JP7138663B2 - 相接触及び化学反応を高めるための装置及び方法 - Google Patents
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-
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-
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Description
Fp=AxKxΔC
ここで、
Fp=プロパティ(例えば、物、熱)の流れ;
A=相間面積;
K=プロパティ交換係数;
ΔC=スラスト力
である。
K=k0Exp[-Ea/RT]
ここで、
K=反応速度;
k0=事前指数因子(実験的に決定);
Ea=活性化エネルギ(実験的に決定);
R=一般ガス定数;
T=絶対温度
である。
F(E)=2(E/π)1/2(1/kT)3/2Exp[-E/kT]
ここで、kは、ボルツマン定数である。
・マクスウェル・ボルツマン方程式は、各反応に関して、低温でも反応する幾つかの分子(たとえその数が無視できる場合でも)が存在することを伴い、
・アレニウスの式の指数関数的性質は、10℃単位の各増加で、反応速度が2倍(3倍、4倍、・・・)になることを伴う。
・0.05~5ミクロンに及ぶことのある気泡サイズを有する連続的展開(0.1~2.5マイクロ秒に及ぶ平均気泡寿命)の気泡クラスタであって、気泡温度が、内破の瞬間に最大1000~2000°Kに上昇するが、反応体積内の流体の平均温度を上げることがなく、また、気泡圧力が、最大1000~2000バールに上昇するが、反応体積内の平均圧力を上げることがない気泡クラスタ;
・100~750m/sのオーダの、狭幅セクションにつながった、制御されたキャビテーションロータ-ステータ空洞に含まれる流体のための衝突速度を決定する領域であって、非常に高速の一方向流れを有する領域(放物線ステータ歯の放物線ロータ歯との重複から生じる狭幅セクション)。
E(v)+E(T)≧Ea
E(v)=M1v2/2+M2v2/2
次には、M1=M2=M(例えば、分解反応及び解離反応で何が起こるか)を仮定すると、
Mv2+E(T)≧Ea
それ故に、
v=[(Ea-E(T))/M]1/2
低温で動作することによって、E(T)は無視できるようになり、したがって:
v=[Ea/M]1/2
例えば、アンモニア解離反応を考慮すると:
2NH3⇔N2+3H2
これは、46.4kj/molを必要とする吸熱反応であり、また、活性化エネルギEa=190kj/molによって特徴付けされ、反応を起こすために、NH3分子(M=17,031kg/mol)を次の速度で衝突させることで十分であるということが理解できる。
V=[190,000/17.031]1/2≒110m/s
σ=(pr-pv)/(1/2ρv2)
ここで、
σ=キャビテーション数;
pr=基準圧力(Pa);
pv=流体の蒸気圧(Pa);
ρ=流体の密度(kg/m3);
v=流体の速度(m/s)
である。
(a)より大きい相間面積とより高い交換係数のおかげによる、従来のシステムの反応速度を2桁超える大きさの反応速度での物質移動又は熱移動;
(b)より大きい相間面積と、運動エネルギが、熱成分に対する絶対的な最も重要な役割を差し引くことによって、反応活性化エネルギの達成に著しい貢献を提供するという本発明による事実と、のおかげによる、従来のシステムに対して1~2桁高い反応速度での、また、従来のシステムに対して著しく低めの温度での、化学反応。
・約50~500mm、好ましくは、約100~300mmに及ぶ歯付きロータ25の直径、
・約0.2~5.0mm、好ましくは、約0.5~2.5mmに及ぶロータ歯27とステータ歯33との間の最小ギャップ、
・ロータ25の直径の約0.05~2.5倍に及び、好ましくは、ロータ25の直径の約0.1~1.0倍に及ぶ、歯付きロータ25の軸方向長さ、
・約50~500mmに及び、好ましくは、約100~300mmに及ぶ、混合チャンバ19及びキャビテーションチャンバ29の内径、
・対応する混合チャンバ19の内径の約0.1~2.5倍に及び、好ましくは、チャンバ19の内径の約0.25~1.5倍に及ぶ、高乱流混合ステージ13の軸方向長さ、
・500~5000rpm、好ましくは、1000~3000rpmに及ぶ回転速度を有する。
湿気含有量 10%
セルロース 38.2%
ヘミセルロース 24.1%
