圧力制御式液体濃縮方法および装置
【課題】加熱される液体の温度と圧力を制御して、沸騰すること無しに最大の効率で濃縮を行い、しかも、圧力制御を真空ポンプの動作とは関係なく正確に行うことが可能な圧力制御式液体濃縮方法およびその装置を提供する。
【解決手段】被濃縮液１１を入れた加熱源１４付きの濃縮槽１２と、真空ポンプ１９に連結された圧力変動吸収容器１８とを制御弁１７で連結し、濃縮槽１２の圧力で決定される被濃縮液１１の飽和蒸気温度より、加熱源１４で加熱された被濃縮液１１の温度がＴ℃低くなるように、制御弁１７を制御して、被濃縮液１１の沸騰を防止し、かつ、濃縮槽１２内の被濃縮液１１の表面に乾燥した気流を吹き付けて被濃縮液１１の蒸発を促進する。なお、０＜Ｔ≦１２である。
【解決手段】被濃縮液１１を入れた加熱源１４付きの濃縮槽１２と、真空ポンプ１９に連結された圧力変動吸収容器１８とを制御弁１７で連結し、濃縮槽１２の圧力で決定される被濃縮液１１の飽和蒸気温度より、加熱源１４で加熱された被濃縮液１１の温度がＴ℃低くなるように、制御弁１７を制御して、被濃縮液１１の沸騰を防止し、かつ、濃縮槽１２内の被濃縮液１１の表面に乾燥した気流を吹き付けて被濃縮液１１の蒸発を促進する。なお、０＜Ｔ≦１２である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内部に液体または固体が溶けている液状物の濃縮方法およびその装置に係り、食品分野（例えば、天然果汁、コーヒー、紅茶、緑茶、動物エキス、魚介エキス、植物エキス、キノコ類エキス、アミノ酸、チーズ、クリーム）、医薬分野（例えば、抗生物質、酵素、蛋白水溶水、醗酵液、アミノ酸、生薬エキス、インターフェロン、ビタミン類）、機能性食品分野（例えば、クロレラ、漢方薬エキス、青汁）、または環境分野（例えば、焼酎廃液からのエキス回収、ビール廃液からのエキス回収、油脂の回収、有機溶剤の回収）において利用可能な圧力制御式液体濃縮方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、最も普及している大気圧下での加熱濃縮法は、濃縮時間が短いという長所がある一方、熱効率が悪く、味や香りが低下するとともに焦げつきや酸化するなど品質面での短所も多い。この短所を解決するために例えば、特許文献１に記載されているように、遠心式真空薄膜濃縮法が開発されている。
また、特許文献２には、液体を加熱する熱交換器と、熱交換器によって加熱された液体から比較的気化し易い成分の蒸気を分離する蒸発濃縮器を複数段連結して、廃水または製薬液などの液体から、低含水率の濃縮物と高純度の純水を得ることができる多重効用濃縮システムおよび方法が提案されている。
そして、特許文献３には、濃縮槽に海水を注入し、濃縮槽内を真空ポンプを介して減圧した状態で、濃縮槽内の海水を加熱して海水中の水分を蒸発させて残留した濃縮水を得る海水の濃縮方法が提案されている。そして、減圧工程においては真空ポンプを作動させ、圧力管を介して濃縮槽の上端部に設けられた圧力口から所望の圧力となるよう随時監視しながら排気している。更に、熱源室は高温であるので、空焚部分に水滴などが触れると一瞬で蒸発しと記載されているので、１００℃以上の温度で海水を加熱している。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２７１５９６号公報
【特許文献２】特開２００３−２３６３０２号公報
【特許文献３】特開２００６−４３５１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１記載の技術においては、液体を平面板上に薄膜状に形成した後に高温加熱を行い瞬間的に濃縮するため高い熱効率を実現する反面、低圧力においては液体が低温で沸騰するため完全な品質改善までは至っていないという問題がある。
