(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビール醗酵時に発生する二酸化炭素の液化装置において、
二酸化炭素の時系列的発生量の変化に対応してスイング状吐出圧力を高段側の二酸化炭素圧縮機の吸入圧力として出力するブースタ用スクリューコンプレッサを低段側に設けた、ことを特徴とする二酸化炭素液化装置。
【請求項２】
前記ブースタ用スクリューコンプレツサは水インジェクション冷却方式を持つ構成とした、ことを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素液化装置。
【請求項３】
前記二酸化炭素の時系列的発生量の変化の検出はガスバルーン内の圧力変化により構成した、ことを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素液化装置。
【請求項４】
ビール醗酵時に発生する二酸化炭素液化装置において、
二酸化炭素の時系列的発生量の変化に対応してスイング状吐出圧力を出力するブースタ用スクリューコンプレッサを低段側に設け、該コンプレツサのスイング状吐出圧により容量制御を可能とした高段側二酸化炭素圧縮機の前段側と後段側の間にメンブランフィルタを設け、略９９．９７％、７Ｋｇ／ｃｍ２  の二酸化炭素を得るようにした、ことを特徴とする二酸化炭素液化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、従来の二酸化炭素圧縮機よりなる液化装置を使用して、ビール醗酵時に時系列的に変動しながら発生する二酸化炭素を回収して、エネルギーの有効利用を可能にした、二酸化炭素液化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビール製造時においては、図３に示すように、麦汁冷却器１００で冷却された麦汁に酵母室１０１より酵母を添加することにより始まる主醗酵工程１０２では、醗酵タンク群１０３より略９９．５％濃度の二酸化炭素１１１を発生する。
即ち、麦汁に混入した酵母は、麦芽糖を体内酵素マルターゼによりブドウ糖に変換し、更にそれを種々の酵素群によりエチルアルコールと二酸化炭素とに分解する。
上記、二酸化炭素を発生する主醗酵工程１０２は、酵母を生体細胞とする反応装置系で８〜１２日間の反応期間を必要とし、二酸化炭素発生状態も時系列的に一定なものでなく、また、醗酵タンク群１０３のタンク数を増やし分散し醗酵開始時期をずらしても、土日の休業日が入るため、上限と下限とを挟んで周期的に二酸化炭素発生量は変動する。
【０００３】
一方、上記主醗酵工程１０２と貯酒タンク群１０４における後醗酵工程１０５とを経由して、熟成を終えたビールは、蛋白質を凝固させるビール冷却工程１０６と、凝固した蛋白質を濾過するビール濾過工程１０７を経て、温調（冷却）濾過留めタンク１０８を経て、壜詰め、缶詰め、樽詰めの包装工程１０９に移行するわけであるが、その最終過程において、
１）上記濾過留めタンク１０８より壜詰め、缶詰め、樽詰めの包装工程迄の配管に設けたビールの仕切りの際、該仕切り部に発生する微生物によるビールの汚染防止のため、二酸化炭素水によるビールの封止遮断が必要である。
２）上記、壜詰め、缶詰め、樽詰めの場合のビールの搬送、及び樽詰め状態よりジョッキに注ぐ際のビール搬送に、ビール泡立ち防止のため二酸化炭素による圧送ないし圧入システムを必要とする。
３）上記、壜詰め、缶詰め、樽詰めの際、ビール充填後に二酸化炭素を介して封印して、空気を完全遮断して酸化を防止する。
等のプロセス用二酸化炭素を必要としている。
なお、上記プロセス用二酸化炭素は略５Ｋｇ／ｃｍ２  、濃度９９．９７％の高純度二酸化炭素を使用する。
【０００４】
