JPH06170107A - Freezing and concentrating method of high water-content material and apparatus thereof - Google Patents

Freezing and concentrating method of high water-content material and apparatus thereof

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JPH06170107A
JPH06170107A JP35107292A JP35107292A JPH06170107A JP H06170107 A JPH06170107 A JP H06170107A JP 35107292 A JP35107292 A JP 35107292A JP 35107292 A JP35107292 A JP 35107292A JP H06170107 A JPH06170107 A JP H06170107A
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JP
Japan
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static pressure
temperature
crystallizer
pressure medium
moisture material
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Application number
JP35107292A
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Japanese (ja)
Inventor
Mitsuo Nagai
光男 永井
Bunro Tsuda
文朗 津田
Kanichi Suzuki
寛一 鈴木
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Japan Steel Works Ltd
Original Assignee
Japan Steel Works Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To obtain ice crystal with high purity which is easy to be separated with pressure as low as possible by providing not only pressure but also energy to high water-content material in supercooled state. CONSTITUTION:A high water-content material is sealed in a container 6 and put in a crystallization apparatus 1, which is like a pressure container. Since the crystallization apparatus 1 is cooled in a cooling jacket 17, the high water- content material becomes in supercooled state. The crystallization apparatus 1 is filled with an isostatiac medium and further the isostatic medium at the temperature higher than that of the high water-content material is introduced into the apparatus by a high pressure pump 15. When the temperature of the isostatic medium exceeds the temperature of the high water-content material, the material is released from the pressure applied to it. Consequently, the high water-content material is released from the supercooled state and freezed to become granular ice crystal and then the ice crystal is grown.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、液状の食品、化粧品、
あるいは医薬品のような高水分材料を濃縮する方法及び
装置に関するもので、特に、高水分材料を部分的に凍結
させてその中の水のみを氷として分離することにより濃
縮する凍結濃縮方法及びそのための装置に関するもので
ある。
The present invention relates to liquid foods, cosmetics,
Alternatively, the present invention relates to a method and an apparatus for concentrating a high-moisture material such as a pharmaceutical product, and in particular, a freeze-concentration method and a method for concentrating it by partially freezing the high-moisture material and separating only water therein as ice. It relates to the device.

【0002】[0002]

【従来の技術】多量の水分を含む材料の濃縮方法には種
々のものがあるが、そのうちの一つとして凍結濃縮方法
が知られている。水は、氷になるときに、不純物を排除
して凍ろうとする性質がある。凍結濃縮方法は、そのよ
うな水の性質を利用して高水分材料を濃縮するものであ
る。その方法においては、高水分材料は部分的に凍結さ
れ、溶媒である水が純粋な氷結晶とされる。したがっ
て、その氷を分離すれば、高水分材料が濃縮されたこと
になる。このような凍結濃縮方法には、微生物汚染や溶
質の劣化、あるいは揮発芳香成分の散逸を極めて低いレ
ベルに抑えることができるという特徴がある。したがっ
て、栄養成分や色、香り、フレーバー成分などを重視す
る高級食品、化粧品、あるいは医薬品の濃縮には最も理
想的な方法とされている。
2. Description of the Related Art There are various methods for concentrating a material containing a large amount of water, and a freeze concentration method is known as one of them. When water becomes ice, it has the property of removing impurities and freezing. The freeze concentration method utilizes such a property of water to concentrate the high-moisture content material. In that method, the high moisture material is partially frozen and the solvent water is made into pure ice crystals. Therefore, when the ice is separated, the high moisture material is concentrated. Such a freeze concentration method is characterized in that microbial contamination, deterioration of solute, and dissipation of volatile aromatic components can be suppressed to an extremely low level. Therefore, it is considered to be the most ideal method for concentrating high-grade foods, cosmetics, or pharmaceuticals that emphasizes nutritional components, colors, aromas, flavor components, and the like.

