(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンパク質成分を含む被加熱流体を管内に流し、管外より加熱して前記流体を加熱するに際し、下記一般式（１）
【数１】
0004463444.tif 000010
（上記式(1)中、τは流体が管内を流れるときに流体と管壁の間に発生する剪断力［Ｎ／ｍ2］であり、Ｒｅは流体のレイノルズ数であり、Ｆは単位時間、単位断面積あたりに流れる流体に含まれるタンパク質成分の質量を示す数値（質量フラックス）［ｋｇ／（ｍ2・ｓ）］である。）を満足する条件下に被加熱流体を加熱することを特徴とする流体の加熱方法。
【請求項２】
τ×Ｒｅ0.5／Ｆ1.75で示される値が５．０〜１０6であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
管内に流す流体に含まれるタンパク質成分が、微生物由来の成分である請求項１〜２のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
微生物が、大腸菌である請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液体の加熱方法に関するものである。より詳しくは、特に熱により変性しスケールを発生しやすい成分、例えばタンパク質成分を含む液体を加熱処理する際に、スケール発生を抑制することにより連続的な熱交換処理操作を可能とする方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液体状の食品や工業用品の殺菌、あるいは変性処理を行うための加熱処理装置には、熱交換器を用いた間接加熱手段や、水蒸気と液体とを直接接触させる直接加熱手段などがあり、通常これらを組み合わせることによって加熱処理は行われている。従来このうちの間接加熱手段を用いた熱処理方法としては、主にプレートヒータ式熱交換器や２重管式熱交換器が一般的に用いられている。
【０００３】
間接加熱手段の一つである２重管式熱交換器では、管内を通過する液体の線速が遅い場合や粘度が高い場合など層流である時、熱媒の通過する外筒側と接触する外層部と管内の中心部付近を流れる内層部間で入れ替わりがなく、外層部は常に高温にさらされるため、焦げ付きが発生しやすいという問題点がある。
【０００４】
このため例えば、特公平６−１５９５２号公報記載のように管内流路に固定式の撹拌羽を設置することによって、液体がここを通過することで撹拌されるようにし、各部を均等に熱交換することによって焦げ付きを防止する方法がある。
【０００５】
しかし加熱しようとする液体がタンパク質等の熱によって変性しやすく、かつ凝固を生じるような成分を含む場合、高温にさらされる管内の外層部に凝固したタンパク質の堆積（スケール）が発生し、伝熱効率を低下させる。またこの堆積物除去のために、定期的に洗浄作業を行う必要があり、連続運転性の大きな障害となり、生産性を上げることができない一つの原因となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明では、熱交換器により、タンパク質などの熱により変性しスケールを発生しやすい成分を含む液体の加熱処理を行う際に、スケールの発生を抑制し、長時間の連続熱処理運転が行えるような方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
（１）タンパク質成分を含む被加熱流体を管内に流し、管外より加熱して前記流体を加熱するに際し、下記一般式（１）
【数２】
0004463444.tif 000002
（上記式(1)中、τは流体が管内を流れるときに流体と管壁の間に発生する剪断力［Ｎ／ｍ2］であり、Ｒｅは流体のレイノルズ数であり、Ｆは単位時間、単位断面積あたりに流れる流体に含まれるタンパク質成分の質量を示す数値（質量フラックス）［ｋｇ／（ｍ2・ｓ）］である。）を満足する条件下に被加熱流体を加熱することを特徴とする流体の加熱方法、
（２） τ×Ｒｅ0.5／Ｆ1.75で示される値が５．０〜１０6であることを特徴とする前記（１）に記載の方法、
（３）管内に流す流体に含まれるタンパク質成分が、微生物由来の成分である前記（１）〜（２）のいずれかに記載の方法、
