(57)【要約】【課題】濃縮効率の向上（若しくは分離される溶媒の高純度化）が可能な凍結分離装置および凍結分離方法を提供する。【解決手段】凍結分離装置１Ａは、溶液Ｂ中から少なくとも一部の溶媒を凍結させて分離する装置であって、溶液Ｂに接する接触部材１２と、接触部材１２に振動を与える加振部１３と、接触部材１２を冷却することにより、接触部材１２と溶液Ｂとの境界近傍に位置する溶媒を凍結させる冷却部１４とを備える。凍結分離装置１Ａは、溶液Ｂ中から少なくとも一部の溶媒を分離することにより、溶液Ｂを濃縮するか、或いは溶媒の純度を高める。【選択図】図１
2017035649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液中から少なくとも一部の溶媒を凍結させて分離する装置であって、
前記溶液に接する接触部材と、
前記接触部材に振動を与える加振部と、
前記接触部材を冷却することにより、前記溶媒を部分的に凍結させる冷却部と、
を備えることを特徴とする、凍結分離装置。
【請求項２】
前記接触部材が前記溶液の液面から前記溶液中に浸漬されることを特徴とする、請求項１に記載の凍結分離装置。
【請求項３】
前記接触部材が管状を呈しており、前記冷却部が該管内に冷えた液体又は気体を送ることを特徴とする、請求項１または２に記載の凍結分離装置。
【請求項４】
前記接触部材が、前記溶液を収容する容器の一部を構成していることを特徴とする、請求項１に記載の凍結分離装置。
【請求項５】
溶液中から少なくとも一部の溶媒を凍結させて分離する方法であって、
前記溶液に接触部材を接触させた状態で、前記接触部材に振動を与えつつ、前記接触部材を冷却することにより前記溶媒を部分的に凍結させることを特徴とする、凍結分離方法。
【請求項６】
前記溶液中から前記少なくとも一部の溶媒を分離することにより前記溶液を濃縮することを特徴とする、請求項５に記載の凍結分離方法。
【請求項７】
前記溶液中から前記少なくとも一部の溶媒を分離することにより前記溶媒の純度を高めることを特徴とする、請求項５に記載の凍結分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凍結分離装置および凍結分離方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、凍結濃縮分離装置に関する技術が開示されている。この文献に記載された装置では、まず、溶剤を吸収した水が製氷機において凍結され、凝固点の違いから溶剤は凍結せず、水は凍結して、氷粒と濃縮水とに分離される。次に、氷粒及び濃縮水を保冷タンクに集積し、超音波を照射する。これにより、氷粒に取り込まれた気泡が取り除かれる。また、非特許文献１には、溶液に超音波を照射しながら、凍結濃縮分離を行う方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１４５１３７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】川崎健二、「超音波を用いた凍結濃縮分離法について」、愛媛大学工学部、第７９回応用化学科セミナー
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
産業界において、インスタントコーヒ一、各種ジュース、ビール、ワイン、乳製品といった液状食品を濃縮するために凍結濃縮技術が多く用いられている。凍結濃縮技術では、溶液を冷却して溶質濃度の低い凍結部分（例えば氷）を形成することにより、未凍結溶液中の溶質濃度を高めることができる。例えば、低温の部材を溶液に接触させることにより、該部材の表面近傍において溶媒を凍結させることができる。また、このような凍結濃縮技術は、高純度の溶媒を溶液から分離する際にも好適に用いられる。
【０００６】
従来の凍結濃縮技術では、凍結部分近傍の溶液中の溶質濃度が上昇することを防いで凍結部分の溶媒純度を高めるために、例えば溶液の撹枠や循環などが行われる。しかしながら、溶液の撹枠や循環を行っても、凍結部分の表面（凍結面）に位置する溶質は、溶液の粘性に因って殆ど移動しない。このことは、凍結部分の高純度化を妨げ、濃縮効率の低下（若しくは分離される溶媒の低純度化）の要因となる。
【０００７】