上記プロセス用二酸化炭素以外に、二酸化炭素は炭酸飲料ディスペンサ用、食添用に使用され、液化二酸化炭素は冷却剤としての用途を持っている。
また、二酸化炭素が下記特性を持つため、食品工業、医薬品、化学工業分野における有用成分の分離取出しに、液化二酸化炭素を溶媒として使用する液化二酸化炭素抽出、過冷却液化二酸化炭素を昇圧、圧送、臨界温度前後への加温等の操作により得られた超臨界二酸化炭素を使用した超臨界炭酸ガス抽出が多用される傾向にある。
ａ、毒性の心配がなく、食品添加物として使用制限がない
ｂ、酸化防止作用及び静菌作用がある
ｃ、高純度の割に安価である
ｄ、不活性であるため、引火性、化学反応性がなく安全である
ｅ、比較的低温、低圧の臨界点（Ｔｃ＝３１℃、Ｐｃ＝７．３ＭＰａ）を持つ
ｆ、超臨界二酸化炭素抽出の場合は選択抽出ができる
【０００５】
ところで、ビール醗酵工程１０２に発生する二酸化炭素１１１は図３に見るように、二酸化炭素液化装置１１０により液化している。ところが二酸化炭素１１１の発生量が時系列的に変動するためと、二酸化炭素圧縮機がオイルフリーの容量制御不可能の一定回転、一定容量のレシプロ圧縮機で構成されているため、従来はこの変動を吸収するためバッファータンクを設けたり、特開平８−２９０９０９号公報に開示されているように、戻しバイパスや大気ブローを行っていた。
【０００６】
上記、バッファータンクは、水を入れたタンクと昇降自在の帽状蓋体とよりなり、流入ガス量が多いときは前記蓋体がガス圧により上昇し、ガスの流入量が小さいときは前記蓋体が自重により下降して、二酸化炭素圧縮機への二酸化炭素供給量が一定に供給できるように調整したものである。
しかし、この装置は大型のもので、例えば運転重量が３０トンで、ガス容量が２０ｍ３  のものでは直径３．２ｍ、高さが略８ｍに達する大きな設備を必要とし、大きな設備空間ばかりでなく、大なる設備コストを必要としていた。
【０００７】
上記特開平８−２９０９０９号公報に開示されている提案は、上記大型設備であるバッファータンクを不用とする省設置スペース、省コストを図るべくなされたもので、図４に示すように、二酸化炭素発生タンク１１１ａ、１１１ｂからの二酸化炭素が送気管１１５を介して洗浄塔１１２に送られ、洗浄塔１１２から二酸化炭素が吸入管１１６によって圧縮機１１３に吸入され、該圧縮機からの圧縮二酸化炭素が吐出管１１７にて凝縮器１１４に供給される構成とした二酸化炭素液化装置において、
洗浄塔１１２や送気管１１５に設けた上限圧力調整器１１８ａからの指令信号により送気管１１５より送気中の二酸化炭素の一部を大気に放出させる圧力調整弁１１８ｂを設け、
また、圧縮機の１１３の吐出管１１７から分岐して洗浄塔１１２へ接続した戻し管１１０を設け、この戻し管に、洗浄塔１１２や送気管あるいは吸入管１１６に設けた下限圧力調整器１１９ａよりの指令信号により圧縮機１１３からの吐出圧縮二酸化炭素の一部を洗浄塔１１２や吸入管１１６に戻す圧力調整弁１１９ｂを設ける構成としたものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
即ち、上記提案においては、ビール製造の際、発生する二酸化炭素の全量を補足することは困難で、基準処理量を超過する二酸化炭素発生時期にはその一部を大気中に放出させ、基準量を割る発生時期にはバイパスを介してフィードバックさせ、二酸化炭素圧縮機への二酸化炭素吸入量を所定量に維持するようにしたもので、全量回収の点では未解決である。
【０００９】
