JPH1128455A - 凍結濃縮方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 粒氷を形成させる工程と、この粒氷を冷却板
に付着させる工程により、溶質の混入の少ない清澄な氷
が高い生産性で得ることができるようにした凍結濃縮方
法及び凍結濃縮装置を提供する。 【解決手段】 生産性は大きいが比表面積の大きなミク
ロンオーダーの粒氷１０の析出を粒氷形成器２で行い、
生産性は良くないが比表面積の小さな板氷２５の析出を
板氷形成器３で行う。析出された氷には溶質の含有量が
少なくなり、溶質の回収率及び水溶液の清澄度を向上さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は凍結濃縮方法とその
装置に係り、更に詳細に言えば、食品加工業における食
品や発酵食品、化学工業、製薬工業、あるいは金属加工
業等における汚水の浄化、機械油やメッキ廃液等の廃水
処理、その他、海水の淡水化等の広範囲にわたって適用
可能な凍結濃縮方法及び凍結濃縮装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】水溶液を凍結させることにより、水と溶
質との凝固点の差に起因して氷結晶を析出させて水溶液
の濃度を高め、濃縮された水溶液中から氷結晶を分離す
るようにした凍結濃縮方法は、気液間の物質移動が無
く、香りの成分のように揮発しやすい成分を保持したま
ま脱水することができること、及び熱に対して不安定な
水溶液や雑菌に汚染されやすい成分を含む水溶液から水
分を除去する方法に好適であること、しかも水の凝固潜
熱が蒸発潜熱の１／７であり、蒸発による方法よりも省
エネルギーとなること等の理由から、上記のようにジュ
ース、ワイン、ビール等の液状食品や飼料の濃縮、ある
いは廃水中の汚染物質の除去、さらには海水や塩水の淡
水化等に広く利用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来のこの種の方法では、以下のような問題があっ
た。すなわち、水溶液を凍結させて氷結晶を析出した
際、この氷結晶の表面には溶質が付着するため、氷結晶
を濃縮された溶液から分離する際に溶質が氷結晶に同伴
されることになり、溶質の回収率及び氷融液の清澄度が
低減するという問題があった。特に溶質の付着が氷結晶
の比表面積の大きさに比例して多くなるため、比表面積
が小さい大粒径の氷結晶を生成させることが要件となっ
た。

【０００４】かかる問題を解決する手段として、凍結濃
縮装置内に大きな面積をもった冷却板を配置し、濃縮用
の水溶液を前記冷却板の上部から自然落下させたり、あ
るいはポンプ駆動により冷却板上を強制的に流動せし
め、冷却板の上に氷結晶を生成させる方法も提案されて
いる。そして、かかる方法では氷結晶の成長に伴って、
水溶液の占める容積が急減するために、原理的には、１
段での高い濃縮が可能である。また、固形物を含む水溶
液については、固形物を氷間に封入することなく、溶液
を凍結濃縮することも可能である。

【０００５】しかしながら、上記の装置では、高い生成
速度で氷結晶を冷却板上に生成せしめるためには、冷却
板温度を定める冷媒の温度を水溶液の凝固点よりも大き
く低下させて、過冷却度を大にする必要がある。一般的
に、水溶液の凝固点とは、水溶液と氷結晶が熱力学的に
共存できる温度であり、多くの場合、凝固点では氷結晶
の生成は開始されず、水溶液の凝固点以下の過冷却状態
おいて氷結晶の生成が開始される。また、氷結晶の形状
は、氷結晶の成長速度と核発生速度により決定され、水
溶液の過冷却度に比例するため、氷結晶の生成開始時に
大きな過冷却度がつけられると、冷却体表面には、微細
な氷結晶が生成され、これらが最終的な氷の清澄度を低
下させる。

【０００６】本発明の目的は、かかる従来の問題点を解
決するためになされたもので、粒氷を形成させる工程
と、この粒氷を冷却板に付着させる工程により、溶質の
混入の少ない清澄な氷が高い生産性で得ることができる
ようにした凍結濃縮方法及び凍結濃縮装置を提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、前述した技術的課題を解決するために以下のように
構成されている。すなわち、本発明の凍結濃縮方法は、
長手方向に立設された粒氷形成器の上方から被濃縮水溶
液を導入して冷却部で微小粒氷結晶を析出させ、微小粒
氷結晶から分離される濃縮液を下方から排出し、さらに
長手方向に立設された板氷形成器に、前記微小粒氷結晶
とこの微小粒氷結晶に付着した水溶液とを含む氷スラリ
ーを供給し、次いで前記板氷形成器の上方から冷却板上
に前記氷スラリーを降下させて前記冷却板上に板氷を生
成させるとともに、前記微小粒氷結晶を前記板氷に付着
させ、水溶液から氷結晶を分離することを特徴とするも
のである。

