(57)【要約】【課題】  固液分離を目的とする旋回流型受容容器において、液体中の懸濁物質を容器底部の中央部に効率的に沈降堆積させる。【解決手段】  円筒形胴部と該円形胴部の壁部に沿って液体を導入するための流入口を有し、導入される液体に旋回流を与えることにより、液体中の懸濁物資を底面に沈積させることにより、液体と懸濁物質を分離する旋回流型受容容器において、底面中央部に円柱体を設けることを特徴とする。容器底部の中央部に円柱体を設置することにより、よりコンパクトな状態で沈降堆積させることができる。【選択図】  図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形胴部と該円形胴部の壁部に沿って液体を導入するための流入口を有し、導入される液体に旋回流を与えることにより、液体中の懸濁物質を底面に沈積させることにより、液体と懸濁物質を分離する旋回流型受容容器において、底面中央部に円柱体を設けたことを特徴とする旋回流型受容容器。
【請求項２】
円柱の長さは容器満量液深よりも短く、かつ容器満量液深に対して５％を越える長さを持つ請求項１に記載の旋回流型受容容器。
【請求項３】
旋回流型受容容器は、麦汁から蛋白質を含む不溶性物質を分離するためのワールプールである請求項１に記載の旋回流型受容容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶液中の固形物を沈殿させて分離するための旋回流型受容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体中の不溶性固形物を沈殿により分離する旋回流型受容容器は、例えば、ビール製造工程中において麦汁煮沸後に麦汁中の不溶性蛋白質等を沈殿させて除去するために用いられるワールプールがこれに該当する。ビールの製造は、粉砕麦芽を副原料と共に仕込んで生成した麦汁を濾過した後煮沸し、煮沸した麦汁をワールプールと称される旋回流型受容容器に導入して麦汁中の不溶性蛋白質等の固形物（トルーブ）を沈殿させ分離させることが行われる。このワールプールの従来技術として、例えば、特開昭６３−１４９７６号公報（特許文献１）に開示されており、円形の受容容器として構成された旋回流型受容容器に麦汁を接線方向に流入させるようにしたものである。図１はワールプールとしての旋回流型受容容器の概念図を示している。
旋回流型受容容器１は、全体として、円筒形胴部２と円錐型カバー部３と底部４とから構成される。胴部２には麦汁入口５が設けられ、この麦汁入口５は麦汁を円筒胴部２の側壁に沿って接線方向に導入するように設けられる。尚、底部４には麦汁の排出口６が設けられている。
【０００３】
従来、この旋回流型受容容器１による麦汁中の固形物の分離プロセスを明確に解析したものは存在せず、僅かにDenkらの「小スケールモデルによる流れの観察結果」報告（非特許文献１，２）、桂田らの「理論的モデルを用いたワールプールの効果的構造」に関する報告（非特許文献３）があるのみであるが、液体を受容容器の胴部に対して接線方向に導入することによって生じた容器内での回転流による遠心力と上下方向の対流との相互作用の結果、懸濁物質７が容器底部の中央部に沈降堆積していくものと考えられている。
【０００４】
本発明者らは、これまで、ビールの製造工程におけるワールプール操作においてトルーブの沈降集積が短時間且つクリアに実現できるように、ワールプール操作を固液分離プロセスの観点からワールプールの流れの挙動とトルーブの沈降集積についての解析を行ってきた。これまでの、検討結果によると、ワールプールの流れ挙動は麦汁の流入段階と流入を停止した段階とによって、以下の態様を示すと推察することができる。
【０００５】
（１）ポンプ稼働時（麦汁の流入時）の「円環状流れ」
装置内の上下及び内外周にそれぞれ円環状流れが形成される。トルーブはこの円環状流れの間にサークル状に沈降する。
【０００６】
ワールプールへの液の導入は槽に対して接線方向である（図２）。導入された液は容器壁に衝突し、図３のような衝突流へと変化し、旋回流を押しやる形で上下方向に広がる。
【０００７】
