JPH05277302A - 高水分材料の凍結濃縮方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高水分材料を凍結させたとき球状の大きな氷
結晶が生成されるようにして、濃縮液と氷との分離効率
を高める。 【構成】 高水分材料は材料容器６内に封入されて、圧
力容器状の晶析器１内に設置される。その晶析器１内の
圧力は高圧ポンプ１２によって制御されるようになって
いる。晶析器１内において過冷却状態とされた材料は、
その晶析器１内を加圧し、次いでその圧力を開放するこ
とにより、過冷却状態が解除されて凍結する。そして、
再びその晶析器１内が加圧されることにより、生成され
た氷結晶の一部が解凍され、粒状の氷結晶となる。そこ
で、圧力を除去してその粒状の氷結晶を成長させる。そ
れによって、濃縮液を含まない球状の大きな氷結晶が得
られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液状の食品、化粧品、
あるいは医薬品のような高水分材料を濃縮する方法及び
装置に関するもので、特に、高水分材料を凍結させてそ
の中の水のみを氷として分離することにより濃縮する凍
結濃縮方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】多量の水分を含む材料の濃縮方法には種
々のものがあるが、そのうちの一つとして凍結濃縮方法
が知られている。凍結濃縮方法は、高水分材料を部分的
に凍らせて、溶媒である水を純粋な氷結晶として分離す
ることにより濃縮する方法で、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という特徴がある。したがって、栄
養成分や色、香り、フレーバー成分などを重視する高級
食品、化粧品、あるいは医薬品の濃縮には最も理想的な
方法とされている。そのような凍結濃縮を行う装置は、
一般に、供給材料を予備冷却する冷却器、氷結晶を生
成、成長させる晶析器、及び濃縮液と氷結晶とを分離す
る分離器によって構成される。晶析器には直接冷却方式
のものと間接冷却方式のものとがあるが、直接冷却方式
の晶析器は海水の淡水化装置などに見られるのみで、凍
結濃縮装置の晶析器はほとんどが間接冷却方式とされて
いる。間接冷却方式の晶析器には、壁面を通して熱交換
を行う内部冷却晶析器と、断熱条件下において冷熱を材
料によって供給する外部冷却晶析器とがあり、そのいず
れもがワイン、ビール、コーヒーなどの濃縮に用いられ
ている。

【０００３】ところで、そのような装置により凍結濃縮
を行う場合には、水分が氷結晶として濃縮液から分離さ
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、熟成させることが求められる。そこで、従来
は、その晶析器において、主として冷却温度により氷の
生成、成長を制御するようにしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、そのよ
うに冷却温度によって氷の生成、成長を制御するもので
は、その生成、成長を速めるために冷却温度を低くする
ことが求められるので、過冷却状態になりやすい。そし
て、過冷却状態にある高水分材料を凍結させると、一次
核発生で生成される氷結晶が樹枝状になりやすい。した
がって、その氷核を成長させて得られる氷は樹枝状結晶
の多いものとなる。樹枝状結晶は、結晶間に溶質を包含
しやすい。そのために、その晶析器によって生成された
氷は濃縮液を包含する氷結晶となり、分離器における濃
縮液と氷結晶との分離効率が悪くなる。また、冷却温度
による制御では、応答性が悪く、細やかな制御が難しい
などの問題もある。

【０００５】本発明は、このような問題に艦みてなされ
たものであって、その目的は、濃縮液との分離が容易な
氷結晶が生成される高水分材料の凍結濃縮方法及び装置
を提供することである。