【０００８】さらに、本発明は請求項２記載のように、
長手方向に立設された板氷形成器の上方から被濃縮水溶
液を導入し、冷却板上に前記水溶液を降下させて板氷を
析出させて濃縮された水溶液を得るとともに、この濃縮
された水溶液を長手方向に立設された粒氷形成器に供給
し冷却部で微小粒氷結晶を析出させ、分離された濃縮液
を下方から排出し、かつ微小粒氷結晶を前記濃縮された
水溶液に浮上させて上方から回収することにより、水溶
液から氷結晶を分離することを特徴とする。

【０００９】なお、請求項１及び２に記載の前記発明に
おいて、粒氷形成器の内部の冷却部では溶液を攪拌する
か、あるいは冷却部に付着した氷を掻き落とすことによ
り微小粒氷結晶を形成することが好ましい。また、微小
氷粒というのは１ｍｍ以下の粒径のものであることが好
ましい。

【００１０】更に、請求項３記載の本発明は前記発明を
効率的に実行するための凍結濃縮装置であり、前述の技
術的課題を解決するために以下のように構成されてい
る。すなわち、本発明の凍結濃縮装置は、長手方向に立
設された粒氷形成器と、同じく長手方向に立設された板
氷形成器と、両氷形成装置を結ぶとともに水溶液または
氷スラリーを他方の氷形成器に供給する供給路とを有
し、前記粒氷形成器の冷却部には水溶液攪拌手段または
氷掻き取り手段を設け、さらに前記板氷形成器には板氷
を析出する冷却板を設け、かつ両氷形成器のいずれか一
に水溶液の供給口と、濃縮液の排出口と、氷結晶の排出
口とを設けたことを特徴とする。

【００１１】本発明の凍結濃縮方法及び凍結濃縮装置に
よると、生産性が大きいが比表面積の大きなミクロンオ
ーダーの微粒氷の析出を粒氷形成器で行い、さらに、生
産性は良くないが比表面積の小さな板氷の析出を板氷形
成器で行い、析出された氷には溶質の含有量が少なく、
溶質の回収率、及び水溶液の清澄度が向上する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の凍結濃縮方法及び
凍結濃縮装置を図に示される実施形態について更に詳細
に説明する。ただし、この実施の形態に記載されている
構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置などは特
に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれの
みに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１には本発明の第１の実施形態に係る凍結濃縮装置の
システムの説明図であり、図２は本発明の第２の実施形
態にかかる凍結濃縮装置のシステムの説明図であり、同
凍結濃縮装置が符号１にて示されている。

【００１３】（第１の実施の形態）図１に基づき第１の
実施形態を説明する。図面の左側には粒氷形成器２が長
手方向に立設されており、右側には板氷形成器３が長手
方向に立設されている。また、粒氷形成器２と板氷形成
器３の上部には供給路４が設けられていて、氷スラリー
５を回転羽根ポンプ８の作用により前記粒氷形成器２か
ら板氷形成器３へ供給可能に形成されている。前記粒氷
形成器２は円筒形をなし、ジャケット６に囲まれた冷却
部７を備えている。この冷却部７は内部に図示しない装
置からジャケット６の内部に送られる低温冷媒液の蒸発
潜熱又はブラインクーラーで所定の温度に冷却された冷
媒（例えばＮＨ₃ 等）が循環することにより、冷却部７
を水溶液の凝固温度よりも低い過冷却温度に保持されて
いる。又、冷却部７にはモータ９により回転自在なスク
リュー１１が挿入されていて、このスクリュー１１は冷
却部７に析出する氷結晶を掻き取って微小粒氷結晶１０
を形成するための氷掻き取り手段を形成する。さらに、
粒氷形成器２の上方には濃縮を要する原液である水溶液
１２を内部に導く原液入口１３を設けると同時に、下方
に濃縮液１５を排出するための濃縮液排水口１４を備え
ている。

【００１４】前記板氷形成器３は断面が四角形の容器形
状であって、ジャケット１６に囲まれた広い面積の４枚
の冷却板１７を備える。また、ジャケット１６には図示
しないブラインクーラーで冷却された上記第１の実施の
形態と同様の冷媒ＮＨ₃ 等が循環することにより冷却板
１７を所定の温度に冷却している。板氷形成器３は底部
１８が角錐形状をなし、かつ開放可能に構成されてい
る。また、前記底部１８には開口部１９を設けてあり、
底部１８に滞留する希液２３を粒氷形成器２の上部に設
けられた開口部２０に供給する希液帰還路２１に連通し
ている。なお、希液帰還路２１には回転羽根ポンプ２２
が介装されていて希液２３を強制的に粒氷形成器３の上
部に帰還させるようになっている。