【0003】本発明者らは、このような凍結濃縮方法に
ついて検討を重ね、先に、新しい高水分材料の凍結濃縮
方法及び装置を提案した(特願平4−108380
号)。その凍結濃縮方法は、 1) まず、あらかじめ予備冷却された高水分材料を柔軟
な容器内に封入し、その容器を、静圧媒体で満たした晶
析器内に入れる。そして、その晶析器を冷媒によって冷
却し、静圧媒体を介して高水分材料を過冷却状態にす
る。 2) 次いで、高圧ポンプにより晶析器内に静圧媒体を更
に注入し、過冷却状態にある高水分材料に静圧を加えた
後、その静圧を除去する。それによって、高水分材料の
過冷却状態が破壊され、その高水分材料が部分的に凍結
する。その状態で任意の時間保持し、常圧で氷を成長さ
せる。 3) その後、高水分材料に再び静圧を加え、部分的に氷
を解凍する。すると、その氷結晶は粒子状となる。 4) そこで、静圧を除去して、常圧で再び氷を成長させ
る。それによって、分離の容易な粒状の大きい氷が得ら
れる。 5) 最後に、その氷を分離する。 というものである。
The present inventors have made extensive studies on such a freeze concentration method, and previously proposed a new freeze concentration method and apparatus for a high water content material (Japanese Patent Application No. 4-108380).
issue). The freeze concentration method is as follows: 1) First, preliminarily precooled high-moisture material is enclosed in a flexible container, and the container is placed in a crystallizer filled with a static pressure medium. Then, the crystallizer is cooled by a refrigerant, and the high moisture material is brought into a supercooled state via the static pressure medium. 2) Next, a static pressure medium is further injected into the crystallizer by a high-pressure pump to apply static pressure to the supercooled high-moisture material, and then the static pressure is removed. As a result, the supercooled state of the high-moisture material is destroyed, and the high-moisture material is partially frozen. The state is maintained for an arbitrary time, and ice is grown under normal pressure. 3) Then, apply static pressure to the high-moisture material again to partially thaw the ice. Then, the ice crystals become particles. 4) Then, remove static pressure and grow ice again at normal pressure. This gives a large granular ice that is easy to separate. 5) Finally, separate the ice. That is.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この凍
結濃縮方法の場合には、高水分材料の過冷却状態を静圧
のみによって破壊してその高水分材料を部分的に凍結さ
せるので、氷の核を形成する工程において高い静圧を必
要とするという問題がある。例えば、冷媒の温度、すな
わち過冷却状態にある高水分材料の温度を−2〜−15
℃としたときには、その過冷却を壊すために100〜1
500kg/cm2もの圧力が必要となる。実験によれば、濃
度3%のコーヒー液を凍結濃縮する場合、冷媒温度を−
4〜−5℃とすると、凍結を起こさせるためには700
kg/cm2の圧力が必要であった。また、そのように静圧の
みによって過冷却を破壊して凍結させた場合には、得ら
れる氷核の結晶は針状となる。そのために、上述の凍結
濃縮方法では、凍結させた高水分材料に再び静圧を加
え、その氷を部分的に解凍することが必要となってい
る。そして、その解凍工程でも、高い静圧を必要とす
る。例えば濃度3%のコーヒー液を凍結濃縮する場合、
冷媒温度を−4〜−5℃としたときには、圧力解凍を行
うにはやはり700kg/cm2の圧力が必要であった。
However, in the case of this freeze concentration method, the supercooled state of the high-moisture material is destroyed only by static pressure to partially freeze the high-moisture material. There is a problem in that a high static pressure is required in the step of forming the. For example, the temperature of the refrigerant, that is, the temperature of the high-moisture material in the supercooled state is set to -2 to -15
When it is set to ℃, 100 to 1 to destroy the supercooling.
A pressure as high as 500 kg / cm 2 is required. According to experiments, when freeze-concentrating a 3% concentration coffee liquid, the refrigerant temperature is-
At 4 to -5 ℃, 700 to freeze
A pressure of kg / cm 2 was required. Further, when the supercooling is destroyed by freezing only by such static pressure and frozen, the obtained ice nucleus crystals are needle-shaped. Therefore, in the freeze concentration method described above, it is necessary to apply static pressure again to the frozen high moisture content material and partially thaw the ice. Further, a high static pressure is required even in the thawing process. For example, when freeze-concentrating a 3% strength coffee liquid,
When the refrigerant temperature was set to -4 to -5 ° C, the pressure of 700 kg / cm 2 was still required for the pressure thawing.

【0005】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであって、その目的は、できるだけ低い圧力を用
いて分離しやすい純粋な氷結晶を得ることのできる高水
分材料の凍結濃縮方法及び装置を提供することである。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is a method for freeze-concentrating a high-moisture material capable of obtaining pure ice crystals which can be easily separated by using a pressure as low as possible. And to provide a device.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明では、過冷却状態にある高水分材料に、圧力
のみでなく温度のエネルギをも与えることにより、その
過冷却状態を破壊するようにしている。すなわち、本発
明による高水分材料の凍結濃縮方法は、上記特願平4−
108380号の凍結濃縮方法において、晶析器内に圧
入することにより過冷却状態にある高水分材料に静圧を
加える静圧媒体を、その高水分材料を過冷却状態に保持
する冷媒の温度よりも高い温度に制御するとともに、晶
析器内の静圧媒体の温度が高水分材料の温度よりも高く
なったときその静圧を除去することにより、高水分材料
の過冷却状態を破壊してその高水分材料を部分的に凍結
させるようにしたことを特徴としている。その凍結後
は、その凍結によって生じた氷を核として常圧凍結によ
り氷結晶を成長させる。その場合、過冷却状態にある高
水分材料に加える静圧の大きさは、10〜100kg/cm2
の範囲とされる。また、本発明による高水分材料の凍結
濃縮装置は、上記特願平4−108380号の凍結濃縮
装置において、晶析器内に静圧媒体を導入する配管に、
その静圧媒体の温度を制御する媒体温度調節ジャケット
が設けられているとともに、晶析器に、その晶析器内の
静圧媒体及び高水分材料の温度をそれぞれ検出する媒体
温度検出器と材料温度検出器とが設けられていることを
特徴としている。
To achieve this object, the present invention destroys the supercooled state by applying not only pressure but also temperature energy to the high-moisture content material in the supercooled state. I am trying to do it. That is, the method for freeze-concentrating a high-moisture material according to the present invention is described in Japanese Patent Application No.
In the freeze concentration method of No. 108380, the static pressure medium that applies static pressure to the high-moisture material in the supercooled state by press-fitting it into the crystallizer is more than the temperature of the refrigerant that keeps the high-moisture material in the supercooled state. Is controlled to a high temperature, and when the temperature of the static pressure medium in the crystallizer becomes higher than the temperature of the high moisture material, the static pressure is removed to destroy the supercooled state of the high moisture material. The high moisture material is characterized by being partially frozen. After the freezing, ice crystals are grown by atmospheric pressure freezing with the ice generated by the freezing as a nucleus. In that case, the magnitude of static pressure applied to the supercooled high-moisture material is 10 to 100 kg / cm 2
The range is. Further, the freeze-concentrator for a high-moisture material according to the present invention is the freeze-concentrator of Japanese Patent Application No. 4-108380 mentioned above, in which a pipe for introducing a static pressure medium into the crystallizer,
A medium temperature control jacket for controlling the temperature of the static pressure medium is provided, and a medium temperature detector and material for detecting the temperature of the static pressure medium and the high-moisture material in the crystallizer are provided in the crystallizer. And a temperature detector are provided.

