(57)【要約】  植物由来製品またはプロセス中間体またはプロセス供給物を調製するための方法であって、この方法は、植物由来出発材料を提供するステップと、植物材料濃縮液を製造するために、吸引溶液に対して出発材料を正浸透ステップに供するステップと、吸引溶液を水除去ステップに供するステップとを含む。水の除去ステップは、エバポレータシステムと組み合わせた正浸透をさらに含み得る。【選択図】図２
2021514298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物由来製品またはプロセス中間体またはプロセス供給物を調製するための方法であって、
植物由来出発材料を提供するステップと、
植物材料濃縮液を製造するために、前記出発材料を吸引溶液に対して正浸透ステップに供するステップと、
前記吸引溶液を水除去ステップに供するステップと、を含む、方法。
【請求項２】
前記水除去ステップが、水に富む留分及び水の少ない留分を提供するように構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記正浸透ステップの前記吸引溶液、または前記正浸透ステップの前記吸引溶液の成分として前記水の少ない留分を利用するステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記正浸透ステップは、前記水除去ステップと同時に実行され、前記水の少ない留分は、前記正浸透ステップの前記吸引溶液に誘導される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記正浸透ステップの前記吸引溶液を前記水除去ステップに連続的または半連続的に誘導するステップと、前記水除去ステップの前記水の少ない留分を循環配置での前記正浸透ステップの前記吸引溶液に連続的または半連続的に誘導するステップとを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記循環配置が実質的に閉鎖している、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記水除去ステップが、逆浸透ステップ、またはナノ濾過ステップ、または限外濾過ステップ、または凝縮ステップ、または膜蒸留ステップ、または蒸発ステップである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記正浸透ステップの前記植物材料濃縮液を収集するステップと、任意により前記濃縮液を１つ以上のさらなる加工ステップに供するステップとを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記正浸透ステップの前記収集された植物材料濃縮液は、さらに加工されて肥料製品を形成するようになる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
さらなる加工のステップが、乾燥、粉砕、ペレット化、植物学的に許容される賦形剤との混合、及び機能的微生物種との混合のうちの１つ以上を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記正浸透ステップの前記収集された植物材料濃縮液は、さらに加工されて動物性食品製品を形成するようになる、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
さらなる加工のステップが、乾燥、粉砕、ペレット化、及び栄養的に許容される賦形剤との混合のうちの１つ以上を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記水除去ステップの前記水に富む留分を収集するステップと、任意により前記濃縮液を１つ以上のさらなる加工ステップに供するステップとを含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記水除去ステップの前記収集された水に富む留分は、前記方法または第２の方法でプロセス水として利用される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記水除去ステップの前記収集された水に富む留分は、さらに加工されて飲料製品を形成するようになる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
さらなる加工のステップが、溶質除去ステップ、微生物除去ステップ、殺菌ステップ、補足剤との混合、及び瓶詰めのうちの１つ以上を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
植物由来製品またはプロセス中間体またはプロセス供給物を調製するためのシステムであって、吸引溶液保持部分を備える正浸透装置と、水の少ない留分を含む部分を含む水除去装置とを備え、前記吸引溶液保持部分は、前記水の少ない留分を含む部分と流体連通している、システム。
【請求項１８】
（ｉ）前記正浸透装置の前記吸引溶液保持部分の吸引溶液は、前記水除去装置の前記水の少ない留分保持部分に誘導され、（ｉｉ）前記水除去装置の水の少ない留分保持部分は、前記正浸透装置の前記吸引溶液保持部分に誘導されるように構成されている、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
ジュースまたはスペントウォッシュを濃縮するための方法であって、（ａ）濃縮用のジュースを提供するステップと；（ｂ）前記ジュースを正浸透ステップに供して、前記ジュースから水を除去し、濃縮ジュースを提供するステップと；（ｄ）前記濃縮ジュースを蒸発プロセスに供して、さらに多くの水を除去するステップと、を含む、方法。
【請求項２０】
前記蒸発プロセスが、直列の単一または複数のエバポレータを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
濃縮ジュースを製造するためのシステムであって、濃縮ジュースを製造するために前記ジュースからある割合の水を除去する正浸透装置と；前記濃縮ジュースを受け取り、前記濃縮ジュースからさらに多くの水を除去するように適合された少なくとも１つの蒸発装置と、を備える、システム。
【請求項２２】
前記ジュースがサトウキビジュースまたはテンサイジュースまたは蒸留スペントウォッシュである、請求項２１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、植物材料、特に果物、サトウキビ及び野菜材料に由来する製品の工業レベルでの製造に関する。システム及び方法を使用して、飲料及び肥料などの最終製品、またはプロセス水などのプロセス供給物を製造し得る。特に、本発明は、溶解した固体を含有する液体溶液を濃縮して非常に低い含水量にするためのプロセス及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
植物材料は、ほんの数例を挙げると、食品、飲料、アルコール、肥料、及び動物用飼料など、幅広い製品を製造するために産業規模で利用されている。こうした商品の製造において、望ましくない成分を除去するために、植物材料を広範囲の精製ステップのうちの１つ以上にさらすことが典型的である。さらに、濃縮ステップは、濃縮ジュースなどの他の有用な製品を製造するためにプロセス中間体から水を除去するために実行される場合がある。
