(57)【要約】  相接触及び化学反応を高めるための装置（１１）であって、少なくとも１つの第１の高乱流混合ステージ（１３）と、少なくとも１つの第２の高せん断応力及び高キャビテーションステージ（１５）と、を含み、前記ステージ（１３、１５）は、前記ステージ（１３、１５）を通過する多相流れに関わる相の相対滑り速度の増加を引き起こすように適合される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相接触及び化学反応を高めるための装置（１１）であって、
少なくとも１つの第１の高乱流混合ステージ（１３）と、
少なくとも１つの第２の高せん断応力及び高キャビテーションステージ（１５）と、を含み、
前記ステージ（１３、１５）は、前記ステージ（１３、１５）を通過する多相流れに関わる相の相対滑り速度の増加を引き起こすように適合される、
装置。
【請求項２】
複数の前記混合ステージ（１３）と、複数の前記高せん断応力及び高キャビテーションステージ（１５）と、を含み、
前記ステージ（１３、１５）は、直列で、互いに交互に配置され、したがって、前記多相流れは、前記ステージ（１３、１５）のそれぞれを通過する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の高乱流混合ステージ（１３）は、ステータ（２１）によって囲まれた混合チャンバ（１９）の内部で回転可能なロータ（１７）を含み、前記ロータ（１７）は、前記ロータ（１７）と一体である少なくとも１つの径方向ピン（２３）を含む、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの径方向ピン（２３）は、前記ピン（２３）の描く外周の直径が０．３〜０．９ｘＤの範囲であり、Ｄが前記混合チャンバ（１９）の直径であるような、長さの全体にわたって、前記ロータ（１７）のシャフト（３９）の回転軸から、径方向に延びる、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
少なくとも２つの前記ピン（２３）は、同じ混合ステージ（１３）に関連付けされ、前記ロータ（１７）の回転軸に垂直な同じ面上に配置される、請求項３又は４に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも２つの前記ピン（２３）は、同じ混合ステージ（１３）に関連付けされ、前記ロータ（１７）の回転軸に垂直な平行面上に配置される、請求項３又は４に記載の装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの第２のステージ（１５）は、ラジアル歯（３３）を具備するステータ（３１）によって囲まれたキャビテーションチャンバ（２９）の中に収容され、且つラジアル歯（２７）を具備するロータ（２５）を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記ロータ（２５）及び前記ステータ（３１）の前記歯（２７、３３）の対向面（３５、３７）は、放物線プロファイルを有する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記ロータ（２５）及び前記ステータ（３１）の前記歯（２７、３３）は、周方向の放物線プロファイル（２７ａ、３３ａ）を有し、前記歯（２７、３３）の前記放物線プロファイルは、前記ロータ（２５）の回転方向（Ｆ１）に対して前記歯（２７、３３）の後縁（２７ｂ、３３ｂ）にその頂点（Ｖｒ、Ｖｓ）が配置される放物線（Ｐｒ、Ｐｓ）の曲線に沿って、また、前記縁（２７ｂ、３３ｂ）を前記ロータ（２５）又は前記ステータ（２７）の中心（Ｃｒ）にそれぞれ連結する半径（Ｒｒ）に沿って、存在し、前記放物線（Ｐｒ、Ｐｓ）の焦点は、前記半径（Ｒｒ）上にも位置する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
各第１のステージ（１３）及び各第２のステージ（１５）は、共通の回転シャフト（３９）を有し、前記回転シャフト（３９）には、前記ピン（２３）と、ラジアル歯（２７）を具備する前記ロータ（２５）と、が関連付けされる、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記混合ステージ（１３）は、物質又は物質の混合物の流れを前記混合チャンバ（１９）の中に注入するように適合された注入ノズル（４９ａ、４９ｂ）を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの第１の混合ステージ（１３）は、前記多相流れをＲｅ＞５００，０００の高乱流レジメンに従わせるように適合される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの第２の高せん断応力及び高キャビテーションステージ（１５）は、前記多相流れを、キャビテーション数σ＜１によって特徴付けされるキャビテーションレジメンに従わせるように適合される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記ステータ歯（３３）は、前記ロータ歯（２７）の前記プロファイルと同一であり且つ前記ロータ歯（２７）の前記プロファイルの鏡像である放物線プロファイル（３３ａ）を有し、前記ステータ歯の前記プロファイル（３３ａ）は、前記ロータ（２５）の回転方向に対して前記ステータ歯（３３）の前記後縁（３３ｂ）にその頂点（Ｖｓ）が位置する放物線（Ｐｓ）の曲線に沿って、また、前記縁部（３３ｂ）を、前記ロータ（２５）の中心（Ｃｒ）と一致するステータ中心（Ｃｓ）に連結する半径（Ｒｓ）に沿って、存在し、前記放物線（Ｐｒ、Ｐｓ）の焦点は、前記半径（Ｒｓ）上にも位置する、請求項９に記載の装置。
【請求項１５】
前記ロータ歯（２７）及び／又は前記ステータ歯（２７）の前記プロファイルの前記放物線の式は、Ｙ＝０．００６２９７４Ｘ２である、請求項９又は１４に記載の装置。
【請求項１６】
ギャップ（５１）は、前記ロータ歯（２７）と前記ステータ歯（３３）との間に設けられ、前記ギャップは、前記ロータ及び前記ステータ歯（２７、３３）の前記後縁（２７ｂ、３３ｂ）が、前記ロータ（２５）及び前記ステータ（２７）の対応する半径（Ｃｒ、Ｃｓ）に沿って実質上整列しているとき、前記後縁（２７ｂ、３３ｂ）で最小である、請求項９、１４、又は１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記歯付きロータ（２５）は、５０〜５００ｍｍに及ぶ直径と、対応する歯付きロータ（２５）の直径の約０．０５〜２．５倍に及ぶ軸方向長さと、を有し、前記ロータ歯（２７）と前記ステータ歯（３３）との間の最小ギャップは、約０．２〜５．０ｍｍに及ぶ、請求項７から１１及び１４から１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記歯付きロータ（２５）は、１００〜３００ｍｍに及ぶ直径を有する、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記歯付きロータ（２５）の軸方向長さは、前記ロータの直径の０．１〜１．０倍に及ぶ、請求項７から１１及び１４から１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
前記ロータ歯（２７）と前記ステータ歯（３３）との間の前記最小ギャップは、０．５〜２．５ｍｍに及ぶ、請求項７から１１及び１４から１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
前記混合チャンバ（１９）及び前記キャビテーションチャンバ（２９）の内径は、約５０〜５００ｍｍに及び、前記高乱流混合ステージ（１３）の軸方向長さは、対応する混合チャンバ（１９）の内径の約０．１〜２．５倍に及ぶ、請求項３から６及び７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
前記混合チャンバ（１９）及び前記キャビテーションチャンバ（２９）の内径は、１００〜３００ｍｍに及ぶ、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記高乱流混合ステージ（１３）の軸方向長さは、前記混合チャンバ（１９）の内径の０．２５〜１．５倍に及ぶ、請求項２１又は２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記ロータ（１７）の回転速度は、５００〜５０００ｒｐｍに及ぶ、請求項３から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
