JPH0515702A - 高水分材料の凍結濃縮方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 水分を多量に含む材料を効率よく凍結濃縮す
る。 【構成】 シリンダ５は、その外周部に設けられた冷却
ジャケット２３，２４，２５に冷媒を循環させることに
よって冷却されるようになっている。そのシリンダ５内
には、互いに噛み合って回転する２本のスクリュ１４，
１４が配置されている。また、そのシリンダ５の先端部
には、テーパ孔２１を有する圧縮ダイ２０が取り付けら
れている。シリンダ５内には、その基端部に設けられた
材料注入口から高水分材料が供給される。その材料は、
シリンダ５の冷却によって凍結されながら、スクリュ１
４，１４によって先端側へと送られ、圧縮ダイ２０のテ
ーパ孔２１に押し込まれて圧縮される。そして、その圧
縮によってほぼ純粋な氷と溶質とに分離され、氷は圧縮
ダイ２０の先端から外部に排出される。また、シリンダ
５内に溜まった溶質に富む濃縮液は、そのシリンダ５に
設けられた濃縮液取出口から取り出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コーヒー、果汁、食
酢、スープ類、あるいは各種だし汁等の高水分材料を濃
縮する濃縮方法及び装置に関するもので、特に、香りや
フレーバー成分などを重視する高級食品の濃縮に適した
凍結濃縮方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】果汁やスープ類などのように多量の水分
を含む食品は、濃縮して搬送あるいは保管することが望
まれる。そのような食品の濃縮、特に味や香りを重視す
る高級食品の濃縮に適した方法としては、凍結濃縮法が
知られている。凍結濃縮法は、果汁のような高水分材料
を部分的に凍らせて、溶媒である水の部分のみを氷とし
て取り除くというもので、微生物汚染や溶質の劣化、あ
るいは揮発芳香成分の散逸を極めて低いレベルに抑える
ことができる。したがって、液状食品や医薬品などを濃
縮する方法として、原理的に最も優れた方法と考えられ
ている。

【０００３】しかしながら、そのような凍結濃縮を行う
従来の一般的な装置は、高水分材料を凍らせて氷の結晶
を作る晶析器、及び濃縮液と氷結晶とを圧搾法、遠心
法、あるいは洗浄法などによって分離する分離器からな
るものとされていた。そのような凍結濃縮装置の場合に
は、材料が濃縮液と氷結晶とに分離されやすくするため
に、晶析器において氷結晶を十分に大きく成長、熟成さ
せ、分離器において純粋な氷結晶のみが分離されるよう
にすることが求められる。したがって、氷の種結晶を添
加するなどの方法を採ることにより、純粋な氷が形成さ
れやすくすることが必要となる。そのために、そのよう
な凍結濃縮装置には、装置コストが高い、分離効率が低
い、操作が難しいなどの問題があり、これまでに実用化
された例はわずかであった。

【０００４】ところが、最近になって、晶析器及び分離
器を一緒にした構造の加圧式連続凍結濃縮装置が開発さ
れた（特開平2-191504号公報、特開平2-277503号公報等
参照）。その装置は、晶析域及び分離域を有するシリン
ダ内を通してゆっくりとチェーンを移動させ、晶析域に
おいて生成した氷結晶をそのチェーンにより分離域に導
いて、その分離域において圧縮するようにしたものであ
る。分離域に導かれた氷結晶は、加圧されることにより
その中の溶質が融け出すので、溶質が分離され、ほぼ純
粋な氷結晶となる。そして、その氷結晶が装置外に排出
される。このような凍結濃縮装置によれば、溶質を含む
氷結晶が連続的に生成されて加圧され、濃縮液とほぼ純
粋な氷結晶とに分離されるので、その分離が効率よく行
われるとともに、その操作も容易となる。したがって、
従来のものに比べて格段に優れた凍結濃縮装置であると
考えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、そのよ
うにチェーンを用いる加圧式連続凍結濃縮装置では、衛
生面や効率面において次のような問題がある。 １）チェーンはエンドレス状としてシリンダの内外間で
循環駆動されるが、そのチェーンを駆動するドライブホ
イール等はシリンダの外部に設けられるので、その駆動
部から異物が混入するという問題がある。 ２）生成した氷はチェーンによって分離域に移送される
ようになっているが、氷の比重は小さく、浮き上がろう
とするので、氷結晶の分離域への移送効率が悪い。 ３）チェーンはシリンダの中央を移動するようになって
いるので、シリンダ壁面から生成した氷をそのチェーン
によって完全に取り除くことは不可能である。したがっ
て、シリンダ壁面には氷結晶が付着し、それが境膜とな
る。そして、その境膜のためにシリンダ壁面からの熱伝
達が悪くなり、氷の生成効率が低下する。