なお、非特許文献１に開示されているように超音波を溶液に照射する方式も存在するが、この方式は、時間と共に移動する凍結面に対して超音波を適切に照射するための振動子の位置調整が極めて難しく、産業界ではほとんど応用されていない。
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、濃縮効率の向上（若しくは分離される溶媒の高純度化）が可能な凍結分離装置および凍結分離方法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】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明による凍結分離装置は、溶液中から少なくとも一部の溶媒を凍結させて分離する装置であって、溶液に接する接触部材と、接触部材に振動を与える加振部と、接触部材を冷却することにより、溶媒を部分的に凍結させる冷却部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による凍結分離方法は、溶液中から少なくとも一部の溶媒を凍結させて分離する方法であって、溶液に接触部材を接触させた状態で、接触部材に振動を与えつつ、接触部材を冷却することにより溶媒を部分的に凍結させることを特徴とする。
【００１１】
上記の凍結分離装置および凍結分離方法によれば、接触部材との界面付近に生じる溶液の凍結部分の表面（凍結面）が、振動しながら非凍結部分と接する。これにより、凍結面近傍に存在する非凍結部分中の溶質が、凍結面から離れ易くなる。従って、撹拌や循環のみによる従来の方式と比較して、凍結面における溶質濃度を効果的に低下させながら凍結を進めることができるので、濃縮効率の向上（若しくは分離される溶媒の高純度化）が可能となる。
【００１２】
また、上記の凍結分離装置は、接触部材が溶液の液面から溶液中に浸漬されることを特徴としてもよい。これにより、簡便な凍結分離装置を提供することができる。
【００１３】
また、上記の凍結分離装置は、接触部材が管状を呈しており、冷却部が該管内に冷えた液体又は気体を送ることを特徴としてもよい。これにより、接触部材を簡易な構成によって冷却することができる。
【００１４】
また、上記の凍結分離装置は、接触部材が、溶液を収容する容器の一部を構成していることを特徴としてもよい。
【００１５】
また、上記の凍結分離方法は、溶液中から少なくとも一部の溶媒を分離することにより溶液を濃縮することを特徴としてもよい。これにより、濃縮効率が良い（すなわち分配係数が高い）凍結濃縮方法を提供することができる。或いは、上記の凍結分離方法は、溶液中から少なくとも一部の溶媒を分離することにより溶媒の純度を高めることを特徴としてもよい。これにより、溶液中から溶媒を高純度で抽出可能な方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、濃縮効率の向上（若しくは分離される溶媒の高純度化）が可能な凍結分離装置および凍結分離方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る凍結分離装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態の凍結分離装置を用いた凍結分離方法を示すフローチャートである。
【図３】図３は、従来の凍結分離方法を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態に係る凍結分離装置の構成を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の第３実施形態に係る凍結分離装置の構成を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の第４実施形態に係る凍結分離装置の構成を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の効果を確認するための一実施例の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら本発明による凍結分離装置および凍結分離方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る凍結分離装置１Ａの構成を示す断面図である。この凍結分離装置１Ａは、溶液Ｂの中から少なくとも一部の溶媒を凍結させて分離する装置である。凍結分離装置１Ａは、溶液Ｂから溶媒を分離することにより溶液Ｂを濃縮する装置として、或いは、溶液Ｂから溶媒を分離することにより溶媒の純度を高める装置として、用いられる。この凍結分離装置１Ａを濃縮装置として用いる場合、例えば食品分野におけるインスタントコーヒー、各種ジュース、ビール、ワイン、乳製品などの濃縮に好適に用いられる。或いは、生物学、医療・医学分野における分析の際の試料の濃縮にも好適に用いられる。