一方、二酸化炭素は地球温暖化の一要因にも考えられていることからも、徒に大気中に放出して環境汚染をすることは許されない状況にあり、また、上記したように回収した二酸化炭素や液化二酸化炭素は当該プロセスにおいても必要とされ且つプロセス外においても二酸化炭素の無毒、酸化防止作用及び静菌作用、不活性等の特性から特に食品加工面からも、二酸化炭素の全量回収が強く要求されている。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、洗浄塔及び二酸化炭素圧縮機及び液化装置等を含む従来の二酸化炭素液化設備の有効利用を図るべく、第１の発明と第２の発明とよりなる二酸化炭素液化装置を提供するもので、
第１の発明では、従来の設備では解決困難であった時系列的に変動する二酸化炭素の発生量に対応して容量制御可能の二酸化炭素圧縮手段を構成した二酸化炭素第１液化装置を提供し、
第２の発明では、上記第１の発明により容量制御可能とした二酸化炭素の圧縮過程に、二酸化炭素の一部を当該プロセスが要求する高純度、高濃度の二酸化炭素に分離する高純度、高濃度二酸化炭素分離手段を設け、残余の二酸化炭素を圧縮液化工程へ送り込み圧縮及び冷却動力費のコスト削減を図る構成とした、二酸化炭素第２液化装置の提供を目的としたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そのために、上記容量制御可能の二酸化炭素圧縮手段は、従来の二酸化炭素圧縮機の前段に容量制御可能の低段昇圧用のスクリューコンプレッサを設ける構成とし、
また、プロセス用高純度、高濃度二酸化炭素分離手段は、圧縮過程における二酸化炭素の一部を膜濾過による分子選択分離機能を介して供給可能の構成としたものである。
【００１２】
即ち、本発明の二酸化炭素第１液化装置は、
ビール醗酵時に発生する二酸化炭素の液化装置において、
二酸化炭素の時系列的発生量の変化に対応してスイング状吐出圧力を高段側の二酸化炭素圧縮機の吸入圧力として出力するブースタ用スクリューコンプレッサを低段側に設けた、ことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項１記載のスクリューコンプレッサは水インジェクション冷却方式を持つ構成とした、ことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項１記載の二酸化炭素の時系列的発生量の変化の検出は、ガスバルーン内の圧力変化により構成した、ことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の二酸化炭素第２液化装置は、
ビール醗酵時に発生する二酸化炭素液化装置において、
二酸化炭素の時系列的発生量の変化に対応してスイング状吐出圧力を出力するブースタ用スクリューコンプレッサを低段側に設け、該コンプレッサのスイング状吐出圧により容量制御を可能とした高段側二酸化炭素圧縮機の前段側と後段側の間にメンブランフィルタを設け、略９９．９７％、７Ｋｇ／ｃｍ２  の二酸化炭素を得るようにした、ことを特徴とする。
【００１６】
【作用】
従って本発明の二酸化炭素第１液化装置によれば、二酸化炭素圧縮機用レシプロ圧縮機はオイルフリーの一定回転数で容量制御不能の構造となっているが、これを解決するために低段側にブースタ用の容量制御可能のスクリューコンプレッサを使用して前記容量制御可能の二酸化炭素圧縮手段を構成した。
【００１７】
即ち、スクリューコンプレッサの容量制御用のスライドバルブの作動により、醗酵タンクより発生する二酸化炭素の発生量が時系列的に変動しても、例えば発生量変化を圧力センサで検出して、該検出値により前記スライドバルブを作動させるようにすれば、前記変動する二酸化炭素の発生量に対応してスクリューコンプレッサの吐出側に上下にスイングする圧縮二酸化炭素を出力させることができる。
