JP6821710B2 - 噴霧乾燥の設備内で濃縮物を加熱する方法および方法を実行するための設備 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルによる、噴霧乾燥の設備内で濃縮物を加熱する方法、特に感温性濃縮物向けの方法と、本方法を実行するための設備とに関する。本発明はさらに、噴霧乾燥の設備内で濃縮物の加熱を制御する方法に関する。感温性濃縮物は、高濃度のタンパク質、乾燥材料、微量の水を含有し、容易に変性し、無菌条件での噴霧乾燥の過程において無菌の最終製品に処理される基体として特に理解されるべきである。

小児向けの易溶性の食品などの、粉末食品、特に粉末乳製品の製造は、多くの場合、いわゆる乾燥塔内での噴霧乾燥によって行われる。乾燥塔では、気化器内、もしくは個別の蒸発装置内で予め特定の濃度に濃縮され、その後、加熱器内で規定温度に加熱される製品（以降で「濃縮物」と呼ぶ）が、ディスクを介して、または以下の好適なケースにあるようにノズル、特に単一製品ノズルを介して、高温空気流中に噴霧される。加熱器を離れる濃縮物は、高圧ピストンポンプの手段（いわゆるノズルポンプ）によって最大３５０ｂａｒに達する圧力で、いわゆる加圧噴霧ノズルに供給される。

一般に、乾燥塔の静力学は、重い高圧ピストンポンプを支持し、かつこれを加圧噴霧ノズルの直近に設置するために不十分であり、技術的かつ手順上の理由から所望されている。加圧噴霧ノズルの付近に配設された高圧ピストンポンプは、乾燥塔の頂部空間内のいわゆる高温エリアと呼ばれるエリア内で、７５〜８０℃に達し得る周囲温度において動作し、また、無菌の操作方法が必要である。加えて、微生物のさらなる熱失活は不可能である。

前述の理由で、高圧ピストンポンプは現在まで乾燥塔の低いエリアに配設されている。高圧ピストンポンプと加圧噴霧ノズルとの間の著しい高さの差異は立ち上がり管で橋渡しされ、立ち上がり管は計画に従って、あるいは必然的に熱保持区間としても機能する。

粉末食品の可能な限り長期で最も衛生的な貯蔵を確保するために、最終製品は優れた可溶性を有し、可能な限り無菌状態でなければならない。適切な温度と停止時間の連続をもって搬送された場合、また、加圧噴霧ノズルに対する熱保持区間として機能する立ち上がり管を考慮した場合、必要な滅菌性は、主に、加熱器から離れる濃縮物での微生物の殺滅によって得られる。いわゆる「低温粉末」の製造には最大７７℃の温度が必要であり、いわゆる「高温粉末」には約８５℃、いわゆる「超高温粉末」には最大１２５℃が必要である。

先の高圧処理後における、高温に関連した、立ち上がり管での濃縮物の必要な平均停止時間は、最終製品の可溶性に望ましくない形の影響を与える。さらに、立ち上がり管内での長時間にわたる熱保持は、濃縮物の変性につながる。そのため、例えば、直径ＤＮ５０、容積流量５，０００リットル／時で、長さ３０メートルの立ち上がり管内で搬送される場合の濃縮物の平均停止時間は４２秒間である。これは、概して、最終製品の品質低下も意味する。このタイプの変性は、例えば、ベビーフードの粉末品質への影響であり得るため、完全な可溶性がもはや保証されず、準備したベビーフードに容認できないダマが形成されてしまう。さらに、高温での長い停止時間により、濃縮物の化学反応が生じたり、立ち上がり管の壁と加圧噴霧ノズル内とにいわゆる製品ファウリングと呼ばれる堆積物が形成されることになり、提供される充填濃縮物の製造時間が不要に長引いてしまう。

例えば、ミルク濃縮物の場合、立ち上がり管内、およびしたがって加圧噴霧ノズルまでの温度は、ラクトースの結晶化工程を避けるために６５〜６８℃を超えてはならない。そのため、ここでは立ち上がり管には許容温度が規制される。

例えば、精密濾過法の手段による滅菌を介した、蒸発装置の手前の濃縮物の微生物状態の向上が知られている。これは複雑であるが、最終製品の微生物状態を向上させる。

加圧噴霧ノズルの入口までにおいて必要な無菌状態も、高圧ピストンポンプが無菌条件下で正当な技術的努力で濃縮物を搬送できないことから、高圧ピストンポンプによって危険に晒され得る。反対に、無菌搬送状態は相当な技術的努力を要するため、一般には実用として取り扱われていないか、取り扱うことができない。大気からの細菌が高圧ピストンポンプのピストンを介して濃縮物中に導入され、再感染が起こる可能性がある。すると、紛体化された最終製品が汚染され、この汚染が、最終製品に残っている厄介な残留湿気の影響により、時間を追うごとに増してしまうことがある。