【００２０】
図１に示されるように、本実施形態の凍結分離装置１Ａは、溶液Ｂを収容する容器１１と、溶液Ｂに接触する接触部材１２と、接触部材１２に微小な機械的振動を与える加振部１３と、接触部材１２を冷却する冷却部１４とを備える。溶液Ｂは、例えば目的物質（溶質）の水溶液である。容器１１は、凍結分離装置１Ａが食品の製造に用いられる場合には、工場設備の一部として例えば直径数メートル〜数センチメートル程度の大きさを有し、凍結分離装置１Ａが試料の分析に用いられる場合には、研究室内の装置として例えば直径数センチメートル〜数ミリメートル程度の大きさを有する。
【００２１】
接触部材１２は外管内に内管が収容された２層の管状を呈しており、内管と外管は接触部材１２の端部で互いに連通している。接触部材１２は、溶液Ｂの液面Ｂ１から溶液Ｂ中に浸漬される。このとき、接触部材１２の長手方向は、溶液Ｂの深さ方向と一致する。
【００２２】
加振部１３は接触部材１２の溶液Ｂから露出した部分に取り付けられている。加振部１３は、例えばソレノイドコイルや電気モータなどの電磁力によって接触部材１２に振動を与えてもよく、凍結分離装置１Ａの外部から与えられる圧縮空気を用いた振動装置によって接触部材１２に振動を与えてもよく、或いは、ピエゾ素子や超音波発振子などの電子素子を用いて接触部材１２に振動を与えてもよい。接触部材１２の好適な振動周波数は例えば２０Ｈｚ〜１００ｋＨｚであり、より好ましくは例えば１００Ｈｚである。また、接触部材１２の好適な振幅は例えば０．１ｍｍ〜３０ｍｍであり、より好ましくは例えば１ｍｍである。接触部材１２の振動方向は、溶液Ｂとの接触面に対して垂直或いは水平など、様々な方向に設定され得る。
【００２３】
冷却部１４は、冷えた液体又は気体（図中の矢印Ｆ）を接触部材１２の内管（または外管）に送り込むことにより、接触部材１２を冷却する。この液体又は気体Ｆは、接触部材１２の外管（または内管）から接触部材１２の外部へ排出される。接触部材１２に送り込まれる液体又は気体Ｆとしては、例えばフロンガスやアルコールといった種々の液体又は気体を使用できる。フロンガスの場合、接触部材１２は金属製であることが望ましい。また、アルコールの場合、接触部材１２は例えばゴムなどの樹脂製であってもよい。この冷却部１４による接触部材１２の冷却によって、接触部材１２と溶液Ｂとの境界近傍に位置する溶媒が凍結し、凍結部分Ｂ２が形成される。
【００２４】
図２は、本実施形態の凍結分離装置１Ａを用いた凍結分離方法を示すフローチャートである。図２に示されるように、この凍結分離方法では、まず接触部材１２を溶液Ｂに浸漬させて、溶液Ｂに接触部材１２の表面を接触させる（工程Ｓ１１）。次に、その接触状態を保ちながら、加振部１３によって接触部材１２に振動を与え始める（工程Ｓ１２）。そして、冷却部１４によって接触部材１２の冷却を開始する（工程Ｓ１３）。これにより、接触部材１２の表面に溶媒の凍結部分Ｂ２が形成される。その後、凍結部分Ｂ２を接触部材１２とともに溶液Ｂから取り出す（工程Ｓ１４）。
【００２５】
以上に説明した、本実施形態による凍結分離装置１Ａおよび凍結分離方法によって得られる効果について、従来の方法と比較しながら説明する。図３は、従来の凍結分離方法を示す図である。従来の方法では、まず、溶質Ｂ３を含む溶液Ｂを容器１０１内に収容し（図３（ａ））、撹拌機１０２によって溶液Ｂを撹拌しながら容器１０１を冷却する。これにより、容器１０１に接触する部分から溶液Ｂが徐々に凍結し、凍結部分Ｂ２が形成される（図３（ｂ））。このとき、凍結部分Ｂ２における溶質Ｂ３の濃度が非凍結部分の溶質Ｂ３の濃度よりも低くなるので、非凍結部分の溶質Ｂ３の濃度は次第に高まる。最終的に、非凍結部分を取り出すことにより、溶液Ｂを濃縮することができる（図３（ｃ））。