リグニン 7.3%
蛋白質 3.4%
灰分 7%
・乱流混合チャンバの数:2;
・ロータ-ステータステージの数:2(放物線プロファイルを備えた歯を有するロータ及びステータ要素);
・ステータの内径:195mm;
・ロータ-ステータギャップ:1mm(第1のステージ)及び0.75mm(第2のステージ);
・回転速度:2100rpm
・乱流混合チャンバの数:2;
・ロータ-ステータステージの数:2(放物線プロファイルを備えた歯を有するロータ及びステータ要素);
・混合チャンバの直径:206mm(D);
・混合チャンバの軸方向長さ:70mm(即ち、0.29xD);
・第1の混合チャンバのピン:シャフトが回転するときに前方スラストを有する螺旋を形成するように平行面に配置された4つのピン。径方向サイズ59.75mmを有するピン、即ち、回転中にピンの描く円周が0.58xDであるようなサイズ;
・第2の混合チャンバのピン:シャフトが回転するときに前方スラストを有する螺旋を形成するように平行面に配置された6つのピン。径方向サイズ59.75mmを有するピン、即ち、回転中にピンの描く円周が0.58xDであるようなサイズ;
・ステータの内径:195mm;
・ロータ-ステータギャップ(即ち、最小ロータ-ステータスパン):1mm(第1のステージ)及び0.75mm(第2のステージ);
・ロータ及びステータの軸方向長さ:40mm;
・回転速度:1500rpm;
・モータ駆動:据付け動力15kWを有する3相電気モータ。
脂肪 6.6%v/v
蛋白質 4.0%w/w
乳糖 3.7%w/w
総固形分 17.25%w/w
pH 6.36
灰分 0.83%w/w
また、次の微生物学的内容物を有していた。
中温菌好気性細菌(TC)の総数 6.35log cfu/ml
細菌内生胞子(BE) 2.62log cfu/ml
乳酸菌(LAB) 5.04log cfu/ml
大腸菌群(CF) 3.36log cfu/ml
大腸菌(EC) 1.89log cfu/ml
黄色ブドウ球菌(SA) 2.34log cfu/ml
(a)装置を1回通過(装置内の永続時間:15秒;処理開始温度:10℃;処理終了温度:15℃);
(b)連続する通過の間に中間冷却をしながら装置を5回通過(装置内の永続時間:15秒/通過、合計75秒;処理開始温度:10℃;処理終了温度:15℃);
(c)第1の混合チャンバ内にCO2注入して、装置を1回通過(装置内の永続時間:15秒;処理開始温度:10℃;処理終了温度:15℃;CO2投与量:20g/l)。
・乱流混合チャンバの数:3
・ロータ-ステータステージの数:2(放物線プロファイルを備えた歯を有するロータ及びステータ要素);
・高せん断応力及び高キャビテーションステージと交互に配置される乱流混合チャンバ;
・ステータの内径:195mm;
・ロータ-ステータギャップ1mm(第1のステージ)及び0.75mm(第2のステージ);
・回転速度:2000rpm。
密度(20℃) 910kg/m3
粘度(20℃) 82cP
一価不飽和脂肪含有量 71.7%w/w
多価不飽和脂肪含有量 15.5%w/w
遊離酸度 0.221%
過酸化物指数 3.905meq O2/kg
総カロチン 3mg/kg(そのうちの0mg/kgのリコピン)
形態 フレーク
サイズ 1~3mm
湿気 10%w/w
リコピン含有量 1140mg/kg
(a)比率1:5w/wのトマトの皮とEVOOとの等流供給で、装置を1回通過(装置内の永続時間:5秒;処理開始温度:25℃;処理終了温度:28℃);
(b)比率1:5w/wのトマトの皮とEVOOとの向流供給で、装置を1回通過(装置内の永続時間:5秒;処理開始温度:25℃;処理終了温度:28℃)。
・乱流混合チャンバの数:4;
・ロータ-ステータステージの数:3(放物線プロファイルを備えた歯を有するロータ及びステータ要素);
・高せん断応力及び高キャビテーションステージと交互に配置される乱流混合チャンバ;
・混合チャンバの直径:206mm;
・混合チャンバの軸方向長さ:70mm;
・第1の混合チャンバのピン:シャフトが回転するときに前方スラストを有する螺旋を形成するように平行面に配置された6つのピン。径方向サイズ75mmを有するピン、即ち、回転中にピンの描く円周が0.73xD(Dは混合チャンバの直径)であるようなサイズ;
・第2の混合チャンバのピン:シャフトが回転するときに前方スラストを有する螺旋を形成するように平行面に配置された6つのピン。径方向サイズ75mmを有するピン、即ち、回転中にピンの描く円周が0.73xDであるようなサイズ;