前記ロータ（１７）の前記回転速度は、１０００〜３０００ｒｐｍに及ぶ、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記装置は、向流モードで動作し、
第１の物理的状態にある第１の物質の入口用の第１のポート（１６５）と第２の物理的状態にある第２の物質の出口用の第２のポート（１６７）とを具備する第１の高乱流混合ステージ（１３）と、
前記第２の物理的状態にある物質の入口用の第１のポート（１７３）と前記第１の物理的状態にある物質の出口用の第２のポート（１７５）とを具備する第２の高乱流混合ステージ（１３）と、を含む、請求項１から２５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２７】
前記装置は、等流モードで動作し、
第１の物理的状態にある第１の物質の入口用の第１のポート（１６５）と第２の物理的状態にある第２の物質の入口用の第２のポート（１６７）とを具備する第１の高乱流混合ステージ（１３）と、
前記第２の物理的状態にある物質の出口用の第１のポート（１７３）と前記第１の物理的状態にある物質の出口用の第２のポート（１７５）とを具備する第２の高乱流混合ステージ（１３）と、を含む、請求項１から２５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２８】
前記第１及び前記第２の物理的状態は、相互に異なる、請求項２６又は２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記第１及び前記第２の物理的状態は、相互に等しい、請求項２６又は２７に記載の装置。
【請求項３０】
前記第１及び第２の物理的状態は、液体状態、固体状態、及び、ガス状態を含む、請求項２６から２９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３１】
相接触及び化学反応を高めるための方法であって、多相流れを、少なくとも１つの第１の高乱流混合ステージ（１３）、並びに少なくとも１つの第２の高せん断応力及び高キャビテーションステージ（１５）に、従わせるステップを含み、前記ステージ（１３、１５）は、前記ステージ（１３、１５）を通過する多相流れに関わる前記相の相対滑り速度の増加を引き起こすように適合される、方法。
【請求項３２】
前記多相流れは、向流モードで異なった相を供給することによって得られる、請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相接触及び化学反応を高めるための装置及び方法に関する。より詳細には、本発明は、相接触、したがって、物質及び熱の輸送を高めるための、また、化学反応速度を高めるための装置及び方法に関する。様々な種類の相、特に、固液相、気液相、気液固相、及び、液液相が、本発明に係る装置及び方法に関係し得る。
【背景技術】
【０００２】
相接触に関連する動作では、プロパティ、例えば、物や熱、の移動のプロセスは、次の種の式によって主として決定される。
Ｆｐ＝ＡｘＫｘΔＣ
ここで、
Ｆｐ＝プロパティ（例えば、物、熱）の流れ；
Ａ＝相間面積；
Ｋ＝プロパティ交換係数；
ΔＣ＝スラスト力
である。
【０００３】
上の関係が明確に示していることは、所与のスラスト力ΔＣについてプロパティ移動を高める目的で、Ａ、即ち、相間面積、及び、Ｋ、即ち、プロパティ交換係数が、最大化されねばならないということである。相間面積及びプロパティ交換係数を増加可能にする公知の現象は、主として乱流、せん断応力、及びキャビテーションである。そういった現象は、関連する様々な相の相対滑り速度の大幅な増加を実際に引き起こす。
【０００４】
現在、気液相接触を高めるための最も効率的な装置は、エジェクタ気液接触器である。Ｏ３（オゾン）のガス流れを水と接触させるこのような装置を使用することによって、０．０２５〜０．０６２ｓ−１の範囲にある体積物移動係数（ｋＬａ）が得られる。
【０００５】
同じく、多相システムでは、反応する相の混合が最も効果的で、相間面積が大きいほど、化学反応が最も効果的に起こるということも知られている。更に、化学反応の反応速度がアレニウスの式によって主としてルール化されることが考慮に入れられる。
Ｋ＝ｋ０Ｅｘｐ［−Ｅａ／ＲＴ］
ここで、
Ｋ＝反応速度；
ｋ０＝事前指数因子（実験的に決定）；
Ｅａ＝活性化エネルギ（実験的に決定）；
Ｒ＝一般ガス定数；
Ｔ＝絶対温度
である。
【０００６】
次に、アレニウスの式は、マクスウェル・ボルツマン方程式に基づいており、平衡システムの分子エネルギＥの分布Ｆ（Ｅ）を説明している。
Ｆ（Ｅ）＝２（Ｅ／π）１／２（１／ｋＴ）３／２Ｅｘｐ［−Ｅ／ｋＴ］
ここで、ｋは、ボルツマン定数である。
【０００７】
ボルツマン方程式は、所与の温度で、それがどのぐらい低いかにかかわらず、分子エネルギが活性化エネルギを超える、即ち、Ｅ＞Ｅａである分子が存在して、それによって、衝突の場合に、化学反応が起こる、ということを明確に示している。アレニウスの式は、マクスウェル・ボルツマン方程式を積分することによって得られるので、反応速度Ｋは、活性化エネルギＥａと、温度Ｔと、に指数関数的に依存する。
【０００８】
したがって、上で述べられたことから、以下の考察が生じる。
・マクスウェル・ボルツマン方程式は、各反応に関して、低温でも反応する幾つかの分子（たとえその数が無視できる場合でも）が存在することを伴い、
・アレニウスの式の指数関数的性質は、１０℃単位の各増加で、反応速度が２倍（３倍、４倍、・・・）になることを伴う。
【０００９】
そういった考察から、従来の実務では、許容可能な化学反応速度を達成する方法は、所望の化学反応の活性化エネルギＥａに対応するレベルを超えるまで、Ｔを増加することから成る、という現実が起こる。その理由から、化学反応が現在行われている殆どの装置は、温度上昇と分子間の無作為衝突に基づいていて、分子は次には空間内の無作為移動によって決定される攪拌状態にある。
【００１０】
相接触及び化学反応を高めることのできる装置の例は、国際公開第２００５／０３９７４５号、国際公開第２０１３／１９１７１３号、国際公開第２０１６／００１４７６号、米国特許出願公開第２０１１／０１５１５２４号明細書、及び、米国特許出願公開第２０１４／０３６３８５５号明細書に開示されている。
【００１１】
依然として、従来のシステムで達成できる結果は、多くの用途で満足のいくものではなく、こうして、より良い結果とより高い性能を達成する装置及び方法の必要性は、強く感じられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の第１の目的は、従来技術の欠点や制限を克服してより高い性能の達成を可能にする、相接触を高めると共に化学反応を高めるための装置及び方法を提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、多種の用途に適して多くの産業の分野や用途における増加する要求を満たすことを可能にする、上記の種類の装置及び方法を提供することである。
【００１４】
本発明の最後ではない更なる目的は、産業上製造でき、限られた価格で実施できる、相接触を高めると共に化学反応を高めるための装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の及び他の目的は、本発明に関する本明細書に提供される技術的な教示の不可欠な部分である添付の特許請求の範囲で権利請求されているような装置及び方法によって達成される。
【００１６】
本発明に係る相接触及び化学反応を高めるための装置は、少なくとも１つの第１の高乱流混合ステージと、少なくとも１つの第２の高せん断応力及び高キャビテーションステージと、を主として含む。上記ステージは、上記ステージを通過する多相流れに含まれる相の相対滑り速度の増加を引き起こすように有利に適合される。本発明によれば、多相流れは、等流モード又は向流モードで形成することができる。
【００１７】
有利なことに、本発明によれば、各高乱流混合ステージと、各高せん断応力及び高キャビテーションステージは、ロータと、ロータを囲む対応するステータと、を含む。好ましくは、混合ステージのロータは、対応するステータによって画定されるチャンバの中心に位置する回転シャフトと、ロータを囲むステータによって画定されるチャンバ内に存在する物質に乱流運動を引き起こすように配置された少なくとも１つの径方向部材、例えば、径方向ピン又はペグと、を含む。更に好ましくは、高せん断応力及び高キャビテーションステージは、歯付き周囲面を具備するロータと、それぞれのロータの歯に対面する歯付き周囲面も具備する対応ステータと、を有する。