また、特許文献２の技術においては、複数段の熱交換器と蒸発濃縮器が必要であり、装置が複雑になるほか、食品を濃縮する場合には腐敗などの問題があるので、機器が複雑であると掃除などが容易でないという問題がある。
そして、特許文献３に記載されている技術は、減圧しながら加熱しているが、加熱温度と圧力の関係を厳密に制御しているわけではないので、蒸発速度も遅く、結果として濃縮に時間がかかるという問題があった。また、高温の熱源で加熱しているので、濃縮槽内の液が不足すると、壁面に付着した液が急速乾燥され、凝固物（塩）が固化して付着するという問題がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、加熱される液の温度と圧力を制御して、沸騰すること無しに最大の効率で濃縮を行い、しかも、圧力制御を真空ポンプの動作とは関係なく正確に行うことが可能な圧力制御式液体濃縮方法およびその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的に沿う第１の発明に係る圧力制御式液体濃縮方法は、被濃縮液を入れた加熱源付きの濃縮槽と、真空ポンプに連結された圧力変動吸収容器とを制御弁で連結し、
前記濃縮槽の圧力で決定される前記被濃縮液の飽和蒸気温度より、前記加熱源で加熱された前記被濃縮液の温度がＴ℃低くなるように、前記制御弁を制御して、前記被濃縮液の沸騰を防止し、かつ、前記濃縮槽内の被濃縮液の表面に乾燥した気流を吹き付けて前記被濃縮液の蒸発を促進する。
なお、０＜Ｔ≦１２（より好ましくは、２≦Ｔ≦１０）である。
【０００７】
また、第２の発明に係る圧力制御式液体濃縮方法は、第１の発明に係る方法において、前記気流は前記被濃縮液に対して不活性ガスであって、しかも円筒状の前記濃縮槽内を旋回流として流れる。
第３の発明に係る圧力制御式液体濃縮方法は、第２の発明に係る方法において、前記濃縮槽の上部中央には排気孔が設けられ、該排気孔の開口率は前記濃縮槽の断面積の１５〜４０％である。なお、ここで、濃縮槽の被濃縮液の表面から排気孔までの高さは、例えば、濃縮槽の内径の０．５〜１．５倍程度としている。
【０００８】
第４の発明に係る圧力制御式液体濃縮方法は、第１〜第３の発明に係る方法において、前記加熱源は前記被濃縮液内に浸漬されたヒータからなって、前記被濃縮液がその品質変性温度より低い所定温度以下になった場合に作動する。なお、加熱源としては、電熱ヒータの他、蒸気配管による加熱、加熱空気配管による加熱、赤外線ヒータによる加熱なども含むものである。
【０００９】
第５の発明に係る圧力制御式液体濃縮方法は、第１〜第４の発明に係る方法において、前記被濃縮液は循環ポンプによって均一温度に攪拌保持されている。そして、加熱源表面の温度境界層を破壊して、被濃縮液の局部的な沸騰を防止している。
【００１０】
また、前記目的に沿う第６の発明に係る圧力制御式液体濃縮装置は、被濃縮液を入れる濃縮槽と、
前記濃縮槽内の被濃縮液を加熱する加熱源と、
前記濃縮槽内の被濃縮液を攪拌して均一温度にする攪拌手段と、
前記濃縮槽に直接または間接的に制御弁を介して接続される圧力変動吸収容器と、
前記圧力変動吸収容器に接続されて該圧力変動吸収容器内を前記濃縮槽の圧力より低く減圧する真空ポンプと、
前記濃縮槽中の被濃縮液の温度を測定する温度計と、
前記濃縮槽のガス圧力を測定するガス圧力計と、
前記ガス圧力計で測定される圧力で決定される前記被濃縮液の飽和蒸気温度より、前記温度計で測定される前記被濃縮液の温度がＴ℃低くなるように、前記制御弁を制御する制御部とを有する。
なお、０＜Ｔ≦１２（より好ましくは、２≦Ｔ≦１０）である。
【００１１】
第７の発明に係る圧力制御式液体濃縮装置は、第６の発明に係る装置において、前記攪拌手段は前記被濃縮液を前記濃縮槽から取り出して再度前記濃縮槽に入れる循環ポンプである。
【００１２】
第８の発明に係る圧力制御式液体濃縮装置は、第６および第７の発明に係る装置において、前記加熱源は、前記被濃縮液が所定温度以下になった場合に作動する。