・第3の混合チャンバのピン:シャフトが回転するときに前方スラストを有する螺旋を形成するように平行面に配置された6つのピン。径方向サイズ75mmを有するピン、即ち、回転中にピンの描く円周が0.73xDであるようなサイズ;
・第4の混合チャンバのピン:シャフトが回転するときに前方スラストを有する螺旋を形成するように平行面に配置された4つのピン。径方向サイズ59.75mmを有するピン、即ち、回転中にピンの描く円周が0.58xDであるようなサイズ;
・ステータの内径:195mm;
・最小ロータ-ステータギャップ:2.5mm(第1のステージ)、1.25mm(第2のステージ)及び0.75mm(第3のステージ);
・ロータ及びステータの軸方向長さ:35mm;
・回転速度:2250rpm;
・モータ駆動:据付け動力22kWを有する3相電気モータ。
装置は、等流モード及び向流モードで動作した。
・等流モード:オーガフィーダを用いて固相を第1の混合チャンバに供給することにより、また、流量が経時的に一定である蠕動容積式ポンプを用いて液相を第1の混合チャンバに同じく供給することにより;最終懸濁液を最後の混合チャンバ(即ち、第4の混合チャンバ)から抽出し、次いで、それを、デカンテーションを用いて液固分離させ、それに最終プレスが続くことによる。その後に、ディスク遠心機での遠心分離と、絶対保持度50ミクロンのポリエステルバグフィルタでのフィルタ濾過と、が液相で実行され、次いで、抽出された液相の脱水が、「rotovapor」の種類の真空蒸発器を用いて実行され、それに真空キャビネット乾燥機が続き、それによって、粉末形式の乾燥抽出物が得られた。
・向流モード:オーガフィーダを用いて固相を第1の混合チャンバに供給することにより、また、流量が経時的に一定である蠕動容積式ポンプを用いて、抽出している液相を第4の混合チャンバに供給することにより;第4の混合チャンバで圧搾された液相の再循環を伴うオーガ抽出‐圧搾器を用いて第4の混合チャンバからの排出された固相を抽出することにより、メッシュスパンは、0.5x0.5mmサイズを有し、液相を外に出し、固相を保持するように適合されたメッシュグリッドであって、上記グリッドは、機械シャフトに適合されたブレードによって動かされる液相流の乱流を用いて清潔に維持され、ブレードの描く円周は、0.9xDの直径を有する、メッシュグリッドが上に置かれるチューブを通して第1の混合チャンバから抽出された液相を抽出することによる。抽出された液相は、ディスク型遠心分離機で遠心分離され、絶対保持度50ミクロンのポリエステルバグフィルタでフィルタ濾過され、「rotovapor」の種類の真空蒸発器によって、脱水させられ、それに真空キャビネット乾燥機が続き、それによって、粉末形式の乾燥抽出物が得られた。
pH 7.7
180℃での固定残留物 143mg/l
硬度 21°F
20℃での導電率 362マイクロジーメンス/cm
温度 25℃
形態 フレーク
サイズ 1~2mm
湿気 10%w/w
オレウロペイン含有量 76g/kg
オレウロペイン以外の水抽出性物質の含有量 512g/kg
温度 5℃
・等流モード:比率1:7w/wのオリーブの木の葉と水との等流供給[液相(水)流量700kg/h-固相(オリーブの木の葉)流量100kg/h]で、装置を1回通過(装置内の永続時間:36秒;処理開始温度:25℃;処理終了温度:30℃)。
・向流モード:比率1:7w/wのオリーブの木の葉と水との向流供給[液相(水)流量700kg/h-固相(オリーブの木の葉)流量100kg/h]で、装置を1回通過(装置内の永続時間:36秒;処理開始温度:25℃;処理終了温度:30℃)、。
得られた総固体抽出物の量: 305g/kg
そのうちで
オレウロペイン含有量: 16.7%w/w(50.9gに対応)
他の抽出性物質の含有量: 83.3%w/w(254.1gに対応)
オレウロペイン抽出収率: 50.9/76=67%w/w
他の抽出性物質の抽出収率: 254.1/512=49.6%w/w
得られた総固体抽出物の量: 375g/kg
そのうちで
オレウロペイン含有量: 20.05%w/w(75.2gに対応)
他の抽出性物質の含有量: 79.95%w/w(299.8gに対応)
オレウロペイン抽出収率: 75.2/76=98.9%w/w
他の抽出性物質の抽出収率: 299.8/512=58.6%w/w