上下に分配された流れは進行方向に直進できないため、液面近傍あるいは底面近傍で槽の内側に巻き込まれ、結果として図４のように螺旋状の旋回流（円環状の流れ）が液の導入位置の上下に別々に生じる。この円環状流れはまず槽の外周部に形成され、次いで、この旋回流の持つ螺旋状の流れに相補する形で、それぞれの内側にも小さな旋回流れが形成される。内側に形成される旋回状流れのねじれの方向は外周のものとは逆向きである。図５は槽上下の旋回流のイメージを示すもので、図６はそれぞれの旋回流中のねじれ方向を示している。
【０００８】
このような旋回流が発生した場合のトルーブは旋回流れのねじれ方向に従って図７に示す太い矢印の方向に集積する。即ち、外周からは中心方向へ、槽中心からは逆に外周方向へ向かって集積する。これにより、ワールプール底面には図示のようにサークル状に沈積物が形成される。
（２）ポンプ停止直後の「遷移状態流れ」
ポンプ稼働中に加えられていた運動エネルギーが消失する過程で、次段階の固体的回転流れに移行するまでを遷移状態流れとして分類した。この間、惑星運動的渦が発生し、サークル状に堆積したトルーブを中心方向に押しやる。
【０００９】
ポンプによる流入が停止すると、系内の流れは内外周のエネルギー差を均等化しようと徐々にはたらき始め、この過程で運動エネルギー分散のため渦が局所的に発生する（図８，図９）。そして、エネルギーを系全体に分散し、消滅していく。この渦は、ワールプール内の外周部と内周部の角速度が異なる位置に発生する。この渦構造が発生してから消失するまでを便宜的に「遷移状態流れ」と称することとした。
【００１０】
なお、図９に示す惑星運動的渦は先の非特許文献１においても観察されているが、その発生理由についての考察は一切なされていない。
【００１１】
この遷移状態流れにおけるトルーブの集積沈降への影響は、麦芽流入中に沈降集積したサークル状懸濁物がこの惑星運動的渦によって巻き上がり、ワールプールの中心方向へ移動することを観察しているが、麦汁と沈殿物との密度差によっては異なる挙動を示すことも予想されるが、この遷移状態流れのトルーブ沈降集積への影響は小さくないものと考えられる。
（３）静止に向かう「固体的回転流れ」
固体的回転流れの特徴として、槽の中心に向かう渦と軸中心に発生する上昇流によって、トルーブは円錐状の沈降集積物を形成するに至る。
【００１２】
内外周のエネルギー差が均等化された後、ワールプール内の流れは、乱流構造の少ない「固体的回転流れ」となり旋回停止へと向かう。この過程においては、容器壁の抵抗などにより、旋回流の半径方向の速度分布は、
（i）中心から器壁に向かって大部分が固体的回転流れ
(ii) 器壁に近づくに従って（準）自由回転流れ
(iii) 器壁近傍は境界層流れ、
に分類することができる。
【００１３】
図１０は、理想的な「静止平板上の固体的回転流れ」が示す速度分布を示す。なお、図１０に示す「静止平板上の固体的回転流れ」については、非特許文献４にも開示されている。静止した平板上を旋回する流れは、平板近傍によって図示のような速度分布を生じる。即ち、平板との摩擦抵抗によって、底面近傍の流れは、
(i) 半径方向の速度分布は中心方向を向く。底面直近は小さく、底面よりある程度の高さで最大となる。さらに高い位置では底面の影響がなくなり、半径方向に速度分布を持たなくなる。
(ii) 軸方向速度分布は上向きとなる。この上昇流は気液表面付近まで維持されると考えられる。図においては上向きの速度分布は軸方向及び半径方向で一定のように示されているが、実際のワールプール操作ではこのような理想状態から多少のズレがあると推測される。
【００１４】
上述の流れの特徴により、底面近傍でのトルーブは、軸線を中心として渦を巻きながら集積し、軸付近の上昇流で円錐状の沈殿物が形成されるものと推察することができる。
【００１５】
以上により、ワールプール操作中のトルーブの動きは、麦汁流入時にサークル状に堆積した沈殿物は、遷移状態の流れによって一部中心方向に押しやられ、その後、固体的回転流れで中心に集積し、そして円錐状の集積物を形成するに至るものと推察することができる。
【特許文献１】特開昭６３−１４８９７６号公報
【非特許文献１】A.Durholt and V. Denk, “Der Einfluβ der Bodengeometrie auf die Whirlpool-stromung und die Ubertragbarkeit der Ergebnisse”, Monatsschrift fur Brauwissenschaft, Heft 10, pp. 400(1987)、図９.
