(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被濃縮液を凍結濃縮器の被濃縮液流路へ入れて循環させつつ、冷媒を該凍結濃縮器の冷媒流路へ入れて循環させ、該被濃縮液流路の伝熱面に氷結晶を順次形成して成長させることにより、該被濃縮液を凍結濃縮する前進凍結濃縮法において、被濃縮液を被濃縮液流路へ入れる前に、該被濃縮液流路へ水蒸気を含むガスを入れると共に冷媒流路へ冷媒を入れて、該被濃縮流路の伝熱面に該水蒸気を凝固させた氷結晶の薄層を形成させることを特徴とする前進凍結濃縮法。
【請求項２】
水蒸気を含むガスが絶対湿度２〜５０ｇ／ｍ３の空気である請求項１記載の前進凍結濃縮法。
【請求項３】
冷媒流路へ入れる冷媒の温度が０〜−３０℃である請求項１又は２記載の前進凍結濃縮法。
【請求項４】
氷結晶の薄層が厚さ０．０１〜０．５mmのものである請求項１〜３のいずれか一つの項記載の前進凍結濃縮法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は前進凍結濃縮法に関する。食品や医薬品等の被濃縮液を濃縮する方法として、優れた品質の濃縮物を得ることができる凍結濃縮法が注目されている。凍結濃縮法には懸濁結晶法と前進凍結濃縮法（前進凍結濃縮法は凍結界面前進濃縮法ともいわれる）とが知られているが、これらのうちで本発明は、前進凍結濃縮法に関し、特に被濃縮液を前進凍結濃縮するときの初期過冷却を抑制できる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、前進凍結濃縮法として、被濃縮液を凍結濃縮器の被濃縮液流路へ入れて循環させつつ、冷媒を該凍結濃縮器の冷媒流路へ入れて循環させ、該被濃縮液流路の伝熱面に氷結晶を順次形成して成長させることにより、該被濃縮液を凍結濃縮する方法が知られている（例えば非特許文献１参照）。かかる前進凍結濃縮法においては、被濃縮液を効率的に凍結濃縮する上で、凍結濃縮の初期に起きる過冷却すなわち初期過冷却を抑制することが重要である。この初期過冷却は凍結濃縮器の被濃縮液流路を形成する伝熱面に最初の氷層が形成される前に起きる被濃縮液の過冷却状態のことで、かかる初期過冷却が起きると、それが解消されるときに多量の氷結晶が瞬間的に形成されるため、被濃縮液中の溶質分を含む純度の低い氷が生成してしまったり、被濃縮液中にスラリー状の氷が含まれることにより、被濃縮液を循環させるポンプに対する負荷が生じたり、また過冷却が解消される温度がばらつくため、その後の氷結晶の成長速度の制御が難しい等、多くの悪影響を及ぼす。
【０００３】
そこで従来、前記のような多くの悪影響を及ぼす初期過冷却を抑制するため、凍結濃縮する被濃縮液中に所謂種氷を加えたり（例えば非特許文献２及び特許文献１参照）、被濃縮液の凍結濃縮に先立ち凍結濃縮器の被濃縮液流路へ水を入れると共に冷媒流路へ冷媒を入れて、該被濃縮液流路の伝熱面に該水を凝固させた氷層を形成しておく（例えば非特許文献２、特許文献２及び３参照）等の方法が提案されている。しかし、被濃縮液中に所謂種氷を加える従来法には、被濃縮液中の該種氷近傍では初期過冷却を相応に抑制できるものの、該種氷が接触していない殆どの領域では初期過冷却を抑制できないという問題がある。また被濃縮液の凍結濃縮に先立ち被濃縮液流路へ水を入れて該被濃縮流路の伝熱面に該水を凝固させた氷層を形成しておく従来法には、初期過冷却それ自体は相応に抑制できるものの、前後の操作も含めて氷層の形成に時間がかかることに加えて、氷層の厚さを制御するのが難しいため、結果として氷層が厚くなってしまうので、その分だけ限られた製氷容積中に占める凍結濃縮に寄与しない氷層部分が大きくなるという不都合を生じ、しかもその分だけ熱通過率が低下することに起因して凍結濃縮に要するエネルギー消費が嵩むという問題がある。
【非特許文献１】（財）食品産業センター発行の「食品と技術」（１９９７年１２月号、第３１８巻、１〜８頁）
【非特許文献２】（社）日本食品科学工学会発行の「食品工業における科学・技術の進歩（ＶＩＩＩ）」（１９９９年、１０５〜１２６頁）
【特許文献１】特開平１１−２８４５５号公報
【特許文献２】特開２０００−３３４２０４号公報