【０００６】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであって、その目的は、生成された氷結晶を外部
から遮蔽した状態で効率よく移送し、濃縮液を効率よく
分離することのできる高水分材料の連続凍結濃縮方法及
び装置を得ることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明では、互いに噛み合って回転する２本のスク
リュの推進力によって、氷結晶を移送するとともにその
氷結晶に圧力を加えるようにしている。すなわち、本発
明による高水分材料の凍結濃縮方法は、高水分材料を、
冷却状態に保たれているシリンダ内に供給し、そのシリ
ンダ内で凍結させながら、そのシリンダ内に配置されて
いる２本のスクリュにより材料出口側へと移送して、そ
の材料出口部において圧縮することにより、溶質に富む
濃縮液とほぼ純粋な氷とに分離し、分離された氷をシリ
ンダ外に排出することを特徴としている。また、本発明
による高水分材料の凍結濃縮装置は、内部に導入された
高水分材料を凍結させる冷却可能なシリンダと、そのシ
リンダ内に互いに噛み合うようにして配置され、材料を
シリンダの一端側から他端側へと移送する２本のスクリ
ュと、そのスクリュによって移送されてくる材料をシリ
ンダの材料出口側において圧縮する圧縮ダイと、を備え
ていることを特徴としている。シリンダの一端部には高
水分材料が供給される材料注入口が設けられ、その注入
口からシリンダ内に材料が連続的に導入されるようにな
っている。そして、そのシリンダが冷媒等によって低温
に維持されることにより、内部に導入された高水分の材
料が凍結するようにされている。一方、シリンダの他端
側には、濃縮された液を外部に取り出す濃縮液取出口が
設けられている。圧縮ダイは、スクリュによって送られ
てくる材料を加圧するもので、一般には先細のテーパ孔
によって構成される。

【０００８】

【作用】このように構成することにより、スクリュをゆ
っくり回転させながら高水分材料をシリンダ内に供給す
ると、その材料は凍りながらスクリュによってシリンダ
の先端側、すなわち材料出口側へと移送される。そし
て、その材料出口部には先細のテーパ孔を有する圧縮ダ
イが設けられているので、スクリュによって移送されて
きた高水分材料の氷は、そのテーパ孔において絞られる
ことにより加圧される。このとき、その氷には部分的に
発熱が起こり、氷内部及び表面の溶質が絞り出される。
しかしながら、純粋な氷の溶解温度にまでは至らないの
で、溶質をほとんど含まない部分は氷の状態のまま保た
れる。そして、溶質が絞り出された氷は、スクリュによ
って更に圧縮ダイの先端にまで運ばれ、シリンダから押
し出される。このようにして、シリンダ内には絞り出さ
れた溶質が溜まる。したがって、シリンダ内の残液は溶
質に富む濃縮液となる。その濃縮液は、濃縮液取出口か
らシリンダ外に取り出される。この間において、シリン
ダ壁面で生成された氷はスクリュによってかき取られる
ので、そのシリンダ壁面に氷の境膜が形成されることは
ない。したがって、効率よく氷が生成される。そして、
スクリュの推進力によってシリンダの出口部に送られて
きた氷は、同じ推進力によりその出口部に設けられてい
る圧縮ダイに押し込まれて加圧されるので、効率よく溶
媒の氷と溶質とに分離される。しかも、その操作が連続
的に行われるので、操作性もよく、運転コストも安い。
更に、スクリュはシリンダ内に収容されているので、外
部から異物が混入する恐れもない。

【０００９】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図は本発明による凍結濃縮装置の一実施例を示すも
ので、図１はその全体構成を示す概略側面図であり、図
２及び図３はその凍結濃縮装置に用いられているシリン
ダの縦断平面図及び側面図である。