【0007】[0007]

【作用】このように、冷媒の温度よりも高い温度に制御
された静圧媒体を晶析器内に送り込み、過冷却状態にあ
る高水分材料に静圧を加えた後、その静圧を除去するよ
うにすると、低い静圧でも過冷却状態を破壊することが
可能となる。そして、そのようにして過冷却状態が解除
されることにより生じる氷は粒子状結晶となるので、そ
れを核として常温下で成長した氷は粒状で、しかも、溶
質の含有量の極めて少ないものとなる。そのように低い
静圧で過冷却状態が破壊される理由については、現在の
ところ適切な説明を加えることはできないが、一応次の
ようなことが考えられる。すなわち、静圧の印加により
静圧媒体及び高水分材料の温度に変化がみられることか
ら、静圧の印加は、静圧媒体と過冷却状態にある高水分
材料とのそれぞれの温度を上昇させるためのエネルギと
して作用すると推定される。つまり、圧縮(圧力P)に
より静圧媒体及び高水分材料は体積変化(dv)するの
で、加えられた仕事量Wは、W=∫P・dvであり、こ
れが内部エネルギの増加分となる。したがって、W=C
P・M・ΔT(CPは液体の比熱、Mは液体の重量)で表
されるΔTだけ温度が上昇する。静圧を開放したときに
は、逆にΔTだけ温度が低下する。そして、そのように
静圧の印加により高水分材料の周囲にある静圧媒体の温
度が上昇し、その静圧の開放により静圧媒体の温度が低
下するために、高水分材料と静圧媒体との間における熱
の授受や移動などの関係で、高水分材料を冷却する冷媒
の温度よりも高い温度に制御された静圧媒体を晶析器内
に送り込むことが、小さな静圧の印加に結び付くものと
推測される。過冷却状態にある高水分材料の過冷却が壊
れた瞬間は、マイナスの温度にある高水分材料の温度が
0℃付近へ上昇するので、その温度を監視することによ
って判断することができる。その手法により、上述のよ
うにすれば低い静圧でも過冷却状態が破壊されることが
確認されている。
In this way, the static pressure medium controlled to a temperature higher than the temperature of the refrigerant is fed into the crystallizer, and the static pressure is removed after the static pressure is applied to the supercooled high-moisture material. By doing so, it becomes possible to destroy the supercooled state even with a low static pressure. And, since the ice generated by releasing the supercooled state in this way becomes a particulate crystal, the ice grown at room temperature with it as a grain is granular and has a very low solute content. Become. The reason why the supercooled state is destroyed by such a low static pressure cannot be properly explained at present, but the following may be considered. That is, since the temperature of the static pressure medium and the high-moisture material is changed by applying the static pressure, the application of the static pressure raises the temperature of each of the static pressure medium and the high-moisture material in the supercooled state. Is estimated to act as energy for That is, since the static pressure medium and the high-moisture material change in volume (dv) due to compression (pressure P), the added work W is W = ∫P · dv, which is an increase in internal energy. Therefore, W = C
The temperature rises by ΔT represented by P · M · ΔT (C P is the specific heat of the liquid, M is the weight of the liquid). On the contrary, when the static pressure is released, the temperature decreases by ΔT. Then, since the temperature of the static pressure medium around the high-moisture material increases due to the application of the static pressure, and the temperature of the static pressure medium decreases due to the release of the static pressure, the high-moisture material and the static pressure medium Due to the transfer and transfer of heat to and from, it is possible to send a static pressure medium controlled to a temperature higher than the temperature of the refrigerant that cools the high-moisture material into the crystallizer, in order to apply a small static pressure. It is assumed that they will be linked. At the moment when the supercooling of the high-moisture material in the supercooled state breaks, the temperature of the high-moisture material in the negative temperature rises to around 0 ° C., and it can be judged by monitoring the temperature. It has been confirmed by the method that the supercooled state is destroyed even if the static pressure is low as described above.

【0008】[0008]

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図1は本発明による凍結濃縮装置に用いられる晶析
器の一実施例を示す縦断側面図である。この図から明ら
かなように、この晶析器1は、上端が開口し、下端が底
壁によって閉塞された厚肉円筒状の本体2を備えてい
る。その晶析器本体2の上端開口部には、グランドナッ
ト3を締め付けることによってその本体2に固定される
材料取出しキャップ4が設けられている。その材料取出
しキャップ4の外周面にはOリング5が取り付けられて
おり、そのOリング5によって、晶析器本体2と材料取
出しキャップ4との間が液密にシールされるようになっ
ている。こうして、この晶析器1は、材料取出しキャッ
プ4によって密封される圧力容器として形成されてい
る。材料取出しキャップ4の下面には、そのキャップ4
によって晶析器本体2の上端開口部を閉塞したときその
本体2の内部空間に挿入される材料容器6が取り付けら
れている。その材料容器6は四フッ化エチレン樹脂等か
らなる薄肉パイプ状のもので、上下両端がゴム栓7,8
によってそれぞれ密閉されるようになっている。上側の
ゴム栓7は、接着等によって材料取出しキャップ4の下
面に固着されている。したがって、そのゴム栓7を材料
容器6の上端に嵌合させることによって、材料容器6が
材料取出しキャップ4に取り付けられるようになってい
る。そして、その材料容器6により、晶析器本体2の内
部が材料容器6の内外2室に仕切られるようになってい
る。材料容器6の内部は高水分材料が収容される材料収
容室9となり、外部は静圧媒体が導入される静圧媒体室
10となる。材料容器6の側壁は容易に変形するので、
それら2室9,10の容積は可変である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a vertical side view showing an embodiment of a crystallizer used in a freeze concentration apparatus according to the present invention. As is clear from this figure, this crystallizer 1 comprises a thick-walled cylindrical main body 2 whose upper end is open and whose lower end is closed by a bottom wall. At the upper end opening of the crystallizer main body 2, a material extraction cap 4 fixed to the main body 2 by tightening a ground nut 3 is provided. An O-ring 5 is attached to the outer peripheral surface of the material extraction cap 4, and the O-ring 5 liquid-tightly seals between the crystallizer main body 2 and the material extraction cap 4. . The crystallizer 1 is thus formed as a pressure vessel which is sealed by the material extraction cap 4. On the lower surface of the material take-out cap 4, the cap 4
A material container 6 which is inserted into the internal space of the crystallizer main body 2 when the upper end opening of the crystallizer main body 2 is closed is attached. The material container 6 is a thin pipe made of tetrafluoroethylene resin or the like, and rubber stoppers 7, 8 are provided at both upper and lower ends.
Each is sealed by. The upper rubber stopper 7 is fixed to the lower surface of the material extraction cap 4 by adhesion or the like. Therefore, by fitting the rubber stopper 7 to the upper end of the material container 6, the material container 6 can be attached to the material take-out cap 4. The material container 6 divides the inside of the crystallizer main body 2 into two chambers inside and outside the material container 6. The inside of the material container 6 becomes a material storage chamber 9 in which a high moisture material is stored, and the outside becomes a static pressure medium chamber 10 into which a static pressure medium is introduced. Since the side wall of the material container 6 is easily deformed,
The volumes of these two chambers 9 and 10 are variable.