【００１３】
第９の発明に係る圧力制御式液体濃縮装置は、第６〜第８の発明に係る装置において、前記濃縮槽は断面円形となって、前記濃縮槽内の被濃縮液の表面には、該被濃縮液に対して不活性ガスが前記濃縮槽の内側接線方向に吹き込まれている。
そして、第１０の発明に係る圧力制御式液体濃縮装置は、第６〜第９の発明に係る装置において、前記濃縮槽は減圧容器内に配置されて、前記圧力変動吸収容器に接続される排気口は前記減圧容器に設けられている。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１〜５記載の圧力制御式液体濃縮方法においては、被濃縮液を入れた加熱源付きの濃縮槽と、真空ポンプに連結された圧力変動吸収容器とを制御弁で連結し、濃縮槽の圧力で決定される被濃縮液の飽和蒸気温度より、加熱源で加熱された被濃縮液の温度がＴ℃（なお、０＜Ｔ≦１２）低くなるように、制御弁を制御しているので、被濃縮液の沸騰が防止される。これによって、被濃縮液の沸騰による変性や変質を防止できる。
また、濃縮槽内の被濃縮液の表面に乾燥した気流を吹き付けているので、被濃縮液の表面に発生する高湿度の気体を積極的に除去して、被濃縮液の蒸発が促進される。
【００１５】
特に、請求項２記載の圧力制御式液体濃縮方法においては、気流は被濃縮液に対して不活性ガス（例えば、窒素、炭酸ガスなど）であって、しかも濃縮槽内を旋回流として流れるので、気流が被濃縮液を酸化させたり、変質させることがない他、より万遍なく被濃縮液の表面を清浄化することが可能となる。
また、請求項３記載の圧力制御式液体濃縮方法は、排気孔の開口率が濃縮槽の断面積の１５〜４０％程度であるので、旋回流が濃縮槽の液面の周囲だけでなく、中央部にも流れ、被濃縮液の表面全体の湿度を下げることができる。
【００１６】
請求項４記載の圧力制御式液体濃縮方法は、加熱源が被濃縮液内に浸漬されたヒータからなっているので、加熱効率を高めることができる。また、被濃縮液がその品質変性温度より低い所定温度以下になった場合に作動するので、加熱によって被濃縮液が変質または変性しない。
【００１７】
請求項５記載の圧力制御式液体濃縮方法は、被濃縮液は循環ポンプによって均一温度に攪拌保持されているので、加熱源の周りが局部加熱されて沸騰などが起こったり、あるいは被濃縮液が局部的に加熱されて変質や変性が生じることがない。
【００１８】
そして、請求項６〜１０記載の圧力制御式液体濃縮装置においては、ガス圧力計で測定される圧力で決定される被濃縮液の飽和蒸気温度より、温度計で測定される被濃縮液の温度がＴ℃低くなるように、制御弁を制御する制御部を有するので、被濃縮液の沸騰が生じることなく、被濃縮液の急速濃縮を行うことができる。これによって、被濃縮液に沸騰や過度の加熱によって変性、変質が生じることがない。
【００１９】
特に、請求項７記載の圧力制御式液体濃縮装置においては、攪拌手段は被濃縮液を濃縮槽から取り出して再度濃縮槽に入れる循環ポンプであるので、被濃縮液に過度な波立ちを発生させることなく、更に、加熱源の周りに積極的に被濃縮液の流れを形成させながら全体の被濃縮液の温度を均一にすることができる。
【００２０】
請求項８記載の圧力制御式液体濃縮装置においては、加熱源は、被濃縮液が所定温度以下になった場合に作動するので、被濃縮液を必要以上に加熱することがなく、従って、熱に対して敏感に変質、変性する被濃縮液に対して特に有効である。
【００２１】
そして、請求項９記載の圧力制御式液体濃縮装置においては、濃縮槽は断面円形となって、濃縮槽内の被濃縮液の表面には、被濃縮液に対して不活性ガスが濃縮槽の内側接線方向に吹き込まれているので、濃縮槽内で旋回流が発生し、より効率的に被濃縮液の表面を清浄化できる。