【００１０】図１に示されているように、この凍結濃縮
装置１は、傾斜台２上に設置されたモータ３及びギヤボ
ックス４からなる駆動部と、そのギヤボックス４に連結
されるシリンダ５とを備えている。傾斜台２は、油圧ジ
ャッキ６により、シリンダ５の先端側が下方となるよう
にして水平面に対して１５〜９０゜に傾けられるように
なっている。シリンダ５の基端部上面には材料注入口７
が設けられている。そして、その材料注入口７に、多量
の水分を含む食品材料を送給する材料供給ポンプ８が材
料供給管９を介して接続されている。その材料供給管９
の途中には、冷媒入口１０ａと冷媒出口１０ｂとを有
し、図示されていない冷媒循環装置によってその冷媒入
口１０ａから冷媒出口１０ｂへと冷媒が循環される熱交
換器１０が設けられている。こうして、材料供給ポンプ
８によって送られる高水分の食品材料は、熱交換器１０
に通されて予備冷却された後、材料注入口７からシリン
ダ５内に連続的に供給されるようになっている。また、
シリンダ５の先端部下面には、シリンダ５内で生成され
た濃縮液を取り出す濃縮液取出口１１が設けられてい
る。その取出口１１には、開閉バルブ１２を備えた濃縮
液取出管１３が接続されている。

【００１１】図２及び図３から明らかなように、シリン
ダ５内には、２本のスクリュ１４，１４が互いに噛み合
うようにして配置されている。各スクリュ１４はセグメ
ント方式のものとされており、スクリュ軸１５に複数個
のセグメントスクリュ１６，１６，…及びニーディング
ディスク１７，１７，…をはめ込み、それらをスクリュ
キャップ１８によりスクリュ軸１５に固定することによ
って構成されている。セグメントスクリュ１６，１６，
…としては台形ねじを有する順送りのものが多用されて
おり、ニーディングディスク１７，１７，…はその間の
一か所に配置されている。また、そのスクリュ１４，１
４とシリンダ５との間のクリアランスは０．５〜１．０
mmとされている。スクリュキャップ１８は先細のテーパ
部１８ａとそれに連なるねじ部１８ｂとを有するもの
で、それらを軸線方向に貫通するボルト１９をスクリュ
軸１５の先端に螺合することによってスクリュ軸１５に
固定されるようになっている。このスクリュ１４，１４
は、図１に示されているモータ３により、そのモータ３
の回転を二軸に分配するギヤボックス４を介して互いに
逆方向に回転駆動されるようになっている。

【００１２】シリンダ５の先端には圧縮ダイ２０が取り
付けられている。その圧縮ダイ２０は、基部に一対の先
細テーパ孔２１，２１を有するもので、そのテーパ孔２
１にスクリュキャップ１８のテーパ部１８ａが位置する
ようにされている。また、そのテーパ孔２１の先端側は
一定径の貫通孔２２とされており、その貫通孔２２をス
クリュキャップ１８のねじ部１８ｂが貫通するようにさ
れている。

【００１３】シリンダ５の外周面部分には、基端側から
順に第１、第２、及び第３の３個の冷媒ジャケット２
３，２４，２５が設けられている。それらのジャケット
２３，２４，２５にはそれぞれ冷媒入口２３ａ，２４
ａ，２５ａ及び冷媒出口２３ｂ，２４ｂ，２５ｂが設け
られており、それらを通して循環される冷媒によって、
シリンダ５の各部分が独立して温度制御されるようにな
っている。また、圧縮ダイ２０の外周面部分にも、冷媒
入口２６ａと冷媒出口２６ｂとを有する冷媒ジャケット
２６が設けられている。こうして、そのジャケット２６
を循環する冷媒によって圧縮ダイ２０が所定の温度に保
たれるようになっている。

【００１４】次に、このように構成された凍結濃縮装置
の作用について説明する。例えばコーヒーを濃縮すると
きには、まず、油圧ジャッキ６により凍結濃縮装置１全
体を水平面に対して１５゜に傾ける。そして、高水分材
料であるコーヒー液を、材料供給ポンプ８により材料供
給管９を通して毎分１〜１．５mlの流量で送り、材料注
入口７からシリンダ５内に供給する。このとき、−３〜
０℃の冷媒を熱交換器１０の冷媒入口１０ａから冷媒出
口１０ｂへと循環させ、その熱交換器１０によりコーヒ
ー液を−１〜１℃に予備冷却する。一方、シリンダ５内
のスクリュ１４，１４は１〜５rpm の速度でゆっくりと
回転させる。そして、シリンダ５のすべてのジャケット
２３，２４，２５に−２〜−１５℃の冷媒を循環させ、
シリンダ５を−２〜−８℃に維持する。また、圧縮ダイ
２０も、そのジャケット２６に−２〜−１５℃の冷媒を
循環させることにより−２〜−８℃に保つ。このように
シリンダ５を冷却すると、シリンダ５内に供給されたコ
ーヒー液は、そのシリンダ５内で冷却されることによっ
て凍結する。そして、２本のスクリュ１４，１４によっ
てシリンダ５の先端側へと徐々に移送され、圧縮ダイ２
０に導かれる。こうして、供給されたコーヒー液が、圧
縮ダイ２０に到達するまでに氷結晶となる。そして、そ
の氷が圧縮ダイ２０に充填され、その氷によって圧縮ダ
イ２０が閉塞される。なお、このとき、念のために濃縮
液取出管１３のバルブ１２を閉じておき、凍結しきって
いないコーヒー液が流出しないようにする。このように
して、運転開始時には、圧縮ダイ２０が氷によって閉塞
されるようにする。