【0009】また、材料取出しキャップ4には、高水分
材料の温度検出器としての材料温度測定用熱電対11が
取り付けられている。その熱電対11は、材料取出しキ
ャップ4及び上側のゴム栓7を貫通して、材料容器6の
内側の材料収容室9内に突入するようにされている。こ
うして、材料容器6内の高水分材料の温度が晶析器1の
外部から測定されるようになっている。一方、晶析器本
体2の下部には、その底壁を貫通するようにして、静圧
媒体の温度検出器としての媒体温度測定用熱電対12が
取り付けられている。その熱電対12は晶析器本体2内
に配置される材料容器6の近傍にまで延びており、その
熱電対12によって、材料容器6の近傍における静圧媒
体の温度が晶析器1の外部から測定されるようになって
いる。更に、晶析器本体2の上部には、その本体2の内
部の圧力を検出する圧力計13が取り付けられている。
晶析器本体2の下部には、更に、その本体2内部の静圧
媒体室10に連通する圧力ポンプ配管14が接続されて
いる。その圧力ポンプ配管14の先端には高圧ポンプ1
5が連結されており、その圧力ポンプ15によって、静
圧媒体室10内にエタノール等の静圧媒体が加圧導入さ
れ、晶析器本体2内に静圧が加えられるようになってい
る。その圧力ポンプ15と晶析器本体2とを結ぶ圧力ポ
ンプ配管14の途中には、晶析器本体2内の静圧媒体室
10に導かれる静圧媒体の温度を制御する媒体温度調節
ジャケット16が設けられている。
A material temperature measuring thermocouple 11 as a temperature detector for the high moisture material is attached to the material take-out cap 4. The thermocouple 11 penetrates the material take-out cap 4 and the upper rubber stopper 7 and projects into the material storage chamber 9 inside the material container 6. In this way, the temperature of the high-moisture material in the material container 6 is measured from outside the crystallizer 1. On the other hand, at the bottom of the crystallizer main body 2, a medium temperature measuring thermocouple 12 as a temperature detector for the static pressure medium is attached so as to penetrate the bottom wall thereof. The thermocouple 12 extends to the vicinity of the material container 6 arranged in the crystallizer main body 2, and the thermocouple 12 causes the temperature of the static pressure medium near the material container 6 to be outside the crystallizer 1. It is supposed to be measured from. Further, on the upper part of the crystallizer main body 2, a pressure gauge 13 for detecting the pressure inside the main body 2 is attached.
A pressure pump pipe 14 that communicates with the static pressure medium chamber 10 inside the crystallizer main body 2 is further connected to the lower portion of the crystallizer main body 2. At the tip of the pressure pump pipe 14, the high pressure pump 1
5 are connected, and the pressure pump 15 introduces a static pressure medium such as ethanol into the static pressure medium chamber 10 under pressure to apply a static pressure to the crystallizer main body 2. A medium temperature adjusting jacket 16 for controlling the temperature of the static pressure medium introduced into the static pressure medium chamber 10 in the crystallizer main body 2 is provided in the middle of the pressure pump pipe 14 connecting the pressure pump 15 and the crystallizer main body 2. Is provided.

【0010】晶析器本体2の外周には冷却ジャケット1
7が設けられている。その冷却ジャケット17は冷媒入
口18及び冷媒出口19を有しており、その入口18及
び出口19を通して冷媒を循環させることによって、晶
析器本体2内の温度が制御されるようになっている。凍
結濃縮装置は、このような晶析器1や高圧ポンプ15の
ほかに、材料を予備冷却する予備冷却器や、濃縮液と氷
とを分離する分離器などによって構成されるが、それら
の冷却器及び分離器は通常のものでよいので、ここでは
その説明を省略する。
A cooling jacket 1 is provided on the outer periphery of the crystallizer main body 2.
7 is provided. The cooling jacket 17 has a refrigerant inlet 18 and a refrigerant outlet 19, and the temperature inside the crystallizer main body 2 is controlled by circulating the refrigerant through the inlet 18 and the outlet 19. The freeze concentrator is constituted by such a crystallizer 1 and high-pressure pump 15 as well as a precooler for precooling the material and a separator for separating the concentrated liquid and ice. Since the container and the separator may be ordinary ones, the description thereof will be omitted here.