【０００６】

【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、冷却温度による制御に加え、加圧下で
の氷点変化を利用して、氷核の生成及び氷結晶の成長を
制御するようにしている。すなわち、本発明による高水
分材料の凍結濃縮方法は、過冷却状態にある高水分材料
を凍結させ、その氷に静圧を加えて部分的に解凍させた
後、常圧下においてその氷を核として氷結晶を成長さ
せ、得られた氷を分離するようにしたことを特徴として
いる。過冷却状態にある高水分材料の凍結は、その高水
分材料に静圧を加えた後、その静圧を除去することによ
って行うことができる。また、本発明による凍結濃縮装
置は、高水分材料を凍結させるとともにその氷結晶を成
長させる晶析器が圧力容器とされていて、その晶析器内
の圧力を制御し得る加圧装置が設けられていることを特
徴としている。

【０００７】

【作用】上述のように、過冷却状態にある高水分材料を
凍結させると、樹枝状結晶、あるいはその樹枝状結晶が
複数個結合したひだ状結晶の氷が生成される。そして、
その氷結晶に圧力を加えると、圧力による氷点降下によ
り、生成された氷結晶の樹枝状部分あるいはひだ状部分
など、濃縮液を多く含む部分が優先的に、かつ瞬時に解
凍され、粒状の氷結晶となる。このようにして粒状の氷
結晶となった時点で圧力を除去し、その氷結晶を氷核と
して氷を成長させると、粒状の氷結晶を氷核として成長
した氷は球状になりやすいので、得られる氷は球状結晶
の多いものとなる。このとき、冷却温度を適切に制御す
れば、大きな氷結晶に成長させることができる。そし
て、成長した氷結晶を含む懸濁液を分離器に移送し、そ
の懸濁液から氷結晶を分離すれば、濃縮液を得ることが
できる。その場合、生成された氷結晶は濃縮液をほとん
ど含まない純粋な氷となり、しかも、球状の大きな氷結
晶となるので、濃縮液と氷結晶との分離効率が極めて高
くなり、運転コストも低く抑えることができる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図中、図１は本発明による凍結濃縮装置に用いられ
る晶析器の一実施例を示す縦断側面図である。この図か
ら明らかなように、この晶析器１は、上端が開口し、下
端が底壁によって閉塞された厚肉円筒状の本体２を備え
ている。その晶析器本体２の上端開口部には、グランド
ナット３を締め付けることによってその本体２に固定さ
れる材料取出しキャップ４が設けられている。その材料
取出しキャップ４の外周面にはＯリング５が取り付けら
れており、そのＯリング５によって、晶析器本体２と材
料取出しキャップ４との間が液密にシールされるように
なっている。こうして、この晶析器１は、材料取出しキ
ャップ４によって密封される圧力容器として形成されて
いる。

【０００９】材料取出しキャップ４の下面には、そのキ
ャップ４によって晶析器本体２の上端開口部を閉塞した
ときその本体２の内部空間に挿入される材料容器６が取
り付けられている。その材料容器６は四フッ化エチレン
樹脂等からなる薄肉パイプ状のもので、上下両端がゴム
栓７，８によってそれぞれ密閉されるようになってい
る。上側のゴム栓７は、接着等によって材料取出しキャ
ップ４の下面に固着されている。したがって、そのゴム
栓７を材料容器６の上端に嵌合させることによって、材
料容器６が材料取出しキャップ４に取り付けられるよう
になっている。

【００１０】また、材料取出しキャップ４には材料温度
測定用熱電対９が取り付けられている。その熱電対９
は、材料取出しキャップ４及び上側のゴム栓７を貫通し
て、材料容器６の内部に突入するようにされている。こ
うして、材料容器６内の材料の温度が晶析器１の外部か
ら測定されるようになっている。更に、晶析器本体２の
上部には、その本体２内部の圧力を検出する圧力計１０
が取り付けられている。

【００１１】一方、晶析器本体２の下部には、その本体
２の内部に連通する圧力ポンプ配管１１が接続されてい
る。その圧力ポンプ配管１１の先端には高圧ポンプ１２
が設けられている。こうして、その高圧ポンプ１２を用
いて晶析器本体２の内部にエタノール等の静圧媒体を注
入することにより、その内部に圧力が加えられるように
なっている。すなわち、その高圧ポンプ１２が晶析器１
内の圧力を制御する加圧装置となっている。