先行技術によれば、加熱器を離れる液体ベース製品の無菌搬送は、下流の高圧ピストンポンプ内での技術的努力が向上した場合にのみ可能である。

低圧加熱と、以降の乾燥塔の脚エリアでの最大３５０ｂａｒまでの昇圧とが実施され、濃縮物の加圧噴霧ノズルへの搬送が立ち上がり管によって実施される既知の噴霧乾燥の設備には以下の欠点がある：
・立ち上がり管が技術的に望ましくない停止時間区間および熱保持部のように機能してしまう；
・停止時間が加圧噴霧ノズルへの入口温度を不要に低下させてしまう；
・停止時間により、望ましくない粘度が増加する（ゲル化効果）；
・立ち上がり管内の停止時間を明確に規定できないため、加圧噴霧ノズルより手前での感温性濃縮物の状態が明確に規定されない；
・熱保持に関連した停止時間によって濃縮物の変性が起こる。これには濃縮物の堆積の増加が関与する；
・これにより、設備のサービス寿命が短縮され、クリーニングの頻度が増える；
・高圧ピストンポンプは滅菌方式で操作される必要がある。すなわち、濃縮物はポンプにより無菌処理されなければならず、コスト高が伴う。
・無菌操作されない高圧ピストンポンプにより、最終製品の重大な汚染が起こる；
・加圧噴霧ノズルの正面の温度が比較的低温であるため、乾燥塔の生産高が低下する。

高圧下にある高圧ピストンポンプを離れる液体濃縮物に要する滅菌を達成するために、加圧噴霧ノズルに向かう途中での濃縮物の適切な高圧加熱を提供することができる。この高圧加熱は加圧噴霧ノズルの正面にて直接実施することができるため、立ち上がり管内の温度を重要でないレベルにまで低下させることが可能である。この配設では、乾燥塔の脚部における非無菌搬送での高圧ピストンポンプの操作を引き続き行うことができる。これに関し、加熱のために外部から蒸気が供給された、十分に圧力抵抗されたコイル状のモノチューブ内で高圧加熱を実行することが既に示唆されている。しかし、外部からのモノチューブの全長にわたる均一な熱入力と、したがって、モノチューブ内を流れる濃縮物の全ての粒子についての均等な停止時間とが確保されないため、この示唆は有利ではない。

モノチューブとして設計された熱交換器は米国特許第３，０７２，４８６ Ａ号からも知られている。この公報は、噴霧乾燥の設備における可溶性ミルク粉末の調製について記載している。スキムミルクまたは全乳の濃縮物を加熱装置にて約４０〜４９℃の温度に予熱し、次に、これを容積型ポンプの手段によってミキサに供給し、ガスの供給によってしっかりした泡が立つように泡立てる。泡をパイプラインを介してミキサから排出し、高圧ポンプに供給し、ここで、例えば約１０３ｂａｒに昇圧されて、パイプラインを介して高圧ポンプに接続した噴霧ヘッドにおける噴霧乾燥器内に入る。噴霧ヘッド内に放出を行うパイプラインの端部は、より大きな直径を持つチューブで包囲されており、このチューブはオーブン内で約２３２℃の温度に加熱された気体を、約８２〜８４℃の温度にて噴霧ヘッドに供給する。したがって、泡を輸送するパイプラインの端部は、気体により外部から加熱されたモノチューブを呈する。

十分に均一な熱入力の要件と、濃縮物の全ての粒子についてほぼ均等な、低圧レベルでの停止時間の要件とを満たす熱交換器は、概して、いわゆるシェルアンドチューブ熱交換器であり、原則的に前述のモノチューブの代用となり得る。このタイプのシェルアンドチューブ型熱交換器の基本構造は、例えば独国実用新案第９４ ０３ ９１３ Ｕ１号で述べられている。独国特許出願公開第１０ ２００５ ０５９ ４６３ Ａ１号もまた、低圧レベル用のこのタイプのシェルアンドチューブ型熱交換器を開示しており、さらに、この熱交換器内に多数のチューブ束をどのように平行に配設し、接続冶具の手段または接続冶具により、流体アクセス可能な方式にて連続接続できるかを示している。この文献の図１はこのタイプの配設を示す（先行技術）。

当座の間、このタイプのシェルアンドチューブ型熱交換器内のチューブ束を接続するために最大３５０ｂａｒで加圧する製品用の曲げまたは個別の接続冶具が利用可能（独国特許出願公開第１０ ２０１４ ０１２ ２７９ Ａ１号）であるが、既知のシェルアンドチューブ型熱交換器（独国実用新案第９４ ０３ ９１３ Ｕ１号；独国特許出願公開第１０ ２００５ ０５９ ４６３ Ａ１号）はこの高圧レベルには不適切であり、ここでは、濃縮物の変性と製品堆積が防止され、滅菌、すなわち微生物学的に完全な最終製品が保証されるという、加圧噴霧ノズルの正面にて濃縮物を噴霧乾燥する処理から成る、手順上の課題が解決されない。

米国特許第３，０７２，４８６ Ａ号 独国実用新案第９４ ０３ ９１３ Ｕ１号 独国特許出願公開第１０ ２００５ ０５９ ４６３ Ａ１号 独国特許出願公開第１０ ２０１４ ０１２ ２７９ Ａ１号 独国実用新案第９４ ０３ ９１３ Ｕ１号 独国特許出願公開第１０ ２００５ ０５９ ４６３ Ａ１号