【０００３】
溶解した固体を含む液体溶液を濃縮して非常に低い含水量にするプロセスは、伝統的にエバポレータの使用を伴う。電気、ガス、及び水のコストが上昇するため、この濃縮方法では、加工された液体溶液中で１０〜３０％の最終水濃度レベルを達成しているにもかかわらず、濃縮業界にとって法外なコストになっている。
【０００４】
一例として、植物材料は、発酵によるアルコールの製造に使用され得る。砂糖を含む植物由来の材料は、酵母と共にインキュベートされ、酵母は砂糖を代謝により変換させて、アルコールにする。発酵の一般的な用途は、糖蜜などの植物糖をアルコールの製造に利用する蒸留所によるものである。まず、糖蜜は水を加えて希釈し、溶解した総固形分を約７〜８％に調整し、その後酵母、窒素、及び他の発酵の開始に必要な栄養素を加える。この発酵の終わりに、グルコースがエチルアルコール及び二酸化炭素に変換されるとき、その溶液はビール溶液と呼ばれる。ＣＯ２は、その製造中に収集され、アルコールは蒸留塔を通して得られる。このプロセスを図で表したものが図１で確認できる。
【０００５】
この発酵プロセスからの蒸留ボトムまたはスペントウォッシュは、色が濃い茶色であり、酸性で、高ＢＯＤ値及びＣＯＤ値を有するという特徴のある複雑な有機廃液である。この溶液には、有機炭素、Ｋ、Ｃａ、Ｍｇ、及びＳが豊富であり、Ｎ、Ｐ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｃｕ及び微量の砂糖が含まれている。また、インドール酢酸及びジベレリン酸などの植物成長促進剤も含まれている。この溶液は毒性がなく、生分解性がなく、次の用途に使用できる。
１．従来の手段またはバイオメタン化のいずれかによる堆肥化。
２．石灰による中和後の蒸留スペントウォッシュの焼却によるカリ回収。
３．イネ、小麦、サトウキビ、落花生、Ｃ３及びＣ４植物などの作物の肥料土壌。制限は、適用中に灌漑用水で希釈することによって克服できる高いＢＯＤ及びＣＯＤである。肥料は湿式または乾式であり得る。
４．バイオガスの製造。
【０００６】
世界の４０００のアルコール蒸留所のほとんどは、揮発性発酵産物を蒸発させるために蒸溜器で沸騰するまで加熱されるエタノール酵母発酵のために、水中で最大２０％の濃度のデンプン及び砂糖の原料を使用する。加熱されるエタノールのほとんどが共沸エタノールであり、カラムセパレーターで凝縮され、残留物は、ほとんどが使用済みの酵母細胞及び細胞の一部、代謝産物、発酵副産物、ならびに非発酵性デンプン及び糖の原料残留物で構成される２〜１０％の無機及び有機の溶解及び懸濁固形物を含み得る高温の蒸留ボトム（ｈｏｔ  ｓｔｉｌｌ  ｂｏｔｔｏｍ）として排出される。窒素は、多くの場合、発酵前に培養酵母に添加され、典型的な酵母はほぼ９０％のタンパク質及び炭水化物で構成されている。
【０００７】
蒸留してアルコールを除去した後、この蒸留ボトムの留分は、多くの場合、水路に直接排出され、重い留分と軽い留分とにデカントされるか、または蒸発させて固形分を動物飼料として回収し、濾過して濃縮液から他の発酵副産物を回収するか、または嫌気性消化により生物学的に処理され、メタン燃料を回収する（図３）。
【０００８】
アルコール発酵の繁殖に使用するのに好適である蒸留ボトムから再利用水を製造するためのエバポレータの交換は、米国特許第５，２５０，１８２号でＢｅｎｔｏらによって教示されている。
【０００９】
Ｐｅｙｔｏｎらの欧州特許第１７４８８３５  Ｂ１号明細書「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ａ  ｂｅｖｅｒａｇｅ  ｆｒｏｍ  ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｔｉｌｌ  ｂｏｔｔｏｍｓ」では、ＵＦ（限外濾過）、ＮＦ（ナノ濾過）及びＲＯ（逆浸透）など、膜を使用した加圧膜濾過プロセスを使用して、使用済み蒸留ボトムから飲料水を回収し、純粋な透過液を製造することを教示している。
【００１０】
Ｐｅｙｔｏｎらは、蒸留ボトムを摂氏３５〜８０度の温度で加工することにより、飲料水の製造のために蒸留ボトムの低温殺菌を維持する必要性を強調している。ＲＯによる蒸留ボトムの脱水により、総固形分が２０％〜５０％の廃棄物が得られ、これは、その後のメタン発酵で燃料ガスを製造するのに好適であった。
【００１１】
熱エネルギーもＲＯ透過液から回収可能であり、熱交換器を使用して高温を摂氏２５度まで低下させた。このプロセスに使用されるＲＯ膜は、高温で新鮮な蒸留済みの蒸留ボトムを濾過するためのポリアミドである。
【００１２】
Ｐｅｙｔｏｎらは、蒸留ボトムの好ましい総固形分濃度は、水中で１０％ｗ／ｗ未満、より典型的には、１％〜７％、ＣＯＤ濃度は２０，０００〜８０，０００ｐｐｍであると教示している。この供給液体は、最初に限外濾過によって濾過される。限外濾過とは、０．１〜０．００５ミクロンのサイズの粒子または分子量カットオフが１０，０００ダルトンの分子を除去するプロセスである。これには、０．００５ミクロン及び０．００１ミクロンのサイズまたは７００ダルトンのカットオフサイズの粒子を除去するために、ＲＯの前に追加のＮＦ膜を含み得る。
【００１３】
蒸留ボトムのこれらの好ましい条件は、ＲＯまたはＮＦ膜の非常に急速な汚れを回避するために必要である。Ｐｅｙｔｏｎらが含める追加のステップは、遠心分離デカンタまたは粗液分離装置を必要とすることであり、特に、Ｐｅｙｔｏｎらのプロセスにより脱水するために、蒸留ボトムの重い蒸留廃液留分が現れる場合に必要とする。
【００１４】
蒸発により蒸留ボトムを濃縮することは、世界中の多くの蒸留所で水及び副産物を回収するために使用されている標準的方法である（図２）。簡潔に言えば、多重効用または他の型の工業用エバポレータでは、蒸留ボトムをデカンテーションまたは遠心分離によって前処理して、固形分の大部分を除去する必要がある。蒸発により製造される濃縮液は、全固形分が３０〜３５％で構成される。ジュースまたはスペントウォッシュ（アルコールが除去された発酵）の濃縮に使用される最も一般的なエバポレータは、一連の容器内で水が沸騰する多重効用エバポレータであり、それぞれが最後よりも低い圧力で保持される。このようなエバポレータは、単一のエバポレータよりもエネルギー効率が高いにもかかわらず、依然としてエネルギー（電力、蒸気、水など）の消費が大きく、直列の最大数７つの効用まで効率が制限される。効用の数に対するこうした制限は、商慣行において追加の効用を加えることの費用便益分析によるものである。
【００１５】
デカンテーションにより除去された固形物は、動物の飼料として使用され得る。濃縮された蒸留ボトムは、多くの場合、工業用乾燥機または従来の乾燥方法を使用してさらに乾燥され、土壌または農業用肥料を製造する（図２）。
【００１６】
蒸留ボトムから水を再生するプロセスでエバポレータを使用する場合の問題は、大部分の固形物を除去するためにデカンタまたは遠心分離機で前処理する必要があり、高い電力コスト及び機器のメンテナンスを必要とする点である（図３）。典型的なシナリオでは、多重効用エバポレータは９０ＫＷｈを消費して１２，０００Ｌを加工し、最終容量３０００Ｌに濃縮する。