【0011】次に、このように構成された凍結濃縮装置
を用いて高水分材料を濃縮するときの手順を、その作用
とともに説明する。例えば溶液を濃縮するときには、予
備冷却器を用いてその溶液をあらかじめ2〜0℃に冷却
する。そして、その溶液を、下端をゴム栓8によって密
封した材料容器6に入れる。このとき、溶液内に気泡が
入らないようにする。次いで、その材料容器6の上端
を、材料取出しキャップ4に固着されているゴム栓7に
嵌合させて密封する。それによって、材料容器6が材料
取出しキャップ4に取り付けられる。一方、晶析器本体
2の内部には、凍結温度の低いエタノ−ル等の静圧媒体
を満たしておく。また、晶析器1の冷却ジャケット17
には−2〜−15℃の冷媒を循環させ、その本体2を−
2〜−15℃に保っておく。そして、その晶析器本体2
の上端部開口に、材料容器6を取り付けた材料取出しキ
ャップ4を装着し、グランドナット3により締め付けて
シールする。
Next, the procedure for concentrating the high-moisture content material using the freeze concentrating device thus constructed will be described together with its operation. For example, when concentrating the solution, the solution is previously cooled to 2 to 0 ° C. using a precooler. Then, the solution is put into a material container 6 whose lower end is sealed with a rubber stopper 8. At this time, prevent bubbles from entering the solution. Then, the upper end of the material container 6 is fitted into the rubber stopper 7 fixed to the material take-out cap 4 and sealed. Thereby, the material container 6 is attached to the material take-out cap 4. On the other hand, the inside of the crystallizer main body 2 is filled with a static pressure medium such as ethanol having a low freezing temperature. In addition, the cooling jacket 17 of the crystallizer 1
Circulate a refrigerant of -2 to -15 degrees Celsius, and
Keep at 2 to -15 ° C. And the crystallizer body 2
The material take-out cap 4 to which the material container 6 is attached is attached to the upper end opening of the, and the gland nut 3 is tightened to seal.

【0012】このようにして氷点以下の低温に保たれて
いる晶析器1内に材料容器6をセットすると、その材料
容器6内に封入されている溶液が徐々に冷却される。し
たがって、その溶液は過冷却状態となる。そこで、材料
温度測定用熱電対11によって検出される溶液の温度が
−0.5〜−10℃になったとき、高圧ポンプ15を用
いて静圧媒体を晶析器本体2に注入し、その内部の圧力
を10〜100kg/cm2にまで高める。このとき、媒体温
度調節ジャケット16には室温の水を循環させ、晶析器
本体2内に導入される静圧媒体を常温に保っておく。す
なわち、その静圧媒体の温度を、冷却ジャケット17に
供給される冷媒の温度よりも高くする。晶析器本体2内
の圧力を高めると、その内部に配置されている材料容器
6が圧縮され、その材料容器6内の溶液に静圧が加えら
れる。そして、媒体温度測定用熱電対12によって検出
される静圧媒体の温度が材料温度測定用熱電対11によ
って検出される溶液の温度よりも高くなったとき、高圧
ポンプ15をフリーとし、晶析器本体2内の圧力を開放
する。すると、過冷却状態にあった材料容器6内の溶液
は、与えられた圧力及び温度のエネルギによって、その
過冷却状態が解除される。したがって、その溶液は急速
に凍結し、氷結晶が生成される。氷が生成されると、氷
の発熱により材料温度測定用熱電対11の温度が0℃を
示す。そこで、10〜60分かけて氷を熟成させる。こ
のように、過冷却状態の溶液に100kg/cm2以下の低い
圧力及び温度のエネルギを与えて強制的に過冷却状態を
破壊したときに生成される氷の結晶は、針状ではなく粒
子状に近い形状をしている。したがって、その氷結晶を
核として成長した氷結晶は粒状となる。
When the material container 6 is set in the crystallizer 1 kept at a low temperature below the freezing point in this way, the solution enclosed in the material container 6 is gradually cooled. Therefore, the solution is in a supercooled state. Therefore, when the temperature of the solution detected by the material temperature measuring thermocouple 11 becomes −0.5 to −10 ° C., a static pressure medium is injected into the crystallizer main body 2 by using the high pressure pump 15, and Increase the internal pressure to 10-100 kg / cm 2 . At this time, room temperature water is circulated through the medium temperature control jacket 16 to keep the static pressure medium introduced into the crystallizer main body 2 at room temperature. That is, the temperature of the static pressure medium is set higher than the temperature of the refrigerant supplied to the cooling jacket 17. When the pressure in the crystallizer main body 2 is increased, the material container 6 arranged inside is compressed, and a static pressure is applied to the solution in the material container 6. Then, when the temperature of the static pressure medium detected by the medium temperature measuring thermocouple 12 becomes higher than the temperature of the solution detected by the material temperature measuring thermocouple 11, the high pressure pump 15 is set free and the crystallizer The pressure inside the body 2 is released. Then, the solution in the material container 6 in the supercooled state is released from the supercooled state by the energy of the applied pressure and temperature. Therefore, the solution freezes rapidly and ice crystals are produced. When ice is generated, the temperature of the material temperature measuring thermocouple 11 is 0 ° C. due to the heat generated by the ice. Therefore, the ice is aged for 10 to 60 minutes. In this way, the ice crystals produced when the supercooled solution is forcibly destroyed by applying energy of low pressure and temperature of 100 kg / cm 2 or less to the supercooled solution are not needle-like particles. It has a shape close to. Therefore, the ice crystal grown with the ice crystal as a nucleus becomes granular.