【００１２】晶析器本体２の外周には冷却ジャケット１
３が設けられている。その冷却ジャケット１３は冷媒入
口１４及び冷媒出口１５を有しており、その入口１４及
び出口１５を通して冷媒を循環させることによって、晶
析器本体２内の温度が制御されるようになっている。

【００１３】凍結濃縮装置は、このような晶析器１と高
圧ポンプ１２とのほかに、材料を予備冷却する予備冷却
器、及び濃縮液と氷とを分離する分離器によって構成さ
れるが、それら冷却器及び分離器は通常のものでよいの
で、ここではその説明は省略する。

【００１４】次に、このように構成された凍結濃縮装置
を用いて高水分材料を濃縮するときの手順を、その作用
とともに説明する。例えば溶液を濃縮するときには、予
備冷却器を用いてその溶液をあらかじめ２〜０℃に冷却
する。そして、その溶液を、下端をゴム栓８によって密
封した材料容器６に入れる。このとき、溶液内に気泡が
入らないようにし、また、溶液が凍結して体積膨張した
ときにもその溶液が材料容器６外に漏れることのないよ
うに、材料容器６を少しへこませる。次いで、その材料
容器６の上端を、材料取出しキャップ４に固着されてい
るゴム栓７に嵌合させて密封する。それによって、材料
容器６が材料取出しキャップ４に取り付けられる。一
方、晶析器本体２の内部には、凍結温度の低いエタノー
ル等の静圧媒体を満たしておく。また、晶析器１の冷却
ジャケット１３には−２〜−１５℃の冷媒を循環させ、
その本体２内を−２〜−１５℃に保っておく。そして、
その晶析器本体２の上端部開口に、材料容器６を取り付
けた材料取出しキャップ４を装着し、グランドナット３
により締め付けてシールする。

【００１５】このようにして氷点以下の低温に保たれて
いる晶析器１内に材料容器６をセットすると、その材料
容器６内に封入されている溶液が徐々に冷却される。し
たがって、その溶液は過冷却状態となる。そこで、材料
温度測定用熱電対９によって検出される溶液の温度が−
０．５〜−１０℃になったとき、高圧ポンプ１２を用い
て静圧媒体を晶析器本体２内に注入し、その内部の圧力
を１００〜１５００kg/cm²にまで高める。そして、その
状態で１分ほど経過した後、その圧力を開放する。する
と、溶液はその圧力変化による刺激を受け、過冷却状態
が解除される。したがって、その溶液は急速に凍結し、
氷結晶が生成される。その氷は樹枝状部分及びひだ状部
分の多い結晶となる。氷が生成されると、氷の発熱によ
り材料温度測定用熱電対９の温度が０℃を示す。そこ
で、３〜２０分かけて氷を熟成させる。

【００１６】次いで、高圧ポンプ１２を用いて再び静圧
媒体を晶析器１内に注入し、その内部圧力を１００〜１
５００kg/cm²として２〜２０分その状態で保つ。晶析器
本体２内を昇圧すると、その内部に配置されている材料
容器６内の凍結溶液が加圧される。そして、その圧力に
より氷点が低下するので、生成された氷結晶はその一部
が瞬時に解凍される。その場合、氷結晶の先端部分、す
なわち樹枝状部分やひだ状部分が優先的に解凍される。
したがって、その氷は樹枝状部分やひだ状部分などがな
くなった粒状の氷結晶となる。２〜２０分後に圧力を急
激に開放して、再び氷を成長させる。粒状の氷結晶を氷
核として成長させると、成長した氷も粒状の大きな結
晶、すなわち球状結晶になりやすい。そして、そのよう
な球状の氷結晶には溶質が包含されにくい。したがっ
て、得られる氷は、溶質をほとんど含まない純粋な水の
氷結晶となる。

