JPH0779926B2

JPH0779926B2 - 凍結濃縮装置

Info

Publication number: JPH0779926B2
Application number: JP22386486A
Authority: JP
Inventors: 宏典北崎; 孝良木村; 俊雄島村; 雅昭小山
Original assignee: Tsumura and Co
Current assignee: Tsumura and Co
Priority date: 1986-09-24
Filing date: 1986-09-24
Publication date: 1995-08-30
Anticipated expiration: 2010-08-30
Also published as: JPS6380801A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は凍結濃縮装置に関するもので、より具体的には
濃縮槽内に循環させる被濃縮液中に熱交換プレートを浸
漬し、その表面に水分を氷結させて被濃縮液の濃縮を行
なうようにした凍結濃縮装置に関するものである。

〔従来の技術とその問題点〕

従来、溶液の濃縮装置としては加熱蒸発方式によるもの
があるが、これによって例えば漢方薬の材料である生薬
抽出液などを濃縮すると、低沸成分および／または共沸
成分が揮散してしまうという問題があるので、このよう
な低沸成分および／または共沸成分を含有する溶液につ
いては凍結濃縮方式の方が優れている。

しかし、従来の凍結濃縮装置は、一般に構成が複雑且つ
大型であって、製作に高価であり、保守に時間労力費用
が多大にかかり、また所要能力に応じて運転を調整した
り機能部分を増設したりするのが簡単でないなど多くの
難点が認められる。また、従来知られている凍結濃縮装
置では、溶液から氷結させた氷が水だけでなく溶質成分
をも多量に取り込む傾向を抑えるのに難があり、純粋に
水だけを氷結させようとすれば所期の濃縮を達成するの
に多大の時間を要するという欠点も認められる。さら
に、従来の装置では濃縮中に、氷結した氷を例えば機械
的に掻き落したり削り取って除去しなければならないも
のがあるので、重要な機能部分を損傷しやすく、また損
傷部分の修理交換が容易でないという難点もある。

〔発明の目的〕

従って本発明は、これらの問題をすべて解決し、効率よ
く水だけを氷結させて濃縮を行なうことができ、構成が
簡潔であって製作が比較的安価であり、同一装置内にお
いて処理能力を必要に応じ可変ならしめることのでき
る、新規な凍結濃縮装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明の凍結濃縮装置は、被濃縮液、例えば漢方製剤の
原料となる生薬抽出液を入れる濃縮槽と、この濃縮槽の
中に複数枚を１群として固定され、被濃縮液に両表面を
さらし、内部に冷媒、例えば−20℃程度のブラインを循
環流通させるようにした、１群又はそれ以上、好適には
間隔を置いて並設した２群の熱交換プレート群とから基
本的に構成される。

被濃縮液は濃縮槽の両側部から、群を構成している各個
の熱交換プレート（モジュールプレート）の両表面（こ
れを凍結面板という）をよぎるように流入させられ、濃
縮槽底部から流出して、再び濃縮槽側部に至るように循
環されることが好適である。

各個の熱交換プレート（モジュールプレート）はその側
部の一方、好適にはその下部から冷媒を受け入れ、他方
の側部、好適にはその上方から冷媒を供給源へ還流させ
るように構成され、１つの群の各個のモジュールプレー
トについてすべて同じパターンで冷媒が流れるように
し、これと並設される他の群については逆のパターン
で、いわば向流状に冷媒が流れるようにし、１つの群の
中で、また異なる群の間でも、凍結面板上における温度
分布が実質上均一になるようにすることが望ましい。こ
うして、熱交換プレート群の全表面上にはほぼ均一厚に
氷晶が成長し、濃縮の実効をあげる。

凍結面板上の氷晶に、溶質成分を取り込まないようにす
るには、各個のモジュールプレート内を循環流通する冷
媒の温度と流速を適宜調整することと、被濃縮液の循環
速度を調整することとが相関連して必要となる。本発明
の装置においては、この相関関係を巧みに設定すること
が可能であり、それによればかなりの速度で氷晶を成長
させても、溶質成分の氷結を実質上ゼロとすることがで
きる。

〔発明の実施例〕

図面を参照して本発明の凍結濃縮装置の一実施例につい
て説明する。

第１図から第３図には本発明の凍結濃縮装置の一実施例
の一部切り欠いた正面図（第１図）、同じく一部を切り
欠き且つ省略して第１図の左側から見た側面図（第２
図）、第１図の上方から見た平面図（第３図）を示す。

