炭酸ガスの逃げがなくなり、より効率良く高濃度の炭酸水の製造が可能となる。
＜実施例２＞ 酸素水の製造
実施例１と同様の処理装置を用いて、チャンバに30Lの水を入れ、三相200V、周波数60Hzで、インバータを介して回転数4000にて起動した。
循環流量は約100L/minとし、バルブのノズル部の口径を弁体により調節して加圧遠心ポンプの吐出側の静圧を0.4MPaに保った。
加圧遠心ポンプの吸入口側の気体サンプル貯槽より酸素ガス（Ｏ2）を2Ｌ/minの流量で循環部に注入した。これにより酸素ガスと水とが加圧遠心ポンプ内で圧縮、攪拌等を受けてチャンバ側に吐出され、途中のベンチュリー管付きノズル部を経て発泡しチャンバに至り、この過程で酸素ガスが水に溶解した。
水中に溶解した酸素ガスの量を水溶液のｐＨを測定して（HORIBA DO METER OM-51）検量線から見積もった。その結果を表２に示す。
このように、サンプル液は循環とともに酸素ガスの溶解量が次第に増加し、約18分後には、計測器のスケールオーバーとなった。溶解平衡状態は未だ先にあるものと考えられる。本実施例ではチャンバの蓋を開けた状態で、大気開放下の条件で循環を行ったが、チャンバを密閉状態として駆動し、注入酸素量を増やせばより高濃度の酸素水製造が可能になると予測される。
＜実施例３＞ 水素水の製造
実施例１と同様の処理装置を用いて、チャンバに30Lの水を入れ、三相200V、周波数60Hzで、インバータを介して回転数4000にて起動した。
循環流量は約100L/minとし、バルブのノズル部の口径を弁体により調節して加圧遠心ポンプの吐出側の静圧を0.3MPaに保った。
加圧遠心ポンプの吸入口側の気体サンプル貯槽より水素ガス（Ｈ２）を1.5Ｌ/minの流量で循環部に注入した。これにより水素ガスと水とが加圧遠心ポンプ内で圧縮、攪拌等を受けてチャンバ側に吐出され、途中のベンチュリー管付きノズル部を経て発泡しチャンバに至り、この過程で水素ガスが水に溶解した。実験開始時の水温は２５℃、１０分後の終了時の水温は３２℃であった。
水中に溶解した水素ガスの量を共栄電子研究所製KM2100 DHを用いて測定し、その時の酸化還元電位（ORP）の値をHORIBA ORP METER F-52を用いて測定した。その結果を表３に示す。
このように、サンプル液の循環とともに水素ガスの溶解量が次第に増加し、約10分後には、溶解平衡に達することが明らかとなった。本実施例ではチャンバの蓋を開けた状態で、大気開放下の条件で循環を行ったが、チャンバを密閉状態として駆動すれば、大気圧への水素ガスの逃げが少なくなり、より効率の良い高濃度の水素水の製造が可能になると予測される。
＜実施例４＞ 軽油／水／空気エマルジョンの製造
実施例１と同様の処理装置を用いて、チャンバに30Lの軽油と約100mLの水を入れ、三相200V、周波数60Hzで、インバータを介して回転数4000にて起動した。
循環流量は約100L/minとし、バルブのノズル部の口径を弁体により調節して加圧遠心ポンプの吐出側の静圧を0.4MPaに保った。
加圧遠心ポンプの吸入口側の気体サンプル貯槽より空気を3Ｌ/minの流量で循環部に注入した。これにより軽油と水と空気とが加圧遠心ポンプ内で圧縮、攪拌等を受けてチャンバ側に吐出され、途中のベンチュリー管付きノズル部を経て発泡しチャンバに至り、この循環が繰り返されて2〜3分後には軽油と水と空気がエマルジョンとなり乳白化した。
この乳白状態は安定で半日程度保たれた。これに対して、本実施例の処理装置によるエマルジョン化によらず、攪拌によって（10分程手動で激しく振る）作製したエマルジョンは、10分程度の時間経過で元の相分離状態に戻った。従って、加圧遠心ポンプの高速回転による羽根車の機械力、すなわち剪断応力により、軽油と水と空気とのより微小な小胞化（エマルジョン化）が起こったものと推定された。このエマルジョンの構成成分はW/Oのミセルと気泡との混濁乳化したものからなると推測される。
＜実施例５＞ ドレッシングの製造