【００１８】
好ましくは、本発明によれば、高乱流混合ステージと、高せん断応力及び高キャビテーションステージと、の各ロータは、装置の全ステージを中心的に通過する同じロータシャフトに関連付けられる。
【００１９】
本発明の好適な実施形態では、装置に属する複数のステージのうちの最初及び最後のステージは、処理されるべき物質のそれぞれ入口及び出口のための少なくとも１つの対応するポートを具備する。
【００２０】
装置が向流モードで動作する本発明の特定の実施形態に従って、装置は、第１の物理的状態にある第１の物質の入口用の第１のポートと第２の物理的状態にある第２の物質の出口用の第２のポートとを具備する第１の高乱流混合ステージと、上記第２の物理的状態にある物質の入口用の第１のポートと上記第１の物理的状態にある物質の出口用の第２のポートとを具備する第２の高乱流混合ステージと、を含む。
【００２１】
装置が等流モードで動作する本発明の別の特定の実施形態に従って、装置は、第１の物理的状態にある第１の物質の入口用の第１のポートと第２の物理的状態にある第２の物質の入口用の第２のポートとを具備する第１の高乱流混合ステージと、上記第２の物理的状態にある物質の出口用の第１のポートと上記第１の物理的状態にある物質の出口用の第２のポートとを具備する第２の高乱流混合ステージと、を含む。
【００２２】
なお、本発明によれば、上記第１及び第２の物理的状態は、好ましくは相互に異なり、また、液体状態、固体状態、及び、ガス状態を含むことがある。
【００２３】
好ましくは、上記ポートを具備する上記２つの高乱流混合ステージは、高乱流混合ステージと高せん断応力及び高キャビテーションステージの交互に並んだ一連のものの両端に位置する。
【００２４】
更に好ましくは、上記ポートを具備する上記２つの高乱流混合ステージは、装置によって処理される物質が通過する最初及び最後のステージである。したがって、好ましくは、装置が向流モードで動作するとき、上記ポートを具備する上記２つの高乱流混合ステージは、それぞれ装置によって処理される、第１の上記物質が通過する最初及び最後のステージと第２の上記物質が通過する最後及び最初のステージとであり、これに対して、装置が等流モードで動作するとき、上記ポートを具備する上記２つの高乱流混合ステージは、装置によって処理される両物質が通過する最初及び最後のステージである。
【００２５】
本発明に係る相接触及び化学反応を高めるための方法は、好ましくは上の装置を利用し、そして、等流又は向流モードの多相流れを、少なくとも１つの第１の高乱流混合ステージ、並びに少なくとも１つの第２の高せん断応力及び高キャビテーションステージに、従わせることを含み、それによって、ステージを通過する上記多相流れに含まれる相の相対滑り速度の増加を引き起こす。
【００２６】
本発明の第１の利点は、多相流れのプロパティ移動プロセスを決定する３つの現象の組合せ作用から生じる。実際には、本発明に係る装置は、多相流れを、少なくとも１つの第１の高乱流混合ステージ、並びに少なくとも１つの第２の高せん断応力及び制御されたキャビテーションステージに、従わせることを提供する。
【００２７】
いずれにしても、多相流れに対する装置のステージの連続的作用のおかげで、本発明に係るマルチステージ装置は、相間面積を作り出して相混合を高めるのに特に効果的である。
【００２８】
例として、Ｏ３（オゾン）のガス流れを水と接触させることによって、約０．４５〜０．９５ｓ−１の範囲にある体積物移動係数（ｋＬａ）は、得られ、その結果、供給されるオゾンの９９質量％が液相に移動する。
【００２９】
本発明の特定の実施形態に従って、向流相接触が有益である場合、例えば、単一のストリッピング、抽出、浸出などの操作で起こるので、相は、向流モードで供給することができ、それによって、実ステージ数よりも遥かに高い平衡ステージ数を形成することが可能である。
【００３０】
例えば、本発明に従って作られて、２つの高せん断応力及び制御された高キャビテーションステージと交互に配置される２つの乱流混合ステージを含む装置の場合、固形植物マトリックスを一方向に、抽出液相を向流モードで、供給するとき、得られる抽出性能は、一連の１５を超える理論的な平衡ステージで到達可能な性能に相当する。
【００３１】
本発明によれば、抽出液相は、本発明に係る装置の動作がクロスフローレジメンにおいて有益である場合、高乱流混合ステージでステータ壁を通過するサイドノズルを通して供給することもできる。
【００３２】
なお、本発明によれば、気相は、例えば、「ガスアシスト抽出」、「ガスアシスト固液混合」、「ガスアシスト動作」、「ガスアシストキャビテーション」の場合に起こるように、その相が最良の結果を達成するのに有益である場合に、高乱流混合ステージの混合チャンバにつながるサイドノズルを通して供給することもできる。
【００３３】
いずれにしても、本発明によれば、装置を軸方向に通過する連続流れにオンデマンドで供給される反応物として作用することを目的とした気相又は液相は、気液反応器として又は気液固反応器としての用途の場合、サイドノズルを通して供給することもできる。
【００３４】
いずれにしても、本発明によれば、熱的な調整目的のための気相又は液相は、サイドノズルを通して供給することもでき、実行されている単一の操作にとって有益である。
【００３５】
本発明に係る装置は、以下で特徴付けされる反応体積内で化学反応を行う可能性を有利に与える。
・０．０５〜５ミクロンに及ぶことのある気泡サイズを有する連続的展開（０．１〜２．５マイクロ秒に及ぶ平均気泡寿命）の気泡クラスタであって、気泡温度が、内破の瞬間に最大１０００〜２０００°Ｋに上昇するが、反応体積内の流体の平均温度を上げることがなく、また、気泡圧力が、最大１０００〜２０００バールに上昇するが、反応体積内の平均圧力を上げることがない気泡クラスタ；
・１００〜７５０ｍ／ｓのオーダの、狭幅セクションにつながった、制御されたキャビテーションロータ−ステータ空洞に含まれる流体のための衝突速度を決定する領域であって、非常に高速の一方向流れを有する領域（放物線ステータ歯の放物線ロータ歯との重複から生じる狭幅セクション）。
【００３６】
本発明は、ステータ及びロータ歯に放物線プロファイルを備え付けさせ、放物線の式は、断面が間近に狭くなるにつれて、流線の採る曲率に出来る限り近付く。
【００３７】
有利なことに、放物線プロファイルを有する歯は、「分離領域」及び「縮流部」に関連するエネルギ消散（即ち、圧力降下）を最小限にするように、狭幅のセクションの近くの流体の流線の採る湾曲プロファイルに出来る限り近似する。
【００３８】
「分離領域」の形成と「縮流部」とに関連する消散は、表面生成の目標に、また、相対滑り速度の増加に、したがって、物や熱の移動係数の増加に、殆ど有益でない消散である。逆に、それらは、処理される流体の（不所望の）温度上昇、したがって、動作のエネルギ消費全体、に関係する限り、負の影響を有する消散である。
【００３９】
放物線プロファイルは、ステータ歯−ロータ歯の重複の最小ギャップの点で水平接線を有しなければならず、したがって、流体流れは、同じ沈降チャンバのラジアル面に直交する単一方向に非常に高速で次の沈降チャンバに入る。このような具合に、噴出する力は、単一の方向性の利点に対する方向ファンの拡散から防止され、それは化学反応やプロパティ（即ち、物や熱）の輸送などの分子の衝突に応じて、事象での発生の可能性を増やす。
【００４０】
実際には、ステータ歯−ロータ歯カップリングに続く各沈降チャンバでは、キャビテーション現象は、急激な拡張による圧力降下のせいで生起する。キャビテーションは、数マイクロ秒間活発である気泡のクラスタを連続的に生成し、その後、内破して、高温度／高圧力（個々の気泡内）や非常に高速のジェットを生成する。連続的に生成されるキャビテーションジェットは、放物線プロファイルを有するステータ歯／ロータ歯が重複する高せん断領域から生じる入射ジェットと連続的に衝突する。キャビテーション、せん断応力、及び、キャビテーションジェットと歯のカップリングによるジェットとの衝突は、相接触と化学反応を高めることをもたらす。
【００４１】
有利なことに、このような具合に、本発明に係る装置は、低温でさえ化学反応を得ることを可能にするが、そのような低温での反応は、従来のシステムを使用するとき、起こらないであろう。更に、いずれにしても、本発明に係る装置のおかげで、従来システムで化学反応の発生が始まって検出される温度で動作することによって、反応速度を１桁〜２桁増加させることが可能である。
【００４２】