したがって、本発明の目的は、先行技術の欠点を克服し、一般的なタイプの噴霧乾燥の設備内で濃縮物を加熱する方法、および本方法を実行する設備を提供することであり、本方法および設備は、乾燥塔の経済的な生産高を増加させるケースにおいて、微生物学的に完璧な最終製品を確保しつつ、濃縮物が変性する傾向および濃縮物が堆積する傾向を低減させる。

この目的は、特許請求項１の特徴を備えた方法により解決する。本方法の有利な設計は従属請求項の主題である。本方法を実行する設備は請求項８の特徴で特定される。本発明による設備の有利な設計は、関連する従属請求項の主題である。噴霧乾燥の設備内で濃縮物の加熱を制御する方法は請求項７の主題である。

本発明による方法は既知の方法から発生しており、
・低圧レベルにて、流れ温度から濃縮物の加圧噴霧に必要な入口温度までの濃縮物の低圧加熱（やはり噴霧温度を呈する）を実行し、
・その後、前記濃縮物の高圧レベルへの昇圧が生じる。
本方法は、無菌的に機能するかもしくは非無菌的に機能する高圧ピストンポンプを配設する既存の設備を改造するために特に適しており、また、以下の連続ステップ（ａ）〜（ｃ）により特徴付けられる：
（ａ）高圧熱交換器（１６）の手段により、高圧レベル（ｐ２）にある濃縮物（Ｋ）を上昇した噴霧温度（Ｔ３）（７５〜８０℃の範囲内）へと追加で高圧加熱（Ｈ２）するステップ。高圧熱交換器（１６）は二次側にて熱伝達媒体（Ｗ）を供給され、複数の内管を設けたシェルアンドチューブ型熱交換器として設計されており、複数の内管は、その内部に濃縮物（Ｋ）が平行して流れ、単円部の上に円形リングの形状にて配設され、共に内部チャネルを形成している。
（ｂ）流れ方向において内部チャネルと隣接しており、既定の延伸長さと、既定の長さに依存するその連続したチャネル通路断面とを有する環状空間形状の出口側チャネルから成る手段により、ステップ（ａ）による処理の過程またはその直後において、濃縮物（Ｋ）に既定のせん断負荷（Ｓ）を加えるステップ。
（ｃ）その後、ステップ（ｂ）に従って処理された濃縮物（Ｋ）をその加圧噴霧（ＤＺ）の場所へ即時移送（Ｕ（ウムラウト付きＵ））させるステップ。即時移送（Ｕ（ウムラウト付きＵ））のための移送時間（Δｔ）は、ステップ（ｂ）を実行する手段と加圧噴霧（ＤＺ）の場所との間の可能な最小流体有効距離により決定される。

本方法のケースでは、濃縮物を上昇した噴霧温度に加熱するステップは、２つのステップにて実施され、すなわち、この２つのステップ間での低圧レベルから高圧レベルへの圧力上昇により行われる。

本方法では、重要な発明的基本理念は、上昇した噴霧温度への追加の高圧加熱の過程において、または上昇した噴霧温度への追加の高圧加熱の直後に、濃縮物に既定のせん断負荷を加えることにある。既定のせん断負荷は、濃縮物への流れ‐機械的な負荷の追加、つまり濃縮物にせん断力を加えることと理解されたい。これらのせん断力は、濃縮物が流れるべきである環状空間形状をした出口側チャネルの、既定の延伸長さと、既定の長さに依存する連続したチャネル通路断面とによって決定され、これらは、濃縮物（配合組成）の各々の必要条件について、このチャネルの幾何学設計を用いて調整することができる。

次に、濃縮物をその加圧噴霧の場所へ即時移送するステップが続く。この即時移送のための移送時間は可能な限り短くなるように設定される。具体的には、可能な限り短くとは、せん断負荷の手段を好ましくは含む追加の高圧加熱の手段が、加圧噴霧の場所、つまり加圧噴霧ノズルまでの可能な最小流体有効距離を受容することを意味する。せん断負荷の手段は、好ましくは、加圧噴霧ノズル内に直接流入することである。これについて、流体有効距離とは、濃縮物により実際に覆われる流路を意味する。

本発明による追加の高圧加熱を用いることで、現在までますます不利になり続けている先行技術における熱保持がほぼ制限され、熱処理を再現可能な方式で設定するために、加圧噴霧ノズルの正面に加熱を直接もしくは個別に画定することが可能になる。望ましい熱負荷（濃縮物に依存し、濃縮物につき調整される）は、質量流量および成分を既定の方式で設定できる。さらに、追加の高圧加熱中に温度と停止時間が設定されるという点で、所望の最終製品を考慮して濃縮物の変性を制御することが可能になる。これにより、最終製品の有効な微生物学的向上、あるいは、既定のタンパク質またはデンプンの膨張が達成される。