Claims (19)
- 相接触及び化学反応を高めるための装置(11)であって、
少なくとも1つの第1の高乱流混合ステージ(13)と、
少なくとも1つの第2の高せん断応力及び高キャビテーションステージ(15)と、を含み、
前記第1の高乱流混合ステージ(13)及び前記第2の高せん断応力及び高キャビテーションステージ(15)は、前記第1の高乱流混合ステージ(13)及び前記第2の高せん断応力及び高キャビテーションステージ(15)を通過する多相流れに関わる相の相対滑り速度の増加を引き起こすように適合され、
前記第1の高乱流混合ステージ(13)は、ステータ(21)によって囲まれた混合チャンバ(19)の内部で回転可能なロータ(17)を含み、前記ロータ(17)は、前記ロータ(17)と一体である少なくとも1つの径方向ピン(23)を含み、
前記少なくとも1つの径方向ピン(23)は、前記ピン(23)の描く外周の直径が0.3~0.9xDの範囲であり、Dが前記混合チャンバ(19)の直径であるような、長さの全体にわたって、前記ロータ(17)のシャフト(39)の回転軸から、径方向に延び、
少なくとも1つの前記第1の高乱流混合ステージ(13)は、前記多相流れをRe>500,000の高乱流レジメンに従わせるように適合され、少なくとも1つの前記第2の高せん断応力及び高キャビテーションステージ(15)は、前記多相流れを、キャビテーション数σ<1によって特徴付けされるキャビテーションレジメンに従わせるように適合され、
少なくとも1つの前記第2の高せん断応力及び高キャビテーションステージ(15)は、第2のラジアル歯(33)を具備するステータ(31)によって囲まれたキャビテーションチャンバ(29)の中に収容され、且つ第1のラジアル歯(27)を具備するロータ(25)を含み、
前記ロータ(25)及び前記ステータ(31)の前記第1のラジアル歯(27)及び前記第2のラジアル歯(33)の対向面(35、37)は、放物線プロファイルを有し、
前記ロータ(25)及び前記ステータ(31)の前記第1のラジアル歯(27)及び前記第2のラジアル歯(33)は、周方向の放物線プロファイル(27a、33a)を有し、前記第1のラジアル歯(27)及び前記第2のラジアル歯(33)の前記放物線プロファイルは、前記ロータ(25)の回転方向(F1)に対して前記第1のラジアル歯(27)の第1の後縁(27b)及び前記第2のラジアル歯(33)の第2の後縁(33b)にその頂点(Vr、Vs)が配置される放物線(Pr、Ps)の曲線に沿って、また、前記第1の後縁(27b)及び前記第2の後縁(33b)を前記ロータ(25)又は前記ステータ(31)の中心(Cr)にそれぞれ連結する半径(Rr)に沿って、存在し、前記放物線(Pr、Ps)の焦点は、前記半径(Rr)上にも位置する、
装置。 - 複数の前記第1の高乱流混合ステージ(13)と、複数の前記第2の高せん断応力及び高キャビテーションステージ(15)と、を含み、
前記第1の高乱流混合ステージ(13)及び前記第2の高せん断応力及び高キャビテーションステージ(15)は、直列で、互いに交互に配置され、したがって、前記多相流れは、前記第1の高乱流混合ステージ(13)及び前記第2の高せん断応力及び高キャビテーションステージ(15)のそれぞれを通過し、
各前記第1の高乱流混合ステージ(13)及び各前記第2の高せん断応力及び高キャビテーションステージ(15)は、共通の回転シャフト(39)を有し、前記回転シャフト(39)には、前記ピン(23)と、前記第1のラジアル歯(27)を具備する前記ロータ(25)と、が関連付けされる、
請求項1に記載の装置。 - 前記第1の高乱流混合ステージ(13)は、物質又は物質の混合物の流れを前記混合チャンバ(19)の中に注入するように適合された注入ノズル(49a、49b)を含む、請求項1又は2に記載の装置。
- 前記第2のラジアル歯(33)は、前記第1のラジアル歯(27)の前記プロファイルと同一であり且つ前記第1のラジアル歯(27)の前記プロファイルの鏡像である放物線プロファイル(33a)を有し、前記第2のラジアル歯(33)の前記プロファイル(33a)は、前記ロータ(25)の回転方向に対して前記第2のラジアル歯(33)の前記第2の後縁(33b)にその頂点(Vs)が位置する放物線(Ps)の曲線に沿って、また、前記第2の後縁(33b)を、前記ロータ(25)の中心(Cr)と一致するステータ中心(Cs)に連結する半径(Rs)に沿って、存在し、前記放物線(Pr、Ps)の焦点は、前記半径(Rs)上にも位置する、請求項1又は2に記載の装置。