（４）微生物が、大腸菌である前記（３）に記載の方法、
である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明において、被加熱流体としてはとりわけタンパク質を含むような液体に好ましく適用される。タンパク質は熱により変性・凝固しやすく、管壁にスケールを発生することが多々あるからである。
タンパク質の濃度は特に制限されるものではないが、好ましくは０．０１〜２５重量％、より好ましくは０．１〜１５重量％の範囲である。
タンパク質成分を含む液体としては、例えば牛乳、卵、醤油、魚肉ペーストなどの食品、化粧クリーム等の工業用品を挙げることができる。
また、ニトリルヒドラターゼ等の工業的に有用な酵素触媒を産生する菌体を含む液体も挙げることができる。この菌体は、遺伝子組換えした大腸菌などの遺伝子組換え微生物でもよい。
【０００９】
熱処理の温度、時間は熱処理の目的により適宜設定することができ、特に制限されるものではないが、例えば４０℃〜６５℃、１時間〜０．１秒で行なうことができる。温度が低く、時間が短いほどスケールは発生しにくい傾向がある。
また、本発明の加熱に使用できる熱交換器としては、例えばシェルアンドチューブや２重管式、スパイラル式、蛇管式等が挙げられる。
【００１０】
本発明の被加熱流体の加熱は、τ×Ｒｅ0.5／Ｆ1.75 で示される値が５．０以上、好ましくは５．０〜１０10、特に好ましくは５．０〜１０6を満足する条件で加熱処理が行われる。
すなわち５．０以上であれば、加熱管壁にスケールが付着しにくくなる。上限は特に制限されるものではないが、流体中のタンパク質濃度を考慮すると１０10以下、より好ましくは１０6以下が実用的である。
【００１１】
前記式（１）において、τは被加熱流体が管内を流れるときに流体と管壁の間に発生する剪断力［Ｎ／ｍ2］であり、機械工学便覧（日本機械学会編）などの文献によれば、
層流（０＜Ｒｅ＜２６００）の場合、τ＝μ（ｄｖ／ｄｙ）であらわされ、
乱流（２６００＜Ｒｅ）の場合、
【数３】
0004463444.tif 000003
であらわされる。ここでμは流体の粘度［Ｐａ・ｓ］、ｖは管壁から距離ｙにおける流れ方向の速度［ｍ／ｓ］、ｄｖ／ｄｙはその点における流体の速度勾配、<ｕ>および<ｖ>は時間平均の変動速度成分である。
【００１２】
例えば流体が滑らかな円管内を層流で流れるものとすれば、管中心の流速をＳ［ｍ／ｓ］、中心から距離ｒにおける流速をｖ（ｒ）、管内半径をａとしたときに、
【数４】
0004463444.tif 000004
であらわされ、また管内の平均流速（線速）をｕ［ｍ／ｓ］、管径をｄ（＝２ａ）［ｍ］としたときに、Ｓ＝２ｕの関係があることなどから、管壁における剪断力τは、
【数５】
0004463444.tif 000005
であらわされる。Ｒｅは流体のレイノルズ数（ｄｕρ／μ）である。ここでρは流体の密度［ｋｇ／ｍ3］を示し、ｄ、ｕ、μは前記と同様である。
また、Ｆは単位時間、単位断面積あたりに流れる液体に含まれるタンパク質成分の質量を示す数値（質量フラックス）［ｋｇ／（ｍ2・ｓ）］である。
【００１３】
次に、τ×Ｒｅ0.5／Ｆ1.75 で示される値を上記範囲に制御する方法について説明する。
すなわちスケーリングを生じないための条件は、管壁に対する液体の剪断力を増し、流体の乱れを増加させ、かつ単位断面積あたりのタンパク質成分の流量を減らすことである。
粘度μや線速ｕを大きくし、または／さらに、管径ｄを小さくすることによって、剪断力を増すことができる。
管径ｄや線速ｕ、密度ρなどを大きくし、または／さらに、粘度μを小さくすることによって、流体の乱れを増加させることができる。
被加熱液体のタンパク質の濃度を少なくする、または／さらに、線速ｕを小さくすることによって単位時間、単位断面積あたりのタンパク質成分の流量を減らすことができる。
ただしこれらのパラメータはお互いに関連しあっており、例えば単純に剪断力τとＲｅを大きくするために線速ｕを大きくすると同時にＦも増加してしまうことに注意が必要である。
【００１４】
管径ｄ、密度ρ、粘度μ、線速ｕなどのパラメータはτＲｅ0.5／Ｆ1.75が５．０以上であれば特に制限されるものではないが、各々下記の範囲が好ましい。管径ｄは好ましくは0.005〜5ｍ、より好ましくは0.01〜1ｍである。