立ち上がり管内の低温と、追加の高圧加熱の過程における高温での短い停止時間とによって、結晶化工程および／または製品固有の性質によって生じる、濃縮物の粘度の増加、いわゆるゲル化効果が既知の方法よりも低くなる。このゲル化効果は、一方で、既定のせん断負荷によって減少する傾向にあり、また、他方で、ゲル化効果は標準化されているため、加圧噴霧ノズルの最初の膠着が堆積の形成によって大幅に遅れることとなる。これにより、クリーニングおよび組立の時間が短縮される。

本発明による方策のさらなる利点は、濃縮物をより高い乾燥材料濃度で供給できることである。濃縮物の性質に応じて、５５質量パーセントから最大６５質量パーセントまでの乾燥材料の増加が可能である。濃縮物の質量パーセントとは、多量の液体に含まれた濃縮物の質量より形成された、パーセントで表す比率を意味する。加圧噴霧設備あるいは個別の乾燥設備の性能は、乾燥材料濃度が高いほど上がることが知られており、この場合、既知の方法に関連して噴霧温度を１℃から最大５℃上げて、同じ粉末品質が得ることができる。
・加圧噴霧ノズルを離れる濃縮物の温度の温度を１℃上げることにより、効率の上昇、つまり乾燥塔の生産高が２．５〜３％上昇する。

・本発明による方法は、このように、乾燥に要する特定のエネルギーを低減し、既存の乾燥機能を拡張できる。
・ここで紹介する本発明による方法を、いわゆる「超高温粉末」を製造する目的で、濃縮物のＵＨＴ（超高温殺菌）処理を無菌エリアにまで使用できる可能性がある。

追加の高圧加熱の過程またはその直後における濃縮物の既定のせん断負荷は、濃縮物が、既定の延伸長さを持つ既定の通路断面を既定の上昇流速で流れるように実行される。既定のせん断負荷を制御するために、本方法の１つの設計は、追加の高圧加熱中における濃縮物の上昇流速を、追加の高圧加熱から上流に位置する処理エリア内でその流速に対して２０〜２５％上昇させる。この点において、上昇流速は最大３ｍ／秒であると示唆される。この流速の上昇は高圧レベルで起こるため、高圧加熱工程中に起こる関連した追加の降圧は重要ではない。上昇流速によって濃縮物側での熱伝達がよくなり、その結果、以下の利点が得られる：
・低温熱交換器表面領域との熱交換が可能；
・より高い濃度のタンパク質濃縮物が可能；
・より高い流量、したがってより高い生産高率が可能；
・より優れた熱伝達のために、濃縮物のより高温での加熱と、これによるより高い乾燥性能とが可能；
・濃縮物の既定の体系的に望ましい変性が起こる。

本発明による方法は、昇圧により濃縮物を到達させる最大３５０ｂａｒの高圧レベルを提供する。さらに、本発明による方法の１つの設計は、上昇した噴霧温度が７５〜８０℃の範囲内にあることを提供し、ここでは好ましくは８０℃に設定される。本方法は、最大６５質量パーセント（６５ｍ％）の乾燥材料濃度を有する濃縮物をさらに提供する。

先行技術に従う設備に取り付けられ、この設備を本発明による目的の観点からさらに発展させる本方法を実行する設備は、一般に既知の方式において、加圧噴霧ノズルを設けた乾燥塔、供給タンクから成り、供給タンクは、低圧ラインの第１ライン区間（供給ポンプが配設されている）を介して、低圧熱交換器の入口に流体アクセス可能な方式で接続している。本方法を実行する設備はさらに高圧ピストンポンプから成り、高圧ピストンポンプは、低圧ラインの第２ライン区間を介して、その入口側にて低圧熱交換器の出口に接続し、高圧ラインを介してその出口側にて加圧噴霧ノズルに接続している。

本発明によれば、高圧ラインは追加の高圧熱交換器の上を通り過ぎていることが示唆される。高圧熱交換器は複数の内管を有するシェルアンドチューブ型熱交換器として設計されており、複数の内管は、その内部に濃縮物が平行に流れ、単円部の上に円形リングの形状にて配設され、共に内部チャネルを形成している。内部チャネルは内管どうしを隣接させて、流れ方向における円周方向環状空間の形状にしている。これにより、高圧ラインの第１高圧ライン区間は高圧ピストンポンプの出口を追加の高圧熱交換器の入口に接続し、高圧ラインの第２高圧ライン区間は追加の高圧熱交換器の出口を加圧噴霧ノズルに接続している。

これにより、第２高圧ライン区間の流体有効長さが構造的に可能な最小サイズに縮小され、すなわち、追加の高圧熱交換器の出口が、濃縮物の流路に対して構造的に可能な限り加圧噴霧ノズルに接近される。

追加の高圧熱交換器はその出口側に、搬送された濃縮物の既定のせん断負荷のための手段を有し、ここで、この手段は可動要素素しで、かつ／または、既定の通路断面、既定の流路の長さ、および既定の上昇流速を介した純粋に流体方式による外部エネルギーの供給なしで有効である。

濃縮物の既定のせん断負荷の手段は、環状空間の形状をした出口側チャネル内に存在し、この出口側チャネルは一方の側が円周方向環状空間の出口に接続し、もう一方の側が第２高圧ライン区間に接続している。これにより、環状空間型の出口側チャネルは、最も一般的なシナリオにおいて、既定の延伸長さと、既定の延伸長さに依存するその連続したチャネル通路断面とを有する。