図示実施例の凍結濃縮装置は、濃縮されるべき液（以
下、プロセス液という）を流通循環させる直立直方体状
の濃縮槽１と、この濃縮槽１内に例えば第１図で鎖線の
レベルまで満たされたプロセス液PL中に浸漬され、それ
自身の内部に冷媒を高速で１回以上往復循環させる各個
の熱交換プレート数枚（図では５枚）から成る少なくと
も１群の、好適には２群の熱交換プレート群30,31とに
より基本的に構成される。

濃縮槽１は、正面から見て、左右の側板2,2′と、底板
３と、表裏の面板4,4′とにより形成される本体に天板
５を被着して直方体状に構成される。この濃縮槽１は、
基台６上に立設した支持フレーム7,8により直立に支持
される、底板３の内面は、後に第６図に示すように、中
央にかけて傾斜をもたせることが好適である。

この濃縮槽１にプロセス液PLを取入れるため、左側板２
に５個所、右側板２′に５個所、合計10ケ所のプロセス
液取入口10が設けられる。各個の取入口10は、第３図の
平面図から認められるように、３個ずつのポート11を有
し、各ポートは対応して側板に穿設した通孔13を介し槽
１内に連通している。各ポート11の流量調節のため各ポ
ートごとに１個ずつの調節バルブ12が設けられている。

プロセス液PLを循環又は回収のため濃縮槽１から取出す
ために、濃縮槽１の底板３に第１図に示すように取出口
14が５個間隔を置いて設けられる。取出口14の各々に
は、第３図に点線で示すように、３つずつのポート15が
形成されていて、各ポートの流量調節のため調節バルブ
16が１個ずつ備えられている。

これら取入口のポート11及び取出口のポート15は、第２
図及び第３図から認められるように、熱交換プレート群
30と31の間と両側に臨んで配置されている。

これらの取入口10及び取出口14を介してプロセス液PLを
槽１内に循環させるため基台６上にポンプＰが設置さ
れ、ポンプＰの吐出口に接続された供給母管18は濃縮槽
１の背面側にまわって左右に分岐し（第３図で右側は一
部欠切してある）、左右の側板2,2′に沿って立ち上が
る一対の立ち上がり管19,19′となる。立ち上がり管19,
19′の各々からは左右５個ずつの取入口10の各々へ個別
の接続管（第２図参照）が設けられ、プロセス液は各個
の取入口10へ分配される。循環されるべきプロセス液の
量が少なく、例えば第１図の鎖線PLの位置にまで達しな
い時は上方の適宜個数の取入口10の調節バルブ12を締め
て、下方の取入口からだけプロセス液を取入れるように
すればよい。

底部のプロセス液取出口14の各々は各個に収集管20に接
続され（第３図ではこの収集管20を示すため供給母管18
の分岐部分を一部切り欠いてある）、収集管20は１本の
戻り母管21となってポンプＰへ戻る。プロセス液の供給
方向の流れを第１、２、３図で矢印Ａ、戻り方向を矢印
Ｂで示してある。

このように槽１内を循環するプロセス液に浸漬されてそ
れを凍結濃縮するための熱交換プレート群は、図示の実
施例で30と31の２群が設けられている。各群は５枚ずつ
のモジュールプレート30₁〜30₅、31₁〜31₅により構成さ
れ、すべてのモジュールプレートは同一構造である。そ
のうちの１枚のモジュールプレート30₁で代表して説明
すれば、第４図（一部切り欠いた正面図）、第５図（第
４図のＶ−Ｖ線切断部拡大端面図）に示すように、モジ
ュールプレート30₁は上部枠33、下部枠34、左右の側部
枠35,35′で囲まれた四辺形の両面に、凍結面板36,36′
を取付けて構成される。モジュールプレートの内部に冷
媒を循環させるため、側部枠35の下部寄りに冷媒取入管
37が設けられ、反対側の側部枠35′の上部寄りに冷媒取
出管38が設けられる。取入管37と取出管38とは、濃縮槽
１の側板2,2′を貫通して槽外へ突出する長さを有し、
冷媒のモジュールプレートへの取入れと、取出しの役を
すると共に、モジュールプレートの槽側板2,2′への取
付け手段としても役立つ。取付け手段としては、これら
より短かい取付棒39,39′も側部枠35,35′に設けられ
る。