また、請求項１０記載の圧力制御式液体濃縮装置においては、濃縮槽が減圧容器に収納されているので、濃縮槽の強度を下げることが可能となり、特に、濃縮槽を交換する場合には効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の一実施の形態に係る圧力制御式液体濃縮装置の概略構成を示す説明図、図２は液体温度と飽和蒸気温度との関係を示すグラフ、図３は濃縮槽の圧力と飽和蒸気線との関係を示すグラフ、図４はコーヒー質量と温度の過渡変化を示すグラフ、図５は熱量と濃縮速度との関係を示すグラフ、図６は電熱ヒータの各ワット数に対する飽和蒸気線との比較を示すグラフ、図７は各湿度におけるコーヒーの質量と温度の過渡変化を示すグラフ、図８は開口率に対する濃縮速度と濃縮槽内湿度との関係を示すグラフ、図９は解析と実験との比較を示すグラフ、図１０は圧力制御試験結果を示すグラフ、図１１は生産試験時のコーヒーの質量と温度の過渡変化を示すグラフ、図１２は濃縮槽内の圧力と飽和蒸気線との関係を示すグラフ、図１３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ味および香りに関する官能検査結果を示す円グラフである。
【００２３】
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る圧力制御式液体濃縮装置１０は、被濃縮液１１を入れる濃縮槽１２が内側に配置された減圧容器１３と、濃縮槽１２内の被濃縮液１１を加熱する加熱源の一例である電熱ヒータ１４と、濃縮槽１２内の被濃縮液１１を攪拌する攪拌手段の一例である循環ポンプ１５と、減圧容器１３の排気口１６に制御弁１７を介して接続される圧力変動吸収容器１８と、圧力変動吸収容器１８に接続される真空ポンプ１９と、濃縮槽１２内の被濃縮液１１の温度およびその上側のガス温度をそれぞれ測定する温度計２０、２１と、減圧容器１３中の圧力を測定するガス圧力計２２と、これらの制御部２３と、濃縮槽１２の表面に被濃縮液１１に対して乾燥した気流を作る不活性ガスの一例である窒素を吹き込む不活性ガス吹き込み手段２４とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
【００２４】
濃縮槽１２は、例えば、直径が１４０ｍｍ、高さが２００ｍｍ程度の容器からなっている。そして、被濃縮液１１に対して十分耐蝕性を有する合成樹脂、金属、セラミックス等の円筒状容器からなって、上部には中央に排気孔２５bを有する蓋２５が被っている。この濃縮槽１２の側部には入口と出口がそれぞれ濃縮槽１２内の別の場所に向けられた循環ポンプ１５が設けられているとともに、濃縮槽１２の内部には浸漬型の電熱ヒータ１４が設けられて、内部の被濃縮液１１を被濃縮液１１の例えば品質変性温度より低い所定の温度（例えば、１０〜３０℃）に保持するようにしている。即ち、被濃縮液１１の濃縮が行われると、被濃縮液１１の温度が下がるので、これを防止して所定温度になるように電熱ヒータ１４が作動する。
【００２５】
この濃縮槽１２内には温度計（正確には温度センサー、熱電対）２０、２１が設けられ、一方は被濃縮液１１内に浸漬され、他方は被濃縮液１１の上方のガス温度を測定するようにしている。また、濃縮槽１２と連通して同一圧力となった減圧容器１３の内側壁面にはガス圧力計２２が設けられ、内部の圧力を測定できるようになっている。そして、温度計２０、２１、ガス圧力計２２の出力は制御部２３に接続されている。濃縮槽１２の上部には蓋２５が設けられ、この蓋２５の中央には、濃縮槽１２の断面積の１５〜４０％の断面積（即ち、開口率）を有する排気孔２５ｂが設けられている。なお、蓋２５を除去すれば開口率１００％となる。
【００２６】
濃縮槽１２はその直径の１．５〜３倍程度、高さが濃縮槽１２の１．２〜２倍の減圧容器（例えば、例えば、直径が３００ｍｍ、高さが３５０ｍｍ）１３内に配置されている。これによって、濃縮槽１２の簡略化ができる。減圧容器１３は十分強度を有する金属（例えば、ステンレス）からなって、上部に開閉できる密閉蓋２５ａを備えている。この減圧容器１３の側板を貫通して不活性ガス吹き込み手段２４が設けられている。