【特許文献３】特開２００３−２６５１５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、被濃縮液の凍結濃縮に先立ち、凍結濃縮器の被濃縮液流路の伝熱面に、簡単な操作で短時間に氷結晶の均一な薄層を形成し、よって被濃縮液の凍結濃縮を効率的に行なうことができる前進凍結濃縮法を提供する処にある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記の課題を解決する本発明は、被濃縮液を凍結濃縮器の被濃縮液流路へ入れて循環させつつ、冷媒を該凍結濃縮器の冷媒流路へ入れて循環させ、該被濃縮液流路の伝熱面に氷結晶を順次形成して成長させることにより、該被濃縮液を凍結濃縮する前進凍結濃縮法において、被濃縮液を被濃縮液流路へ入れる前に、該被濃縮液流路へ水蒸気を含むガスを入れると共に冷媒流路へ冷媒を入れて、該被濃縮流路の伝熱面に該水蒸気を凝固させた氷結晶の薄層を形成させることを特徴とする前進凍結濃縮法に係る。
【０００６】
本発明に係る前進凍結濃縮法でも、実際に被濃縮液を凍結濃縮するときは、該被濃縮液を凍結濃縮器の被濃縮液流路へ入れて循環させつつ、冷媒を該凍結濃縮器の冷媒流路へ入れて循環させ、該被濃縮液流路の伝熱面に氷結晶を順次形成して成長させることにより、該被濃縮液を凍結濃縮する。
【０００７】
凍結濃縮器として通常は、２重以上の多重管を１本又は２本以上用いる。例えば、それが２重管の場合に通常は、内管の管内を被濃縮液が循環し、したがってここが被濃縮液流路となり、またかかる内管と外管との間を冷媒が循環し、したがってここが冷媒流路となるが、逆に内管の管内を冷媒が循環し、かかる内管と外管との間を被濃縮液が循環するようにしても良い。かかる多重管を２本以上用いる場合、それらの接続状態は任意であるが通常は各多重管の被濃縮液流路が直列となり、また各多重管の冷媒流路が並列となるように接続する。
【０００８】
本発明に係る前進凍結濃縮法では、被濃縮液の凍結濃縮に先立ち、実際には被濃縮液を凍結濃縮器の被濃縮液流路に入れる前に、該被濃縮液流路へ水蒸気を含むガスを入れると共に冷媒流路へ冷媒を入れて、該被濃縮液流路の伝熱面に該水蒸気を凝固させた氷結晶の薄層を形成させる。例えば、前記したような２重管の場合、被濃縮液流路に相当する内管の管内へ水蒸気を含むガスを入れると共に冷媒流路に相当する内管と外管との間へ冷媒を入れて、被濃縮液の伝熱面に相当する内管の内周面に該水蒸気を凝固させた氷結晶の薄層を形成させるのである。この場合、水蒸気を含むガスは被濃縮液流路へ入れるだけでなく更に循環させることもでき、また冷媒も冷媒流路へ入れるだけでなく更に循環させることもできる。
【０００９】
被濃縮液流路へ入れる水蒸気を含むガスは、水蒸気を含む窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスも挙げられるが、経済性から、水蒸気を含む空気が好ましい。また被濃縮液流路へ入れるガス中に含まれる水蒸気の量は、該被濃縮液流路の伝熱面の冷却温度下における飽和水蒸気量よりも多く、したがってその多い分の水蒸気が該伝熱面に凝固して氷結晶の薄層を形成する量であればよいが、通常は絶対湿度２〜５０ｇ／ｍ３の範囲とし、好ましくは絶対湿度５〜３０ｇ／ｍ３の範囲とする。
【００１０】
冷媒流路へ入れる冷媒の温度は、その性質上、氷点下にする必要はあるが、下限を特に設定する必要はない。しかし、実用上から、通常は０〜−３０℃の範囲とする。また被濃縮液流路の伝熱面に形成される氷結晶の薄層の厚さは、これも特に制限されないが、０．０１〜０．５mmの範囲とするのが好ましく、０．０１〜０．０５mmの範囲とするのがより好ましい。厚さが余りにも薄いと、そのような氷結晶の薄層は部分的に消失してしまうおそれがあり、逆に厚さが余りにも厚いと、そのような氷結晶の層は前記した従来法による氷層と同様の問題を生じる。
【００１１】
本発明に係る前進凍結濃縮法では、以上説明したように、被濃縮液の凍結濃縮に先立ち凍結濃縮器の被濃縮液流路の伝熱面に氷結晶の薄層を形成させ、しかる後に予め氷点下に冷却しておいた被濃縮液をかかる被濃縮液流路へ入れて凍結濃縮するので、かかる凍結濃縮に際して、多くの悪影響を及ぼす初期過冷却を充分に抑制できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る前進凍結濃縮法によると、被濃縮液の凍結濃縮に先立ち、凍結濃縮器の被濃縮液流路の伝熱面に、簡単な操作で短時間に氷結晶の均一な薄層を形成することができ、結果として被濃縮液の凍結濃縮を効率的に行なうことができる。