【００１７】
図４から、使用するＦＯ膜の様々な種類によって、ＦＯ（正浸透）コストは変動し得るが、特定の膜及び条件が最適化されている場合には、この技術は、蒸発コストよりもはるかに安価であることが確認され得る。
【００１８】
植物原料は、フルーツジュース、フルーツジュース濃縮液、飲料水製品など、幅広い範囲の飲料及び中間体を製造する基礎としても使用される。果物、野菜、及びサトウキビジュースから飲料水を製造するためにサイズ排除濾過を使用することは、豪国特許出願公開第２０１０１０１４４５号明細書で「Ｒｅｃｏｖｅｒｉｎｇ  ｗａｔｅｒ」という名称でＫａｍｂｏｕｒｉｓによって教示されている。この従来技術では、蒸発濃縮プロセス中にジュースから除去された凝縮液を処理するための逆浸透（ＲＯ）またはナノ濾過（ＮＦ）のいずれかの圧力濾過を使用し、その後炭素研磨を行って、砂糖の残留物及び低分子量の芳香族分子を含まない、飲料用の保存可能な清浄水を製造した。
【００１９】
凝縮液は、セントリサーム、単効用または多重効用エバポレータなど、様々な型のエバポレータを使用して得ることができる。凝縮液は、すべての効用から、またはこれらの効用の組み合わせから、または多重効用エバポレータのうちの１つの効用から収集できる。
【００２０】
多重効用エバポレータの最初の効用または単効用エバポレータから回収された凝縮液は、ソースジュースで高度に汚染されていることが多く見られる。残りの効用及びその後の効用からの凝縮液は、有機物質が非常に少ない。
【００２１】
効用１からの凝縮液が、同じエバポレータの他のすべての残りの効用からの凝縮液と混合されると、凝縮液の有機的負荷が大幅に増加する。このことは、Ｋａｍｂｏｕｒｉｓが凝縮液を濾過して飲料水を製造するために使用するＲＯ膜の寿命に影響を与える。
【００２２】
エバポレータにより得られた凝縮液は、リアルタイムで処理した場合は、高温である。ＦＯを使用して、ＲＯまたはＮＦにより再生する前に、吸引液体の熱を除去することにより、飲料水をリアルタイムで製造できる。このプロセスでは、特別な耐熱性ＲＯ膜は、不要ではあるが、必要に応じて、または優先的に使用され得る。
【００２３】
あらゆるエバポレータにおいて効用の数を増加させる以外の選択肢によって、エバポレータの使用におけるさらなる効率化を達成できることも提唱されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】欧州特許第１７４８８３５号明細書
【特許文献２】豪国特許出願公開第２０１０１０１４４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
従来技術の問題を克服または改善することは、本発明の一態様である。従来技術の有用な代替物を提供することは、さらなる態様である。
【００２６】
文書、行為、材料、デバイス、物品などを論じることは、本発明の文脈を提供する目的のためのみに本明細書に含まれる。これらの事項のいずれかまたはすべては、先行技術ベースの一部を形成していたか、または本出願の各仮請求の優先日より前に存在していたため、本発明に関連する分野における一般的な一般知識であったことは示唆されるかまたは表されることない。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
第１の態様ではあるが必ずしも最も広い態様ではないが、本発明は、植物由来製品またはプロセス中間体またはプロセス供給物を調製するための方法を提供し、この方法は、植物由来出発材料を提供するステップと、植物材料濃縮液を製造するために、吸引溶液に対して出発材料を正浸透ステップに供するステップと、吸引溶液を水除去ステップに供するステップとを含む。
【００２８】
第１の態様の方法の一実施形態では、水除去ステップは、水に富む留分及び水の少ない留分をもたらすように構成される。
【００２９】
第１の態様の一実施形態では、方法は、正浸透ステップの吸引溶液、または正浸透ステップの吸引溶液の成分として水の少ない留分を利用するステップを含む。
【００３０】
第１の態様の方法の一実施形態では、正浸透ステップは、水除去ステップと同時に実行され、水の少ない留分は、正浸透ステップの吸引溶液に誘導される。
【００３１】
第１の態様の一実施形態では、方法は、正浸透ステップの吸引溶液を水除去ステップに連続的または半連続的に誘導するステップと、水除去ステップの水の少ない留分を循環配置での正浸透ステップの吸引溶液に連続的または半連続的に誘導するステップとを含む。
【００３２】
第１の態様の方法の一実施形態では、循環配置は実質的に閉鎖している。
【００３３】
第１の態様の方法の一実施形態では、水除去ステップは、逆浸透ステップ、またはナノ濾過ステップ、または限外濾過ステップ、または濃縮ステップ、または膜蒸留ステップである。
【００３４】
第１の態様の一実施形態では、方法は、正浸透ステップの植物材料濃縮液を収集するステップと、任意により濃縮液を１つ以上のさらなる加工ステップに供するステップとを含む。
【００３５】
第１の態様の方法の一実施形態では、正浸透ステップの収集された植物材料濃縮液は、さらに加工されて肥料製品を形成するようになる。
【００３６】
第１の態様の方法の一実施形態では、さらなる加工ステップは、乾燥、粉砕、ペレット化、植物学的に許容される賦形剤との混合、及び機能的微生物種との混合の１つ以上を含む。
【００３７】
第１の態様の方法の一実施形態では、正浸透ステップの収集された植物材料濃縮液は、さらに加工されて動物性食品製品を形成するようになる。
【００３８】
第１の態様の方法の一実施形態では、さらなる加工ステップは、乾燥、粉砕、ペレット化、及び栄養的に許容可能な賦形剤との混合のうちの１つ以上を含む。
【００３９】
第１の態様の方法の一実施形態では、方法は、水除去ステップの水に富む留分を収集するステップと、任意により濃縮液を１つ以上のさらなる加工ステップに供するステップとを含む。
【００４０】
第１の態様の方法の一実施形態では、水除去ステップの収集された水に富む留分は、本方法または第２の方法でプロセス水として利用される。
【００４１】
第１の態様の方法の一実施形態では、水除去ステップの収集された水に富む留分は、さらに加工されて飲料製品を形成するようになる。
【００４２】
第１の態様の方法の一実施形態では、さらなる加工のステップは、溶質除去ステップ、微生物除去ステップ、殺菌ステップ、補足剤との混合、及び瓶詰めのうちの１つ以上を含む。
【００４３】
第１の態様の方法の一実施形態では、溶質除去ステップは、吸着ステップを含む。
【００４４】
第１の態様の方法の一実施形態では、吸着ステップは、活性炭ステップまたはゼオライトステップである。
【００４５】
第１の態様の方法の一実施形態では、植物由来出発材料は、植物材料の破砕抽出物または液化抽出物である。
【００４６】
第１の態様の方法の一実施形態では、植物由来出発材料は、工業プロセスの副産物またはプロセス中間体である。
【００４７】
第１の態様の方法の一実施形態では、植物由来出発材料は、凝縮液または植物ジュース濃縮プロセスの透過液である。
【００４８】
第１の態様の方法の一実施形態では、植物由来出発材料は、植物供給原料を利用する発酵プロセスの蒸留ボトムである。