【００１５】次に本発明の凍結濃縮方法を図１に基づい
て説明する。まず粒氷形成器２の上方の原液入口１３か
ら濃縮を要する水溶液（例えば溶質の濃度が８％程度の
ワイン原液）１２を導入すると、水溶液１２はこの水溶
液の凝固温度よりも低い過冷却温度に保持されている下
方の冷却部７において、モータ９により回転するスクリ
ュー１１で攪拌されながら冷却され、ミクロンオーダー
の直径をもつ微小粒氷結晶１０が迅速かつ高能率に析出
される。また、前記スクリュー１１はその外周面におい
て冷却部７の表面に付着した氷結晶を掻き取って微小粒
氷結晶１０を生じさせる。このために、残りの水溶液は
溶質を含んで濃度の高い濃縮液１５となり、上方から導
入された原液である水溶液１２との間に濃度勾配が形成
され、この濃縮液１５は下方の濃縮液排出口１４から容
器２４に排出される。

【００１６】一方、前記の微小粒氷結晶１０は前記スク
リュー１１によって巻き上げられると共に、原液１２に
浮上する。さらに、供給路４に設けられた回転羽根ポン
プ８を駆動して、微小粒氷結晶１０とこの微小粒氷結晶
１０に付着した水溶液１２を含む氷スラリー５を板氷形
成器３の上方へ供給する。なお、微小粒氷結晶１０の容
積率が６０％であると仮定すると、少なくとも６０％は
純粋な水であり、残余が水溶液（原液）である。氷スラ
リー５を前記氷板形成器３に供給し、被濃縮溶液の凝固
点よりも低く過冷却温度に保持された冷却板１７の表面
を降下させる。すると、前記冷却板１７には氷スラリー
５に含まれる水溶液が氷結晶１０として析出して板氷２
５が形成される。この板氷２５は次第にその厚みが増し
ていく。そして、板氷２５はジャケット１６内を流れる
ブライン（冷媒液）の過冷却度を伝えないようになって
いる。その結果、冷媒と水溶液との温度差が小さくな
り、板氷２５が多量に溶質を含むようなことはなく、そ
のために氷の清澄度は損なわれない。

【００１７】なお、凝固点は氷の直径の大きさに比例
し、直径が大きければ純粋の水の凝固点である０℃に近
づくのであるから、前記板氷２５の凝固点は０℃である
と言える。また、逆にミクロンオーダーの直径を有する
微小粒氷結晶１０の凝固点は前記板氷２５の凝固点に比
し低い（例えば−１℃）。そして、氷の粒径が小であれ
ばあるほど板氷２５に付着する速度が増す。さらに、微
小粒氷結晶１０が板氷形成器３に導かれると、微小粒氷
結晶１０は凝固点が低いから潜熱を吐き出して融解し、
板氷２５の表面に付着する。融解したときの潜熱は新た
な製氷に向けられるから、板氷２５の生産性が向上す
る。また、板氷２５が成長して次第に厚みを増してきた
ら、凍結濃縮装置１の運転を停止して板氷２５を溶か
し、板氷形成器３の底部１８を開いて清澄な液を得る。
この場合、板氷２５の融解潜熱を他の冷却システムに用
いてもよい。また、氷スラリー５の一部は融解して冷却
板１７に付着することなく板氷２５の表面を流れてこの
板氷２５を洗浄して一部は希液２３となり、板氷形成器
３の底部１８に滞留する。この希液２３は回転羽根ポン
プ２２によって開口部１９から粒氷形成器２の上方の開
口部２０へ希液帰還路２１を経て前記粒氷形成器２に流
入し、再び冷却部７において微小粒氷１０を析出する。

【００１８】上記のことから、ミクロンオーダーの微小
粒氷結晶１０が板氷２５に比して凝固点が低いこと、及
びジャケット１６の過冷却度が板氷２５により断熱され
て板氷形成器３の内部に伝わらないから、冷媒と水溶液
の温度差を小さく保つことができ、板氷２５の析出が容
易となる。その結果、清澄な氷の析出が容易である。し
かも、微小粒氷結晶１０が板氷形成器３において融解す
る際の融解潜熱が新たな氷の形成に向けられることにな
り、生産性の高い凍結濃縮が実現する。

【００１９】（第２の実施の形態）図２に基づき第２の
実施形態を説明する。図１と同様に図面の左側には粒氷
形成器２が長手方向に立設されており、右側には板氷形
成器３が長手方向に立設されている。また、粒氷形成器
２の上部と板氷形成器３の下部には供給路４が設けられ
ており、さらに回転羽根ポンプ８が介装されている。ま
た、板氷成型器３には上方から水溶液供給口１３を介し
て水溶液である原液１２を導入するようになっている。
前記粒氷形成器２と板氷形成器３の内部構造は、前述の
第１の実施の形態で用いられたものと同一構造を有する
ので、均等個所には同一符号を付して説明を省略する。
本実施の形態の凍結濃縮装置１によれば、原液１２とし
て前述の第１の実施の形態で用いられた水溶液よりも溶
質の濃度の薄いもの、例えばコーヒー、茶などの液１２
を板氷形成器３の上方から導入し、ジャケット１６の冷
却板１７の表面を降下させる。このジャケット１６内は
冷却された冷媒液もしくはブライン等によって原液１２
の凝固点よりも−１℃程度低く冷却されて過冷却状態に
なっている。冷却板１７上に氷結晶が析出し、６０％程
度に濃縮された水溶液１２ａが得られて底部１８に滞留
する。

