(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理液が導入される容器と、該容器内部に導入された被処理液中から容器気相に向けて超音波を照射して該被処理液を霧化ならびに気化させるための少なくとも一つの超音波振動子と、該被処理液を冷却するための冷却手段と、該容器内もしくは容器外に設けた発生したミストおよび蒸気の回収手段とからなる低温分溜装置であって、キャビテーションを発生するしきい値以下の超音波を前記超音波振動子から照射するものであり、該被処理液がアルコールを含むものであり、該アルコールを含む被処理液の温度が０〜５℃である、低温分溜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却した被処理液に超音波を照射することを特徴とした、低温分溜装置およびそれを用いる酒類の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、分離・分画方法としては、蒸発を利用した蒸留塔や蒸発缶が多用されてきた。蒸発は、溶液中の沸点の違いを利用した、我々が使うことのできる最も代表的な分離・分画方法である。しかしこの方法は、次の二点において問題点を有していた。第一に、蒸発は本来溶液を構成する各成分を、一旦分子単位にまでバラバラにし、これを再び冷却するという操作であるため、非常に大きなエネルギーを必要とした。この時必要なエネルギーが即ち潜熱である。第二に、広く知られているように、エタノールと水のような溶液は共沸混合物と呼ばれ、エタノールが高濃度になった溶液では水との分離が非常に困難であった。この様な場合には塔を高くし段数を上げなければならないが、装置コストが大きくなる。
【０００３】
本発明のように、超音波を利用した分離方法も提案されている（特開平３−１４３５０１号〜特開平３−１４３５０５号）。しかし、これらの方法はいずれも超音波をスプレー式の噴霧器として利用しているだけで、噴霧に共する溶液の全てがミストとなるので、ミスト中の成分の比率と霧化される前の供給液の成分の比率は、なんら異なるものではない。これらの方法は、被濃縮液をミストにすることにより気液境界面積を大きくして、蒸発を効率的に行わせて、不蒸発成分の濃縮を行うものであった。
【０００４】
超音波を用いる噴霧器以外の濃縮方法も提案されているが（特開昭５６−１３８６４５号）、この濃縮法は、超音波を照射したことによって発生したミストを、別の容器に移し、そのミストに熱を加えることによって、ミスト中の溶媒を蒸発させて溶質を濃縮させるというものである。したがって、超音波を照射したことによって得られる効果は、ミストを得ることであって、超音波照射する容器内に濃縮液を得るものではない。また、濃縮の推進力は、あくまで熱を加えることによって得られているのであって、超音波の作用は気液界面の面積を増やすという効果のみであった。
【０００５】
また、ミクロ粒子の濃縮法（特開平５−１８４８４８号）として、粒径の異なる懸濁粒子および分散粒子を含有した液体を霧化装置によって霧化し、放出するミスト内にそれより小さな粒径の分子を包含させ、それより大きい粒径もしくは包含されにくい大きさの粒子を濃縮する装置が提案されている。しかし、該ミクロ粒子の濃縮法は、濃縮したい成分はいずれもミストの粒径に比して大きなものであって、あくまで被濃縮物の粒径を利用したものでしかない。したがって、ミストの径よりも圧倒的に小さな径を持つ低分子成分を分別することができることを示唆するものではない。特公平３−２３１４９号、特公平５−７１２２３号も知られている。これは、キャビテーションによりアルコールを気化させて、さらに液化回収するものである。しかし、この方法では、超音波振動を微弱にしたとしても、キャビテーションによりアルコールのみならず、水も気化させてしまい、回収液に水が混入してアルコール濃度が希薄になるという問題点があった。特に、超音波振動やキャビテーションの際に発生する熱によって液温が上昇すると、水が気化し易くなり、アルコールと水の分離能が低下して回収されるアルコール濃度が下がるという問題点があった。したがって、アルコールのみを選択的に、気化あるいは霧化させるためには、液体の温度を低く抑える手段を設ける必要がある。さらに超音波の出力をキャビテーションが生じないように設定する必要があった。