該出力を定速運転するレシプロ二酸化炭素圧縮機の吸入側に入力させれば、該二酸化炭素圧縮機の出力も吸入圧に対応した容量制御が可能となる。斯くして、従来不可能であった時系列的変動する二酸化炭素に対応所用の多段圧縮を可能とし、発生量が変動する二酸化炭素の液化も可能となる。
【００１８】
また、請求項２記載の発明により、請求項１記載のスクリューコンプレツサは、圧縮部に水ないし二酸化炭素水のインジェクションによる冷却をなし、圧縮二酸化炭素の冷却とオイルフリーの圧縮を可能とし、二酸化炭素中への油や不純物の混入を防止するようにしたものである。
【００１９】
また、請求項３記載の発明により、請求項１記載の二酸化炭素の時系列的発生量の変化は、ガスバルーン内に発生ガスを分岐充填し、内部圧力の変動を圧力センサ等により検出するようにしたものである。
【００２０】
また、請求項４記載の本発明の二酸化炭素第２液化装置により、高段側前段の圧縮を終了した中圧二酸化炭素（略７Ｋｇ／ｃｍ２  ）を高純度、高濃度二酸化炭素分離手段を形成する膜構造の膜濾過器を濾過させ、高純度、高濃度の二酸化炭素を選別分離し、略６０〜７０％の圧縮二酸化炭素をプロセス処理に流送可能にしたもので、
一方、残部の低濃度の中圧二酸化炭素は更に多段圧縮して１６〜２０Ｋｇ／ｃｍ２  の高圧二酸化炭素を得て、液化冷却を経て高純度の液化二酸化炭素を得るようにしたもので、圧縮動力費及び冷却動力費の大幅削減を図ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、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過ぎない。
図１は、本発明の二酸化炭素第１液化装置の工程図で、図２は本発明の二酸化炭素第２液化装置の工程図である。
【００２２】
図１に示すように、二酸化炭素第１液化装置は、従来の洗浄塔、二酸化炭素圧縮機、液化装置等はそのまま使用する構成とし、前記圧縮機の低段側に容量制御可能のブースタ用スクリューコンプレッサを設けたもので、ガス供給部１１と、ブースタ用コンプレッサ部１２と、二酸化炭素圧縮部１３と、脱湿精製部１４と、液化部１５と、貯蔵タンク群１６（１６ａ、１６ｂ）と、気化部１７とガスタンク１７ａとを含む構成とする。
【００２３】
上記、ガス供給部１１は、醗酵タンクより発生する二酸化炭素の泡抜き取り部１１ｂと二酸化炭素発生量検出用ガスバルーン１１ａとよりなり、ガスバルーン１１ａは発生二酸化炭素の一部を導入して導入ガス圧をにより二酸化炭素の発生量の変化を検出できる構成にしてある。
ブースタ用コンプレッサ部１２は、水洗浄塔１２ｂと低段側圧縮部を形成するスクリューコンプレッサ１２ａとより構成し、容量制御用スライドバルブのアクチュエータは前記ガスバルーン１１ａ内のガス圧により作動して吸入量を調整し、略２Ｋｇ／ｃｍ２  のスイング状吐出圧力を出力できるようにしてある。
また、圧力室には水インジェクション冷却方式を持つ構成とし、圧縮中の二酸化炭素の冷却と無給油運転を可能にし、圧縮中の二酸化炭素に油分の混入を皆無とする構成にしてある。
【００２４】
二酸化炭素圧縮部１３は、洗浄塔１３ｃと高段側圧縮部を形成するオイルフリーレシプロ圧縮機１３ａ、１３ｂとより構成し、低段側のブースタ用スクリューコンプレッサ部１２よりの容量可変制御されスイング状吐出圧力を持つ低圧二酸化炭素の供給を受け、吸入圧力は容量可変に変動し、１６〜２０Ｋｇ／ｃｍ２  の高圧二酸化炭素を得るようにし、沸点の低い二酸化炭素の凝縮を可能にしてある。
【００２５】
脱湿精製部１４は、脱湿器１４ａと精製器１４ｂとより構成し、精製器１４ｂは活性炭素により油分や硫黄分を除去するようにしてある。
油分及び硫黄分等の不純物を除去した高圧二酸化炭素は液化部１５で液化され、液化部１５の凝縮器１５ａより、液化二酸化炭素１５ｂは貯蔵タンク群１６へ流送され、ついで気化部１７で気化されガスタンク１７ａを経由取出し可能の構成にしてある。