【００１５】このように圧縮ダイ２０が氷によって閉塞
されると、次に、油圧ジャッキ６により装置１を３０゜
に傾け、コーヒー液の供給量を毎分２〜１０mlにする。
そして、スクリュ１４の回転数を５〜１５rpm にする。
また、シリンダ５の基端側から２番目までの第１及び第
２冷媒ジャケット２３，２４に−２〜−１５℃の冷媒を
循環させて、そのシリンダ５部分を−２〜−８℃に維持
し、最も先端側の第３ジャケット２５には−１〜−５℃
の冷媒を循環させて、その部分のシリンダ５を−１〜−
３℃に維持する。更に、圧縮ダイ２０のジャケット２６
には−１〜１℃の冷媒を循環させて、その圧縮ダイ２０
が０℃前後に保たれるようにする。

【００１６】このようにして定常運転を行うと、シリン
ダ５内に供給されたコーヒー液は、第１及び第２ジャケ
ット２３，２４部分において急冷されることにより凍結
する。そして、生成された氷は、互いに噛み合って回転
する２本のスクリュ１４，１４の推進力により、シリン
ダ５の先端側、すなわち材料出口側へと送られる。その
シリンダ５の材料出口部には、先細のテーパ孔２１を有
する圧縮ダイ２０が取り付けられている。したがって、
スクリュ１４，１４の推進力によって移送されてきた氷
は、その推進力によってテーパ孔２１に押し込まれ、絞
られることによって圧縮される。そのように氷が圧縮さ
れると、その氷には部分的に発熱が起こり、凝固温度の
低い溶質部分が溶解する。すなわち、氷内部及び表面の
溶質が絞り出される。そして、そのようにして絞り出さ
れた溶質はシリンダ５内に溜まる。したがって、シリン
ダ５内の液は溶質の豊富な濃縮液となる。その濃縮液
は、運転開始時に閉じられていた濃縮液取出管１３の開
閉バルブ１２を開くことにより、シリンダ５に設けられ
ている濃縮液取出口１１を通してシリンダ５の外部に取
り出される。

【００１７】一方、溶質が絞り出された氷は、ほぼ純粋
な水の凍結物となるので、その氷の溶解温度は高い。し
たがって、圧縮ダイ２０において圧縮されて部分的に発
熱しても、氷の状態のまま保たれる。そして、その氷
は、スクリュキャップ１８のねじ部１８ｂにより圧縮ダ
イ２０の先端にまで運ばれ、シリンダ５から押し出され
る。圧縮ダイ２０は上述のように０℃前後に保たれてい
るので、溶質が絞り出された氷は押し出されやすい。

【００１８】このように、この凍結濃縮装置１において
は、シリンダ５内で生成された氷は互いに噛み合う２本
のスクリュ１４，１４によって移送される。したがっ
て、その移送効率は高い。また、シリンダ５の壁面に付
着した氷はスクリュ１４によってかき取られるので、そ
の壁面に氷の境膜が形成されることがない。したがっ
て、シリンダ５から内部の高水分材料への熱伝達効率は
高く、シリンダ５の冷却によってその材料が効率よく冷
却される。しかも、かき取られた氷が核となり、移送中
に氷結晶の成長が進むので、過冷却が防止され、効率よ
く氷と濃縮液とに分離される。そして、シリンダ５内は
外部から密閉されているので、その内部に異物が混入す
ることがない。したがって、極めて衛生的であり、上述
のような食品の濃縮のほか、医薬品などの濃縮にも適用
することができる。