特公平３−２３１４９号、特公平５−７１２２３号中にも記述されているように、キャビテーションが発生すると、アルコールが酸化されることにもなるが、キャビテーションの生じない条件では、酸化に対する対策は不要となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑み、キャビテーションの発生が起こらない条件下で超音波を用い、分離能を高く保つための冷却手段を設けた、所要エネルギーが小さく装置コストの低い効率的な分溜装置およびそれを用いた酒類の製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記目的を達成すべく、鋭意研究を重ねた結果、超音波振動子を備えた分溜装置を用い、被濃縮液中から気相に向けて超音波を照射し、被濃縮液を霧化および気化させ、ミストおよび蒸気を回収し、目的物質の成分を測定したところ、超音波処理液の残さ中の濃度が、気相側へ移行したミストおよび蒸気中の濃度と比べて著しく異なっていることを見いだした。さらに、この装置に供給する被処理液の温度を様々に変えて成分濃度を調べてみたところ、気相側と液相側の成分濃度の違いが低い温度に保ったときほど大きくなっていることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、
（１）被処理液が導入される容器と、該容器内部に導入された被処理液中から容器気相に向けて超音波を照射して該処理液を霧化ならびに気化させるための少なくとも一つの超音波振動子と、該被処理液を冷却するための冷却手段と、該容器内もしくは容器外に設けた発生したミストおよび蒸気の回収手段とからなる低温分溜装置、
（２）キャビテーションを発生するしきい値以下の超音波を前記超音波振動子から照射する（１）記載の低温分溜装置、
（３）前記被処理液がアルコールを含む（１）記載の低温分溜装置、
（４）前記アルコール溶液の温度が３０℃以下である（１）記載の低温分溜装置、
（５）前記被処理液が海水であり、発生したミストおよび蒸気の回収液中の塩分濃度を低下させる（１）記載の低温分溜装置、
（６）前記被処理液が石油を含む（１）記載の低温分溜装置、
（７）太陽電池を駆動用電力源として用いる（１）記載の低温分溜装置、
（８）（１）記載の装置を用い、清酒、ビール、ワインおよびその他のアルコール飲料を処理する酒類の製造方法、および、
（９）（１）記載の装置を用い、微生物菌体を含む発酵液あるいは微生物菌体を除いた後の発酵ろ液を処理する発酵液の処理方法、
を提供するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
既に述べたように、蒸発は、溶液中の沸点の違いを利用した、我々が使うことのできる最も代表的な分離・分画方法である。しかし、この方法は、次の二点において問題点を有している。第一に、蒸発は、本来溶液を構成する各成分を、一旦分子単位にまでバラバラにし、これを再び冷却するという操作であるため、非常に大きなエネルギーを必要とした。この時必要なエネルギーが即ち潜熱である。第二に、広く知られているように、エタノールと水のような溶液は共沸混合物と呼ばれ、エタノールが高濃度になった溶液では水との分離が非常に困難であった。
【００１０】
ところが本発明は、以下の理由により上記の問題を解決することができる。例えば、エタノールと水の混合溶液中では、分子レベルでエタノールと水は固有のクラスター構造を形成することが知られている。これは、エタノールのような親水基と疎水基を合わせ持つ両親媒性の物質が、水に溶けていることにより生ずるもので、水素結合を介して非常に大きな分子集団を形成することが知られてきている（西信之、最田優：化学と工業、第４７巻、第２号、１９９４年）。特にアルコール濃度が一定以上（アルコールと水の分子比が１対１０以上）になった場合、そのクラスターの大きさを質量分析装置で測定した時、質量数約３００までにはエタノールのポリマーのみが主として観察され、水分子はほとんど存在しない。一方、水分子は１０量体以上のエタノールと共に存在し、その質量数は５００を超えている。すなわち、エタノールはほぼ純粋な形で低分子のまま存在するのに対して、水は大きな集団として存在している。この時、比較的小さな超音波のエネルギーが与えられた場合、小さなエタノールのみが気相中に飛び出しやすくなっている訳である。
【００１１】
このことは、蒸発が全ての分子をバラバラにせねばならないエネルギーに比べて、著しく小さなエネルギーで分離を可能にすることの理由である。しかも、より純粋な形でエタノールを分離できる理由ともなっている。
【００１２】