【００２６】
図２には、本発明の二酸化炭素第２液化装置の工程図が示してあるが、図に見るように、図１に示す二酸化炭素第１液化装置の高段側二酸化炭素圧縮部の前段と後段のレシプロ圧縮機の中間に高純度、高濃度二酸化炭素分離手段を介在させ、且つ、高段側圧縮機の低段側には図１と同様に容量制御可能のブースタ用スクリューコンプレッサを設けたもので、
ガス供給部１１と、ブースタ用コンプレッサ部１２と、二酸化炭素圧縮部２３と、脱湿精製部１４と、液化部１５と、脱湿精製部２４と、貯蔵タンク群１６と、気化部１７とガスタンク１７ａとを含む構成とする。
【００２７】
上記構成のなかで、ガス供給部１１と、ブースタ用コンプレッサ部１２と、脱湿精製部１４、２４と、液化部１５と、貯蔵タンク群１６と、気化部１７とガスタンク１７ａの各部の構成は、前記二酸化炭素第１液化装置と同一構成であるので説明を省略する。
【００２８】
二酸化炭素圧縮部２３は、低段側のブースタ用スクリューコンプレッサ部１２よりの容量可変制御したスイング状吐出圧力を持つ低圧二酸化炭素を吸入して容量可変に二酸化炭素を圧縮する高段側圧縮部を形成するオイルフリーの前段レシプロ圧縮機２３ａと、後段レシプロ圧縮機２３ｂと、洗浄塔２３ｃと、膜濾過構造のメンブランフィルタ２０とより構成する。
上記メンブランフィルタ２０は、膜濾過構造で前段レシプロ圧縮機２３ａにより、高段側前段の圧縮を終了した中圧二酸化炭素（略７Ｋｇ／ｃｍ２  ）を濾過させ、濾過の過程で高純度、高濃度の二酸化炭素を選別分離し、略６０〜７０％をプロセス処理に向け流送させるようにして高純度、高濃度二酸化炭素分離手段を形成し、残部の低濃度の中圧二酸化炭素は後段レシプロ圧縮機２３ｂを介して多段圧縮して１６〜２０Ｋｇ／ｃｍ２  の高圧二酸化炭素を得るようにしてある。
上記構成により後段レシプロ圧縮機２３ｂの圧縮動力費及び液化部１５の冷却動力費の大幅削減を図ることができる。
【００２９】
なお、前記メンブランフィルタ２０により濾過された高純度、高濃度の略７Ｋｇ／ｃｍ２  の中圧二酸化炭素は、脱湿精製部２４へ流送され脱湿器２４ａ，精製機２４ｂを介して脱湿と油及び硫黄分等の不純物除去を行い、プロセス処理用二酸化炭素としてプロセス２５へ流送するようにしてある。
プロセス２５においては、前述したように、濾過留めタンクより壜詰め、缶詰め、樽詰めの包装工程における二酸化炭素水によるビールの封止遮断、及び壜詰め、缶詰め、樽詰めの場合のビールを搬送に使用する二酸化炭素による押圧搬送、及び壜詰め、缶詰め、樽詰め時におけるビールを充填後二酸化炭素による封印等に使用される。
【００３０】
なお、液化部２５において高圧二酸化炭素の一部は洗浄塔１８を介して不純二酸化炭素をパージするようにし、パージした二酸化炭素で炭酸水を作り前段の洗浄塔に使用する。
【００３１】
使用に際しての各部の作動状況を図２に示す二酸化炭素第２液化装置により説明する。
醗酵タンク１０より時系列的に変動しながら発生する二酸化炭素は、洗浄塔１２ｂを経て低段側ブースタ用スクリューコンプレッサ１２ａに供給されるが、該コンプレッサに１２ａにおいては吸入二酸化炭素をガスバルーン１１ａにおいて検出した供給ガス圧に対応して容量制御される。
ついで、スクリューコンプレッサ１２ａにより略２Ｋｇ／ｃｍ２  に昇圧され且つスイング状吐出圧力を持つ低圧二酸化炭素は、高段側の二酸化炭素圧縮機２３に吸入され容量可変に多段圧縮され、略１６〜２０Ｋｇ／ｃｍ２  の高圧二酸化炭素が得られ、液化部１５へ脱湿精製部１４を介して供給される。
【００３２】
液化部１５に供給された高圧高純度の二酸化炭素は液化され、液化二酸化炭素１５ｂは、貯蔵タンク１６に貯蔵されたのち、必要に応じて気化部１７を介してガス化してガスタンク１７ａを経てプロセス２５へ供給される。