【００４９】
第２の態様では、本発明は、第１の態様の任意の実施形態による方法によって製造された肥料製品を提供する。
【００５０】
第３の態様では、本発明は、第１の態様の任意の実施形態による方法によって製造された動物飼料製品を提供する。
【００５１】
第４の態様では、本発明は、第１の態様の任意の実施形態による方法によって製造された飲料製品を提供する。
【００５２】
第５の態様では、本発明は、第１の態様の任意の実施形態による方法によって製造されたプロセス中間体を提供する。
【００５３】
第６の態様では、本発明は、植物由来製品またはプロセス中間体またはプロセス供給物を調製するためのシステムを提供し、このシステムは、吸引溶液保持部分を備える正浸透装置と、水の少ない留分を含む部分を含む水除去装置とを備え、吸引溶液保持部分は、水の少ない留分を含む部分と流体連通している。
【００５４】
第６の態様の一実施形態では、システムは、（ｉ）正浸透装置の吸引溶液保持部分の吸引溶液は、水除去装置の水の少ない留分保持部分に誘導され、（ｉｉ）水除去装置の水の少ない留分保持部分は、正浸透装置の吸引溶液保持部分に誘導されるように構成されている。
【００５５】
第６の態様の一実施形態では、システムは、吸引溶液及び水の少ない留分が循環配置で誘導されるように構成される。
【００５６】
第６の態様の一実施形態では、システムは、吸引溶液及び水の少ない留分が循環配置で誘導されるように構成されたポンプ手段を含む。
【００５７】
第６の態様の一実施形態では、システムは、（ｉ）正浸透装置の吸引溶液保持部分の吸引溶液は、水除去装置の水の少ない留分保持部分に誘導され、（ｉｉ）水除去装置の水の少ない留分保持部分は、正浸透装置の吸引溶液保持部分に誘導されるように構成されている閉回路を備えている。
【００５８】
第６の態様の一実施形態では、水除去装置は、逆浸透装置、またはナノ濾過装置、または限外濾過装置、または濃縮装置、または膜蒸留装置である。
【００５９】
第６の態様の一実施形態では、システムは、水除去装置の水の少ない留分を含む部分と流体連通している溶質除去装置を備える。
【００６０】
第６の態様の一実施形態では、溶質除去装置は、溶質吸着に基づいて動作する。
【００６１】
第６の態様の一実施形態では、溶質除去装置は、活性炭またはゼオライトを含む。
【００６２】
第７の態様では、本発明は、ジュースまたはスペントウォッシュを濃縮するための方法であって、本方法は、（ａ）濃縮用のジュースを提供するステップと；（ｂ）ジュースを正浸透ステップに供して、ジュースから水を除去し、濃縮ジュースを提供するステップと；（ｃ）濃縮ジュースを蒸発プロセスに供して、さらに多くの水を除去するステップと、を含む。
【００６３】
好ましくは、蒸発プロセスは、直列の単一または複数のエバポレータを含む。
【００６４】
本発明のさらなる態様では、濃縮ジュースを製造するためのシステムが提唱され、本システムは、濃縮ジュースを製造するためにジュースからある割合の水を除去する正浸透装置と；濃縮ジュースを受け取り、濃縮ジュースからさらに多くの水を除去するように適合された少なくとも１つの蒸発装置と、を備える。
【００６５】
好ましくは、ジュースはサトウキビジュースまたはテンサイジュースまたは蒸留スペントウォッシュである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】発酵によるアルコール製造プロセスを示す図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態による正浸透及び吸引溶液の回収を示す図である。
【図３】蒸留によるアルコールの除去後のスペント蒸留ボトム加工のフローを示す図である。
【図４】製造された水１０００Ｌあたりのエバポレータまたは正浸透技術の使用の寿命コスト比較を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
この説明を検討した後、本発明が様々な代替的実施形態及び代替的用途でどのように実施されるかは、当業者には明らかであろう。しかし、本発明の様々な実施形態が本明細書で説明されるが、これらの実施形態は、例としてのみ提示され、限定するものではないことが理解される。したがって、様々な代替的実施形態のこの詳細な説明は、本発明の範囲または幅を制限するものと解釈されるべきではない。さらに、利点または他の態様の記述は、特定の例示的な実施形態に適用され、必ずしも特許請求の範囲によって網羅されるすべての実施形態に適用されるものではない。
【００６８】
反対の意図が表現されていない限り、本発明の好ましい形態または代替形態として提示された特徴は、単独で、または互いに任意の組み合わせで開示された本発明のいずれにも存在し得る。
【００６９】
本明細書の説明及び特許請求の範囲を通して、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という語、ならびに「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」などの単語の変形は、他の添加物、構成要素、整数またはステップを除外することを意図するものではない。
【００７０】
本発明の任意の実施形態が、本明細書に開示されるすべての利点を有することは示していない。いくつかの実施形態は、利点を提供せず、先行技術に対する有用な代替物のみを示し得る。
【００７１】
本発明の一実施形態は、砂糖発酵後にアルコール（スペントボトム）を除去するために蒸留された残りの蒸留ボトムまたはスペントウォッシュから飲料水及び固体栄養素を回収するための方法を提供する。本発明は、アルコールを製造する微生物発酵の基質として、植物由来の発酵性砂糖、セルロースベースの材料、及びセルロース系バイオマスを利用するアルコール蒸留植物に適用可能である。
【００７２】
この方法は、新たな発酵での再利用に好適であるか、または工場の操業用水または飲料水としてさえ使用される再生飲料水を提供し得る。このプロセスで水を除去した後に残留している非常に栄養価の高い固形物は、液体肥料として使用するかまたは工業用乾燥機または自然の熱もしくは天候によってさらに脱水して、動物用飼料または農業用肥料を製造することができる。
【００７３】
蒸留ボトムを完全に乾燥させる前に、農業用肥料として液化固体として残留物を使用する前に、燃料使用用のメタンガスを製造するためにさらに発酵させる選択肢がある。
【００７４】
本発明では、蒸留ボトムの脱水における正浸透の使用を提供して、飲用水及び湿式固体に富む留分を製造する。正浸透（ＦＯ）吸引溶液は、これらに限定されないが、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）、小さい無機塩、及び熱分解塩など、多くの選択肢の中から選択できる。好ましい吸引溶液は、塩化ナトリウムである。これらの溶質は、ＲＯの操作を開始するために使用され得、また、供給材料を介してシステムに流入し、水除去ステップの水の少ない画分に保持される溶質が蓄積することによって加工が続行されると、増加され得る。
【００７５】