モジュールプレートの内部には、冷媒を複数回往復循環
させる流路が形成される、第４図に示す例では、モジュ
ールプレートの面長より短かい長さの４枚の邪魔板40₁
〜40₄が交互にその一旦ａを側部枠35又は35′に固定さ
れ、他端ｂを離して循環流路を形成している。こうして
取入管37から取出管38へかけて冷媒は2.5回往復してモ
ジュールプレート内を通過する。冷媒は取入管から取出
管にかけて温度差を少なくすることが必要であり、その
ために十分な流速を維持することが必要なので、取入管
に近接する邪魔板40₁の固定端ａは第４図に示すように
下向きに傾斜させて流路を絞っている。

このような構成のモジュールプレート５枚、すなわち第
１図で30₁〜30₅が縦に重設されて第１群の熱交換プレー
ト群30を構成する。同一構成のモジュールプレート５枚
を左右の向きを反転させて重設し、第２群の熱交換プレ
ート群31を構成する。第１群30と第２群31とは第２図、
第３図から認められるように適当な平行間隔を有してい
る。

２群の熱交換プレート群30と31を正面から見ると、第１
図に示すように槽１の側板2,2′を貫いて冷媒取入管3
7、冷媒取出管38、取付棒39,39′が交互に突出し、それ
ぞれナットで締結固定されている。識別しやすくするた
め、これら突出物の第１群に属するものは、冷媒取入管
37_I、冷媒取出管38_I、取付棒39_I、39′_Ｉの如く添字_Ｉ
を付し、第２群に属するものは、37_II、38_II、39_IIの如
く添字_IIに付して示す。これらの添字は第２図、第３図
においても同様な意味をもつ。

次に第６図は本発明の凍結濃縮装置へのプロセス液と冷
媒とのそれぞれ供給及び還流のための配管系統を模式的
に示す略示図である。第６図で濃縮槽１の底部３は中央
へかけて傾斜を有するものとして示してあるが、これは
所定濃度に濃縮されたプロセス液を最後に集める時の便
宜のためである。

第６図において、濃縮槽１内には２群の熱交換プレート
群30と31とが設けられたものとして、第１群30は上から
３番目のモジュールプレートで切り欠いて、下から３番
目以下の第２群31のモジュールプレートをも現わしてあ
る。第１群30のモジュールプレート（５枚）は、すべて
左下（37_I）から冷媒を取入れ、１番上のモジュールプ
レートについて破線で示すように２回半往復循環したの
ち右下（38_I）から流出させる。この第１群30の冷媒の
流れ方向は太線矢印で示してある。第２群31のモジュー
ルプレートは反対に右下（37_II）から左上（38_II）へと
冷媒を往復循環させる（下から２番目のモジュールプレ
ートの破線流路で示すように）。第２群に属する冷媒の
流れ方向は細線矢印で示す。

冷媒は、図示しない適宜の冷凍機又は供給槽などの供給
源から供給母管41を経て供給され、第１群30用の供給管
41_Iと第２群31用の供給管41_IIとに分岐し、濃縮槽１の
両側から調整バルブ42を介して各個の冷媒取入管37_I、3
7_IIに入り、各モジュールプレート内を循環する。各モ
ジュールプレート内を十分な流速をもって下から上へ２
回半往復した冷媒は、冷媒取出管38_I、38_IIから槽外の
冷媒還流管43_I、43_IIへ出て、１本の還流母管43に合
し、供給源へ帰り、再び所定の低温にされて供給され
る。

各モジュールプレート内の冷媒の流速を十分なものとす
るため、冷媒供給源と供給母管41の間に強力なポンプ
（図示せず）が設置され得る。また、各モジュールプレ
ート内の流速をほぼ均一ならしめるように各個の調整バ
ルブ42を個々に調整し得る。こうして冷媒に十分な流速
をもたせるようにすることで各モジュールプレートの入
口と出口とにおける冷媒の温度差を約0.1℃の微差に保
つことができ、従って各モジュールプレートの凍結面板
36,36′上の温度分布をほぼ均一ならしめ、氷の成長厚
を均一ならしめることができる。