そのような結果の達成を可能にする主要因は、高せん断応力及び制御されたキャビテーションステージ内のキャビテーテッド領域でのキャビテーションによって生成されたクラスタ内の個々の気泡内の温度及び圧力の増加と、高せん断応力及び制御されたキャビテーションステージのステータ歯／ロータ歯間の狭幅セクションで強く加速された流体の、キャビテーション気泡の内破から生じる非常に高速のマイクロジェットとの衝突に起因する高い分子衝突速度と、である。更に、高速流れ領域の一方向性は、上記の結果の達成を引き起こす更なる要因である。
【００４３】
反応速度の増加は、キャビテーション気泡の内破から生じるマイクロジェットと、ステータ歯とロータ歯との間の狭い高せん断応力セクションの一方向の流れ加速と、の組合せ作用から生じる非常に高速（典型的には、約１００〜７５０ｍ／ｓの範囲）の衝突を受ける分子が、運動成分Ｅ（ｖ）と熱成分Ｅ（Ｔ）とを加えることによって得られる包括的な分子エネルギ（活性化エネルギＥａを超える）を有する、という事実に依存する。
【００４４】
即ち、次の関係が当て嵌まる。
Ｅ（ｖ）＋Ｅ（Ｔ）≧Ｅａ
【００４５】
質量がそれぞれＭ１及びＭ２である２つの衝突分子を仮定すると、次のことが決定される。
Ｅ（ｖ）＝Ｍ１ｖ２／２＋Ｍ２ｖ２／２
次には、Ｍ１＝Ｍ２＝Ｍ（例えば、分解反応及び解離反応で何が起こるか）を仮定すると、
Ｍｖ２＋Ｅ（Ｔ）≧Ｅａ
それ故に、
ｖ＝［（Ｅａ−Ｅ（Ｔ））／Ｍ］１／２
低温で動作することによって、Ｅ（Ｔ）は無視できるようになり、したがって：
ｖ＝［Ｅａ／Ｍ］１／２
例えば、アンモニア解離反応を考慮すると：
２ＮＨ３⇔Ｎ２＋３Ｈ２
これは、４６．４ｋｊ／ｍｏｌを必要とする吸熱反応であり、また、活性化エネルギＥａ＝１９０ｋｊ／ｍｏｌによって特徴付けされ、反応を起こすために、ＮＨ３分子（Ｍ＝１７，０３１ｋｇ／ｍｏｌ）を次の速度で衝突させることで十分であるということが理解できる。
Ｖ＝［１９０，０００／１７．０３１］１／２≒１１０ｍ／ｓ
【００４６】
高せん断応力とキャビテーションの組合せ作用は、内破の段階中に気泡内にＴとＰのピークを生じさせるが、更には、本発明に係る装置を液相に対する微生物消毒の動作と、生物学的プロセスの終了時の酵素及び蛋白質の回復の動作と、に関して非常に高性能にする。
【００４７】
キャビテーション数は、次のように表現することができる。
σ＝（ｐｒ−ｐｖ）／（１／２ρｖ２）
ここで、
σ＝キャビテーション数；
ｐｒ＝基準圧力（Ｐａ）；
ｐｖ＝流体の蒸気圧（Ｐａ）；
ρ＝流体の密度（ｋｇ／ｍ３）；
ｖ＝流体の速度（ｍ／ｓ）
である。
【００４８】
キャビテーションは、キャビテーション数σが１より小さいか又は等しいときに起こる。
【００４９】
本発明によれば、約０．２〜０．３の範囲のキャビテーション数での動作によって、酵素及び蛋白質は、９０％より高い回収が達成できる。
【００５０】
要約すると、本発明に係る装置の、多相システムへの適用は、次の主要な利点を達成することを可能にする。
（ａ）より大きい相間面積とより高い交換係数のおかげによる、従来のシステムの反応速度を２桁超える大きさの反応速度での物質移動又は熱移動；
（ｂ）より大きい相間面積と、運動エネルギが、熱成分に対する絶対的な最も重要な役割を差し引くことによって、反応活性化エネルギの達成に著しい貢献を提供するという本発明による事実と、のおかげによる、従来のシステムに対して１〜２桁高い反応速度での、また、従来のシステムに対して著しく低めの温度での、化学反応。
【００５１】
本発明の幾つかの好適な実施形態は、添付の図面を参照して非限定の例として与えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る装置の好適な実施形態の部分断面斜視図である。
【図２Ａ】図１に示された装置のステージの断面図である。
【図２Ｂ】ノズルがはっきりと見えるように置かれている図１に示された装置のステージの断面図である。
【図３Ａ】図１に示された装置の高せん断応力及び高キャビテーションステージのロータ歯及びステータ歯の概略図である。
【図３Ｂ】ロータの概略平面図である。
【図３Ｃ】図３Ｂに示された歯の拡大図である。
【図４Ａ】３つの高せん断応力及び高キャビテーションステージを備えた本発明に係る装置の部分断面後部斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示された装置の部分断面前部平面図である。
【図４Ｃ】図４Ａに示された装置の部分断面前部斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
全ての図面において、同一の参照番号は、等しいか又は機能的に等価な構成要素を示すために使用される。
【００５４】
図１〜３を参照すると、本発明に係る装置は、全体的に参照符号１１によって示されている。例証された装置１１は、本発明の好適な実施形態に従って作られており、相接触及び化学反応を高めるための複数の直列に配置されたステージを主として含む。より具体的には、装置１１は、高せん断応力及び高キャビテーションステージ１５と交互に配置される高乱流混合ステージ１３を含む。以下の説明からより明らかになるであろうように、装置１１のステージ１３、１５は、上記ステージ１３、１５を通過する多相流れを、関連する相の相対滑り速度の増加に従わせるように適合される。
【００５５】
例証された実施形態では、３つの高乱流混合ステージ１３は、全体的に設けられ、２つの高せん断応力及び高キャビテーションステージは、全体的に設けられる。他の実施形態は、少なくとも１つの高乱流混合ステージ１３と、少なくとも１つの高せん断応力及び高キャビテーションステージ１５を含むことが可能である。
【００５６】
いずれにせよ、例証された好適な実施形態を参照すると、ステージ１３は、ステータ２１によって囲まれた混合チャンバ１９内で回転可能なロータ１７を含む。更に、本発明によれば、ロータ１７は、混合チャンバ１９内で回転する上記ロータ１７と一体の少なくとも１つの径方向ピン２３を含む。上記ピン２３は、ロータ１７のシャフト３９の回転軸から半径方向に、好ましくは、ピン２３によって描かれる外周の直径が０．３×Ｄ〜０．９×Ｄ（Ｄは混合チャンバ１９の直径）の範囲にあるような長さ全体に延びる。例証された実施形態では、４つのピン２３は、各混合ステージ１３に設けられるが、任意の数のピンを備えた実施形態が想定され得る。更に、同じ混合ステージ１３に関連付けされたピン２３は、例証された実施形態におけるように、ロータ１７の回転軸に垂直な同じ平面上、又は、平行な平面上に配置されることがある。更に、例証された実施形態では、混合ステージ１３は、実質上同一であり、全く同じ数のピン２３を有する。しかしながら、本発明によれば、相互に異なった混合ステージ１３を備える実施形態が想定され得て、加えて、ピン２３の数は、異なったステージでは異なる。例証された実施形態では、ピン２３は、縦方向のピン軸の全体にわたって実質上一定の円形断面を有するが、円形状とは異なった断面形状、例えば、長円や他の形状を備えたピン、或いは、縦方向の軸に沿って断面が変化するピンは、可能的に設けられる場合がある。好ましくは、本発明によれば、混合ステージ１３は、多相流れをレイノルズ数（Ｒｅ）＞５００，０００の高乱流レジメンに従わせるように適合される。
【００５７】
ステージ１５は、ラジアル歯３３を具備するステータ３１によって囲まれたキャビテーションチャンバ２９の中に収容された、ラジアル歯２７を具備するロータ２５を含む。好ましくは、ロータ２５のラジアル歯２７とステータ３１のラジアル歯３３の数は、同じである。更に、本発明によれば、ロータ２５及びステータ３１の歯２７、３３の対向面３５、３７は、それぞれ周方向の放物線プロファイルを有する。
【００５８】
図３Ｂ及び３Ｃからより良く理解できるように、ロータ歯２７は、周方向の放物線プロファイル２７ａを有する。本発明によれば、歯２７のプロファイル２７ａは、ロータ２５の回転方向（矢印Ｆ１）に対して歯２７の後縁２７ｂにその頂点Ｖｒが位置する放物線Ｐｒの曲線に沿って、また、上記縁２７ｂをロータ２５の中心Ｃｒに連結する半径Ｒｒに沿って、存在する。放物線Ｐｒの焦点もまた、上記半径Ｒｒ上に存在する。
【００５９】
相応して、特に、図３Ｂ及び３Ｃから理解できるように、ステータ歯３３は、好ましくは、歯２７のプロファイルと同一であり且つ歯２７のプロファイルの鏡像である放物線プロファイル３３ａを有する。より正確には、本発明によれば、歯３３のプロファイル３３ａは、ロータ２５の回転方向に対してステータ歯３３の後縁３３ｂにその頂点Ｖｓが位置する放物線Ｐｓの曲線に沿って、また、上記縁３３ｂをロータ２５の中心Ｃｒと一致するステータ中心Ｃｓに連結する半径Ｒｓに沿って、存在する。放物線Ｐｓの焦点もまた、上記半径Ｒｓ上に存在する。