【００１９】このような凍結濃縮装置を実際に試作し、
それを用いて濃縮実験を行った。濃縮する材料として
は、市販のコーヒー粉により２％のコーヒー液を作り、
それを用いた。コーヒーの濃度は、分光光度計により、
あらかじめコーヒー液の濃度と吸光度との検量線を求め
ておき、吸光度を測定することによって調べた。コーヒ
ー液の濃度と吸光度の値とは比例しており、濃度が高い
ほど吸光度の値は大きくなる。１〜５％のコーヒー液の
吸光度の値は、０．４９〜２．４０である。スクリュ１
４，１４としては、外径３０mmの異方向回転の台形ねじ
を用い、上記図示実施例と同様に順送りのセグメントス
クリュ１６を多用し、一か所にニーディングディスク１
７を用いた形状とした。そして、上記実施例と同様な条
件でその凍結濃縮装置を運転した。その結果、吸光度
０．９４であった２％コーヒー液が吸光度１．７０〜
２．０５のコーヒー液となった。そのコーヒー液の濃度
は４％前後と推定される。得られた濃縮コーヒー液を約
２倍に薄めて試飲したが、味も香りも極めて良好であっ
た。このように、この凍結濃縮装置によれば、高水分食
品材料を極めて良好な状態で効率よく濃縮することがで
きる。

【００２０】なお、上記実施例においては、異方向回転
で台形ねじのスクリュ１４，１４を用いるものとしてい
るが、同方向回転のスクリュやボールねじのスクリュを
用いた場合にも、ほぼ同様な濃縮を行うことができる。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、シリンダ内で生成した氷を、そのシリンダ内
に配置された互いに噛み合う２本のスクリュによってシ
リンダの先端側へと移送するようにしているので、その
シリンダ内の材料に異物が混入することを防止すること
ができる。また、その氷を極めて効率よく移送すること
ができる。そして、シリンダ壁面に生成した氷はスクリ
ュによってかき取られるので、その壁面に氷の境膜が形
成されることがなく、熱効率を極めて高く保つことがで
きる。しかも、かき取られた氷が氷核となり、移送され
ながら氷結晶の成長を速めるので、過冷却をなくするこ
とができる。こうして、極めて効率よく氷結晶を生成さ
せることができる。そして、溶質を含んだ氷結晶は、ス
クリュの推進力により、圧縮ダイにおいて加圧されて溶
質と溶媒の氷とに分離されるので、その分離が連続的に
行われる。したがって、その操作性がよい。また、１台
の装置によって凍結から濃縮まで行われるので、運転コ
ストも低い。こうして、実用に適した凍結濃縮装置を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による凍結濃縮装置の一実施例を示す全
体構成図である。

【図２】その凍結濃縮装置に用いられているシリンダ
の、図１のＩ−Ｉ線に沿う縦断平面図である。

【図３】そのシリンダの縦断側面図である。

【符号の説明】

１ 凍結濃縮装置 ５ シリンダ ７ 材料注入口 ８ 材料供給ポンプ １０ 熱交換器 １１ 濃縮液取出口 １４ スクリュ １５ スクリュ軸 １８ スクリュキャップ ２０ 圧縮ダイ ２１ テーパ孔 ２３〜２６ 冷媒ジャケット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却状態に保たれているシリンダ内に、
   そのシリンダに設けられた材料注入口から高水分材料を
   供給し、 その材料を、前記シリンダ内において凍結させながら、
   そのシリンダ内に配置された互いに噛み合って回転する
   ２本のスクリュの推進力により前記シリンダの材料出口
   側へと移送し、 その材料出口部において、移送されてくる凍結した前記
   材料を圧縮することによりその材料中の溶質を絞り出
   し、 分離されたほぼ純粋な氷を前記シリンダの外部に排出す
   ることからなる、 高水分材料の凍結濃縮方法。
2. 【請求項２】 一端部に高水分材料が供給される材料注
   入口を有し、その注入口から内部に導入された材料を凍
   結させる冷却可能なシリンダと、 そのシリンダ内に配置され、前記材料を他端側の材料出
   口部へと移送する、互いに噛み合って回転する２本のス
   クリュと、 前記シリンダの材料出口側に配置され、前記スクリュに
   より移送されてくる材料を圧縮して、前記高水分材料
   を、その中の水分が凍結して生じた氷とその残液とに分
   離する圧縮ダイと、 その氷の分離によって濃縮された液を前記シリンダの外
   部に取り出す濃縮液取出口と、 を備えてなる、高水分材料の凍結濃縮装置。