【非特許文献２】A. Durholt and V. Denk, “Experiemental studies of flow dynamic in whirlpools”, Brauwelt International, No. 1 pp. 33(1988).
【非特許文献３】K. Katsurada, H. Yamano, K. Yokoyama, Y. Kakimi and Y. Otani, “The effective design of Whirlpool based on the theoretical model”, Proc. Conv. Inst. Brew. (Asia pacific Sect.).
【非特許文献４】H. Schlichting, “Boundary-Layer Theory 7th edition”, pp. 225, McGRAW-HILL, Inc. New York, 図１０.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、ビール製造工程におけるワールプールによるトルーブの分離工程において、分離工程を効率的に行うとともに、固液分離、即ち、麦汁からトルーブをできるだけクリアに除去することがビール製造工程の短縮とできあがるビールの品質の向上にとって望ましい。麦汁中のトループは、麦汁との比重差が小さいため、ワールプールのような旋回流型受容容器では、トルーブの分離、沈殿を効率良く、短時間に実施することは難しく、更なる改善が望まれている。このことは、ワールプールに限らず、固液の比重差の僅かな液体から不溶性固形物を分離し、コンパクトに沈殿集積させる旋回流型受容容器の有する課題である。
【００１７】
そこで、本発明の目的は固液の比重差の小さい液体から固形物を分離し、沈降集積を効率的に且つコンパクトに行うことのできる旋回流型受容容器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述のとおり、旋回流型受容容器の1つとしてのワールプールにおける流れの挙動と麦汁中のトルーブの沈降集積の現象を解析した結果、沈降トルーブがコーン状に形成されるにはワールプール底面近傍の「固体的流れによる渦の発生が重要な役割を担うという知見を得た。そして、これらの現象を考慮してトルーブの沈降集積をより効率的に行うことができるワールプールの構造について鋭意研究を重ねた結果、槽内底面に円柱を設置することにより懸濁物の沈降集積をよりコンパクトに行うことができるということに到達した。
【００１９】
本願発明は、円筒形胴部と該円形胴部の壁部に沿って液体を導入するための流入口を有し、導入される液体に旋回流を与えることにより、液体中の懸濁物資を底面に沈積させることにより、液体と懸濁物質を分離する旋回流型受容容器において、底面中央部に円柱体を設けたことを特徴とする。
【００２０】
また、円柱の長さは容器満量液深よりも短く、かつ容器満量液深に対して５％を越える長さを持つようにすることにより円柱体の装入の効果をより高めることができる。
【００２１】
本発明は、また、旋回流型受容容器は、麦汁から蛋白質を含む不溶性物質を分離するためのワールプールに適用することにより蛋白質を含む不溶性物質を効率的に且つよりクリアに分離することができ、ビールの品質向上に資することができる。
【発明の効果】
【００２２】
旋回流型受容容器の底面中央部に円柱体を設けることにより懸濁物の沈降堆積をより効率的に且つコンパクトな状態で達成することができる。
【００２３】
本発明の旋回流型受容容器をビール製造工程におけるワールプールに適用することにより、麦汁中の不溶性蛋白等を効率的に且つクリアな状態で分離することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００２５】
図１１は本発明の実施形態に係るワールプール１０を示す。ワールプール１０は基本的には図１に示した構造と同様なものであり、各構成部位については図１と同じ符号を使用して説明する。
【００２６】