【００６０】
本発明の好適な実施形態では、ロータ歯及び／又はステータ歯のプロファイルの放物線の式は、Ｙ＝０．００６２９７４Ｘ２である。
【００６１】
ロータ歯２７とステータ歯３３との間のギャップ５１は、歯２７、３３の縁２７ｂ、３３ｂが、対応するロータ及びステータの半径Ｒｒ、Ｒｓに沿って実質上整列しているとき、歯２７、３３の縁２７ｂ、３３ｂで最小である。
【００６２】
本発明によれば、ロータ１７及びロータ２５は、共通の回転シャフト３９と一体である。好ましくは、シャフト３９は、支持フレーム４３に着実に関連付けされる電気モータ４１によって回転するようにされている。
【００６３】
例証された実施形態では、混合ステージ１３は、入口ポート４５ａ及び出口ポート４５ｂを有し、どちらも対応する混合チャンバ１９に開いている。ポート４５ａ及び４５ｂは、物質や物質の混合物をチャンバ１９の中に又は外に輸送するためのダクト４７ａ、４７ｂに関連付けされる。
【００６４】
更に、混合ステージ１３は、物質又は物質の混合物を混合チャンバ１９の中に注入するように適合された注入ノズル４９ａ、４９ｂを具備する場合がある。少なくとも１つの注入ノズル４９ａ、４９ｂは、各混合ステージ１３に設けられる場合があり、更に、１つ又は複数の混合ステージ１３は、ノズルを欠く場合がある。例証された例では、２つの連続するステージ１３が対応するノズル４９ａ、４９ｂを具備することが仮定される。
【００６５】
本発明に係る装置１１の非限定の例示的な実施形態は、
・約５０〜５００ｍｍ、好ましくは、約１００〜３００ｍｍに及ぶ歯付きロータ２５の直径、
・約０．２〜５．０ｍｍ、好ましくは、約０．５〜２．５ｍｍに及ぶロータ歯２７とステータ歯３３との間の最小ギャップ、
・ロータ２５の直径の約０．０５〜２．５倍に及び、好ましくは、ロータ２５の直径の約０．１〜１．０倍に及ぶ、歯付きロータ２５の軸方向長さ、
・約５０〜５００ｍｍに及び、好ましくは、約１００〜３００ｍｍに及ぶ、混合チャンバ１９及びキャビテーションチャンバ２９の内径、
・対応する混合チャンバ１９の内径の約０．１〜２．５倍に及び、好ましくは、チャンバ１９の内径の約０．２５〜１．５倍に及ぶ、高乱流混合ステージ１３の軸方向長さ、
・５００〜５０００ｒｐｍ、好ましくは、１０００〜３０００ｒｐｍに及ぶ回転速度を有する。
【００６６】
図４Ａ、４Ｂ及び４Ｃを参照すると、本発明の好適な実施形態に従った装置１１１が示されており、３つの高せん断応力及び高キャビテーションステージ１５と交互に配置される４つの混合ステージ１３を含む。装置１１１の例証された実施形態は、向流作用のために構成される。図４Ｃの矢印Ｆ２は、ステージ１３、１５における液相の一般的な流れ方向を示し、矢印Ｆ３は、固相の一般的な流れ方向を示す。
【００６７】
装置１１１は、新鮮な固体マトリックスのための入口ホッパ１６１を装備する。例証された構成は、ホッパ１６１の下流において、ホッパ１６１の中に導入された固体マトリックスの材料を、モータ４１に対して近位の第１の混合ステージ１３に、移動させるように適合されたモータ駆動式の圧搾デバイス１６３を含む。圧搾デバイス１６３は、例えば、電気モータ１６３ａによって駆動される円錐ねじ又は円錐オーガを含む場合がある。圧搾デバイス１６３は、ステータ２１に設けられたポート１６５を介して、近位の第１の混合ステージ１３と連通する。更に、第２のポート１６７は、近位混合ステージ１３からの液相の出口のために、最初の近位混合ステージ１３に設けられる。上記第２のポート１６７は、液相と共に固相がポート１６７を通して近位混合ステージ１３から排出されるのを防ぐためのグリッド１６７ａを好ましくは装備する。ポート１６７は、液相排出のためにダクト１６９と連通し、例えば、上記ダクト１６９の下流に位置する収集タンクと連通する。
【００６８】
例証された好適であるが排他的ではない実施形態では、固相入口用の入口ポート１６５及び液相出口用の出口ポート１６７は、それぞれ装置１１１の上側部分及び下側部分に正反対に位置しており、そのとき後者は、作動構成にある。
【００６９】
いずれにせよ、例証された実施形態を参照すると、近位混合ステージ１３は、ロータ１７から半径方向に延びる一対の平行アーム１７１ａ、１７１ｂを用いてロータ１７に固定式に連結された回転可能なブレード１７１を更に含む。ブレード１７１の目的は、排出ダクト１６９からステージ１３を分離するグリッド１６７ａが、固体材料の蓄積のせいで詰まるようになるのを防ぐことであり、それはダクト１６９を通る液相の排出を防ぐであろう。ブレード１７１は、上記グリッド１６７ａをフリーに保持するが、それは主として近位ステージ１３に存在する混合液固物質に分与された周方向の渦運動のおかげである。
【００７０】
本発明によれば、装置１１１が向流作用のために構成されている例証された実施形態では、近位混合ステージ１３から排出される液相物質の量は、排出ダクトを同じ近位混合ステージ１３から分離するグリッドを通して排出される固相物質の量に対して支配的である。
【００７１】
例証された構成では、電気モータ４１に対して遠位の混合ステージ１３は、液相入口用の第１のポート１７３と、固相排出用の第２のポート１７５と、を具備する。例証された実施形態では、ポート１７３及び１７５は、それぞれ装置１１１の上側部分及び下側部分に正反対に位置しており、そのとき後者は、作動構成にある。
【００７２】
液相、例えば、水を供給するためのダクト１７７は、ポート１７３の上流に設けられる。例えば、ダクト１７７は、ポート１７３の上流で、適切なタンクから来る液体物質を送達する回路に連結されることがある。いずれにせよ、例証された好適であるが排他的ではない実施形態を参照して、スクリュプレス１７９は、遠位混合ステージ１３から排出された物質に包含される固相及び液相を分離するように適合されており、ポート１７５の下流に設けられる。スクリュプレス１７９は、排出された固相又は固体マトリックスの排出用の第１のポート１７９ａと、液相出口用の第２のポート１７９ｂと、を有する。本発明によれば、装置１１１が向流作用のために構成されている例証された実施形態では、遠位混合ステージ１３から排出される固相物質の量は、同じ遠位混合ステージ１３から排出される液相物質の量に対して支配的である。
【００７３】
好ましくは、装置１１１は、スクリュプレス１７９からポート１７９ｂを通して排出された残留液相を回収するための再循環ポンプ１８１を装備する。上記ポンプ１８１は、液相をスクリュプレス１７９からポンプ１８１まで搬送するために、その上流側で、スクリュプレス１７９に、第１のダクト１８３ａを通して、連結され、また、液相を遠位混合ステージ１３の方に搬送するために、その下流側で、パイプティー１７７ａを用いて、供給ダクト１７７に、第２のダクト１８３ｂを通して、連結される。
【００７４】
以下、本発明に従って作製される装置１１の幾つかの用途例が与えられるであろう。
【実施例１】
【００７５】
本発明に係る装置は、残留バイオマスから低コストで糖を得る方法で麦を前処理するために使用された。
【００７６】
最近１０年間で、化石燃料を置き換えるための実用的な代替物を特定する目的で、バイオ燃料及びリファイナリ中間体のリグノセルロースバイオマスを変換するためのプロセスへの関心がかなり存在していた。第２世代のバイオ燃料と第２世代のバイオリファイナリの概念は、残留バイオマスの分野に属する原材料から出発すること、及び、そこから糖（Ｃ５及びＣ６、即ち、５つ又は６つの炭素原子）の流れを得ることを提供する。なお、植物の細胞壁の構造的複雑さは、同じバイオマスに化学的又は生物学的攻撃に対する高い抵抗力を作り出す。異なった前処理プロセス（異なった温度及び圧力レベルでの異なった化学的アプローチによる）は、化学的又は生物学的攻撃に対する植物的抵抗性を低減するために存在する。そういったプロセスの中で、希釈酸性溶液での前処理は、セルラーゼ型酵素による酵素攻撃に対してバイオマスを利用可能にするために、最も効果的なプロセスとして現在認識されている。これに関連して、動作条件の所与の厳密さについて、前処理が実行される反応器又は装置の種類は、前処理された材料のプロパティ、したがって、その後の酵素加水分解の性能にかなりの影響を有する。これは、相間面積生成能力、及び細孔の全体サイズ及び包括体積の増加の観点から、したがって、バイオマスの細胞壁の破壊能力の観点から、反応器又は装置の特有性によるものである。
【００７７】