実施例１と同様の処理装置を用いて、チャンバに食用調合油20ｌ、食用酢10ｌを入れ、三相200V、周波数60Hzで、インバータを介して回転数4000にて起動した。
循環流量は約100L/minとし、バルブのノズル部の口径を弁体により調節して加圧遠心ポンプの吐出側の静圧を0.４MPaに保った。
加圧遠心ポンプの吸入口側のアスピレータより空気を流路に注入することなく10分間循環起動させサンプルの乳化（エマルジョン化）を行った。処理装置を停止後直ちにチャンバから乳化状態部分をメスシリンダーに汲み取り、時間を追って相分離状態の観察を行った。その結果を図３中の■に示した。
次に同じ実験条件に於いて、加圧遠心ポンプの吸入口側のアスピレータより空気を循環部に注入しながら10分間循環起動させサンプルの乳化（エマルジョン化）を行った。その結果、図３中の▲に示した。処理装置の乳化効果と比較検討するために、同比率の食用調合油と食用酢を容器に入れ、手動で10分間激しくシェイクし、その後の乳化部分の相分離状態の観測を行った。その結果を図３中の◆に示した。
縦軸は乳化状態の高さ（ｍｍ）を横軸は時間（分）を示している。乳化状態の高さの減少は乳化状態（エマルジョン）の相分離の程度を表わす指標となっている。手動での乳化状態の結果は時間経過とともに95mmから75mmへと急激に減少し、その後70mmに漸近した。一方、気体混入の有無に関わらず処理装置での乳化の結果は95から85へと緩慢に減少し、その後85のフラットを維持した。
以上の結果から、１）処理装置での乳化状態は手動による乳化状態よりも相分離し難いことを示唆している。２）処理装置での相分離の程度は５〜６時間後10%程度に対して手動での相分離の程度は26％にも達することが明らかとなった。この結果は処理装置に於いてはより微細化の乳化が達成されていることを示している。３）処理装置に於いて気体の混入の有無によらずほぼ同じ経時変化を示したが、気体混入時の相分離曲線は気体無混入の曲線より滑らかなカーブプロファイルを示している。この事は気体混入によりキャビテーション効果が働き、より微細な乳化が起こったためと理解された。
＜実施例６ 乳飲料の製造＞
実施例１と同様の処理装置を用いて、チャンバに牛乳12ｌ、ヨーグルト12ｌ、ブドウエキス6ｌを入れ、三相200V、周波数60Hzで、インバータを介して回転数4000にて起動した。循環流量は約100L/minとし、バルブのノズル部の口径を弁体により調節して加圧遠心ポンプの吐出側の静圧を0.４MPaに保った。
加圧遠心ポンプの吸入口側のアスピレータより空気を流路に注入しながら10分間循環起動させサンプルの乳化（エマルジョン化）を行った。処理装置を停止後直ちにチャンバから乳化状態部分をメスシリンダーに汲み取り、時間を追って相分離状態の観察を行った。その結果を図４中の◆に示した。
縦軸は乳化状態の高さ（ｍｍ）を横軸は時間（分）を示している。乳化状態の高さの減少は乳化状態（エマルジョン）の相分離の程度を表わす指標となっている。15時間経過までは93mｍを維持し殆んど相分離状態が見られなかったが、その後93mｍから90mｍへと次第に相分離の進行がみられた。
以上の結果から、１）乳飲料の処理装置での乳化状態は15時間経過までは殆んど相分離状態を起こさない。２）15時間後の相分離の程度は全量の３％程度と極めて少ないことが明らかとなった。この結果は処理装置に於ける乳飲料の乳化が充分な微細化を達成していることを示唆している。
＜実施例７ 水素水の製造とその品質の経時変化＞
実施例１と同様の処理装置を用いて、チャンバに蒸留水30ｌを入れ、三相200V、周波数60Hzで、インバータを介して回転数4000にて起動した。循環流量は約150L/minとし、バルブのノズル部の口径を弁体により調節して加圧遠心ポンプの吐出側の静圧を0.5MPaに保った。