ワールプール１０は、底面４の中央に円柱２０を設置している点で、図１のものと異なっている。図１２は円柱上部の流れを示し、図１３は、円柱２０を設置した場合の槽内の流れを示している。図１１に示すように、円柱が存在しない領域では、旋回する液は流れの抵抗となるものがないため、速度分布（Ａ）に示したように広い範囲で同一の角速度になる。一方、円柱が存在する領域では、図１２に示すように、円柱に接する旋回流れは、円柱壁面の抵抗によって壁面に近い領域で旋回速度が低下する（速度分布Ｂ）。このため、円柱の上方と円柱位置とでは旋回速度に差が生じ、結果的に、液は高速旋回流側へ吸い込まれる流れとなり（図１１，流れ線Ｃ参照）、結果的に槽中央を上昇し、円筒部２の壁面付近を下降する流れが旋回流の中に生じる。これにより、同一旋回流れ速度で円柱を装入する場合を装入しない場合と比較すると、円柱を装入した場合は、懸濁物は槽中央への集積がコンパクトになりやすくなる。
【００２７】
本発明の円柱を装入することにより円柱上方と円柱部との間に旋回流の速度差が生じ、この速度差により上下方向の流れを積極的に誘起させるものであるため、円柱の長さを考慮する必要がある。
【００２８】
以下は、本発明に従い、旋回流型受容容器を使用し、種々の円柱の径と長さについて変えて実施した模擬実験の結果を示す。
【００２９】
実験条件は以下のとおりである。
【００３０】
円柱９種：直径と長さ（槽の直径、満量液深に対する割合）
【００３１】
【表１】
2007061689.tif 000003
モデル容器：内寸  φ３９０ｍｍ×２００ｍｍＨ
モデル溶液：グリセロール溶液、液密度、１．０４２５
満量時液深：１５５ｍｍ
懸濁粒子：ポリスチレン系粒子（粒径４００〜８００μｍ，比重１．０４６）
流入流量：１．７４Ｌ／ｍｉｎ、流入ノズル径φ５ｍｍ
ノズル出口流速：１４８ｃｍ／ｓｅｃ，流速／容器半径比７．６
以下は液密度１．０４２５について行った実験結果を示す。
【００３２】
【表２】
2007061689.tif 000004
表２に示されるように、円柱を使用しない場合（3-a）、懸濁物の沈降結果は直径７から１０ｃｍの堆積物が形成され、直径が変動し、安定性が無い。一方、(3-ｂ) の直径２０ｍｍ，長さ１５０ｍｍの円柱を使用した場合には、満量時液深と円柱長さが殆ど一致しているため、ワールプール上下部に旋回流の速度分布の差が小さく、槽中央を上昇し、外壁付近を加工する流れは弱いが、上記円柱なしの場合と比較すると、沈殿物が中央にある程度集まっており、円柱設置の効果は多少なりとも現れている。
さらに、（3-c〜3-f）の直径２０ｍｍ、長さ100ｍｍ〜15ｍｍ（100mm.75mm，50mm,15mm）の各々の円柱を使用して測定を行なった場合には、沈殿物の直径は6.5-8.0ｃｍとなり、液中に懸濁する固形分がより集まり易くなっており、円柱を設けた効果が明確に現れている。また、円柱の長さを7.5mmと短くして測定を行なったところ（3-g）、沈殿物の直径が4-9.5ｃｍとバラツキを生じ安定性、再現性に乏しく、円柱の効果が現れなかった。
【００３３】
次に、円柱の直径（太さ）の違いについても検討した。その結果を表２の3-h〜3-jに示す。今回の調査結果においては、直径４０mm〜5mm（直径40mm，20mm,10mm，5mm）及び長さ75mmの各円柱を夫々ワールプール内に設置して評価を行なった。
【００３４】
その結果、今回の調査の範囲内では少なからず有効な効果を有することが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ワールプールの概略構成図である。
【図２】麦汁の導入方向を示す図である。
【図３】麦汁の衝突流を示す図である。
【図４】麦汁の旋回流を示す図である。
【図５】槽上下の旋回流を示す図である。
【図６】旋回流のねじれ方向を示す図である。
【図７】トルーブの集積方向を示す図である。
【図８】遷移状態における渦流の発生を示す図である。
【図９】惑星運動的な渦流を示す図である。
【図１０】固体的回転流れを示す図である。
【図１１】本発明によるワールプールを示す図である。
【図１２】円柱上部の速度分布を示す図である。
【図１３】円柱位置の速度分布を示す。
【符号の説明】
【００３６】
１、１０  受容容器（ワールプール）
２  円筒部
３  カバー部
４  底面
５  液流入口
６  液排出口
７  沈降物
２０  円柱
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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