【0013】このようにして氷を成長させた後、グラン
ドナット3をゆるめ、晶析器本体2から材料取出しキャ
ップ4を取り外す。更に、その材料取出しキャップ4に
取り付けられている材料容器6をゴム栓7から抜き取
り、その材料容器6内の濃縮液と氷結晶との懸濁液を分
離器に移す。そして、それを濾過、洗浄して濃縮液と氷
結晶とに分離する。その場合、生成された氷結晶は上述
のように粒状となっているので、その氷結晶に濃縮液が
付着することも少ない。したがって、その分離は極めて
効率よく行われる。
After the ice has grown in this way, the gland nut 3 is loosened, and the material extraction cap 4 is removed from the crystallizer main body 2. Further, the material container 6 attached to the material extraction cap 4 is pulled out from the rubber stopper 7, and the suspension of the concentrated liquid and the ice crystals in the material container 6 is transferred to a separator. Then, it is filtered and washed to separate it into a concentrated liquid and ice crystals. In this case, since the produced ice crystals are granular as described above, the concentrated liquid rarely adheres to the ice crystals. Therefore, the separation is extremely efficient.

【0014】このように、この凍結濃縮方法によれば、
溶液の過冷却状態を解除してその溶液を部分的に凍結さ
せ、その氷を成長させるだけで、濃縮液を含有しない粒
状の氷結晶を得ることができる。しかも、その氷核とな
る氷結晶は、過冷却状態の溶液に10〜100kg/cm2
低い圧力及び温度のエネルギを与えることによって生成
される。したがって、高圧ポンプ15等として容量の小
さいものを用いることが可能となり、その操作も容易と
なる。そして、粒状で大きな氷結晶が得られるので、単
純な濾過、洗浄などによって容易に濃縮液を分離するこ
とができる。したがって、氷結晶と濃縮液との分離効率
を著しく高めることができる。また、その凍結濃縮装置
によれば、高圧ポンプ15及び媒体温度調節ジャケット
16によって晶析器1内の過冷却状態の溶液に低い圧力
及び温度エネルギを与えるのみで、過冷却状態の破壊か
ら氷結晶の成長までを行わせることができるので、上述
の凍結濃縮方法を実施する装置を極めて単純なものとす
ることができる。
Thus, according to this freeze concentration method,
A granular ice crystal containing no concentrate can be obtained by simply removing the supercooled state of the solution, partially freezing the solution, and growing the ice. Moreover, the ice crystals, which become the ice nuclei, are generated by applying energy of a low pressure and temperature of 10 to 100 kg / cm 2 to the supercooled solution. Therefore, the high-pressure pump 15 or the like having a small capacity can be used, and its operation becomes easy. Further, since granular and large ice crystals are obtained, the concentrated liquid can be easily separated by simple filtration, washing and the like. Therefore, the separation efficiency between the ice crystals and the concentrated liquid can be significantly increased. Further, according to the freeze-concentrator, only high pressure and temperature energy are applied to the supercooled solution in the crystallizer 1 by the high-pressure pump 15 and the medium temperature control jacket 16, so that ice crystals can be prevented from being destroyed in the supercooled state. Therefore, the apparatus for carrying out the freeze concentration method described above can be made extremely simple.

【0015】このような凍結濃縮装置を実際に試作し、
それを用いて濃縮実験を行った。濃縮する材料には、市
販のインスタントコーヒーを蒸留水に溶解させたコーヒ
ー液を用いることとした。そして、氷結晶中のコーヒー
濃度を測定するために、まず、分光光度計により各種濃
度のコーヒー液の吸光度を測定し、コーヒー液濃度と吸
光度との検量線を求めた。コーヒー液の濃度と吸光度の
値とは比例し、濃度が高いほど吸光度も高くなる。濃縮
原料として濃度3%のコーヒー液を作製した。晶析器本
体2としては内径が30mm、長さが250mmのものを用
い、材料容器6には直径20mm、長さ170mmの四フッ
化エチレン樹脂製チューブを用いた。また、静圧媒体と
しては50%エタノール液を用い、そのエタノール液を
晶析器本体2内に満たした。一方、冷媒には30%エチ
レングリコール液を用い、毎分17リットルの流量で冷
却ジャケット17を循環させた。その冷媒の温度は−4
〜−5℃の範囲とし、あらかじめ循環させて晶析器1を
−4℃あるいは−5℃に保っておくようにした。また、
圧力ポンプ配管14に設けられている媒体温度調節ジャ
ケット16には室温の水を循環させた。
[0015] Such a freeze concentration device was actually prototyped,
The concentration experiment was conducted using it. A coffee liquid prepared by dissolving commercially available instant coffee in distilled water was used as the material to be concentrated. Then, in order to measure the coffee concentration in the ice crystals, first, the absorbance of coffee liquid of various concentrations was measured by a spectrophotometer, and a calibration curve of the coffee liquid concentration and the absorbance was obtained. The concentration of coffee liquid is proportional to the absorbance value, and the higher the concentration, the higher the absorbance. A coffee liquid having a concentration of 3% was prepared as a concentrated raw material. The crystallizer main body 2 had an inner diameter of 30 mm and a length of 250 mm, and the material container 6 was a tube of tetrafluoroethylene resin having a diameter of 20 mm and a length of 170 mm. A 50% ethanol solution was used as the static pressure medium, and the ethanol solution was filled in the crystallizer main body 2. On the other hand, a 30% ethylene glycol liquid was used as the refrigerant, and the cooling jacket 17 was circulated at a flow rate of 17 liters per minute. The temperature of the refrigerant is -4
The temperature was set to -5 ° C, and the crystallizer 1 was kept at -4 ° C or -5 ° C by circulating in advance. Also,
Water at room temperature was circulated through the medium temperature control jacket 16 provided in the pressure pump pipe 14.