「蒸気爆発」は、一般的な植物基質（ヘミセルロース、セルロース、及びリグニン）を形成する３つのフラクションの分離を、環境の観点から、より容易に、厳しくないものにする公知の熱水処理である。方法は、連続又は不連続の反応器でバイオマスを急速に加熱するために高圧飽和蒸気を使用することから構成されている。材料は、短い期間（１〜１０分）の間、所望の温度（１８０〜２３０℃）に保たれ、その間、ヘミセルロースは、加水分解され、可溶性にされる。この期間の終わりに、圧力は、急速に大気圧に戻され、それによって、バイオマスを更にほぐす爆発的な減圧が得られる。
【００７８】
以下の特徴（重量％）を有する麦わらの希釈酸性溶液での前処理の場合において、本発明に係る装置と、「蒸気爆発」のための装置とで達成可能な結果が比較された。
湿気含有量      １０％
セルロース      ３８．２％
ヘミセルロース  ２４．１％
リグニン        ７．３％
蛋白質          ３．４％
灰分            ７％
【００７９】
従来技術装置では、以下の動作条件が採用された。Ｌ／Ｓ比＝１０、温度＝１５０℃、時間＝６分、酸濃度＝２重量％Ｈ２ＳＯ４、Ｌ／Ｓは、液相流量と固相流量の比である。
【００８０】
温度が３０℃であったことを除いて、同じ動作条件が本発明に係る装置のために採用された。採用された装置は、次の特徴を更に有していた。
・乱流混合チャンバの数：２；
・ロータ−ステータステージの数：２（放物線プロファイルを備えた歯を有するロータ及びステータ要素）；
・ステータの内径：１９５ｍｍ；
・ロータ−ステータギャップ：１ｍｍ（第１のステージ）及び０．７５ｍｍ（第２のステージ）；
・回転速度：２１００ｒｐｍ
【００８１】
その後に、前処理されたバイオマスの標本は、セルラーゼ型酵素複合体を使用することによって酵素消化方法に供され（ｐＨ＝５で、更に、１２０ｒｐｓで攪拌される容器内で、グルカンセルロース１グラム当たり、Ｇｅｎｅｎｃｏ／Ｄａｎｉｓｃｏによって製造された酵素ＧＣ２２０が１８ｍｇの濃度で）、セルロース基質の変換対時間の図がプロットされた。
【表１】
2020507470.tif 000003
【表２】
2020507470.tif 000004
【実施例２】
【００８２】
この第２の適用例では、本発明に係る装置は、高度に汚染された生乳の細菌不活化の処理のために使用された。採用された装置は、次の特徴を有していた（混合チャンバの番号付けは、処理されるべき相の進行方向を指す）。
・乱流混合チャンバの数：２；
・ロータ−ステータステージの数：２（放物線プロファイルを備えた歯を有するロータ及びステータ要素）；
・混合チャンバの直径：２０６ｍｍ（Ｄ）；
・混合チャンバの軸方向長さ：７０ｍｍ（即ち、０．２９ｘＤ）；
・第１の混合チャンバのピン：シャフトが回転するときに前方スラストを有する螺旋を形成するように平行面に配置された４つのピン。径方向サイズ５９．７５ｍｍを有するピン、即ち、回転中にピンの描く円周が０．５８ｘＤであるようなサイズ；
・第２の混合チャンバのピン：シャフトが回転するときに前方スラストを有する螺旋を形成するように平行面に配置された６つのピン。径方向サイズ５９．７５ｍｍを有するピン、即ち、回転中にピンの描く円周が０．５８ｘＤであるようなサイズ；
・ステータの内径：１９５ｍｍ；
・ロータ−ステータギャップ（即ち、最小ロータ−ステータスパン）：１ｍｍ（第１のステージ）及び０．７５ｍｍ（第２のステージ）；
・ロータ及びステータの軸方向長さ：４０ｍｍ；
・回転速度：１５００ｒｐｍ；
・モータ駆動：据付け動力１５ｋＷを有する３相電気モータ。
【００８３】
高い細菌汚染の生牛乳の標本は、次の特徴を有していた。
脂肪      ６．６％ｖ／ｖ
蛋白質    ４．０％ｗ／ｗ
乳糖      ３．７％ｗ／ｗ
総固形分  １７．２５％ｗ／ｗ
ｐＨ      ６．３６
灰分      ０．８３％ｗ／ｗ
また、次の微生物学的内容物を有していた。
中温菌好気性細菌（ＴＣ）の総数  ６．３５ｌｏｇ  ｃｆｕ／ｍｌ
細菌内生胞子（ＢＥ）            ２．６２ｌｏｇ  ｃｆｕ／ｍｌ
乳酸菌（ＬＡＢ）                ５．０４ｌｏｇ  ｃｆｕ／ｍｌ
大腸菌群（ＣＦ）                ３．３６ｌｏｇ  ｃｆｕ／ｍｌ
大腸菌（ＥＣ）                  １．８９ｌｏｇ  ｃｆｕ／ｍｌ
黄色ブドウ球菌（ＳＡ）          ２．３４ｌｏｇ  ｃｆｕ／ｍｌ
【００８４】
装置の上流での方法のセットアップ乃至開始ステップは、処理されるべき液相（特定のケースでは、上の特徴を備えた汚染ミルク）用のタンクと、流量調整弁が連結された送達ライン上のミルクを装置に供給するための遠心ポンプと、流量メータ又はフロート流量計（Ａｓａｍｅｔｒｏ（登録商標）の種類）と、を含んでいた。処理済みミルク用の出口ラインは、装置の下流に設けられ、そのラインは、サンプリング弁を装備しており、その後には、処理済みミルクをミルク収集タンク又は再循環ライン（装置を数回通過するのを内包する処理のケースにおいて）のどちらかに方向付けるための三方弁が続いた。プレート交換器（冷却流体に関する限り向流モードで冷水が供給される：入口温度２℃及び出口温度７℃）は、再循環ライン上に位置し、また、各通過の終わりに装置への供給点のために設定された１０℃の温度にミルクを戻すように適合された。
【００８５】
３種類の処理が、実行された。
（ａ）装置を１回通過（装置内の永続時間：１５秒；処理開始温度：１０℃；処理終了温度：１５℃）；
（ｂ）連続する通過の間に中間冷却をしながら装置を５回通過（装置内の永続時間：１５秒／通過、合計７５秒；処理開始温度：１０℃；処理終了温度：１５℃）；
（ｃ）第１の混合チャンバ内にＣＯ２注入して、装置を１回通過（装置内の永続時間：１５秒；処理開始温度：１０℃；処理終了温度：１５℃；ＣＯ２投与量：２０ｇ／ｌ）。
【００８６】
説明される全ての処理では、装置に供給される液相（即ち、汚染されたミルク）の流量は、１５リットル／分であった。
【００８７】
処理終了時での細菌含有量が測定された（ｌｏｇ  ｃｆｕ／ｍｌで表現された値）：
【表３】
2020507470.tif 000005
【００８８】
装置（ＣＯ２注入の支援が有っても無くても）の細菌不活化処理における有効性は、こうして確認された。
【実施例３】
【００８９】
この例では、本発明に係る装置は、抽出器として採用された。
【００９０】
採用された装置は、次の特徴を有していた。
・乱流混合チャンバの数：３
・ロータ−ステータステージの数：２（放物線プロファイルを備えた歯を有するロータ及びステータ要素）；
・高せん断応力及び高キャビテーションステージと交互に配置される乱流混合チャンバ；
・ステータの内径：１９５ｍｍ；
・ロータ−ステータギャップ１ｍｍ（第１のステージ）及び０．７５ｍｍ（第２のステージ）；
・回転速度：２０００ｒｐｍ。
【００９１】
エキストラバージンオリーブオイルを用いてトマトの皮からのカロチン（主にリコピン）の抽出が、実行された。
【００９２】
採用されたエキストラバージンオリーブオイル（ＥＶＯＯ）は、次の特徴を有していた。
密度（２０℃）          ９１０ｋｇ／ｍ３
粘度（２０℃）          ８２ｃＰ
一価不飽和脂肪含有量    ７１．７％ｗ／ｗ
多価不飽和脂肪含有量    １５．５％ｗ／ｗ
遊離酸度                ０．２２１％
過酸化物指数            ３．９０５ｍｅｑ  Ｏ２／ｋｇ
総カロチン              ３ｍｇ／ｋｇ（そのうちの０ｍｇ／ｋｇのリコピン）
【００９３】
処理されているトマトの皮は、次の特徴を有していた。
形態            フレーク
サイズ          １〜３ｍｍ
湿気            １０％ｗ／ｗ
リコピン含有量  １１４０ｍｇ／ｋｇ
【００９４】
２種類の処理が、実行された。
（ａ）比率１：５ｗ／ｗのトマトの皮とＥＶＯＯとの等流供給で、装置を１回通過（装置内の永続時間：５秒；処理開始温度：２５℃；処理終了温度：２８℃）；
（ｂ）比率１：５ｗ／ｗのトマトの皮とＥＶＯＯとの向流供給で、装置を１回通過（装置内の永続時間：５秒；処理開始温度：２５℃；処理終了温度：２８℃）。
【００９５】
総カロチン及びリコピンの含有量は、抽出処理の終了時に得られた濃縮ＥＶＯＯを基に評価された（値はｌｏｇ  ｍｇ／Ｋｇで表される）。
【表４】
2020507470.tif 000006
【００９６】
本発明に係る装置の抽出器としての有効性、とりわけ、多重ステージの抽出器性能を得る可能性は、固相と抽出する液相が向流モードで供給される場合に証明された。
【実施例４】
【００９７】
この例では、本発明に係る装置は、抽出器として採用された。
【００９８】
採用された装置は、次の特徴を有していた。
・乱流混合チャンバの数：４；
・ロータ−ステータステージの数：３（放物線プロファイルを備えた歯を有するロータ及びステータ要素）；