【００１７】このようにして氷を成長させた後、グラン
ドナット３をゆるめ、晶析器本体２から材料取出しキャ
ップ４を取り外す。更に、その材料取出しキャップ４に
取り付けられている材料容器６をゴム栓７から抜き取
り、その材料容器６内の濃縮液と氷結晶との懸濁液を分
離器に移す。そして、それを濾過、洗浄して、濃縮液と
氷結晶とに分離する。その場合、生成された氷結晶は上
述のように球状となっているので、その氷結晶に濃縮液
が付着することも少ない。したがって、その分離は極め
て効率よく行われる。

【００１８】このように、この凍結濃縮方法によれば、
凍結によって生成された樹枝状の氷結晶の一部を解凍さ
せて粒状の結晶とし、その粒状氷結晶を核として氷を成
長させるようにしているので、濃縮液を含有しない球状
の氷結晶を得ることができる。しかも、その氷核となる
氷結晶の解凍は圧力によって行われるので、温度による
場合のようにその解凍に時間がかかることがない。そし
て、球状で大きな氷結晶が得られるので、単純な濾過、
洗浄などによって容易に濃縮液を分離することができ
る。したがって、濃縮液と氷結晶との分離効率を著しく
高めることができる。また、その凍結濃縮装置によれ
ば、高圧ポンプ１２によって晶析器１内の圧力を制御す
るのみで、氷核の生成から解凍、氷結晶の成長までを行
わせることができるので、上述の凍結濃縮方法を実施す
る装置を極めて単純なものとすることができる。

【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。濃縮する材料には、市
販のインスタントコーヒーを蒸留水に溶解させたコーヒ
ー液を用いることとした。そして、コーヒー液濃度の測
定のために、まず、分光光度計により各種濃度のコーヒ
ー液の吸光度を測定し、コーヒー液濃度と吸光度との検
量線を求めた。その検量線は図２のようになった。この
図から明らかなように、コーヒー液の濃度と吸光度の値
とは比例し、濃度が０の蒸留水では吸光度も０であり、
濃度が高いほど吸光度は高くなる。この関係は氷におい
ても成り立つ。濃縮原料として濃度３％のコーヒー液を
作製した。晶析器本体２としては内径が３０mm、長さが
２５０mmのものを用い、材料容器６には直径２０mm、長
さ１７０mmの四フッ化エチレン樹脂製チューブを用い
た。また、静圧媒体としては５０％エタノール液を用
い、そのエタノール液を晶析器本体２内に満たした。一
方、冷媒には３０％エチレングリコール液を用い、毎分
１７リットルの流量で冷却ジャケット１３を循環させ
た。その冷媒の温度は−４℃及び−５℃の２種類とし、
あらかじめ循環させて晶析器１を−４℃あるいは−５℃
に保っておくようにした。

【００２０】このような準備の下で、濃縮原料の３％コ
ーヒー液をあらかじめ０．５℃に予備冷却し、そのコー
ヒー液を、ゴム栓８により栓をした材料容器６に入れ
た。その量は約４５g であった。次いで、その材料容器
６を、エタノール液で満たした晶析器１内にセットし
た。そして、材料温度測定用熱電対９によりコーヒー液
温度の変化を監視した。材料温度測定用熱電対９が−
２．５℃を示したところで、高圧ポンプ１２を用いてエ
タノール液を晶析器１内に注入し、晶析器１内の圧力を
７００kg/cm²に昇圧した。そして、その圧力で１分ほど
保持した後、圧力を開放して晶析器１内を大気圧にし
た。更に、５〜１０分後に、高圧ポンプ１２を用いて再
びエタノール液を晶析器１内に注入し、晶析器１内の圧
力を７００kg/cm²とした。そして、その状態で５分間保
持した。次いで、圧力を急激に開放し、常圧下で氷を成
長させた。１０〜４０分の経過後、材料容器６を取り出
して、その内部の材料を分離器に移し、分離器で吸引濾
過するとともに、０℃の水１０mlで洗浄した。こうし
て、濃縮液と氷結晶とに分離した。そして、得られた氷
について、その生成量と吸光度とを測定した。比較のた
めに、高圧ポンプ１２による静圧を加えずに、同様の実
験を行った。その結果を表１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】氷の吸光度が低いということは、氷結晶に
取り込まれているコーヒー量が少ないということであ
る。したがって、得られた氷結晶の量が多く、その吸光
度が低いほど、純粋な氷で、かつその氷が濃縮液から効
率よく分離されたと言うことができる。表１から明らか
なように、圧力を用いて解凍を行ったものは、圧力を用
いない場合に比べると、同じ処理時間に対する氷の生成
量はやや少ないが、濃縮液の分離効率及び得られる氷の
品質は格段に優れている。例えば、−４℃に冷却して圧
力を加えずに４０分間の処理をした場合と圧力を加えて
４５分間の処理をした場合、あるいは−５℃で圧力に加
えずに２０分間の処理をした場合と圧力を加えて２５分
間の処理をした場合とでは、氷の生成量はほぼ等しくな
るが、吸光度は圧力を加えた場合の方がはるかに小さく
なる。すなわち、ほとんど純粋な氷が分離され、同じ処
理時間でも濃縮効率が高められることがわかる。