正浸透（ＦＯ）ステップは浸透プロセスであり、逆浸透と同様に、半透膜を使用して、溶解した溶質から水を分離する。ＦＯ分離の推進力は、高濃度の「吸引」溶液を使用して作り出された浸透圧勾配である。この浸透圧勾配を使用して、膜を通過して正味の水の流れが吸引溶液に誘導されるため、供給水がその溶質から効果的に分離される。
【００７６】
図２の概略プロセスは、ＦＯユニットを通過する供給液体（蒸留ボトム）を示している。ＦＯ膜により、供給溶液と吸引溶液との間の接合が可能になる。この図は、透過液として清浄水を除去するために、ＲＯを使用して再生される吸引液体も示している。
【００７７】
ＲＯ水透過液は、微量の栄養素または残留物のみ含まれ得る清浄水である。この水は、操業用水として、新たな発酵での使用に直接好適である。ヒトの消費に透過液が必要な場合は、活性炭（粒状活性炭（ＧＡＣ）または粉末炭など、そのうちのいずれかは生物学的に活性化され得る）と接触させて、ＲＯ分子量カットオフポイントを通過し得る微量の芳香族及び揮発性低分子量化合物を除去する必要がある。この水は、微量の活性炭を除去するための濾過及び殺菌または消毒などのさらなる処理を施されており、ヒトの消費または飲用に好適である。瓶詰め用の水の供給源として使用できる。
【００７８】
栄養の酸化及び腐敗を減少させるために、ジュースの自然なｐＨで不活性ガス雰囲気下において、低光に曝露させて加工された低固形分及びペクチン清澄ジュースを使用することが好ましい。滅菌は、高圧滅菌、ＵＶ滅菌、または炭酸ジメチル（ＤＭＤＣ）の使用、または任意の栄養成分の活性を維持する他の方法のいずれかによって実行することが好ましい。
【００７９】
活性炭の代替としてゼオライトが使用され得る。ゼオライトは、微孔性固体のファミリーのアルミノケイ酸塩のメンバーであり、より一般的なメンバーは、方沸石、菱沸石、斜プチロル沸石、輝沸石、ソーダ沸石、灰十字沸石、及び束沸石である。そのような天然ゼオライトまたは人工ゼオライトは、除去される分子の分子直径よりも大きい孔径を有することに基づいて分子を捕捉し、除去するために使用でき、さらに好適には疎水性または親水性のいずれかであり得る。鉱物の式の例としては、ソーダ沸石の式Ｎａ２Ａｌ２Ｓｉ３Ｏ１０・２Ｈ２Ｏである。
【００８０】
別の研磨ステップには、アンバークロムＣＧ−１６１を使用して、濾過透過液をさらに加工することを含むことができる。アンバークロム樹脂は、残留糖レベルを低下させて、残留糖を減少させる目的で組み込まれ得る。アンバークロムＣＧ−１６１樹脂の詳細なアプリケーションノートは、Ｒｏｈｎ  ａｎｄ  Ｈａａｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ  ＵＳＡ）から入手し得る。機能的に同等の樹脂も本方法の範囲内に含まれる。アンバークロムＣＧ−１６１を使用して、芳香及び砂糖を除去し、水の芳香及び味をより中立なものにし得る。
【００８１】
本方法のための植物ベースの出発材料は、機械的に調製されたジュースまたは植物の粉砕物であり得る。あるいは、出発材料は、別のプロセスのプロセス中間体であり得る。例えば、果物ジュースまたは野菜ジュースまたはサトウキビジュースが商業的に濃縮された後に残留する液体留分は、ＬＳＪ（低糖ジュース）と呼ばれる。濃縮液、したがってＬＳＪを製造するプロセスには、蒸発、濾過（逆浸透）、及び凍結濃縮などいくつかある。
【００８２】
多くの状況において、ある程度、植物材料の前処理が必要とされることは理解されるであろう。そうでない場合、閉塞が生じる。例えば、クロスフロー濾過または限外濾過などのプロセスが有用となる。したがって、いくつかの実施形態では、方法は前処理のステップを含む。
【００８３】
本開示に基づいて、当業者は、オレンジ、リンゴ、トマト、ブドウ、パイナップル、マンゴー、ベリー；ココナツミルク；サトウキビなどの果実；ニンジン、セロリ、ビート、カボチャ、及びカブなどの野菜の植物のうちの１つ（またはさらには混合物）から飲料を調製できることが理解されるであろう。
【００８４】
第２の態様では、本発明は、本明細書に記載の方法に従って製造された植物由来の飲料製品またはそのプロセス中間体をさらに提供する。
【００８５】
一実施形態では、本方法の製品は、以下の特徴のうちのいずれか１つ以上を有する：
−臭気＃３Ａを超えるかつ／または飲料水に許容される臭気のしきい値を超える芳香／臭気成分；
−見かけの色または光路長１ｃｍを有する石英キュベットにより測定したときの実験室グレードの逆浸透水の４２０ｎｍ及び５２０ｎｍでの分光光度計の吸光度の合計を超える吸光度。
−約０．１Ｂｘを超える砂糖、または約０．００５Ｂｘを超える砂糖；かつ／または未加工ジュースの砂糖の量より少ない。
−飲用飲料水に匹敵するほどの味を上回る目立つ味
−総溶解固形分（ＴＤＳ）が約５０ｐｐｍ超。
−総有機炭素（ＴＯＣ）が約６００ｐｐｍ超；
−濁度が、約０．５を超え、好ましくは約０．５ＮＴＵを超える。
【００８６】
別の実施形態では、本方法の製品は、純水に非常に類似しており、以下の特徴のうちの１つ以上を有する：
−臭気＃３Ａ未満及び／または飲料水に許容される臭気のしきい値未満の芳香／臭気成分；
−見かけの色または光路長１ｃｍを有する石英キュベットにより測定したときの実験室グレードの逆浸透水の４２０ｎｍ及び５２０ｎｍでの分光光度計の吸光度の合計を超える吸光度。
−約０．１Ｂｘ未満の砂糖、または約０．００５Ｂｘ未満の糖；及び／または未加工ジュースの砂糖の量より少ない。
−飲用飲料水に匹敵するほどの味を上回る目立つ味がない。
−総溶解固形分（ＴＤＳ）が約５０ｐｐｍ未満。
−総有機炭素（ＴＯＣ）が約６００ｐｐｍ未満；
−濁度が、約０．５未満、好ましくは約０．５ＮＴＵ未満である。
【００８７】
好ましくは、上記で定義された飲料は、フィルター濃縮された低糖ジュース残留物から製造される。低糖ジュースは、蒸発、濾過、または凍結濃縮によって提供され得る。一実施形態では、この実施形態を製造するために使用されるプロセスは、実質的に無糖の水を生成するために、約１００ダルトンより多く、約１８０ダルトンより少ない濾過ステップを含む。
【００８８】
ＦＯを通過する吸引溶液は再生させる必要があり、これは、純水を除去して塩を残留させることにより行い得る。吸引溶液からの水の除去は、逆浸透、ナノ濾過、蒸留、またはこれを生じさせ得る任意の他の手段によって達成できる。
【００８９】
ＲＯではなくＦＯを使用する際の利点は、非常に高レベルの有機物質及び浮遊固形物が蒸留ボトムに直接接触した場合、ＦＯ膜はＲＯ膜ほど容易に汚れないことである。これは、濾過中に液体に高圧力がかかることで、ＲＯ膜の細孔に粒子が押し込まれる可能性があるためである。
【００９０】
これに対して、ＦＯ膜は汚れに対して耐性がある。これは、ＦＯ濾過中に液体に加わる物理的圧力がはるかに少なく、浮遊固形物が膜の細孔に入ることがほとんどないためである。日常的に清浄水で逆フラッシングを行うと、多くの場合、ＲＯで行うよりもより上手く膜の細孔を洗浄できる。したがって、ＦＯを使用すると、蒸留ボトムから一貫した水流束が得られ、その結果乾燥した飼料の廃棄物が発生する。乾燥廃棄物では、完全に脱水するために必要なエネルギーが少ない。
【００９１】
ＦＯ膜は、１〜９５℃の温度範囲内で機能し、高濃度の化学物質及び極端なｐＨに対して非常に高い耐性を有する。水と比較してエタノールの沸点が低いため、蒸留ボトムの温度は、多くの場合、エタノールの蒸留中に約８０℃に到達することを目標としている。