さらに、この様な溶液の温度を低下させた場合、水分子はその水素結合をより強固にし、エタノールは水よりも凝固点がかなり低いので、低分子のエタノールのみのクラスターは、大きな水を含むクラスターと比べてより超音波のエネルギーによって運動エネルギーないし気化エネルギーが与えられやすい状態となっている。かくて、低温度において被処理液を超音波分溜すると、より純粋に分離を可能とするわけである。
【００１３】
加えて、ミストが発生する場合には、温度が低いほどそのミスト径が小さくなることが知られており、より粘度が低く、表面張力および密度が小さいエタノールがミスト中に多く含まれやすくなる。
【００１４】
また、低い温度で操作を行うので、食品や飲料の風味を損なうことなく分離を可能とする。低温でなければならない理由として、以下のごとき知見もある。通常、気化もしくは蒸発を促進させたいと考えるならば、温度を上昇せしめることが考えられる。ところが、上記のごとく、本発明の作用は温度が低いほど分離の効率が良い。このことは、本発明によって初めて明らかになったことであって、通念上の常識には反するものであった。さらに、冷却手段を持たない場合、超音波振動子を作動させ続けると、超音波の作用によって被処理液中の温度はしだいに上昇する。よって、分離効率が低下することとなる。以上のような理由から、分離効率を高めるには温度を低下せしめることが必要不可欠であることがわかった。
【００１５】
本発明低温分溜装置に用いる超音波照射手段としては、超音波振動子などが挙げられ、これらは、容器内に少なくとも一つ設け、被濃縮処理溶液中から容器気相へ向けて超音波照射できるように配置する。また、配置する振動子の出力および発振周波数は、濃縮の程度、装置の形状にもよるが、振動子１個当たり１０〜１００Ｗ程度、０.１ＭＨｚ以上が望ましい。かかる超音波としてはキャビテーションを発生するしきい値以下のもので十分である。
【００１６】
被処理液を冷却するための手段としては、恒温冷水循環器、投込み式冷却器等が挙げられ、ミストおよび蒸気の回収手段としては、ラシヒリングを充填した冷却カラム、回転型のファン、熱交換機、クーリングパイプ、プレートクーラー等が挙げられる。
【００１７】
本発明低温分溜装置における処理温度は、被処理液の性質にもよるが、３０℃以下、望ましくは０℃〜２０℃である。
【００１８】
本発明低温分溜装置に導入される被処理液としては、清酒、ビール、ワインおよびその他のアルコール飲料等のアルコール含有液体、海水、水道水、微生物菌体含有発酵液または微生物菌体除去後の醗酵ろ液、石油含有液体などが挙げられる。
【００１９】
したがって、本発明低温分溜装置を種々の目的に使用することができる。例えば、清酒、ビール、ワインおよびその他のアルコール飲料等を処理して酒類を製造することができる。また、微生物菌体含有発酵液または微生物菌体除去後の醗酵ろ液などを処理して目的成分を濃縮することもできる。海水を処理して塩分濃度を低下させることもできる。さらに、ガソリンを処理して目的成分の濃縮もしくは除去等を行うこともできる。
【００２０】
また、本発明低温分溜装置を駆動する動力源は電力が適当であるが、かかる電力を太陽電池により供給し、省エネルギー化を図ることもできる。
【００２１】
図１に、本発明の低温分溜装置の概略図の一例を示す。図１は、エタノール溶液などの被処理液を保管するタンク１と、被処理液を冷却するためのコイル２と、被処理液を超音波照射部４へ導入するための流路３、超音波振動子５と、超音波照射された液体が装置外へ出て行くための流路６、超音波照射後の残さを貯蔵するための貯留タンク７、超音波照射部４にて発生したエタノール蒸気およびミストを冷却するための冷却装置８および凝縮した高エタノール溶液を貯めていくための容器９から構成されている。冷却装置８と超音波照射部４は同一の容器内に納められている。冷却コイル２は、超音波振動子５から照射される超音波の進行経路を邪魔しないよう考慮されて設置されている。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これらの実施例は本発明を何ら限定するものではない。
実施例１
まず、本発明による装置の基礎的な能力を知るために、超音波照射することにより気相中へどれだけのエタノールが放出されるのかを知るために、次の実験を行った。
５リットル腕付きフラスコに様々な濃度のエタノール水溶液２リットルを入れ、２.３ＭＨｚ,２０Ｗの超音波を７６０ｍｍＨｇ下で１０、３０、５０℃の各温度で１０分間照射した。この時発生する蒸気およびミストを、コンプレッサーにより２ｋｇｆ／ｃｍ2の空気で強制的に大気中に放出させた。照射前後の液重量を電子天秤にて、エタノール濃度をオートサンプラー付きガスクロマトグラフィ(ＴＣＤ検出器)にて測定した。これらの値から、発生した蒸気およびミスト中のエタノール平均濃度を次のように求めた。分溜前のエタノール濃度をＰ1(Ｗｔ.％)、その時のエタノール溶液の重さをＷ1(ｇ)、分溜後のエタノール濃度をＰ2(Ｗｔ.％)、その時のエタノール溶液の重さをＷ2(ｇ)とすると、飛散したミスト中の平均アルコール濃度Ｐavg(Ｗｔ.％)は、