こうして本発明の凍結濃縮装置は、プロセス液に浸漬さ
れている熱交換プレート群がその個々のモジュールプレ
ートの凍結面板の全表面においてほぼ均一な温度分布を
呈し、そこに接触するプロセス液からほぼ一様な速さで
水分を凍結させて濃縮の目的を達することができる。第
１群と第２群の熱交換プレート群は同一構造のモジュー
ルプレート同数から成るから、各群全体の表面の平均的
温度分布はほぼ均一になり、また第１群と第２群との間
では冷媒の流れ方向が向流状になるから第１群と第２群
との間隔での温度分布は平均化される。こうして両群の
表面においてほぼ一様な氷の成長を達成することができ
る。

なお、冷媒の流速や流れ方向の調節制御によるほか、プ
ロセス液自体の流れの制御によっても凍結速度の一様化
迅速化をはかることができる。前述のように、プロセス
液は各々の取入口10を介して濃縮槽１へ流入するが、取
入口10には３個ずつのポート11があり、各々のポート11
は槽側板の通孔13を介して槽の面板４と第１群の熱交換
プレート群30との間、第１群と第２群の熱交換プレート
群30と31との間、そして第２群の熱交換プレート群と槽
の面板４′との間に開口していて、そこからプロセス液
は水平に吹き出し、ほぼ均等に凍結面板36,36′（_Ｉ）,
36,36′（_II）に接触し一様に冷却されて氷結する。プ
ロセス液の取出口14も３つずつのポート15を有し、ほぼ
一様に引かれるので、プロセス液の槽内循環は攪拌効果
を伴なって一様均等に行なわれ、こうして一様均等で且
つ迅速な氷晶成長が達成される。

プロセス液が所定の濃度に濃縮された後は、三方弁22の
取出部23（第６図）から濃縮プロセス液は適宜容器又は
次工程へ取り出される。第６図で、24はプロセス液供給
母管18の分岐点に設置された温度センサー、25は濃縮槽
１に設置された温度センサーである。26は濃縮槽１の頂
部に設置されたレベル計である。26′は圧力計である。
最初にプロセス液が循環を開始した時に濃縮槽内で氷結
開始を促進するためプロセス液内に氷塊を投入するよう
にしてもよく、27はそのための開閉可能な氷受口、28は
氷塊を貯留するホッパーである。プロセス液供給母管18
にはサイトグラス29が設けられている。

濃縮工程が終了し、プロセス液が全部抜き取られたら、
熱交換プレート群の表面の氷は熱水又は温水を注入する
ことにより容易に融解除去される。この除去される水の
中に被濃縮液中の溶質成分を取り込まないようにするに
は、凍結面板上に形成される氷が溶質成分を取り込ま
ず、水だけが氷晶となるようにすることが必要である、
本発明の凍結濃縮装置を用いれば、凍結面板上における
氷の成長速度をコントロールすることによりこれが可能
となる。氷の成長速度が早すぎると、溶質の取り込まれ
る率が大きくなり、成長を遅くすれば純粋に水だけの氷
に近くなるが、産業的装置としては時間がかかりすぎて
好ましくない。比較的早い速度で溶質を含まない氷晶を
成長させるには、本発明の装置を利用して冷媒の温度
（熱交換プレート内における）、冷媒のプレート内流速
を巧みに調整し、且つプロセス液の循環速度をも併せて
調整することにより可能となる。

以上、本発明の凍結濃縮装置は、１群５枚ずつのモジュ
ールプレートから成る熱交換プレート群を２群並設する
実施例について説明してきたが、モジュールプレートの
数及び熱交換プレート群の数はこれに限定されない。ま
た、図示したような凍結濃縮装置を２基又はそれ以上直
列に凍結して、例えば１基目の取出口14を２基目の取入
口10に接続するなどして濃縮能力を増大させることも容
易である。なお、被濃縮液としては、漢方製剤の材料で
ある溶液のほか、果汁、コーヒー、紅茶など取り出した
い有効成分を含有する種々の溶液に広く本発明の凍結濃
縮装置を応用することができる。

〔発明の効果〕

以上説明のように本発明によれば、構成が簡潔で比較的
安価に製作され得る凍結濃縮装置が提供されるから、低
沸成分を含む種々の溶液を経済的に濃縮することがで
き、冷媒の温度調節や流速制御並びに被濃縮液の流速制
御が容易に行なえるから、高効率の凍結濃縮を迅速に実
行することができる。

本発明においては、熱交換プレート群を縦に重設した同
一構造のモジュールプレートで構成したから、所要能力
に応じた数のモジュールプレートだけを作動させればよ
く、合目的的に運転能力を変更し得る利点がある。