【実施例】
【００１３】
図１は本発明に係る前進凍結濃縮法に用いる装置を略示する正面図、図２は図１と同じ装置を略示する平面図、図３は図１と同じ装置をその使用状態も含めて略示する部分拡大横断面図である。合計２０本の凍結濃縮器１〜２０が前列１０本及び後列１０本の２列で配置されている。説明を省略する他の凍結濃縮器２〜１９も同様の構成となっているが、凍結濃縮器１は同一中心軸の内管１ａと外管１ｂとを有する２重管になっており、内管１ａの管内が被濃縮液流路１ｃとなっていて、内管１ａと外管１ｂとの間が冷媒流路１ｄとなっている。
【００１４】
合計２０本の凍結濃縮器１〜２０の各被濃縮液流路はその上部又は下部で継手部材を介し直列に接続されており、最下流に位置する凍結濃縮器２０の被濃縮液流路の下部と最上流に位置する凍結濃縮器１の被濃縮液流路１ｃの下部とは継手部材及び循環ポンプ３１を介し接続されていて、したがって凍結濃縮器１〜２０の各被濃縮液流路は循環ポンプ３１を介し全体としては直列に接続された一つの循環流路を形成している。また合計２０本の凍結濃縮器１〜２０の各冷媒流路はその下部で継手部材を介し冷却器３２からの冷媒供給路へ並列に接続されており、同様に各冷媒流路はその上部で継手部材を介し冷却器３２への冷媒排出路へ並列に接続されていて、したがって凍結濃縮器１〜２０の各冷媒流路は冷却器３２を介し全体としては並列に接続された一つの循環流路を形成している。
【００１５】
説明を省略する他の凍結濃縮器２〜１９においても同様となっているが、図３中の１ｅは、被濃縮液を凍結濃縮器１〜２０の各被濃縮液流路へ入れて循環させつつ、冷媒を凍結濃縮器１〜２０の各冷媒流路へ入れて循環させることにより、凍結濃縮器１の被濃縮液流路１ｃの伝熱面すなわち内管１ａの内周面に形成された氷結晶の層を示している。
【００１６】
実施例１
図１〜３について前述した装置を用いた。ここで用いた装置は、各凍結濃縮器の内管が内径４７．８mmで外径５０．８mm、また外管が内径５４．５mmで外径６０．５mm、そしてこれらの長さが２．５ｍの寸法のステンレス製のものである。かかる装置を用い、被濃縮液として１８質量％のシュクロース水溶液を次のように前進凍結濃縮した。先ず、シュクロース水溶液を凍結濃縮器１〜２０の各被濃縮液流路へ入れる前に、各被濃縮液流路へ温度３０℃で絶対湿度１２ｇ／ｍ３（相対湿度４０％）の空気を入れて満たし、この状態で凍結濃縮器１〜２０の各冷媒流路へ温度−２０℃の冷媒を５分間循環させた。その後、凍結濃縮器１〜２０の各被濃縮液流路の上部及び下部に接続した継手部材を外し、各被濃縮液流路の上部及び下部における伝熱面に形成された氷結晶の層厚をデジタル顕微鏡（キーエンス社製の高精細デジタルマイクロスコープＶＨ−６３００Ｃ）を用いて測定した。結果を表１に示した。氷結晶の層の形成に要した時間は約５分間であり、かかる短時間で、表１の結果からも明らかなように各被濃縮液流路の全面に亘って氷結晶の均一な薄層を形成させることができた。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
次に、以上と同様にして凍結濃縮器１〜２０の各被濃縮液流路の伝熱面に氷結晶の均一な薄層を形成した後、引き続き−１℃に冷却した１８質量％のシュクロース水溶液を各被濃縮液流路へ入れて循環させつつ、冷媒を凍結濃縮器１〜２０の各冷媒流路へ入れて循環させ、シュクロース水溶液を前進凍結濃縮した。かかる前進凍結濃縮における状況を表２に示した。表２中、シュクロース水溶液の温度及び濃度は循環ポンプ３１の直前において測定した値であり、また冷媒温度の供給側は冷却器３２からの冷媒供給路において測定した値であって、更に冷媒温度の排出側は冷却器３２への冷媒排出路において測定した値である。表２の状況からも明らかなように、シュクロース水溶液は過冷却を起こすことなくその温度が凝固点である−１．７℃まで低下し、その後は凍結濃縮に伴う凝固点降下により順次低下していて、６０分後に約１．５倍まで凍結濃縮されている。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
比較例１