密度ρは好ましくは100〜3000ｋｇ／ｍ2、より好ましくは300〜1800ｋｇ／ｍ2である。
粘度μは好ましくは0.00005〜1000Ｐａ・ｓ 、より好ましくは0.0001〜100Ｐａ・ｓ である。
線速ｕは好ましくは0.0001〜50ｍ／ｓより好ましくは0.001〜20ｍ／ｓである。
【００１５】
滑らかな円管内を流れる層流の場合、式（１）をさらに分解すると、
【数６】
0004463444.tif 000006
となる。（μ：粘度、ｄ：管径、ｕ：線速、ρ：密度、ｗｔｆｒａｃ：液中のタンパク質濃度）
【００１６】
ここでさらに流量Ｑ＝１／４（πｄ2ｕρ）を代入してまとめると、
【数７】
0004463444.tif 000007
となる。（７．５３１≒８π0.25／４0.25）
【００１７】
通常流体を加熱する場合には、被加熱流体の粘度μや密度ρ、濃度ｗｔｆｒａｃは決まっており、また必要とする流量Ｑも決まっている場合が多いが、式（６）はこのような時に、管径によらずスケーリングの生じ易さが決まってしまうことを示す。
この時にスケーリングを抑制しようとするならば、式（１）の値を５．０以上にするため、管を複数本にして、１本あたりに流れる流量を減らすことで対応する必要があることがわかる。
【００１８】
【実施例】
温水バスを用意し、これらの中に伝熱管として内径φ６ｍｍ、外径φ８ｍｍのＳＵＳ管をつける。バスに入った伝熱管の長さは特に長い必要はなく、例えば１ｍでも十分であるが、今回は１０ｍのＳＵＳ管（内管側を磨いたもの）を蛇管状に巻いたものを用いた。
加熱用バス側の伝熱管の入り口にはポンプが取り付けられており、液体を任意の吐出流量で送ることができる。
温水バスにつけた伝熱管によって熱せられたプロセス液体は、バス内の伝熱管内を通り廃液容器に出されるが、液体のバスの入り口と出口の温度、およびバス内の温水温度が一定時間毎に測定される。測定された温度と流量から、総括伝熱係数Ｕが求められる。もし伝熱管内でスケールが発生すれば、Ｕ値は低下する。
【００１９】
同様の実験を別の管径（内径φ１０ｍｍ、外径φ１２ｍｍ）でも行った。またさらに、長さ１ｍで内径がφ３５．７ｍｍのものとφ２３ｍｍの２種類の管径の二重管（直管）を用い、外管側に熱媒を通し、内管側にプロセス流体を流すことで同様の実験を行った。
伝熱管内を流すプロセス液体としてはタンパク質成分を一定量含むもので、そのタンパク質成分の重量比および、液体の粘度、密度がわかっているものを用いる。
【００２０】
今回の実験では、液の希釈度の違いで表１に示す２種類の液体を用いて実験を行った。以下において、液体１とは純水中に大腸菌をタンパク質成分換算で２．２５重量％含む液体であり、同様に液体２とは純水中に大腸菌をタンパク質成分換算で０．４５重量％含む液体である。
【００２１】
【表１】
0004463444.tif 000008
【００２２】
上記表に示した液体１および液体２を用いて、管内径や流速を各々変化させて、熱処理の運転時間の経過ごとに熱媒および被熱処理液体の温度を測定し、単位時間あたりの総括伝熱係数Ｕの低下度ΔＵを測定した。
スケールの堆積による伝熱効率の低下は、総括伝熱係数Ｕの低下となってあらわれることから、ΔＵが負に大きいほどスケールが発生しやすいことを示す。なお、液体バスの温度はどの場合もおおよそ５０〜６０℃前後とした。結果を（表２）、図１に示す。
【００２３】
【表２】
0004463444.tif 000009
【００２４】
図１より、τ・Ｒｅ0.5／Ｆ1.75で示されるスケーリングパラメータが５．０より小さい場合はΔＵが負に大きく、時間とともにスケーリングが発生しているが、５．０以上ではΔＵがほぼ０となり、スケーリングがほとんど発生していないことがわかる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明による流体の加熱方法によれば、とりわけタンパク質を含む流体を加熱する場合においてもスケール発生を抑制することが可能となり、長期間安定に連続的な操作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スケーリングパラメータとΔＵの関係を示すグラフ
【図１】
0004463444.tif 000011