また、熱交換プレート群は両表面を被濃縮液中に浸漬さ
れるから、水分の氷結面積が大きく所期の濃縮を速やか
に実行し得ると共に、濃縮終了後は凍結面板に付着した
氷を融解除去するのも極めて容易であり、氷の掻き取り
作業などは不要であるから装置の機能部分を損傷するお
それがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る凍結濃縮装置の一実施例をその一
部を切り欠いて示す正面図、第２図は第１図の左方から見た、一部を省略した側面
図、第３図は第１図の上方から見た平面図、第４図は本発明の装置で使用される熱交換プレート群の
１枚のモジュールプレートをその一部を切り欠いて示す
正面図、第５図は第４図Ｖ−Ｖ線における切断部端面拡大図、第６図は本発明の凍結濃縮装置への冷媒と被濃縮液との
供給及び還流用の配管系統を模式的に示す略図である。〔主要符号〕１……濃縮槽、2,2′……側板、３……底板、4,4′……
面板、10……被濃縮液取入口、11……ポート、12……調
節バルブ、14……被濃縮液取出口、30,31……熱交換プ
レート群、30₁〜30₅……各個のモジュールプレート、3
6,36′……凍結面板、37……冷媒取入管、38……冷媒取
出管、40₁〜40₄……邪魔板、42……調整バルブ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被濃縮液を入れる濃縮槽と、該濃縮槽内
に、被濃縮液に両表面を接触させて配置され、それ自身
の内部に冷媒を流通させるようにした少なくとも１群の
熱交換プレート群とにより構成され、前記濃縮槽は、その両側板で前記熱交換プレート群を保
持すると共に、熱交換プレート群の両表面に臨む２個又
はそれ以上のポートを備えた被濃縮液取入口を両側板に
備え、該濃縮槽の底板には被濃縮液の取出口を有し、前記熱交換プレート群は、前記濃縮槽の側板を貫通する
冷媒取入管と冷媒取出管とを各個に有する複数枚のモジ
ュールプレートを重設して構成され、各個のモジュール
プレートはその内部で冷媒取入管と冷媒取出管との間に
冷媒を１回以上往復させる循環流通路が形成されてお
り、該循環流通路に内面を接触させるモジュールプレー
ト両表面の凍結面板がその外表面に前記被濃縮液中の水
分を氷結させるようにしたことを特徴とする凍結濃縮装
置。
【請求項２】前記熱交換プレート群は２群設置され、そ
れぞれの両表面が凍結面板として働く特許請求の範囲第
１項記載の凍結濃縮装置。
【請求項３】前記熱交換プレート群の各々は５枚ずつの
モジュールプレートで構成される特許請求の範囲第２項
記載の凍結濃縮装置。
【請求項４】各個のモジュールプレートの内部は４枚の
邪魔板で仕切られ、冷媒を２回半往復させるようになっ
ている特許請求の範囲第１項記載の凍結濃縮装置。
【請求項５】第１の群を構成する各個のモジュールプレ
ートは冷媒を右下から左上へ２回半往復させ、第２の群
を構成する各個のモジュールプレートは左下から右上へ
２回半往復させるように配置されている特許請求の範囲
第２項記載の凍結濃縮装置。
【請求項６】前記被濃縮液取入口が２群の熱交換プレー
ト群の間とその反対側の２つの凍結面板とにそれぞれ臨
む３個のポートを有している特許請求の範囲第２項記載
の凍結濃縮装置。
【請求項７】前記濃縮槽の底板の被濃縮液取出口と両側
板の被濃縮液取入口とが槽外において循環ポンプを介し
て連結されている特許請求の範囲第１項又は第２項記載
の凍結濃縮装置。
【請求項８】前記被濃縮液取入口は熱交換プレート群を
構成する各個のモジュールプレートごとに両側部に設け
られ、各取入口ごとに各ポートの調節バルブを備えてい
る特許請求の範囲第１、２又は７項記載の凍結濃縮装
置。
【請求項９】前記熱交換プレート群を構成する各個のモ
ジュールプレートの冷媒取入管が各個に調整バルブを介
し冷媒供給源に接続されている特許請求の範囲第１項又
は第２項記載の凍結濃縮装置。
【請求項１０】前記濃縮槽に氷ホッパーから接続する氷
投入口が付設されている特許請求の範囲第１項又は第２
項記載の凍結濃縮装置。