【0016】このような準備の下で、濃縮原料の3%コ
ーヒー液をあらかじめ0.5℃に予備冷却し、そのコー
ヒー液を、ゴム栓8により栓をした材料容器6に入れ
た。その量は約45gであった。次いで、その材料容器
6をエタノール液で満たした晶析器1内にセットした。
そして、材料温度測定用熱電対11によりコーヒー液の
温度変化を、また、媒体温度測定用熱電対12により静
圧媒体の温度変化をそれぞれ監視した。材料温度測定用
熱電対11が−0.5〜−4.5℃を示したところで、
高圧ポンプ15を用いてエタノール液を晶析器1内に圧
入し、晶析器1内の圧力を10〜100kg/cm2に昇圧さ
せた。そして、媒体温度測定用熱電対12が材料温度測
定用熱電対11より高い温度を示したところで、圧力を
急激に開放して晶析器1内を大気圧にした。このとき、
昇圧から圧力開放までの時間は約20秒であった。10
〜40分の経過後、材料容器6を取り出して、その内部
の材料を分離器に移し、分離器で吸引濾過すると共に、
0℃の蒸留水10ミリリットルで洗浄した。こうして、
氷結晶と濃縮液とに分離した。そして、得られた氷につ
いて、その吸光度を測定した。比較のために、高圧ポン
プ15により晶析器1内に300kg/cm2及び700kg/c
m2の圧力を加えて、その晶析器1内に収容されている溶
液の過冷却状態を強制的に破壊して凍結させ、同様の実
験を行った。
Under such preparations, the concentrated 3% coffee liquid was precooled to 0.5 ° C. in advance, and the coffee liquid was placed in the material container 6 stoppered with the rubber stopper 8. The amount was about 45 g. Then, the material container 6 was set in the crystallizer 1 filled with the ethanol solution.
Then, the temperature change of the coffee liquid was monitored by the thermocouple 11 for measuring the material temperature, and the temperature change of the static pressure medium was monitored by the thermocouple 12 for measuring the medium temperature. When the thermocouple 11 for measuring the material temperature showed -0.5 to -4.5 ° C,
The ethanol solution was pressed into the crystallizer 1 using the high-pressure pump 15 to increase the pressure in the crystallizer 1 to 10 to 100 kg / cm 2 . Then, when the medium temperature measuring thermocouple 12 showed a temperature higher than that of the material temperature measuring thermocouple 11, the pressure was rapidly released to bring the inside of the crystallizer 1 to atmospheric pressure. At this time,
The time from pressure increase to pressure release was about 20 seconds. 10
After about 40 minutes, the material container 6 is taken out, the material in the container is transferred to a separator, and suction filtration is performed with the separator.
It was washed with 10 ml of distilled water at 0 ° C. Thus
Separated into ice crystals and concentrated solution. Then, the absorbance of the obtained ice was measured. For comparison, 300 kg / cm 2 and 700 kg / c were stored in the crystallizer 1 by the high-pressure pump 15.
A similar experiment was carried out by applying a pressure of m 2 to forcibly break the supercooled state of the solution contained in the crystallizer 1 to freeze it.

【0017】その結果、晶析器1内に加える静圧が低い
方が、得られる氷結晶の吸光度、すなわちその氷結晶中
のコーヒー濃度が低い値となることが判明した。具体的
に説明すると、静圧を700kg/cm2として常圧凍結時間
を30分間としたときは、得られる氷結晶中のコーヒー
濃度は0.2〜0.3%となり、40分間の凍結をさせ
たときは0.3〜0.45%、50分間のときは0.5
〜0.65%などと大きな値になったが、300kg/cm2
の静圧の印加によって強制的に過冷却状態を破壊した場
合には、凍結時間が30分間のときで0.06〜0.1
3%であり、静圧を100kg/cm2として強制的に過冷却
状態を破壊した場合には、30分間の凍結で、得られる
氷結晶中のコーヒー濃度は0.05%前後となった。氷
結晶中のコーヒー濃度が低いということは、その氷結晶
が純粋に近いということである。したがって、得られた
氷結晶中のコーヒー濃度が低いほど、コーヒー液から水
分のみが効率よく分離されたということができる。この
ように、低い圧力を用いて過冷却状態を破壊することに
より、高い圧力を用いて過冷却状態を破壊する場合に比
べて、品質の格段に優れた氷を得ることができ、高水分
材料の分離効率を著しく高めることができる。
As a result, it was found that the lower the static pressure applied to the crystallizer 1, the lower the absorbance of the obtained ice crystals, that is, the coffee concentration in the ice crystals. Specifically, when the static pressure is 700 kg / cm 2 and the atmospheric pressure freezing time is 30 minutes, the coffee concentration in the obtained ice crystals is 0.2 to 0.3%, and the freezing for 40 minutes is performed. 0.3 to 0.45% when allowed to run, 0.5 for 50 minutes
It was a big value such as ~ 0.65%, but 300kg / cm 2
When the supercooled state is forcibly destroyed by the application of the static pressure of, the freezing time is 0.06 to 0.1 when the freezing time is 30 minutes.
When the static pressure was 100 kg / cm 2 and the supercooled state was forcibly destroyed, the coffee concentration in the obtained ice crystals was around 0.05% after freezing for 30 minutes. A low coffee concentration in an ice crystal means that the ice crystal is nearly pure. Therefore, it can be said that the lower the coffee concentration in the obtained ice crystals was, the more efficiently only the water was separated from the coffee liquid. In this way, by destroying the supercooled state by using the low pressure, it is possible to obtain ice of significantly superior quality as compared with the case of destroying the supercooled state by using the high pressure, and the high moisture material It is possible to remarkably increase the separation efficiency.

【0018】なお、上記実施例においては、凍結濃縮装
置として実験室的なものについて説明したが、工業的な
実施に際しては、例えば一つの晶析器内に多数の材料容
器を設置し、同時に多量の材料が処理されるようにする
とともに、予備冷却から分離までが連続的に行われるよ
うに構成することは言うまでもない。また、ピストンに
よって2室に仕切られた多数の晶析器本体2を用い、そ
の1室に同時に静圧媒体を加圧注入するようなことも考
えられる。
In the above embodiments, the freeze concentration device was described as a laboratory device, but in industrial implementation, for example, a large number of material containers are installed in one crystallizer, and at the same time, a large amount of material is prepared. Needless to say, the material is processed, and the pre-cooling and the separation are continuously performed. It is also conceivable that a large number of crystallizer main bodies 2 partitioned by pistons into two chambers are used, and a static pressure medium is simultaneously injected under pressure into the one chamber.