不活性ガス吹き込み手段２４は、減圧容器１３外に配置されている窒素ガス供給源の一例である窒素ガスボンベ（最大圧力が例えば１５ＭＰａ）２６と、窒素ガスボンベ２６から図示しない減圧弁などを介して接続される流量計２７と、流量計２７からの窒素ガスを濃縮槽１２内に送るために減圧容器１３の側壁を貫通して配置される配管２８とを有している。
【００２７】
配管２８の先部２９は、被濃縮液１１の表面に斜め上方向からかつ濃縮槽１２の内壁面の接線方向に向いて気流が吹き付けられるように、位置し、濃縮槽１２の内部に旋回流を形成するようになっている。そして、旋回流となった窒素ガスによって被濃縮液１１の表面に湿度の低い気流空間を形成し、最終的には濃縮槽１２の上部の蓋２５の排気孔２５ｂから減圧容器１３内に排出され、更に排気口１６から制御弁１７を介して圧力変動吸収容器１８内に排気されるようになっている。
減圧容器１３の外部には、電熱ヒータ１４に例えば０〜１００ｗの電力を送る電源部３０と、ガス圧力計２２の電源兼制御部３１とが設けられている。また、制御弁１７は電磁駆動型の流量調整弁からなって電気信号によって所定の開度となって、減圧容器１３から圧力変動吸収容器１８への気流の制御が可能となって、減圧容器１３の内部を例えば、０．８ｋＰａ〜１０１ｋＰａに調整できるようになっている。圧力変動吸収容器１８は減圧容器１３の体積の１／１０〜１／２程度の容積を有し、内部に監視用の圧力計３２が設けられている。なお、３３は圧力計３２の電源兼制御部を示す。圧力変動吸収容器１８には真空ポンプ１９が接続されて、常時圧力変動吸収容器１８の内部圧力は、減圧容器１３内の圧力より十分低い圧力（例えば、減圧容器１３内の圧力をＰとした場合、０．１Ｐ〜０．８Ｐ）になるようにしている。
【００２８】
減圧容器１３外には、制御部２３が設けられているが、この制御部２３には、温度計２０、２１、ガス圧力計２２の出力値が入力され、制御弁１７の開度を制御するようになっているとともに、電源部３０を制御して電熱ヒータ１４の供給電力を変えて、被濃縮液１１の温度を所定値に制御している。
【００２９】
ガス圧力計２２の出力値によって、制御弁１７を制御し、濃縮槽１２内の圧力を所定範囲に保つようにしている。即ち、制御部２３には、更にガス圧力計２２で測定される圧力によって決定される被濃縮液１１の飽和蒸気温度より、温度計２０で測定される被濃縮液１１の温度がＴ℃だけ低くなるように、制御弁１７を制御して、濃縮槽１２の圧力を調整する制御手段が設けられている。なお、この制御手段は、被濃縮液１１の温度を温度計２０が検知し、被濃縮液１１の温度よりＴ℃高い温度の被濃縮液１１の飽和蒸気圧に濃縮槽１２内の圧力（即ち、減圧容器１３内の圧力）がなるように、制御弁１７を制御するとしてもよい。ここで、０＜Ｔ≦１２であるが、温度Ｔ℃が０に近づくと制御が難しく、１２℃に近づくと、被濃縮液１１からの蒸発量が減少するので、２℃〜１０℃（更に好ましくは４℃〜７℃）とするのがよい。ここで、被濃縮液１１は電熱ヒータ１４によって加熱されているので、電熱ヒータ１４の入熱に対応する量の蒸発が起こり、これによって被濃縮液１１が更に濃縮される。
【００３０】
図２には、この場合の被濃縮液１１の温度と、飽和蒸気温度との関係を示すが、飽和蒸気温度よりＴ℃だけ被濃縮液１１の温度を保持する、即ち、減圧容器１３内の圧力を保持すると、被濃縮液１１に沸騰などが生じることなく、被濃縮液１１の濃縮を行うことができる。図２においては、被濃縮液１１の温度が徐々に下がり、１０℃近傍で維持するように電熱ヒータ１４を制御しているが、被濃縮液１１の種類に合わせて適切な温度とすることができる。図３は、被濃縮液１１の濃縮槽１２内での圧力と飽和蒸気線を示したもので、飽和蒸気線に対応する温度を被濃縮液１１の温度が超えると沸騰を生じるが、飽和蒸気線に対応する温度以下では沸騰は生じず、濃縮のみが行われる。