加圧遠心ポンプの吸入口側のアスピレータより水素ガスを毎分１ｌの割合で流路に注入しながら10分間循環起動させ気・液サンプルのエマルジョン化を行い、その結果水素水を製造した。処理装置を停止後、大気開放下に於ける溶存水素量、ｐH,酸化還元電位（ORP）の経時変化をモニターし、その結果を図５に示した。実験開始時の水温は7℃、その後の終了時の水温は１５℃であった。
この結果、乳化処理装置〈含バブル発生用バルブ〉によって微細化されたバブル水素が効率よく水に溶解し、溶存水素量1.２ppm、ｐH 7.1, 酸化還元電位約−500ｍVの強い還元性の水素水が造られた。時間経過とともに溶存水素量（◆）は反比例して急減少し1500分後ゼロに漸近した。この時、溶存水素水量の半減期は約60分となった。この溶存水素量の減少に対して、酸化還元電位（▲）は−500ｍV付近から400分後まで急上昇し、その後が緩慢に増加し2000分後には＋200mV弱に至った。これらの挙動から、溶存水素量の減少と酸化還元電位の増加とは相関関係が成り立つことが明らかとなった。
一方、ｐH値（●）は経時変化とともに、即ち大気中に溶存水素が飛散するにもかかわらず一定の7.1が保持された。この結果は、水中の溶存水素量が減少しても水素イオン濃度に関与しないことを示唆している。この実験結果から、水素水の還元性は水素分子が水に溶解した時、ヒドロン−ヒドリル（H+―H−）のヒドロンと水の酸素原子に弱いクーロン結合し、水分子から突き出したヒドリル（―H−）の効果が強くなり還元性が生じると推定した。

Claims (3)

  1. 気体を液体に分散、溶解、可溶化、または乳化し、あるいは液体を液体に分散、溶解、可溶化、または乳化するための処理装置であって、
    吸込口および送出口を有するドラム状のケース内で、羽根板の側面でボス部から複数の羽根を回転方向に後退角を有するように放射状に突出した羽根車に、羽根に対向し吸込口側から送出口側に向けて収束する加圧室を形成する加圧面および羽根の側面に近接し羽根室内の流体の漏出を防止する加圧仕切り壁を有する加圧部を対設したポンプ室を備える加圧遠心ポンプと、
    加圧遠心ポンプの吸込口および送出口に連通し、加圧遠心ポンプとともに循環路を構成し、加圧遠心ポンプの駆動により分散、溶解、可溶化、または乳化するための気／液流体または液／液流体を加圧遠心ポンプの送出口から吸込口に循環させる循環部と、
    循環部における加圧遠心ポンプの下流に設けられ、加圧遠心ポンプにより加圧された気／液流体または液／液流体を通過させる微小開口を有するノズル部と、
    循環部におけるノズル部の下流に設けられ、気／液流体または液／液流体を収容可能なチャンバと、
    ノズル部の微小開口の幅を弁体により調節可能なバルブを備え、
    バルブは、流体入口と流体出口とを流体の流れ方向が垂直となるように形成したバルブ本体の内部に、流体入口からの流体流入方向に沿ってテーパ状に縮径するベンチュリー管が設けられ、ベンチュリー管の後端部に弁体がこの方向に進退自在に設けられ、弁体とベンチュリー管の後端部との間隙として微小開口を有するノズル部が構成されている
    ことを特徴とする気／液または液／液の分散、溶解、可溶化、または乳化用の処理装置。
  2. バルブは、ベンチュリー管の後端部の面に対して流路の反対側よりゲート弁を構成するニードル状の弁体が接近し、微小開口の幅を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の気／液または液／液の分散、溶解、可溶化、または乳化用の処理装置。
  3. 気／液流体または液／液流体は、加圧遠心ポンプ内においてキャビテーションによる作用を受けて分散、溶解、可溶化、または乳化が促進され、さらにこの気／液流体または液／液流体を加圧遠心ポンプとノズル部との間が加圧状態で平衡に達している状態でノズル部に導入することにより、圧縮発泡が起こり、分散、溶解、可溶化、または乳化が促進されることを特徴とする請求項２に記載の気／液または液／液の分散、溶解、可溶化、または乳化用の処理装置。
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