平行に流れる複数の内管の配設に関する特徴は、内管の本数に関係なく、シェルアンドチューブ型熱交換器の円形断面全体を占有しない配設として理解されたい。むしろ、全ての内管が上記単円部上に配設されることで、内管の区切られた中心部だけでない未占有の内部エリアが残る。この配設により、流れ方向にて円形リングの形状で単円部上に配設された内管によって形成された内部チャネルが、内管どうしを隣接させて円周方向環状空間の形状にすることができる。

熱処理された濃縮物の全部分について停止時間が同一である観点から、チャネル通路断面が延伸長さ全体にかけて一定であることが有利であり、また、そのように示唆もされる。この望ましい均一処理は、シェルアンドチューブ型熱交換器全体にかけての上昇流速が、濃縮物の既定のせん断負荷の最後まで可能な限り均一であるという点においてさらに奨励され、ここで、この点において、さらなる実施形態は、チャネル通路断面が、平行に流れる内管の総通路断面に対応していることを提供する。

本発明による方法と、本方法を実行する設備は、濃縮物に応じて有利な方式で制御することができる。これについて、本発明は、噴霧乾燥の設備内で濃縮物の加熱を制御する方法を提案する。追加の高圧加熱の制御パラメータは、加熱する濃縮物の性質と物理的エッジ条件（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｅｄｇｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）とにより決定される。加熱する濃縮物の性質はその流量、粘度、圧力、温度、乾燥材料濃度であり、物理的エッジ条件は加圧噴霧の場所における圧力と温度である。濃縮物にそれぞれ関連する制御パラメータは、高圧レベル、上昇した噴霧温度、追加の高圧加熱中における上昇流速、さらに、せん断負荷の強度である。

制御パラメータは、噴霧乾燥の設備の始動前またはその最中に保存もしくは生成されたキャリブレーション関数の手段により設定される。キャリブレーション関数は以下の点で得られる。
・説明したタイプの制御パラメータは、満足できる製品品質が得られるまで、設備の始動および停止（ｒｅｔｒａｃｔｉｏｎ）中に個別の濃縮物（配合組成）を用いることにより得られる。
・これらのパラメータは、「キャリブレーション関数」の形式で、制御部に登録および保存される（制御パラメータ＝（濃縮物または個別配合組成）の関数）。

同じ濃縮物（配合組成）の以降の処理中に、このキャリブレーション関数の形式におけるこれらの経験値にアクセスし、必要な制御パラメータを適宜設定することができる。

以下の説明と添付の図面中の図形から、ならびに特許請求の範囲から、本発明のより詳細な呈示が得られる。本発明は方法の様々な設計にて、また、方法を実行する設備の様々な実施形態にて実現できる一方で、既知の方法、この既知の方法からの開始、本発明の方法の好適な設計を概略的に図面に示す。シェルアンドチューブ型熱交換器として設計された高圧熱交換器を設けた本方法を実行する設備の好適な例示的な実施形態を図面に示し、以下で説明する。

先行技術による噴霧乾燥の設備において濃縮物を加熱する方法を簡略化した略図の形式にて示しており、（図１ａ）は図１による既知の方法に基づき、これを基礎にした本発明による噴霧乾燥の設備において濃縮物を加熱する方法を簡略化した略図の形式にて示す。 図１の先行技術による方法を実行するための、先行技術による設備を略図にて示す。 図１ａに従った本発明による方法を実行する設備を略図にて示す。 シェルアンドチューブ型熱交換器の形態にて設計された高圧熱交換器の出口側領域を子午断面にて示す。

詳細な説明
従来技術（図１、図２）
図１は、従来技術による噴霧乾燥の設備１（乾燥設備）において濃縮物Ｋを加熱する方法を示し、図２は、従来技術による、既知の方法を実行するための設備１を示す。以下では、本方法および関連の設備１を、これら２つの図面に基づき並行して網羅する。記載の温度、圧力、および乾燥材料濃度は例として選択されたものであり、実用においてはその上下に逸脱してよい。

乾燥設備１の乾燥塔２内で、加圧噴霧ノズル２ａを介して加圧噴霧ＤＺにより噴霧される濃縮物Ｋは、供給タンク４内のストックパイルＢを通過する（図１、２）。供給タンク４は、低圧ライン１２の第１ライン区間１２．１（供給ポンプ６が配設されている）を介して、低圧熱交換器８の一次側入口に流体アクセス可能な方式にて接続しており、低圧熱交換器８内では、流れ温度Ｔ１＝５８℃から入口温度Ｔ２＝６５〜６８℃（加圧噴霧ノズル２ａでもほぼ存在）までの低圧加熱Ｈ１が濃縮物Ｋに対して施される。低圧熱交換器８は、二次側にて熱伝達媒体Ｗ（好適には熱湯）の手段により供給される。高圧ピストンポンプ１０はその入口側にて、低圧ライン１２の第２ライン区間１２．２を介し、低圧熱交換器８の一次側出口に接続し、また、その出口側にて、高圧ライン１４を介し、加圧噴霧ノズル２ａに接続している。