【００２６】
しかしながら、このような従来の方法では、凍結部分Ｂ２の表面（凍結面）に位置する溶質Ｂ３が、溶液Ｂの粘性に因って殆ど移動しない。このことは、凍結部分Ｂ２における溶質Ｂ３の濃度上昇を招き、濃縮効率の低下の要因となる。
【００２７】
これに対し、本実施形態の凍結分離装置１Ａおよび凍結分離方法によれば、接触部材１２との界面付近に生じる凍結部分Ｂ２の表面（凍結面）が、振動しながら溶液Ｂの非凍結部分と接する。これにより、凍結面近傍に存在する非凍結部分中の溶質が、凍結面から離れ易くなる。従って、撹拌や循環のみによる従来の方式と比較して、凍結面における溶質濃度を効果的に低下させながら凍結を進めることができるので、濃縮効率の向上（若しくは分離される溶媒の高純度化）が可能となる。また、加振部１３としてピエゾ素子や超音波発振子などの電子素子を使用することができるので、モータ等により動作する撹拌機１０２を使用する従来技術と比較して消費電力を低減できる。また、非特許文献１に記載された装置と異なり、分離動作中における超音波振動子等の位置調整を必要としないので、簡易な操作でもって安定した凍結分離が可能となる。
【００２８】
また、本実施形態の凍結分離方法は、溶液Ｂから少なくとも一部の溶媒を分離することにより、溶液Ｂを濃縮することを特徴としてもよい。これにより、濃縮効率が良い（すなわち分配係数が高い）凍結濃縮方法を提供することができる。或いは、本実施形態の凍結分離方法は、溶液Ｂから少なくとも一部の溶媒を分離することにより、溶媒の純度を高めることを特徴としてもよい。これにより、溶液Ｂから溶媒を高純度で抽出可能な方法を提供することができる。
【００２９】
また、本実施形態のように、接触部材１２は、溶液Ｂの液面Ｂ１から溶液Ｂ中に浸漬されてもよい。これにより、例えば生物学、医療・医学分野における分析などの際に、簡便に用いることが可能な凍結分離装置１Ａを提供することができる。また、本実施形態のように、接触部材１２が管状を呈しており、冷却部１４が該管内に冷えた液体又は気体を送ってもよい。これにより、接触部材１２を簡易な構成によって冷却することができる。
【００３０】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る凍結分離装置１Ｂの構成を示す断面図である。この凍結分離装置１Ｂもまた、凍結分離装置１Ａと同様に、溶液Ｂの中から少なくとも一部の溶媒を凍結させて分離する。
【００３１】
図４に示されるように、本実施形態の凍結分離装置１Ｂは、溶液Ｂを収容する容器２１と、溶液Ｂに接触する板状の接触部材２２と、接触部材２２に振動を与える加振部２３と、接触部材２２を冷却する冷却部２４とを備える。第１実施形態と異なり、本実施形態では接触部材２２が円筒状の容器２１の底を塞いでおり、容器２１と共に溶液Ｂを収容する容器の一部を構成している。
【００３２】
また、本実施形態の加振部２３は、第１実施形態の加振部１３と同様の構成を有しても良い。図３には、加振部２３の一例として、ソレノイドコイル２３ｂ及び可動鉄芯２３ｃが示されている。ソレノイドコイル２３ｂの両端に交流電源２３ａから駆動電圧が印加されると、ソレノイドコイル２３ｂに電磁力が生じ、可動鉄芯２３ｃを振動させる。可動鉄芯２３ｃの一端は冷却部２４を介して接触部材２２に固定されており、可動鉄芯２３ｃの振動が接触部材２２に伝達される。
【００３３】
冷却部２４としては、板状の接触部材２２を冷却するために、例えばペルチェ素子といった熱電素子が用いられる。冷却部２４は、接触部材２２の裏面（すなわち溶液Ｂとの接触面とは反対側の面）と接触しており、与えられた電圧に応じて接触部材２２から熱を奪う。これにより、接触部材２２との接触面近傍に位置する溶媒が凍結し、凍結部分Ｂ２が形成される。
【００３４】
本実施形態の凍結分離装置１Ｂによれば、第１実施形態の凍結分離装置１Ａと同様の効果を奏することができる。すなわち、接触部材２２との界面付近に生じる凍結部分Ｂ２の表面（凍結面）が、振動しながら溶液Ｂの非凍結部分と接する。これにより、非凍結部分中の溶質が凍結面から離れ易くなるので、凍結面における溶質濃度が低下し、濃縮効率の向上（若しくは分離される溶媒の高純度化）が可能となる。