【００２３】なお、上記実施例においては、凍結濃縮装
置として実験室的なものについて説明したが、工業的な
実施に際しては、例えば一つの晶析器内に多数の材料容
器を設置し、同時に多量の材料が処理されるようにする
とともに、予備冷却から分離までが連続的に行われるよ
うに構成することは言うまでもない。そのような場合に
は、晶析器内に導入される静圧媒体として冷却流体を用
い、材料の加圧と冷却とが同時に行われるようにするこ
とも考えられる。

【００２４】

【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、高水分材料を凍結させた後、一旦その氷結晶
の一部を解凍させて粒状の氷結晶とし、それを氷核とし
て氷結晶を成長させるようにしているので、得られる氷
結晶はその結晶内及び結晶間に濃縮液を含みにくい球状
の結晶となる。したがって、濃縮液と氷結晶との分離効
率が高くなり、その分離のためのコストを著しく低減さ
せることができる。しかも、その氷核となる氷結晶の解
凍を、圧力を加えることによって行うようにしているの
で、その解凍は瞬時に行われる。したがって、その処理
に多大な時間がかかることもない。また、従来の晶析器
に代えて圧力容器を用い、高圧ポンプ等によりその晶析
器内の圧力を制御するようにすればよいので、凍結濃縮
装置の構造が複雑化することもない。したがって、その
装置も安価に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による凍結濃縮装置に用いられる晶析器
の一実施例を示す縦断側面図である。

【図２】その晶析器を用いて行う実験のために求めた溶
質濃度と吸光度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 晶析器 ２ 晶析器本体 ４ 材料取出しキャップ ６ 材料容器 ９ 材料温度測定用熱電対 １０ 圧力計 １２ 高圧ポンプ １３ 冷却ジャケット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 過冷却状態にある高水分材料を凍結さ
   せ、 その氷に静圧を加えて部分的に解凍させた後、 常圧下においてその氷を核として氷結晶を成長させ、 得られた氷を分離することにより前記高水分材料を濃縮
   するようにしたことを特徴とする、 高水分材料の凍結濃縮方法。
2. 【請求項２】 前記過冷却状態にある高水分材料の凍結
   を、その高水分材料に静圧を加えた後、その静圧を除去
   することによって行うことを特徴とする、 請求項１記載の凍結濃縮方法。
3. 【請求項３】 高水分材料を凍結させるとともにその氷
   結晶を成長させる晶析器と、その氷結晶を濃縮液から分
   離する分離器とを備えた凍結濃縮装置において；前記晶
   析器が圧力容器として形成されており、 その晶析器内の圧力を制御し得る加圧装置を備えている
   ことを特徴とする、 高水分材料の凍結濃縮装置。