実施例１と同じ装置を用い、被濃縮液として１８質量％のシュクロース水溶液を次のように前進凍結濃縮した。先ず、シュクロース水溶液を凍結濃縮器１〜２０の各被濃縮液流路へ入れる前に、各被濃縮液流路へ温度１０．４℃の水を供給して循環させつつ、冷媒を凍結濃縮器１〜２０の各冷媒流路へ入れて循環させ、かくして前記の水を冷却することにより、各被濃縮液流路の伝熱面に氷結晶の層を形成し、各被濃縮液流路から残留水を排出した。その後、実施例１の場合と同様に、凍結濃縮器１〜２０の各被濃縮液流路の上部及び下部に接続した継手部材を外して各被濃縮液流路の上部及び下部における伝熱面に形成された氷結晶の層厚を測定した。氷結晶の層の形成における状況を表３に示し、また氷結晶の層厚の測定結果を表４に示した。表３の結果からも明らかなように、氷結晶の形成には−１．２℃の過冷却が起こっている。そして氷結晶の層の形成に要した時間は前記したような水の供給、水の冷却、氷結晶の層の形成及び残留水の排出等を合計して約２５分間であり、かかる長時間を要したにもかかわらず、表４の結果からも明らかなように、各被濃縮液流路の伝熱面に形成された氷結晶の層は不均一で且つ肉厚の厚いものとなった。
【００２１】
尚、表４の結果において、最上流に位置する凍結濃縮器１の被濃縮液流路の下部では氷結晶の層厚が０．５３３mmであるのに対し、最下流に位置する凍結濃縮器２０の被濃縮液流路の下部では氷結晶の層厚が１．９７９mmである理由は、双方の間に接続された循環ポンプ３１の発熱が影響しているものと推察された。そこで、かかる発熱による影響を除くため、凍結濃縮器１〜２０の各被濃縮液流路へ入れた水を循環させることなく氷結晶の形成を試みたが、この場合には−６．０℃以下の過冷却が起こり、しかもかかる過冷却が解消した直後に大量の微小な氷が生成するという不都合を生じたので、かかる方法はここで中止した。
【００２２】
【表３】
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【００２３】
【表４】
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【００２４】
次に、以上と同様にして凍結濃縮器１〜２０の各被濃縮液流路の伝熱面に氷結晶の層を形成した後、引き続き−１℃に冷却した１８質量％のシュクロース水溶液を各被濃縮液流路へ入れて循環させつつ、冷媒を凍結濃縮器１〜２０の各冷媒流路へ入れて循環させ、シュクロース水溶液を前進凍結濃縮した。かかる前進凍結濃縮における状況を表５に示した。表５中、シュクロース水溶液の温度及び濃度は循環ポンプ３１の直前において測定した値であり、また冷媒温度の供給側は冷却器３２からの冷媒供給路において測定した値であって、更に冷媒温度の排出側は冷却器３２への冷媒排出路において測定した値である。表５の状況からも明らかなように、シュクロース水溶液は過冷却を起こすことなくその温度が凝固点である−１．６℃まで低下したが、当初の２０分間はシュクロース水溶液の温度及び濃度に殆ど変化はなかった。その理由は最初に形成させた氷結晶の層が厚く、その分だけ熱通過率が低くなって、冷媒による冷却効果が充分に発揮されなかったためと推察された。しかしその後は、シュクロース水溶液はその温度が凍結濃縮に伴う凝固点降下により順次低下し、６０分後に約１．３倍まで凍結濃縮されている。
【００２５】
【表５】
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【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る前進凍結濃縮法に用いる装置を略示する正面図。
【図２】図１と同じ装置を略示する平面図。
【図３】図１と同じ装置をその使用状態も含めて略示する部分拡大横断面図。
【符号の説明】
【００２７】
１〜２０  凍結濃縮器
１ａ      内管
１ｂ      外管
１ｃ      被濃縮液流路
１ｄ      冷媒流路
１ｅ      氷結晶の層
３１      循環ポンプ
３２      冷却器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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