【００９２】
蒸留ボトムからの熱エネルギーは、吸引溶液の再生前に、ＦＯ濾過後の吸引溶液から回収できる。温度を約８０℃から２５℃まで下げる際のエネルギーは、チューブインチューブ型または他の型などの熱交換器を使用して得ることができる。これにより、高価な耐熱ＲＯ膜は不要になる。得られた熱は、ＦＯ及びＲＯシステムの操業コストを相殺するために、必要な場合に使用できる。
【００９３】
膜の汚れを防ぐための前処理として、蒸留ボトムをデカンテーション、限外濾過、及びナノ濾過する必要があるＲＯとは異なり、ＦＯ膜は、これらの高度な汚れ条件下で機能するためにコーススクリーン（ｃｏｕｒｓｅ  ｓｃｒｅｅｎ）またはサンドフィルタのいずれかのみを必要とする。
【００９４】
多重効用または他のタイプなどのエバポレータを使用する蒸発と同様に膜蒸留を使用することは、ＦＯに必要な吸引溶液を再生するのに好適である。
【００９５】
膜蒸留は、相変化により分離が可能になる熱駆動分離プログラムである。疎水性膜は、液相のバリアを示し、気相が膜の細孔を通過できるようになる。プロセスの推進力は、一般に温度差によって引き起こされる部分的な蒸気圧差によって得られる。
【００９６】
出願人の知る限りでは、先行技術では、アルコール蒸留後のスペント蒸留ボトムからの水の回収を教示するこのＦＯ技術の適用を教示していない。ＦＯの使用は、飲料水を回収するために、蒸留ボトムをＲＯで加工するために必要な既存の複雑な前処理に取って代わる。ＦＯとＲＯを組み合わせて脱水した後に残留している蒸留ボトムまたはスペントウォッシュ留分には、少なくとも５０％より多くの全固形分が含まれているため、より多くの水分が回収され、固形肥料の製造に必要な場合、さらに脱水するために必要とされるエネルギーが少ない廃液留分が得られる。
【００９７】
この液体状態の廃棄物留分は、メタン発酵の液体肥料または基質として使用できる。液体または固体の肥料は、他の成分または窒素固定細菌など、あらゆるタイプの機能性微生物と組み合わせることができる。これらの微生物をマイクロカプセル化して、肥料内の微生物の活性を維持できる。提示された例のような微生物は、大気中の窒素を植物が使用可能な窒素に変換する。このような肥料を既知の栄養素で最適化することも、本発明の範囲である。
【００９８】
そのような肥料は、蒸留ボトム内で見られる栄養素により土壌の肥沃度を高めることを目的にしている。蒸留ボトム固形物と共に微生物によるさらなる強化により、拡散されるかまたは灌漑された土壌への微生物の繁殖が可能になる。
【００９９】
本発明は、アルコールを除去するために蒸留された残りの蒸留ボトム（スペントボトム）を利用するための簡略化されたプロセスを提供する。このプロセスにより、新たな発酵での使用、または工場の操業用水としての使用に好適である飲料水が再生利用される。このプロセス後残存している固形物は、液体原料または液体肥料として使用すること、または工業用乾燥機で脱水して乾燥した動物飼料または農業用肥料を製造することが可能である。
【０１００】
本発明に記載の技術を用いてスペントボトムを加工することにより製造される水及び肥料または動物飼料製品は、外部から供給される操業用水の量を減少させ、工場では追加の販売可能な肥料製品を得ることができる。
【０１０１】
この技術は、デカンテーション及び高エネルギー蒸発の必要性が低減し、全体として消費電力を大幅に減少させる。蒸留ボトムから熱が回収されることにより、運用コストがさらに減少し、必要に応じて、農業用肥料を作るために乾燥させるより前に、メタン燃料を製造するために湿った固形残留物をさらに発酵させることができる。
【０１０２】
ＲＯ濾過の前に汚れの少ないの正浸透（ＦＯ）を使用する利点は、脱水の高い流束を維持し、デカント、ＵＦ及びＮＦなどの前処理がさらに不要になることであり、これらの前処理はすべて、高価でかつ複雑なプロセスであり、製造コストが高くなる。
【０１０３】
ＲＯまたはＮＦへのＦＯ前処理後の蒸留ボトム内で得ることができる総固形分は、少なくとも５０％以上である。
【０１０４】
本発明は、いくつかの実施形態では、ヒトが消費するのに好適である飲料を提供する。残存した有機残留物を除去するために本明細書で提唱する追加のＧＡＣ処理を行わない場合、水は口当たりが悪く、ヒトが消費するのに適切な味ではないことが提唱されている。さらに、水は化学的及び微生物学的に汚染されており、水貯蔵条件下でＧＡＣで処理しないと貯蔵できない。
【０１０５】
本発明は、水除去ステップとしてＲＯまたはＮＦを利用してもよい。グルコース及びフルクトースは、ＲＯによるさらなる濾過を用いて、水、ミネラル、アスコルビン酸、揮発性芳香族及びフレーバー化合物の大部分を除去することにより濃縮できる。ＮＦ膜及びＲＯ膜のＭＷＣＯは多くの場合重複するため、いずれの膜もこのステップに使用できる。ＭＷＣＯは、任意のサイズであってよいが、好ましくは、グルコース及びフルクトース（ＭＷ約１８０ダルトン）よりも小さく、これらの砂糖が透過液に入らないように保持する。「Ｔｈｅ  Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ」、Ｏｓｍｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．，Ｍｉｎｎｅｔｏｎｋａ，ＭＮ，ｃｏｐｙｒｉｇｈｔ  １９９０，１９８４を参照のこと。
【０１０６】
透過液は一般に純粋であるが、ソースジュースからの低分子量の芳香族を含み、水に芳香及び味を付与し、これにより、純粋な水を飲む経験とは異なることになる。さらに、未処理の１００ダルトン未満の有機物負荷は、飲料水を保管するために使用される条件下で保管された場合、微生物の成長及び水の腐敗を維持する。ＧＡＣの使用について、ＦＯ／ＲＯ／ＮＦ濾過を用いてジュースから除去された透過液に関しては教示はない。
【０１０７】
本発明の目的は、野菜、果物、またはサトウキビから操業用水及び飲料水を製造するプロセスを教示することである。このプロセスは最初にジュースを製造することを伴う。次に、このジュースは、エバポレータまたはエバポレータ（多重効用）の一部を使用するなどの任意のプロセスにより濃縮し、ジュースから水を除去する。この水分は凝縮液として回収され、次に、正浸透（ＦＯ）、逆浸透（ＲＯ）またはＮＦ、最後にＧＡＣによってさらに加工する。得られた水は、悪臭、味がなく、ヒトの消費（飲料用）に好適であり、操業用水としての使用、販売またはヒトの使用のための瓶詰め、またはパッケージ化が可能である。
【０１０８】
本発明は、Ｂｅｎｔｏらが、水の製造のために、未加工の蒸留ボトムではなく、薄い蒸留廃液画分を使用することを教示している先行技術の文書とは区別されている。したがって、Ｂｅｎｔｏらのプロセスでは、濾過またはデカンテーション、遠心分離、または重力のいずれかによりほとんどの固形物を除去するために、蒸留ボトムを予め前処理する必要がある。
【０１０９】