高圧ピストンポンプ１０内では、濃縮物Ｋの、入口側に存在する低圧レベルｐ１から出口側にて生成される高圧レベルｐ２までの昇圧Ｐが起こる。高圧レベルＰ２は最大でｐ２＝最大３５０ｂａｒにまで達することができ、また、高圧レベルＰ２により、加圧噴霧ノズル２ａが降圧なく３５０ｂａｒで操作される。濃縮物Ｋは乾燥材料濃度ｃを有し、これは例えば、５２〜５７質量パーセント（ｍ％）の乾燥材料ＴＳであってよい。

乾燥塔２は、加圧噴霧ノズル２ａが配設された頂部にまで最高達する塔高さＨを有する。高圧ライン１４は、主に、立ち上がり管の形態にてこの塔高さＨを越える。例えばＨ＝３０ｍの塔高さのケースでは、高圧ライン１４も、立ち上がり管の上流および下流に位置する接続ラインのために、その長さは少なくとも３０ｍになる。高圧ライン１４の直径ＤＮ５０のケースでは、入口温度Ｔ２、高圧レベルｐ２、乾燥材料濃度ｃで、濃縮物Ｋの第１停止期間Ｖ１について、例えば５，０００リットル／時の流量では、平均第１停止時間ｔ１が４２秒間となる。記載した従来技術による方法に関連する問題については上で述べている。

発明
方法および乾燥設備（図１ａ、図３、図４）
図１ａは、噴霧乾燥の設備１００内で濃縮物Ｋを加熱する本発明による方法を示し、図３は、本方法を実行するための本発明による設備１００を示す。以下では、本方法および関連の設備を、これら２つの図面に基づき並行して網羅する。記載の温度、圧力、および乾燥材料の濃度は例として選択されたものであり、実用においてはその上下に逸脱してよい。

図１と図１ａ、図２と図３の比較にて示すように、本発明による方法は、上述の従来技術による方法と、本方法を実行するための既知の設備１をさらに発展させる。一致する実例には同じ参照符号を用いている。したがって、繰り返しを避けるために、上述した図１、図２についての説明を参照する。

図１ａは従来技術による方法（図１）と本発明による方法との違いを太線で明白に示し、図３は、乾燥設備１００に基づき、これらの違いをどのように実現するかを本デバイスの観点から示す。

高圧ライン１４（図３）は、追加の高圧熱交換器１６の一次側の上を通り過ぎており、ここで、高圧ライン１４の第１高圧ライン区間１４．１は高圧ピストンポンプ１０の出口を追加の高圧熱交換器１６の入口に接続し、高圧ライン１４の第２高圧ライン区間１４．２は、追加の高圧熱交換器１６の出口を加圧噴霧ノズル２ａに接続している。追加の高圧熱交換器１６は、二次側にて熱伝達媒体Ｗ（好適には熱湯）を供給される。図３での実施例として、低圧レベルｐ１、高圧レベルｐ２、流れ温度Ｔ１、追加の高圧加熱器１６までの入口温度Ｔ２、乾燥材料濃度ｃについて選択された値は、従来技術による方法と、本方法を実行するための設備１とに記載した値と大抵一致する（図１、図２を参照）。

追加の高圧熱交換器１６では、濃縮物Ｋの高圧レベルｐ２での上昇した噴霧温度Ｔ３への追加の高圧加熱Ｈ２（７５〜８０℃の範囲内であってよい）を実施する（図３）。さらに、濃縮物Ｋの既定のせん断負荷Ｓが、追加の高圧加熱Ｈ２の過程でまたはその直後に、上昇流速ｖにてもたらされる（図３、図１ａ）。このために、追加の高圧熱交換器１６は、搬送された濃縮物Ｋの既定のせん断負荷のための手段を出口側に設けている。

追加の高圧熱交換器１６は塔高さＨに配設されているため（図３）、入口温度Ｔ２、高圧レベルｐ２、乾燥材料濃度ｃ、平均第２停止時間ｔ２（第１停止時間ｔ１よりも短く、そうでない場合には、ほぼ同一の処理データは重要性が低くなる）での濃縮物Ｋの第２停止期間Ｖ２は、以降、追加の高圧熱交換器１６と高圧ピストンポンプ１０の出口との間の立ち上がり管、すなわち第１高圧ライン区間１４．１となる。

次に、既定のせん断負荷Ｓにより処理された濃縮物Ｋの即時移送Ｕ（ウムラウト付きＵ）がその加圧噴霧ＤＺの場所において実行され（図１ａ）、ここで、即時移送Ｕ（ウムラウト付きＵ）のための移送時間Δｔは、既定のせん断負荷Ｓの手段と加圧噴霧ＤＺの場所との間の可能な最小流体有効距離によって決定される。即時移送Ｕ（ウムラウト付きＵ）は、対応して測定された第２高圧ライン区間１４．２にて実施される。この第２高圧ライン区間１４．２は構造的に可能な最小サイズに縮小されている（図３）。