【００３１】
次に、この圧力制御式液体濃縮装置１０の実験例を説明し、本発明の一実施の形態に係る圧力制御式液体濃縮方法について説明するが、この実験例では被濃縮液１１としてコーヒーを使用した。
濃縮実験では、圧力約１５００Ｐａ、窒素導入量１．５Ｌ／ｍｉｎの条件で電熱ヒータ14の出力を２０ｗ、４０ｗ、６０ｗと８０ｗの４段階で行った。実験で使用するコーヒーの質量は５００ｇとした。濃縮実験では、各電熱ヒータ14の出力に対する濃縮速度と温度を測定することにより濃縮特性を調べた。また液体表面近傍の窒素湿度を湿度計で計測して濃縮槽１２内の湿度に対する物質伝達量を検討するとともに濃縮速度を向上させる濃縮槽１２の構造の検討も行った。
【００３２】
具体的には、コーヒー豆に熱湯を注ぎ抽出したコーヒーを冷凍機で約５℃まで冷却した後に濃縮槽１2に５００ｇ入れて約１５００Ｐａまで減圧する。減圧容器１３内の圧力が安定した後に電熱ヒータ１４の出力（以下、ヒータ出力ともいう）を２０〜８０ｗの間で調整した。濃縮速度は、１０分おきに減圧容器１３内に設置した質量計でコーヒーの質量を測定することにより求めた。また液体表面近傍の湿度は、蓋２５に孔を開け、濃縮槽１２の内部に直径５ｍｍの配管（チューブ）２８を挿入して濃縮槽１２に窒素を流入させ液体から発生する蒸気量および窒素量と排気量のバランスを調節することにより変化させる。
【００３３】
濃縮槽１２内の湿度は、２０．５％、３２．３％と７６．５％とした。ただし湿度７６．５％は、濃縮槽１２外にチューブを配して開口面積１００％で実施した。各湿度での濃縮実験は、コーヒー質量５００ｇ、圧力約１５００Ｐａ、窒素導入量１．５Ｌ／ｍｉｎ、ヒータ出力６０ｗで行った。また実験で得られたデータをもとに近似解析を行い、減圧状態での液体濃縮機構を検証した。各濃縮実験を行う際に突発的に発生した蒸気による圧力変動を圧力変動吸収容器１８で吸収して高精度な圧力制御を実現する。そこで圧力吸収試験と生産試験を行い圧力変動吸収容器１８の評価を行った。
【００３４】
圧力変動吸収試験は、制御弁１７と圧力変動吸収容器１８による圧力制御と、圧力変動吸収容器１８を使用しないで、制御弁１７のみによる圧力制御を、減圧容器１３内の圧力約１５００Ｐａ、窒素導入量約１．５Ｌ／ｍｉｎ、ヒータ出力６０ｗで行い圧力の吸収性能を比較した。具体的には、初期圧力を約１５００Ｐａで一定として電熱ヒータ１４の出力６０ｗを投入することにより急激な蒸発量の発生に伴う圧力変動を強制的に発生させた。その時の圧力吸収状態を濃縮槽１２内の圧力と液体温度の時間変化を測定して評価を行った。
【００３５】
生産試験では、約７０℃の抽出コーヒーの温度に対して約５〜１０℃高い飽和蒸気温度を維持できる飽和蒸気圧力に維持しながら温度を１０℃以下に冷却させる。最終的には、濃縮槽１２内の圧力を１５００Ｐａまで低下させた後にヒータ出力６０ｗでコーヒー温度を１０℃以下に維持させ５時間でコーヒー質量を約２０分の１まで濃縮する。
本実験ではこの圧力制御式液体濃縮装置１０で試作した濃縮コーヒーの評価としてＰＨ測定と官能検査を行った。ＰＨ測定では、各濃縮試験を行った際に最終濃縮２０ＢｒｉｘのコーヒーのＰＨを測定した。また、官能検査では、３０人に濃縮コーヒーを試飲してもらい味と香りについて回答を得たアンケートの結果を集計した。
【００３６】
以下に上記実験例の結果と考察を示す。
［液体の濃縮特性］
図４は、減圧容器１３内の圧力が約１５００Ｐａの状態で電熱ヒータ１４の各出力に対するコーヒー温度と質量の過渡変化である。図４から電熱ヒータ１４の出力６０ｗで濃縮時間５時間、濃縮温度１０℃以下であった。また、電熱ヒータ１４の出力８０ｗでは濃縮時間が６０ｗに比べて１時間２０分速い。しかし濃縮温度が約１２℃まで上昇する。電熱ヒータ１４の出力４０ｗでは濃縮時間が６０ｗに比べて約１時間遅く、２０ｗでは約２時間遅くなっている。濃縮温度は、１０℃以下である。