なお、上記、貯蔵タンク１６に貯蔵された液化二酸化炭素は、ビール醗酵時に発生する時系列的発生量とプロセスにおける二酸化炭素の時系列的消費量の不一致のカバーに使用される。
【００３３】
一方前記高段側の前段レシプロ圧縮機２３ａを経由して前段の圧縮を終了した中圧二酸化炭素（略７Ｋｇ／ｃｍ２  ）は、前記前段レシプロ圧縮機２３ａ、後段レシプロ２３ｂとの間に介在させたメンブランフィルタ２０により濾過され、その６０〜７０％は濾過の過程で高純度、高濃度の二酸化炭素に選別分離され、脱湿精製部２４を経由プロセス２５へ供給される。
残部の低濃度の中圧二酸化炭素は前記したように後段レシプロ圧縮機２３ｂを介して多段圧縮して１６〜２０Ｋｇ／ｃｍ２  の高圧二酸化炭素を得るようにしてある。
【００３４】
斯くして時系列的変動を伴う二酸化炭素の発生量の変化に対応して、完全回収をなし容量可変の圧縮を可能にして、その一部は高純度の二酸化炭素として圧縮系より分岐させプロセスガスとして利用するとともに、残部は多段圧縮の上高圧二酸化炭素となし液化二酸化炭素として貯蔵しプロセス用二酸化炭素が不足する時使用し作業に支障をきたさないようにしてある。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の上記構成により、
従来の二酸化炭素液化設備の有効利用を図るとともに、従来の設備では解決困難であった時系列的に変動する二酸化炭素の発生量に対応して容量制御可能にその全量を圧縮液化し、併せてその一部を圧縮過程の中段に当該プロセスが要求する高純度、高濃度の二酸化炭素に分離し、残余の二酸化炭素を圧縮液化工程へ送り込み圧縮及び冷却動力費のコスト削減を図ることができ、従来設備を生かしたなかで、効率的エネルギーの有効利用を図ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二酸化炭素第１液化装置の工程図である。
【図２】本発明の二酸化炭素第２液化装置の工程図である。
【図３】ビール製造工程を示す図である。
【図４】従来の二酸化炭素液化装置を示す図である。
【符号の説明】
１０                      醗酵タンク
１１                      ガス供給部
１１ａ                    ガスバルーン
１２                      ブースタ用コンプレッサ部
１２ａ                    スクリューコンプレッサ
１２ｂ、１８、２３ｃ      洗浄塔
１３、２３                二酸化炭素圧縮部
１３ａ、１３ｂ            レシプロ圧縮機
２３ａ                    前段レシプロ圧縮機
２３ｂ                    後段レシプロ圧縮機
１４、２４                脱湿精製部
１４ａ、２４ａ            脱湿器
１４ｂ、２４ｂ            精製器
１５                      液化部
１６                      貯蔵タンク群
１７                      気化部
１７ａ                    ガスタンク
２０                      メンブランフィルタ
２５                      プロセス
【図１】
0003568090.tif 000002
【図２】
0003568090.tif 000003
【図３】
0003568090.tif 000004
【図４】
0003568090.tif 000005