【００３５】
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態に係る凍結分離装置１Ｃの構成を示す断面図である。この凍結分離装置１Ｃもまた、凍結分離装置１Ａと同様に、溶液Ｂの中から少なくとも一部の溶媒を凍結させて分離する。図５に示されるように、本実施形態の凍結分離装置１Ｃは、第１実施形態の接触部材１２に代えて、接触部材３２を備える。本実施形態の接触部材３２は、一本の管状部材がＵ字状に屈曲された構成を有する。冷却部１４は、冷えた液体又は気体Ｆをその管状部材の一端に送り込む。液体又は気体Ｆは、管状部材の他端から排出される。なお、接触部材３２を除く他の構成については、第１実施形態と同様なので詳細な説明を省略する。
【００３６】
接触部材の構成は第１実施形態に限られず、例えば本実施形態の接触部材３２のように、種々の形態を取りうる。接触部材がどのような形態を有していても、加振部により振動が与えられ、また冷却部により冷却されることによって、第１実施形態の効果を好適に奏することができる。
【００３７】
（第４実施形態）
図６は、本発明の第４実施形態に係る凍結分離装置１Ｄの構成を示す断面図である。この凍結分離装置１Ｄもまた、凍結分離装置１Ａと同様に、溶液Ｂの中から少なくとも一部の溶媒を凍結させて分離する。図６に示されるように、本実施形態の凍結分離装置１Ｄは、第１実施形態の接触部材１２に代えて、接触部材４２を備える。この接触部材４２と、第１実施形態の接触部材１２との相違点は、溶液Ｂと接触する表面の形状である。すなわち、第１実施形態の接触部材１２の表面が平坦であったのに対し、本実施形態の接触部材４２の表面４２ａには、凹凸が繰り返し形成されている。これにより、凍結部分Ｂ２の表面（凍結面）もまた凹凸状となるので、接触部材４２の振動の際、凍結面近傍の溶質が凍結面から更に離れ易くなる。従って、第１実施形態の効果が更に顕著となる。
【００３８】
（実施例）
図７は、本発明の効果を確認するための一実施例の結果を示すグラフである。この実施例では、食紅（赤色１０２号）を溶解させた水溶液を溶液Ｂとした。そして、金属製の板状の接触部材に冷却部としてのペルチェ素子を貼り付け、加振部としてのソレノイドコイルに接触部材を固定した装置を用いて、溶液Ｂの凍結濃縮を行った。図７の横軸は分配係数、すなわち凍結部分Ｂ２の溶質濃度を非凍結部分の溶質濃度で除した値を示す。図７の縦軸はペルチェ素子への印加電圧を示す。図中のプロットＰ１は、ソレノイドコイルにより接触部材に周波数１００Ｈｚ、振幅１ｍｍの正弦波振動を与えた場合の結果を示す。プロットＰ２は、接触部材に振動を与えなかった場合の結果を示す。
【００３９】
図７のプロットＰ２に示されるように、接触部材に振動を印加せずに凍結分離を実施したときの分配係数は約０．７であった。これに対し、接触部材に振動を印加しながら凍結分離を実施したときの分配係数は約０．２であった。この結果から、接触部材を振動させることによって凍結部分Ｂ２の溶質濃度を大幅に低減できたことがわかる。
【００４０】
本発明による凍結分離装置および凍結分離方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の各要素を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。接触部材は、溶液に接する部材であればよく、様々な形状及び構造を有することができる。加振部は、接触部材に振動を与えうるものであれば、上述した例に限られない。冷却部は、接触部材を冷却しうるものであれば、上述した例に限られない。
【符号の説明】
【００４１】
１Ａ〜１Ｄ…凍結分離装置、１１，２１…容器、１２，２２，３２，４２…接触部材、１３，２３…加振部、１４，２４…冷却部、Ｂ…溶液、Ｂ１…液面、Ｂ２…凍結部分、Ｆ…液体又は気体。
【図１】
2017035649.tif 000003
【図２】
2017035649.tif 000004
【図３】
2017035649.tif 000005
【図４】
2017035649.tif 000006
【図５】
2017035649.tif 000007
【図６】
2017035649.tif 000008
【図７】
2017035649.tif 000009