【００２０】回転羽根ポンプ８を駆動して、前記のよう
に濃縮された水溶液１２ａを供給路４を経て粒氷形成器
２の上方に供給する。粒氷形成器２の冷却部７はジャケ
ット６内を循環する冷媒によって過冷却状態になってい
るから濃縮された原液１２ａはスクリュー１１によって
攪拌されながら冷却されて直径がミクロンオーダーの微
小粒氷結晶１０が析出し、濃縮液１５を分離する。ま
た、冷却部７にも氷粒が付着するが、この氷粒はスクリ
ュー１１の外周により掻き取られて上方に巻き上げられ
る。そして、水溶液１２ａには濃度勾配が形成される。
そして濃縮された原液１２ａに浮上し、粒氷排出口２６
を経て容器２７に排出する。原液である水溶液１２は前
記第１の実施の形態に比して低濃度であるから、微小粒
氷結晶１０には濃縮された原液１２ａが付着しても濃縮
効率を大きく低下することはない。一方濃縮液１５は比
重が大きいため下方の濃縮液排出口１４から容器２４に
排出する。このため、低濃度の原液から高濃縮液を形成
することができる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の凍結濃縮
方法及び凍結濃縮装置によれば、生産性は大きいが比表
面積の大きなミクロンオーダーの粒氷の析出と、生産性
は良くないが比表面積の小さな板氷の析出とを、それぞ
れ別工程で行うようにしたから、析出された氷には溶質
の含有量が少なくなり、溶質の回収率及び水溶液の清澄
度を向上させることができる。したがって、廃液処理に
適用すると、清浄な氷の溶融水は河川や海への投棄が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態にかかる凍結濃縮装置
のシステムの説明図である。

【図２】本発明の第２の実施形態にかかる凍結濃縮装置
のシステムの説明図である。

【符号の説明】

１ 凍結濃縮装置 ２ 粒氷形成器 ３ 板氷形成器 ４ 供給路 ７ 冷却部 １０ 微小粒氷結晶 １１ スクリュー（水溶液攪拌手段、氷掻き取り手段） １２ 水溶液（原液） １３ 原液入口 １４ 濃縮液排出口 １５ 濃縮液 １７ 冷却板 ２５ 板氷 ２６ 粒氷排出口

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長手方向に立設された粒氷形成器の上方
   から被濃縮水溶液を導入して冷却部で微小粒氷結晶を析
   出させ、微小粒氷結晶から分離される濃縮液を下方から
   排出し、さらに長手方向に立設された板氷形成器に、前
   記微小粒氷結晶とこの微小粒氷結晶に付着した水溶液と
   を含む氷スラリーを供給し、次いで前記板氷形成器の上
   方から冷却板上に前記氷スラリーを降下させて前記冷却
   板上に板氷を生成させるとともに、前記微小粒氷結晶を
   前記板氷に付着させ、水溶液から氷結晶を分離すること
   を特徴とする凍結濃縮方法。
2. 【請求項２】 長手方向に立設された板氷形成器の上方
   から被濃縮水溶液を導入し、冷却板上に前記水溶液を降
   下させて板氷を析出させて濃縮された水溶液を得るとと
   もに、この濃縮された水溶液を長手方向に立設された粒
   氷形成器に供給し冷却部で微小粒氷結晶を析出させ、分
   離された濃縮液を下方から排出し、かつ微小粒氷結晶を
   前記濃縮された水溶液に浮上させて上方から回収するこ
   とにより、水溶液から氷結晶を分離することを特徴とす
   る凍結濃縮方法。
3. 【請求項３】 長手方向に立設された粒氷形成器と、同
   じく長手方向に立設された板氷形成器と、両氷形成装置
   を結ぶとともに水溶液または氷スラリーを他方の氷形成
   器に供給する供給路とを有し、前記粒氷形成器の冷却部
   には水溶液攪拌手段または氷掻き取り手段を設け、さら
   に前記板氷形成器には板氷を析出する冷却板を設け、か
   つ両氷形成器のいずれか一に水溶液の供給口と、濃縮液
   の排出口と、氷結晶の排出口とを設けたことを特徴とす
   る凍結濃縮装置。