従来技術による方法と比較してとりわけ重要な利点により、本発明による方法の場合、濃縮物Ｋがより高い噴霧温度（つまり、追加の高圧加熱Ｈ２によって上昇した噴霧温度Ｔ３＝７５〜８０℃）で加圧噴霧ノズル２ａに供給され、これにより、乾燥塔２の生産高の増加が品質の損失なく達成される。

追加の高圧熱交換器１６は、濃縮物Ｋが平行に流れる複数の内管２０を設けたシェルアンドチューブ型熱交換器として設計されている（図４）。内管２０は円形リングの形状にて単円部２６上に配設され、内管２０どうしが内部チャネル２０^＊を形成しており、内部チャネル２０^＊は、内管（２０）どうしを隣接させ、流れ方向における円周方向環状空間（２２）の形状にしている。搬送された濃縮物Ｋの既定のせん断負荷の手段はシェルアンドチューブ型熱交換器１６の出口側に配設されており、また、一方の側が円周方向環状空間２２の出口に、他方の側が第２高圧ライン区間１４．２に接続した環状型の出口側チャネル２４から成っている。環状空間型の出口側チャネル２４は既定の延伸長さＬと、既定の長さに依存するその連続したチャネル通路断面Ａ_Ｓとを有し、また、内管２０と同様に、その内部には濃縮物Ｋが上昇流速ｖにて流れる。

１ 乾燥設備（噴霧乾燥の設備）
２ 乾燥塔
２ａ 加圧噴霧ノズル
４ 供給タンク
６ 供給ポンプ
８ 低圧熱交換器
１０ 高圧ピストンポンプ（ホモジナイザー）
１２ 低圧ライン
１２．１ 第１ライン区間
１２．２ 第２ライン区間
１４ 高圧ライン
Ｈ 塔高さ
ｃ 乾燥材料濃度（質量パーセント（ｍ％）の乾燥材料（ＴＳ））
ｔ１ 第１停止時間
Ｔ１ 流れ温度（約５８℃）
Ｔ２ 入口温度（約６５〜６８℃）
ｐ１ 低圧レベル
ｐ２ 高圧レベル（＜３５０ｂａｒ）
Ｋ 濃縮物（製品）
ＴＳ 乾燥材料
Ｗ 熱伝達媒体
Ｂ ストックパイル
ＤＺ 加圧噴霧
Ｈ１ 低圧加熱
Ｐ 昇圧
Ｖ１ 第１停止期間
１００ 乾燥設備（噴霧乾燥の設備）
１４．１ 第１高圧ライン区間
１４．２ 第２高圧ライン区間
１６ 追加の高圧熱交換器（シェルアンドチューブ型熱交換器）
２０ 内管
２０^＊ 内部チャネル
２２ 円周方向環状空間
２４ 環状型の出口側チャネル
２６ 単円部
Ａ_Ｓ チャネル通路断面
Ｌ 延伸長さ
ｔ２ 第２停止時間
Δｔ 移送時間
ｖ 上昇流速（Ｈ２において）
Ｔ３ 上昇した噴霧温度（７５〜８０℃）
Ｈ２ 追加の高圧加熱
Ｓ せん断負荷
Ｕ（ウムラウト付きＵ） 即時移送
Ｖ２ 第２停止期間

Claims (10)