【0019】[0019]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、過冷却状態にある高水分材料に圧力及び温度
のエネルギを与えるようにしているので、低い圧力を加
えるのみで、その過冷却状態を破壊して高水分材料を凍
結させることができる。しかも、そのとき生成される氷
は粒子状となるので、それを核にして成長した氷は粒状
の結晶となる。したがって、氷結晶と濃縮液との分離効
率が高くなり、その分離のためのコストを著しく低減さ
せることができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, energy of pressure and temperature is applied to a super-moisture material in a supercooled state. The supercooled state can be destroyed to freeze the high moisture material. Moreover, since the ice produced at that time is in the form of particles, the ice grown by using it as nuclei becomes granular crystals. Therefore, the separation efficiency between the ice crystals and the concentrated liquid is increased, and the cost for the separation can be significantly reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による凍結濃縮装置に用いられる晶析器
の一実施例を示す縦断側面図である。
FIG. 1 is a vertical side view showing an example of a crystallizer used in a freeze concentration apparatus according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 晶析器 2 晶析器本体 6 材料容器 9 高水分材料材料収容室 10 静圧媒体室 11 材料温度測定用熱電対(材料温度検出器) 12 静圧媒体温度測定用熱電対(媒体温度検出器) 15 高圧ポンプ 16 媒体温度調節ジャケット 17 冷却ジャケット 1 Crystallizer 2 Crystallizer main body 6 Material container 9 High moisture material Material storage chamber 10 Static pressure medium chamber 11 Thermocouple for material temperature measurement (material temperature detector) 12 Thermocouple for static pressure medium temperature measurement (medium temperature detection) 15) High-pressure pump 16 Medium temperature control jacket 17 Cooling jacket

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 晶析器の内部を容積可変の2室に仕切
り、その一方の室に静圧媒体を満たすとともに、他方の
室に高水分材料を収容しておき、 その晶析器を冷却することにより前記高水分材料を過冷
却状態とした後、 前記晶析器の静圧媒体室内に、前記高水分材料を過冷却
状態に保つ冷媒の温度よりも高い温度に制御された静圧
媒体を圧入して、前記過冷却状態にある高水分材料に静
圧を加え、 前記晶析器内の静圧媒体の温度が前記高水分材料の温度
よりも高くなったとき、前記静圧を除去することにより
その高水分材料を部分的に凍結させ、 生じた氷を核として常圧下において氷結晶を成長させた
後、その氷を分離することからなる、 高水分材料の凍結濃縮方法。
1. A crystallizer is divided into two chambers of variable volume, one chamber is filled with a static pressure medium and the other chamber is filled with a high moisture material, and the crystallizer is cooled. After making the high moisture material into a supercooled state by doing, in the static pressure medium chamber of the crystallizer, the static pressure medium controlled to a temperature higher than the temperature of the refrigerant that keeps the high moisture material in the supercooled state And press static pressure to the high-moisture material in the supercooled state, and when the temperature of the static pressure medium in the crystallizer becomes higher than the temperature of the high-moisture material, remove the static pressure. The method of freezing and concentrating a high-moisture material, which comprises partially freezing the high-moisture material by performing the above, growing ice crystals under atmospheric pressure using the resulting ice as a nucleus, and then separating the ice.
【請求項2】 前記過冷却状態にある高水分材料に加え
る静圧の大きさを、10〜100kg/cm2の範囲とするこ
とを特徴とする、 請求項1記載の凍結濃縮方法。
2. The freeze concentration method according to claim 1, wherein the magnitude of static pressure applied to the supercooled high-moisture material is in the range of 10 to 100 kg / cm 2 .
【請求項3】 高水分材料を凍結させるとともにその氷
結晶を成長させる晶析器と、得られた氷結晶を濃縮液か
ら分離する分離器とを備えた凍結濃縮装置において;前
記晶析器が圧力容器として形成され、その内部が、静圧
媒体が圧入される静圧媒体室と、その静圧媒体によって
加圧される高水分材料収容室との2室に仕切られてお
り、 その静圧媒体室に静圧媒体を導入する配管に、その静圧
媒体の温度を制御する媒体温度調節ジャケットが設けら
れているとともに、 前記晶析器に、前記静圧媒体室内の静圧媒体の温度を検
出する媒体温度検出器と、前記高水分材料収容室内の高
水分材料の温度を検出する材料温度検出器とが設けられ
ていることを特徴とする、 高水分材料の凍結濃縮装置。
3. A freeze concentration apparatus comprising a crystallizer for freezing a high-moisture material and growing ice crystals thereof, and a separator for separating the obtained ice crystals from a concentrated liquid; It is formed as a pressure vessel, and its interior is partitioned into two chambers, a static pressure medium chamber into which a static pressure medium is press-fitted and a high moisture material storage chamber pressurized by the static pressure medium. The pipe for introducing the static pressure medium into the medium chamber is provided with a medium temperature control jacket for controlling the temperature of the static pressure medium, and the crystallizer is provided with the temperature of the static pressure medium in the static pressure medium chamber. A freeze-concentrator for high-moisture material, comprising a medium temperature detector for detecting and a material temperature detector for detecting the temperature of the high-moisture material in the high-moisture material storage chamber.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009525867A (en) * 2006-02-10 2009-07-16 プラクスエア・テクノロジー・インコーポレイテッド Methods for inducing substance nucleation

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