・高せん断応力及び高キャビテーションステージと交互に配置される乱流混合チャンバ；
・混合チャンバの直径：２０６ｍｍ；
・混合チャンバの軸方向長さ：７０ｍｍ；
・第１の混合チャンバのピン：シャフトが回転するときに前方スラストを有する螺旋を形成するように平行面に配置された６つのピン。径方向サイズ７５ｍｍを有するピン、即ち、回転中にピンの描く円周が０．７３ｘＤ（Ｄは混合チャンバの直径）であるようなサイズ；
・第２の混合チャンバのピン：シャフトが回転するときに前方スラストを有する螺旋を形成するように平行面に配置された６つのピン。径方向サイズ７５ｍｍを有するピン、即ち、回転中にピンの描く円周が０．７３ｘＤであるようなサイズ；
・第３の混合チャンバのピン：シャフトが回転するときに前方スラストを有する螺旋を形成するように平行面に配置された６つのピン。径方向サイズ７５ｍｍを有するピン、即ち、回転中にピンの描く円周が０．７３ｘＤであるようなサイズ；
・第４の混合チャンバのピン：シャフトが回転するときに前方スラストを有する螺旋を形成するように平行面に配置された４つのピン。径方向サイズ５９．７５ｍｍを有するピン、即ち、回転中にピンの描く円周が０．５８ｘＤであるようなサイズ；
・ステータの内径：１９５ｍｍ；
・最小ロータ−ステータギャップ：２．５ｍｍ（第１のステージ）、１．２５ｍｍ（第２のステージ）及び０．７５ｍｍ（第３のステージ）；
・ロータ及びステータの軸方向長さ：３５ｍｍ；
・回転速度：２２５０ｒｐｍ；
・モータ駆動：据付け動力２２ｋＷを有する３相電気モータ。
装置は、等流モード及び向流モードで動作した。
・等流モード：オーガフィーダを用いて固相を第１の混合チャンバに供給することにより、また、流量が経時的に一定である蠕動容積式ポンプを用いて液相を第１の混合チャンバに同じく供給することにより；最終懸濁液を最後の混合チャンバ（即ち、第４の混合チャンバ）から抽出し、次いで、それを、デカンテーションを用いて液固分離させ、それに最終プレスが続くことによる。その後に、ディスク遠心機での遠心分離と、絶対保持度５０ミクロンのポリエステルバグフィルタでのフィルタ濾過と、が液相で実行され、次いで、抽出された液相の脱水が、「ｒｏｔｏｖａｐｏｒ」の種類の真空蒸発器を用いて実行され、それに真空キャビネット乾燥機が続き、それによって、粉末形式の乾燥抽出物が得られた。
・向流モード：オーガフィーダを用いて固相を第１の混合チャンバに供給することにより、また、流量が経時的に一定である蠕動容積式ポンプを用いて、抽出している液相を第４の混合チャンバに供給することにより；第４の混合チャンバで圧搾された液相の再循環を伴うオーガ抽出‐圧搾器を用いて第４の混合チャンバからの排出された固相を抽出することにより、メッシュスパンは、０．５ｘ０．５ｍｍサイズを有し、液相を外に出し、固相を保持するように適合されたメッシュグリッドであって、上記グリッドは、機械シャフトに適合されたブレードによって動かされる液相流の乱流を用いて清潔に維持され、ブレードの描く円周は、０．９ｘＤの直径を有する、メッシュグリッドが上に置かれるチューブを通して第１の混合チャンバから抽出された液相を抽出することによる。抽出された液相は、ディスク型遠心分離機で遠心分離され、絶対保持度５０ミクロンのポリエステルバグフィルタでフィルタ濾過され、「ｒｏｔｏｖａｐｏｒ」の種類の真空蒸発器によって、脱水させられ、それに真空キャビネット乾燥機が続き、それによって、粉末形式の乾燥抽出物が得られた。
【００９９】
水を抽出液相として使用することによって、オリーブの木の葉（固相）からのポリフェノール（主にオレウロペイン）の抽出は実行された。
【０１００】
ＴＵＲＢＥＸ抽出器に供給された水は、次の特徴を有していた。
ｐＨ                    ７．７
１８０℃での固定残留物  １４３ｍｇ／ｌ
硬度                    ２１°Ｆ
２０℃での導電率        ３６２マイクロジーメンス／ｃｍ
温度                    ２５℃
【０１０１】
固相として供給されたオリーブの木の葉は、次の特徴を有していた。
形態                                      フレーク
サイズ                                    １〜２ｍｍ
湿気                                      １０％ｗ／ｗ
オレウロペイン含有量                      ７６ｇ／ｋｇ
オレウロペイン以外の水抽出性物質の含有量  ５１２ｇ／ｋｇ
温度                                      ５℃
【０１０２】
２つの種類の処理の動作条件は、次の通りである。
・等流モード：比率１：７ｗ／ｗのオリーブの木の葉と水との等流供給［液相（水）流量７００ｋｇ／ｈ−固相（オリーブの木の葉）流量１００ｋｇ／ｈ］で、装置を１回通過（装置内の永続時間：３６秒；処理開始温度：２５℃；処理終了温度：３０℃）。
・向流モード：比率１：７ｗ／ｗのオリーブの木の葉と水との向流供給［液相（水）流量７００ｋｇ／ｈ−固相（オリーブの木の葉）流量１００ｋｇ／ｈ］で、装置を１回通過（装置内の永続時間：３６秒；処理開始温度：２５℃；処理終了温度：３０℃）、。
【０１０３】
得られた固体抽出物は、重み付けされ、固体抽出物中のオレウロペイン含有量は、ＨＰＬＣ（高速液体クロマトグラフィ）技術により分析され、オレウロペイン抽出収率は、計算された。
【０１０４】
等流処理の結果：
得られた総固体抽出物の量：    ３０５ｇ／ｋｇ
そのうちで
オレウロペイン含有量：        １６．７％ｗ／ｗ（５０．９ｇに対応）
他の抽出性物質の含有量：      ８３．３％ｗ／ｗ（２５４．１ｇに対応）
オレウロペイン抽出収率：      ５０．９／７６＝６７％ｗ／ｗ
他の抽出性物質の抽出収率：    ２５４．１／５１２＝４９．６％ｗ／ｗ
【０１０５】
向流処理の結果：
得られた総固体抽出物の量：    ３７５ｇ／ｋｇ
そのうちで
オレウロペイン含有量：        ２０．０５％ｗ／ｗ（７５．２ｇに対応）
他の抽出性物質の含有量：      ７９．９５％ｗ／ｗ（２９９．８ｇに対応）
オレウロペイン抽出収率：      ７５．２／７６＝９８．９％ｗ／ｗ
他の抽出性物質の抽出収率：    ２９９．８／５１２＝５８．６％ｗ／ｗ
【０１０６】
本発明のこの第４の例示的な実施形態で開示される装置で得られる結果は、抽出器としての装置の有効性を、とりわけ、固相と抽出する液相が向流モードで供給される場合の多重ステージの抽出器性能を得る可能性を、証明する。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明に係る装置は、幾つかの産業分野で、例えば、抽出器、ミキサ、ホモジナイザ、反応器、バイオリファイナリ及びバイオ燃料施設のためのバイオマス前処理装置として有利な用途を発見する。
【０１０８】
本装置は、ＮＨ３の除去を得ると共にＣＯＤ除去用の先進酸化技術の性能を高める目的で、例えば、１次水及び２次水の処理の分野におけるストリッパ及び反応器として使用される場合がある。更に、本発明に係る装置は、パラキシレンをテレフタル酸に酸化するための反応器として、また、ポリエステルを重合するための反応器として、使用される場合があり、運動成分を用いて主として又は排他的に反応活性化エネルギを達成するのを可能にし、結果的に、従来の実務におけるよりも低めの温度で反応を導いて、更に、勿論、相間面積の生成及びプロパティ輸送係数を高めることのおかげで、反応時間の劇的な減少を達成し、その結果、投資や運転費用の節約になる。
【０１０９】
説明されて示されたような本発明は、同じ発明の原理に存する幾つかの代替例や変更例を経ることができる。
【図１】
2020507470.tif 000007
【図２Ａ】
2020507470.tif 000008
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年10月9日(2019.10.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相接触及び化学反応を高めるための装置（１１）であって、
少なくとも１つの第１の高乱流混合ステージ（１３）と、
少なくとも１つの第２の高せん断応力及び高キャビテーションステージ（１５）と、を含み、
前記ステージ（１３、１５）は、前記ステージ（１３、１５）を通過する多相流れに関わる相の相対滑り速度の増加を引き起こすように適合され、