1. 従来技術から一般に知られている低圧レベル（ｐ１）にて、流れ温度（Ｔ１）から濃縮物（Ｋ）の加圧噴霧（ＤＺ）に必要な噴霧温度（Ｔ２）までの前記濃縮物（Ｋ）の低圧加熱（Ｈ１）を実行し、
   その後、前記濃縮物（Ｋ）の高圧レベル（ｐ２）への昇圧（Ｐ）が生じ、前記高圧レベル（ｐ２）が最大３５０ｂａｒにまで達することができる、噴霧乾燥の設備（１００）内で前記濃縮物（Ｋ）を加熱する方法であって、以下の連続ステップ（ａ）〜（ｃ）：
   （ａ） 追加の高圧熱交換器（１６）の手段により、高圧レベル（ｐ２）にある前記濃縮物（Ｋ）を上昇した噴霧温度（Ｔ３）（７５〜８０℃の範囲内）へと追加で高圧加熱（Ｈ２）するステップであって、前記追加の高圧熱交換器（１６）は、二次側にて熱伝達媒体（Ｗ）を供給され、複数の内管を設けたシェルアンドチューブ型熱交換器として設計されており、前記複数の内管は、その内部に前記濃縮物（Ｋ）が平行して流れ、単円部の上に円形リングの形状にて配設され、共に内部チャネルを形成しており、前記内部チャネルは複数の内管（２０）どうしを隣接させて、流れ方向における円周方向環状空間（２２）の形状になるように設計されている、ステップ、
   （ｂ） 一方の側が前記円周方向環状空間の出口に接続し、もう一方の側が第２高圧ライン区間に接続しており、既定の延伸長さと、既定の長さに依存するその連続したチャネル通路断面とを有する環状空間形状のチャネルから成る手段により、ステップ（ａ）による処理の過程またはその直後において、前記濃縮物（Ｋ）に既定のせん断負荷（Ｓ）を加えるステップ、
   （ｃ）その後、ステップ（ｂ１）に従って処理された前記濃縮物（Ｋ）をその加圧噴霧（ＤＺ）の場所へ即時移送（Ｕ）させるステップであって、前記即時移送（Ｕ）のための移送時間（Δｔ）は、前記ステップ（ｂ）を実行する手段と前記加圧噴霧（ＤＺ）の場所との間の可能な最小流体有効距離により決定されるステップ、
   により特徴付けられる、方法。
2. 前記追加の高圧加熱（Ｈ２）中において前記濃縮物（Ｋ）の上昇流速（ｖ）は、前記追加の高圧加熱（Ｈ２）から上流に位置する処理エリアでその流速に対して２０〜２５％の上昇であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記追加の高圧加熱（Ｈ２）中の前記上昇流速は最大で３ｍ／秒であることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記高圧レベル（ｐ２）は最大で３５０ｂａｒであることを特徴とする、前出の請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
5. 前記上昇した噴霧温度（Ｔ３）は８０℃に設定されることを特徴とする、前出の請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
6. 濃縮物（Ｋ）は、最大６５％の質量パーセント（６５ｍ％）の乾燥材料濃度（ｃ）で処理されることを特徴とする、前出の請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
7. 噴霧乾燥の設備（１００）内で濃縮物の加熱を制御する方法であって、前記濃縮物（Ｋ）は請求項１に記載の方法によって加熱され、
   前記追加の高圧加熱（Ｈ２）の制御パラメータは、加熱する前記濃縮物（Ｋ）の性質と物理的エッジ条件とによって決定され、
   加熱する前記濃縮物（Ｋ）の前記性質は、その流量、粘度、圧力、温度、乾燥材料濃度であり、前記物理的エッジ条件は前記加圧噴霧（ＤＺ）の場所における圧力と温度であり、
   前記濃縮物（Ｋ）にそれぞれ関連する前記制御パラメータは、前記高圧レベル（ｐ２）、前記上昇した噴霧温度（Ｔ３）、前記追加の高圧加熱（Ｈ２）中における流速（ｖ）、前記せん断負荷（Ｓ）の強度であり、
   前記制御パラメータは、噴霧乾燥の設備の始動前またはその最中に保存もしくは生成されたキャリブレーション関数の手段により設定される、方法。
8. 加圧噴霧ノズル（２ａ）を設けた乾燥塔（２）と、
   低圧ライン（１２）の第１ライン区間（１２．１）（供給ポンプ（６）が配設されている）を介して、低圧熱交換器（８）の入口に流体アクセス可能な方式にて接続した供給タンク（４）と、
   前記低圧ライン（１２）の第２ライン区間（１２．２）を介して、入口側にて前記低圧熱交換器（８）の出口と接続し、高圧ライン（１４）を介して、前記出口側にて前記加圧噴霧ノズル（２ａ）と接続している高圧ピストンポンプ（１０）とから成る、請求項１に記載の方法を実行するために適している設備（１００）であって、
   前記高圧ライン（１４）は、複数の内管（２０）を有するシェルアンドチューブ型熱交換器として設計された追加の高圧熱交換器（１６）を介して案内され、前記複数の内管（２０）は、その内部に前記濃縮物（Ｋ）が平行に流れ、単円部（２６）の上に円形リングの形状にて配設され、共に内部チャネル（２０^＊）を形成しており、前記内部チャネル（２０^＊）は流れ方向において前記内管（２０）同士を隣接させて、円周方向環状空間（２２）の形状になり、
   前記高圧ライン（１４）の第１高圧ライン区間（１４．１）は前記高圧ピストンポンプ（１０）の前記出口を前記追加の高圧熱交換器（１６）の前記入口に接続し、前記高圧ライン（１４）の第２高圧ライン区間（１４．２）は前記追加の高圧熱交換器（１６）の前記出口を前記加圧噴霧ノズル（２ａ）に接続し、
   前記第２高圧ライン区間（１４．２）の流体有効長さは構造的に可能な最小サイズに縮小されており、
   前記追加の高圧熱交換器（１６）は前記出口側に、搬送された前記濃縮物（Ｋ）の既定のせん断負荷のための手段を有し、前記手段は環状型空間の出口側チャネル（２４）内に存在しており、前記出口側チャネル（２４）は一方の側が前記円周方向環状空間（２２）の出口に接続し、もう一方の側が前記第２高圧ライン区間（１４．２）に接続しており、ここで、前記環状空間型の出口側チャネル（２４）は既定の延伸長さ（Ｌ）と、既定の長さに依存するその連続したチャネル通路断面（ＡＳ）とを有することを特徴とする、設備（１００）。
9. 前記チャネル通路断面（ＡＳ）は延伸長さ（Ｌ）全体にかけて一定であることを特徴とする、請求項８に記載の設備。
10. 前記チャネル通路断面（ＡＳ）は平行に流れる全ての内管（２０）の総通路断面に対応することを特徴とする、請求項９に記載の設備。

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