Ｂｅｎｔｏらは、複数の膜を使用して、蒸留ボトムの薄い蒸留廃液を使用してトウモロコシから乳酸及びグリセロールを回収することを教示している。本発明はまた、ミネラルを含まず、ボイラー及びエタノール発酵での使用に好適である、加圧濾過による水の製造について教示する。この特許では、ヒトが消費するために、この水を使用することについては教示していない。この特許では、使用される加圧ＲＯ膜の汚れを防止するために、蒸留ボトムの前処理が不可欠であると教示している。ＲＯ濾過前の未処理蒸留ボトムの前処理としては、直列でのデカンテーション、ＵＦ及びＮＦの処理が挙げられる。ＦＯは、汚れを防止する手段として、ＲＯ前にこれらの列挙された前処理を置き換えることは考慮されていない。
【０１１０】
Ｋａｍｂｏｕｒｉｓでは、ＲＯ濾過による凝縮液の処理前、またはＲＯの汚れを防止するために個別に処理する前に、最初にこの最も汚染された効用を取り除くことについては教示していない。
【０１１１】
本発明の１つの範囲は、ＲＯまたはＮＦのいずれかに対する前処理としてのＦＯの使用、または膜蒸留、またはその後にＧＡＣが続く他の蒸留を教示することである。Ｋａｍｂｏｕｒｉｓの教示に対してこのように改変することにより、ＲＯまたはＮＦ膜が汚れるリスクを低く抑えながら、エバポレータの最初の効用を個別に、または同じエバポレータのよりクリーンな効用と組み合わせて効果的に処理できる。最初の効用を破棄することなく処理することで、汚れを生じさせることなく、実質的に追加の量の水の回収が可能になる。
【０１１２】
Ｐｅｙｔｏｎは、蒸留ボトムからの水の導出について論じているが、他の膜の汚れの防止または蒸留ボトムのさらなる濃縮の防止または飲料の製造のための文脈において、ＦＯの使用については、まったく開示されていない。
【０１１３】
本発明は、いくつかの実施形態では、ＦＯと水の除去ステップとの組み合わせにより、各成分の個別の相加効果を上回る予想外の結果がもたらされるという点で相乗効果をもたらすと考えられる。例えば、この組み合わせにより、（ｉ）蒸留ボトムまたは飲料濃縮液または飲料透過液を濃縮する手段（低糖ジュースなど）、（ｉｉ）蒸留ボトムからの水の除去を改善してより乾燥した残留物を提供する手段、（ｉｉ）蒸留ボトムから飲料飲料及び肥料の両方を提供する手段、及び（ｉｉｉ）ＲＯ膜などの膜の汚れを減少させ、それによって再生または交換の必要性を減少させる手段などの利点がもたらされる。
【０１１４】
本発明のさらなる範囲は、予備エバポレータ濃縮ステップとして正浸透を使用して、ジュース、特に砂糖ジュースまたはテンサイジュースまたはスペントウォッシュ（アルコールが除去された発酵物）を濃縮するためのプロセス及び装置に関する。正浸透（ＦＯ）ステップは浸透プロセスであり、逆浸透と同様に、半透膜を使用して、溶解した溶質から水を分離する。ＦＯ分離の推進力は、高濃度の「吸引」溶液を使用して作り出された浸透圧勾配である。この浸透圧勾配を使用して、膜を通過して正味の水の流れが吸引溶液に誘導されるため、供給水がその溶質から効果的に分離される。
【０１１５】
ＦＯ技術は、特に砂糖、テンサイ、及びスペントウォッシュ濃縮産業では、エバポレータと直列に使用されていない。牛乳及び乳清の加工にも使用できる。
【０１１６】
提唱されているＦＯ濃縮ステップでは、成熟時の生理学的に取得したブリックスから、最終の４０または５０ブリックスまでジュースを濃縮させ得る。このＦＯ濃縮プロセスのみでは、生の結晶糖または糖蜜の製造を目的としている砂糖ジュースまたはテンサイジュースの加工には有用ではなく、結晶化プロセスを経済的に達成可能であるようにするために、さらに加工するために濃縮液中に必要な水がはるかに少ない。しかしながら、多重効用エバポレータでは、それ自体で、こうしたジュースを望ましいより高いブリックスレベル、すなわち７０から８５ブリックスまで濃縮することができる。
【０１１７】
ＦＯ濃縮の利点としては、装置の低コスト及び操作中のランニングコストが挙げられる。これらのコストは、エバポレータよりも約９倍安いことが文献で比較されている（図４）。したがって、所望の７０〜８５ブリックスを得るために濃縮プロセスが増強されるエバポレータまたは多重効用エバポレータを使用する前に、低操業コストでジュースまたはスペントウォッシュの初期濃縮を得る前濃縮ステップを含めることは、環境的に持続可能であり、かつ経済的である。
【０１１８】
エバポレータを使用する前に、エバポレータと直列にしてＦＯ技術を使用することにはいくつかの利点がある。これらの利点としては、以下が挙げられる：
（ａ）エバポレータでは、蒸発する体積が少なく、小型化が可能である。
（ｂ）必要な表面積が少ないため、効用の数を減少させることができる。
（ｃ）水の除去必要量が少ないため、既存のエバポレータを通る流量を増加させ得る。
（ｄ）一定容量の液体を加工する際のエネルギー、蒸気、ガス水の必要量が少ない。
【０１１９】
エバポレータは、水などの液体物質を気体形態に変換するために使用される装置である。そのプロセスにおいて、液体の水は、蒸発または気化して気体の形態になる。気化した水は凝縮され、再び液体として回収される。
【０１２０】
簡単に言うと、エバポレータには、熱源全体で濃縮を必要とする溶液が供給され、供給物内の水が蒸気に変換される。蒸気は残りの溶液から除去され、凝縮されるが、ここで濃縮されている溶液は、第２のエバポレータに供給されるか、または除去される。
【０１２１】
エバポレータは、４つのセクションで構成され得る。これらのセクションとは、第１のセクションは、加熱媒体であり、多くの場合、平行な伝導チューブまたはプレートまたはコイルを通過する蒸気である。第２のセクションは、供給溶液から生成される蒸気を除去する濃縮分離セクションである。第３のセクションは、分離した蒸気を凝縮するコンデンサーである。第４のセクションは、循環を増加し、エバポレータ内の圧力を低下させ、水の沸点を低下させるための真空システムまたはポンプである。
【０１２２】
異なる多くの種類のエバポレータが使用されている。これらとしては、自然／強制循環エバポレータ、流下膜エバポレータ、上昇膜（長管垂直）エバポレータ、上昇及び下降膜プレートエバポレータ、多重効用エバポレータ、ならびに撹拌薄膜エバポレータ、ならびに言及されていない他のものが挙げられる。
【０１２３】
サトウキビジュース濃縮、テンサイジュース濃縮、アルコール蒸留スペントウォッシュ濃縮で使用される最も一般的に使用されるエバポレータの種類は、多重効用エバポレータである。
【０１２４】
これらの多重効用エバポレータは、単一段階多重効用とは異なり、最大７つのエバポレータ段階または効用で構成され得る。蒸発中に複数の効用を使用する理由は、単効用のエバポレータではエネルギー消費が非常に高く、蒸発システムのコストのほとんどを占めるためである。
【０１２５】
複数の効用を組み合わせることで、熱及びエネルギーを節約できる。実際、二重効用エバポレータでは、単一のエバポレータのエネルギー消費を５０％減少できる。これに別の効用を加えると、７つの効用が並行になるまで、エネルギー消費を３３％などまで減少させることができるが、各効用の実際のコストのためにこれ以上の節約は得ることができない。このエネルギーの節約は算出できる。
【０１２６】
多重効用エバポレータへの液体の供給は、順方向または逆方向のいずれの供給アプローチでも可能である。
【０１２７】
順方向供給アプローチとは、最高温度で、供給液体が第１の効用からシステムに流入することを意味する。次に、この供給液体は、一部の水が除去されるときに、部分的に濃縮された後、低温の第２の効用などに供給される。第２の効用は、第１の効用から除去された蒸気によって加熱される（したがって、エネルギー消費の節約になる）。これは一連の効用全体で継続され、その後の効用において低温と高粘度とを組み合わせることより、加熱表面積が増大する。