前記第１の高乱流混合ステージ（１３）は、ステータ（２１）によって囲まれた混合チャンバ（１９）の内部で回転可能なロータ（１７）を含み、前記ロータ（１７）は、前記ロータ（１７）と一体である少なくとも１つの径方向ピン（２３）を含み、
前記少なくとも１つの径方向ピン（２３）は、前記ピン（２３）の描く外周の直径が０．３〜０．９ｘＤの範囲であり、Ｄが前記混合チャンバ（１９）の直径であるような、長さの全体にわたって、前記ロータ（１７）のシャフト（３９）の回転軸から、径方向に延び、
前記少なくとも１つの第１の混合ステージ（１３）は、前記多相流れをＲｅ＞５００，０００の高乱流レジメンに従わせるように適合され、前記少なくとも１つの第２の高せん断応力及び高キャビテーションステージ（１５）は、前記多相流れを、キャビテーション数σ＜１によって特徴付けされるキャビテーションレジメンに従わせるように適合され、
前記少なくとも１つの第２のステージ（１５）は、ラジアル歯（３３）を具備するステータ（３１）によって囲まれたキャビテーションチャンバ（２９）の中に収容され、且つラジアル歯（２７）を具備するロータ（２５）を含み、
前記ロータ（２５）及び前記ステータ（３１）の前記歯（２７、３３）の対向面（３５、３７）は、放物線プロファイルを有し、
前記ロータ（２５）及び前記ステータ（３１）の前記歯（２７、３３）は、周方向の放物線プロファイル（２７ａ、３３ａ）を有し、前記歯（２７、３３）の前記放物線プロファイルは、前記ロータ（２５）の回転方向（Ｆ１）に対して前記歯（２７、３３）の後縁（２７ｂ、３３ｂ）にその頂点（Ｖｒ、Ｖｓ）が配置される放物線（Ｐｒ、Ｐｓ）の曲線に沿って、また、前記縁（２７ｂ、３３ｂ）を前記ロータ（２５）又は前記ステータ（２７）の中心（Ｃｒ）にそれぞれ連結する半径（Ｒｒ）に沿って、存在し、前記放物線（Ｐｒ、Ｐｓ）の焦点は、前記半径（Ｒｒ）上にも位置する、
装置。
【請求項２】
複数の前記高乱流混合ステージ（１３）と、複数の前記高せん断応力及び高キャビテーションステージ（１５）と、を含み、
前記ステージ（１３、１５）は、直列で、互いに交互に配置され、したがって、前記多相流れは、前記ステージ（１３、１５）のそれぞれを通過し、
各第１のステージ（１３）及び各第２のステージ（１５）は、共通の回転シャフト（３９）を有し、前記回転シャフト（３９）には、前記ピン（２３）と、ラジアル歯（２７）を具備する前記ロータ（２５）と、が関連付けされ、
前記第１及び第２の物理的状態は、液体状態、固体状態、及び、ガス状態を含み、前記第１及び前記第２の物理的状態は、相互に異なる又は相互に等しい、
装置。
【請求項３】
前記混合ステージ（１３）は、物質又は物質の混合物の流れを前記混合チャンバ（１９）の中に注入するように適合された注入ノズル（４９ａ、４９ｂ）を含む、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記ステータ歯（３３）は、前記ロータ歯（２７）の前記プロファイルと同一であり且つ前記ロータ歯（２７）の前記プロファイルの鏡像である放物線プロファイル（３３ａ）を有し、前記ステータ歯の前記プロファイル（３３ａ）は、前記ロータ（２５）の回転方向に対して前記ステータ歯（３３）の前記後縁（３３ｂ）にその頂点（Ｖｓ）が位置する放物線（Ｐｓ）の曲線に沿って、また、前記縁部（３３ｂ）を、前記ロータ（２５）の中心（Ｃｒ）と一致するステータ中心（Ｃｓ）に連結する半径（Ｒｓ）に沿って、存在し、前記放物線（Ｐｒ、Ｐｓ）の焦点は、前記半径（Ｒｓ）上にも位置する、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項５】
前記ロータ歯（２７）及び／又は前記ステータ歯（２７）の前記プロファイルの前記放物線の式は、Ｙ＝０．００６２９７４Ｘ２である、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
ギャップ（５１）は、前記ロータ歯（２７）と前記ステータ歯（３３）との間に設けられ、前記ギャップは、前記ロータ及び前記ステータ歯（２７、３３）の前記後縁（２７ｂ、３３ｂ）が、前記ロータ（２５）及び前記ステータ（２７）の対応する半径（Ｃｒ、Ｃｓ）に沿って実質上整列しているとき、前記後縁（２７ｂ、３３ｂ）で最小である、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項７】
前記歯付きロータ（２５）は、５０〜５００ｍｍに及ぶ直径と、対応する歯付きロータ（２５）の直径の約０．０５〜２．５倍に及ぶ軸方向長さと、を有し、前記ロータ歯（２７）と前記ステータ歯（３３）との間の最小ギャップは、約０．２〜５．０ｍｍに及ぶ、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項８】
前記歯付きロータ（２５）は、１００〜３００ｍｍに及ぶ直径を有する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記歯付きロータ（２５）の軸方向長さは、前記ロータの直径の０．１〜１．０倍に及ぶ、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記ロータ歯（２７）と前記ステータ歯（３３）との間の前記最小ギャップは、０．５〜２．５ｍｍに及ぶ、請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記混合チャンバ（１９）及び前記キャビテーションチャンバ（２９）の内径は、約５０〜５００ｍｍに及び、前記高乱流混合ステージ（１３）の軸方向長さは、対応する混合チャンバ（１９）の内径の約０．１〜２．５倍に及ぶ、請求項1又は２に記載の装置。
【請求項１２】
前記混合チャンバ（１９）及び前記キャビテーションチャンバ（２９）の内径は、１００〜３００ｍｍに及ぶ、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記高乱流混合ステージ（１３）の軸方向長さは、前記混合チャンバ（１９）の内径の０．２５〜１．５倍に及ぶ、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記ロータ（１７）の前記回転速度は、１０００〜３０００ｒｐｍに及ぶ、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項１５】
前記装置は、向流モードで動作し、
第１の物理的状態にある第１の物質の入口用の第１のポート（１６５）と第２の物理的状態にある第２の物質の出口用の第２のポート（１６７）とを具備する第１の高乱流混合ステージ（１３）と、
前記第２の物理的状態にある物質の入口用の第１のポート（１７３）と前記第１の物理的状態にある物質の出口用の第２のポート（１７５）とを具備する第２の高乱流混合ステージ（１３）と、を含む、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項１６】
前記装置は、等流モードで動作し、
第１の物理的状態にある第１の物質の入口用の第１のポート（１６５）と第２の物理的状態にある第２の物質の入口用の第２のポート（１６７）とを具備する第１の高乱流混合ステージ（１３）と、
前記第２の物理的状態にある物質の出口用の第１のポート（１７３）と前記第１の物理的状態にある物質の出口用の第２のポート（１７５）とを具備する第２の高乱流混合ステージ（１３）と、を含む、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項１７】
少なくとも２つの前記ピン（２３）は、同じ混合ステージ（１３）に関連付けされ、前記ロータ（１７）の回転軸に垂直な同じ面上、又は前記ロータ（１７）の回転軸に垂直な平行面上に配置される、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項１８】
相接触及び化学反応を高めるための方法であって、請求項１から１７のいずれか１項に記載の装置を提供するステップと、前記装置において、多相流れを、少なくとも１つの第１の高乱流混合ステージ（１３）、並びに少なくとも１つの第２の高せん断応力及び高キャビテーションステージ（１５）に、従わせるステップとを含み、前記ステージ（１３、１５）は、前記ステージ（１３、１５）を通過する多相流れに関わる前記相の相対滑り速度の増加を引き起こすように適合される、方法。
【請求項１９】
前記多相流れは、向流モードで異なった相を供給することによって得られる、請求項１８に記載の方法。
【国際調査報告】
2020507470.tif 000016
2020507470.tif 000017
2020507470.tif 000018