Ｐavg=(Ｐ1ｘＷ1−Ｐ2ｘＷ2)／(Ｗ1-Ｗ2)
として計算することができる。この結果を図示したものが図２である。エタノール／水系の７６０ｍｍＨｇ下での等圧気液平衡曲線（実線）と比べ、１５ｍｏｌ.％以上で、超音波分溜装置による分離の方が優れていた。また、温度が低いほどエタノール分離性能が向上し、１０℃、５０ｍｏｌ.％、においてほとんど１００ｍｏｌ.％のエタノールを分離した。２０℃においては、１０℃と３０℃の条件下での実験結果の中間の値を示した。エタノールと水は、共沸混合物と呼ばれ、従来の分離方法では非常に分離困難な混合物であった。本結果は温度が低いほど分離効率が良く、１００％のエタノールを効率よく得るためには被処理液を低温条件下におくことによって、非常に劇的な効果がもたらされることが判明した。エネルギー効率を計算した結果を図３に示すが、等圧気液平衡において必要とする蒸発潜熱（図３中実線）に比して４〜１０倍効率が良く、温度が高い程優れていた。しかし、３０℃あるいは５０℃の条件下では分離効率が低下するので、ある濃度のエタノール水溶液から１００％のエタノールを回収するために実際に必要とするエネルギーは、３０℃以下に温度を保った場合の方が優れていることとなる。このように、温度を低く保つことは必要不可欠のことである。すなわち、分離効率は分離能（図２）と分溜の回数で決まる。温度が上昇すると、確かに図３に示すように低いエネルギーでも分溜ができるが、分離能が低下する。したがって、１００％のアルコールを得るためには、作業回数を増やさなくてはならない。一回あたりのエネルギーは少ないが、分溜回数を増やさなければならないため、トータルのエネルギーは結局少なくできない。このように、低温条件下で分溜する方がより有利であることがわかる。これらの実験結果は、メガヘルツオーダーの超音波を照射することによって高い効率でエタノール水溶液からエタノールを分離できることを示唆していた。
【００２３】
実施例２
図１に示す装置を用いて、様々なアルコール濃度の清酒を処理し、被処理液中のエタノール濃度と容器９に得られる高アルコール清酒中のアルコール濃度の関係を調べてみたところ図２とほとんど同様の関係を得ることができることを確認した。またこの時、超音波処理することによって得られた、アルコールをかなり低下させた後の清酒を適当なアルコール濃度になるように割水し、当社の生酒とともにきき酒評価を行った。その結果、パネラー２４名中全員が低温超音波分溜装置によって処理された酒を選択した。また、この時同時に得られる高アルコール側の清酒を割水し、きき酒評価に供したところ、スピリッツ類に近いが極めてまろやかな清酒が得られたことがわかった。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の低温分溜装置を用いれば、容器内の液面下から気相に向かって超音波を照射することにより、極めて簡単に、効率よくエタノールやガソリンの分離、または海水からの水の分離を行うことができる。また、本発明低温分溜装置は所要エネルギーが少なく、装置コストも低いという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明低温超音波分溜装置の一具体例を示す図である。
【図２】  実施例１に示した実験を行ったときの、エタノール水溶液のモル濃度（横軸）に対する気相中に放出されたエタノールの平均モル濃度（縦軸）を示すグラフである。
【図３】実施例１に示した実験を行ったときの、１リットルのエタノール溶液を気化あるいは霧化させるために必要とするエネルギーを示している。横軸はエタノール水溶液のモル濃度を示している。実線は財団法人醗酵工業協会編、アルコールハンドブック１６８ページから引用した、７６０ｍｍＨｇ下での蒸留時の潜熱を示している。
【符号の説明】
１：被処理液を保管するタンク、２：冷却コイル、３：流路、４：超音波照射部、５：超音波振動子、６：流路、７：貯留タンク、８：冷却コイル、９：容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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