【０１２８】
逆に、逆方向供給では、最後の効用での温度が最も低く、濃縮される液体が供給され、これらの効用での温度が上昇する間、液体が効用を移動する。最終濃縮液は最も熱い効用内で収集され、これは、最終段階において生成物の粘性が非常に高くなるため、熱伝達が向上するという利点がある。
【０１２９】
図２の概略プロセスは、ＦＯユニットを通過する供給液体（蒸留ボトム）を示している。ＦＯ膜により、供給溶液と吸引溶液との間の接合が可能になる。
【０１３０】
ＦＯを通過する吸引溶液は再生させる必要があり、これは、純水を除去して塩を残留させることにより行い得る。吸引溶液からの水の除去は、逆浸透、ナノ濾過、膜蒸留、またはこれを生じさせ得る任意の他の手段によって達成できる。
【０１３１】
ＲＯではなくＦＯを使用する際の利点は、非常に高レベルの有機物質及び浮遊固形物を含むスペントウォッシュまたはジュースに直接接触した場合、ＦＯ膜はＲＯ膜ほど容易に汚れないことである。これは、濾過中に液体に高圧力がかかることで、ＲＯ膜の細孔に粒子が押し込まれる可能性があるためである。
【０１３２】
これに対して、ＦＯ膜は汚れに対して耐性がある。これは、ＦＯ濾過中に液体に加わる物理的圧力がはるかに少なく、浮遊固形物が膜の細孔に入ることがほとんどないためである。毎日清浄水で逆フラッシングを行うと、多くの場合、ＲＯで行うよりもより上手く膜の細孔を洗浄できる。したがって、ＦＯを使用することで、スペントウォッシュまたはジュースから一定の水流束が得られ、その結果、エバポレータに入る乾燥溶液が生じる。乾燥溶液では、完全に脱水するために必要なエネルギーが少ない。
【０１３３】
ＦＯ膜は、１〜９５℃の温度範囲内で機能し、高濃度の化学物質及び極端なｐＨに対して非常に高い耐性を有する。エタノールの沸点が水と比較して低いため、スペントウォッシュの温度は、多くの場合、エタノールの蒸留中に約８０℃に到達することを目標としている。
【０１３４】
膜蒸留を使用する場合、スペントウォッシュからの熱エネルギーを回収して、それをＦＯ濾過後、吸引溶液再生前に吸引溶液に添加できる。温度を約８０℃から２５℃まで下げる際のエネルギーは、チューブインチューブ型または他の型などの熱交換器を使用して得ることができる。これにより、高価な耐熱性ＲＯまたはＮＦ膜が必要な場合に、これらの要件が不要になる。得られた熱は、ＦＯ及びＲＯシステムの操業コストを相殺するために、必要な場合に使用できる。あるいは、膜蒸留が好ましい吸引溶液再生プロセスである場合、エバポレータ凝縮物から得た熱を使用して、事前に吸引溶液を加熱することができる。
【０１３５】
膜蒸留は、相変化により分離が可能になる熱駆動分離プログラムである。疎水性膜は、液相のバリアを示し、気相が膜の細孔を通過できるようになる。プロセスの推進力は、一般に温度差によって引き起こされる部分的な蒸気圧差によって得られる。
【０１３６】
膜の汚れを防ぐための前処理として、スペントウォッシュをデカンテーション、限外濾過、またはナノ濾過する必要があるＲＯとは異なり、ＦＯ膜は、これらの高度な汚れ条件下で機能するためにコーススクリーンまたはサンドフィルタのいずれかのみを必要とする。
【０１３７】
本発明は、既存の単一のエバポレータ、またはすでに最大数の効用または効率を有し、エネルギー使用が高価である多重効用エバポレータに効用を追加する以外の新しい選択肢として記載することができる。
【０１３８】
既存のエバポレータの前にＦＯを直列に追加して予備濃縮することで、全体的な加工コスト及び拡張するエバポレータの資本コストの減少となる。これにより、所定の量のジュースまたは液体溶液を濃縮するための電力、蒸気、水、及び加熱の使用が減少する。
【０１３９】
本発明では、エバポレータを使用してジュースを最終的な所望のレベルまで濃縮する前に、ジュースを中間レベルの濃度まで予備濃縮するかまたは脱水させるための正浸透濾過技術の使用が必要である。
【０１４０】
成熟時に、化学物質を添加し、その後サトウキビから商業用に抽出し、清澄化したサトウキビジュースは、約１３ブリックスである。エバポレータ内において、エバポレータから出る最終ブリックスが、７０〜７５ブリックスに上昇するまで、ジュースを再循環させる。
【０１４１】
砂糖ジュース濃縮プロセスを実施した。多重効用エバポレータを介して蒸発によって加工されたサトウキビジュースの量は、１時間あたり３２５トンであった。ジュースには８７％の水が含まれており、エバポレータを介してジュースから除去された水５．１８トンごとに、１トンの蒸気を消費した。
【０１４２】
１日あたり７，０００トンのサトウキビを粉砕する製糖器で、ＦＯを使用して砂糖ジュースの含水量をわずかに２６％削減し、５効用エバポレータによる１日あたり４００トンの蒸気及び約１７５トン／日のバガスを節約した。
【０１４３】
植物材料は、アルコールなど、幅広い製品を製造するために工業規模で利用されている。砂糖を含む植物由来の材料は、酵母と共にインキュベートされ、酵母は砂糖を代謝により変換させて、アルコールにする。発酵の一般的な用途は、糖蜜などの植物糖をアルコールの製造に利用する蒸留所によるものである。まず、糖蜜は水を加えて希釈し、溶解した総固形分を約７〜８％に調整し、その後酵母、窒素、及び他の発酵の開始に必要な栄養素を加える。この発酵の終わりに、グルコースがエチルアルコール及び二酸化炭素に変換されるとき、その溶液はビール溶液と呼ばれる。ＣＯ２は、その製造中に収集され、アルコールは蒸留塔を通して得られる。このプロセスを図で表したものが図２で確認できる。
【０１４４】
砂糖ジュースまたはテンサイジュースの濃縮と同様に、スペントウォッシュを濃縮する目的は、廃液スペントウォッシュ中の水の量を可能な限り多く、可能な限り安価に削減することである。エバポレータまたはＦＯユニットのいずれかによってスペントウォッシュから除去された水は、操業用水に適した品質であるか、または飲料水基準でさえあるべきである。他には、飲料、ボイラー、溶剤及び冷却塔の使用に好適である操業用水及び飲料水として使用するためにこの水源について、すでに記載されている。
【０１４５】
本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に対してさらなる利点及び改善を行うことができる。本発明は、最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものにおいて示し、記載してきたが、本発明の範囲内であればそれらから逸脱し得、本明細書に開示される詳細に限定されものではなく、あらゆる同等のデバイス及び装置を包含するように、請求項の全範囲に一致するべきであることが認識される。本明細書全体における従来技術のあらゆる議論は、決して、そのような従来技術が広く知られているか、またはこの分野の一般的な一般知識の一部に含まれることを認めるものとして考慮されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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