- 前記第1のラジアル歯(27)及び/又は前記第2のラジアル歯(33)の前記プロファイルの前記放物線の式は、Y=0.0062974X2である、請求項4に記載の装置。
- ギャップ(51)は、前記第1のラジアル歯(27)と前記第2のラジアル歯(33)との間に設けられ、前記ギャップは、前記第1のラジアル歯(27)の前記第1の後縁(27b)及び前記第2のラジアル歯(33)の前記第2の後縁(33b)が、前記ロータ(25)及び前記ステータ(31)の対応する半径(Cr、Cs)に沿って実質上整列しているとき、前記第1の後縁(27b)及びの前記第2の後縁(33b)で最小である、請求項1又は2に記載の装置。
- 前記ロータ(25)は、50~500mmに及ぶ直径と、対応する前記ロータ(25)の直径の0.05~2.5倍に及ぶ軸方向長さと、を有し、前記第1のラジアル歯(27)と前記第2のラジアル歯(33)との間の最小ギャップは、0.2~5.0mmに及ぶ、請求項1又は2に記載の装置。
- 前記ロータ(25)は、100~300mmに及ぶ直径を有する、請求項7に記載の装置。
- 前記ロータ(25)の軸方向長さは、前記ロータの直径の0.1~1.0倍に及ぶ、請求項7に記載の装置。
- 前記第1のラジアル歯(27)と前記第2のラジアル歯(33)との間の前記最小ギャップは、0.5~2.5mmに及ぶ、請求項7に記載の装置。
- 前記混合チャンバ(19)及び前記キャビテーションチャンバ(29)の内径は、50~500mmに及び、前記第1の高乱流混合ステージ(13)の軸方向長さは、対応する混合チャンバ(19)の内径の0.1~2.5倍に及ぶ、請求項1又は2に記載の装置。
- 前記混合チャンバ(19)及び前記キャビテーションチャンバ(29)の内径は、100~300mmに及ぶ、請求項11に記載の装置。
- 前記第1の高乱流混合ステージ(13)の軸方向長さは、前記混合チャンバ(19)の内径の0.25~1.5倍に及ぶ、請求項11に記載の装置。
- 前記ロータ(17)の回転速度は、1000~3000rpmに及ぶ、請求項1又は2に記載の装置。
- 前記装置は、向流モードで動作し、
前記第1の高乱流混合ステージ(13)のうち1つは、第1の物理的状態にある第1の物質の入口用の第1のポート(165)と第2の物理的状態にある第2の物質の出口用の第2のポート(167)とを具備し、
前記第1の高乱流混合ステージ(13)のうち別の1つは、前記第2の物理的状態にある物質の入口用の第1のポート(173)と前記第1の物理的状態にある物質の出口用の第2のポート(175)とを具備する、請求項1又は2に記載の装置。 - 前記装置は、等流モードで動作し、
前記第1の高乱流混合ステージ(13)のうち1つは、第1の物理的状態にある第1の物質の入口用の第1のポート(165)と第2の物理的状態にある第2の物質の入口用の第2のポート(167)とを具備し、
前記第1の高乱流混合ステージ(13)のうち別の1つは、前記第2の物理的状態にある物質の出口用の第1のポート(173)と前記第1の物理的状態にある物質の出口用の第2のポート(175)とを具備する、請求項1又は2に記載の装置。 - 少なくとも2つの前記ピン(23)は、同じ前記第1の高乱流混合ステージ(13)に関連付けされ、前記ロータ(17)の回転軸に垂直な同じ面上、又は前記ロータ(17)の回転軸に垂直な平行面上に配置される、請求項1又は2に記載の装置。
- 相接触及び化学反応を高めるための方法であって、請求項1から17のいずれか1項に記載の装置を提供するステップと、前記装置において、多相流れを、少なくとも1つの前記第1の高乱流混合ステージ(13)、並びに少なくとも1つの前記第2の高せん断応力及び高キャビテーションステージ(15)に、従わせるステップとを含み、前記第1の高乱流混合ステージ(13)及び前記第2の高せん断応力及び高キャビテーションステージ(15)は、前記第1の高乱流混合ステージ(13)及び前記第2の高せん断応力及び高キャビテーションステージ(15)を通過する多相流れに関わる前記相の相対滑り速度の増加を引き起こすように適合される、方法。
- 前記多相流れは、向流モードで異なった相を供給することによって得られる、請求項18に記載の方法。
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