【００３７】
図５に電熱ヒータ１４の各出力時の平均濃縮速度と平均濃縮速度に対する蒸発潜熱量を示す。図５から各電熱ヒータ１４の出力時の平均濃縮速度と平均濃縮速度に対する蒸発潜熱量がほぼ等しいため電熱ヒータ１４の出力がすべて蒸発潜熱量に使われていると考えられる。各電熱ヒータ１４の出力時の平均濃縮速度が蒸発潜熱量に対する平均濃縮速度より少々速いのは濃縮槽１２への窒素導入によるものと考えられる。また図６から電熱ヒータ１４の各出力時の温度が、圧力１５００Ｐａ時の飽和蒸気温度約１３℃を超えていないため、本圧力制御式液体濃縮装置１０では電熱ヒータ１４の出力２０〜８０ｗで沸騰が起きないことも確認した。つまり、圧力１５００Ｐａ下で電熱ヒータ１４の出力８０ｗまで蒸気発生量と排気量のバランスが取れているため沸騰を発生せずに濃縮を行うことができる。以上から本発明の目標である濃縮時間５時間以内、濃縮温度１０℃以下を達成できるこの実験例の最適電熱ヒータ１４の出力が６０ｗであることを確認した。
【００３８】
［液体表面近傍湿度変化試験と濃縮槽１２の最適構造］
図７は、液体（コーヒー液）表面近傍の湿度に対するコーヒー質量とコーヒー温度の過渡変化である。図７から液体表面近傍の湿度約２０．５％の濃縮時間は、湿度約３２．３％に比べて約２０分短く湿度約７６．５％に比べて約２．５時間短い。またコーヒー温度は湿度約３２．３％まで目標温度１０℃以下に抑えられているのに対して、湿度約７６．５％では目標温度１０℃を大きく超えて約５０℃まで上昇している。したがって液体表面近傍の湿度が低いほど蒸発量が多く、湿度が高いほど蒸発量が少なくなっていることが分かる。また湿度が高い場合は電熱ヒータ１４による供給熱量の一部がコーヒーの顕熱に変換されるため、温度が上昇する。液体表面近傍の湿度は、電熱ヒータ１４の出力とともに濃縮速度に影響を与える大きな要因である。
【００３９】
そこで、本発明の圧力制御式液体濃縮装置１０では、図１に示すように減圧容器１３内に濃縮槽１２を設置して二重容器として濃縮槽１２に直接窒素をコーヒー表面に旋回できるように流入させ、また濃縮槽１２上部に載せる蓋２５に排気孔２５bを設けてコーヒーから発生する蒸気を排出することにより、さらに旋回を増幅させてコーヒー全体に接触させるとともに導入窒素の対流時間を長くすることにより液体表面近傍の湿度を低下させている。図８は、濃縮槽１２の上部の開口率に対して圧力約１５００Ｐａおよび電熱ヒータ１４の出力６０ｗでの濃縮速度を示している。また、図８は排気孔２５bの濃縮槽１２の断面積に対応する開口率に対する液体表面近傍の湿度も表している。ただし湿度７６．５％は濃縮槽１２の外に窒素チューブを配しているため図８から除外している。なお、濃縮槽１２内の気流の旋回空間の高さは、濃縮槽１２の内径の０．５〜１．５倍程度としている。
【００４０】
各濃縮試験における窒素導入量は１．５Ｌ／ｍｉｎである。図８から濃縮速度の最大値は、開口面積率が２５％であった。開口面積が２５％より高い場合は導入した窒素の旋回力が弱いためにコーヒー表面全体に窒素が触れずに濃縮槽１２から排気される。このため液体表面近傍の湿度が開口面積率２５％の場合より高くなっていると考えられる。また、開口面積率が２５％より低い場合はコーヒー表面に窒素が触れているが、濃縮槽１２内での滞留時間が長くなるため湿度が開口面積率２５％の場合より高くなっていると考えられる。このように液体表面近傍の湿度が上昇することにより濃縮速度が低下すると思慮する。
【００４１】
［近似解析による濃縮特性の検証］
本発明の実験では、近似解析においても濃縮槽１２内の湿度が濃縮速度に大きく関係していることを調べた。そこで濃縮試験の結果について簡単なモデル解析によりコーヒーの濃縮機構を検討した。その熱および物質伝達モデルは、集中定数系として取り扱いを仮定すれば、次式に表すことが出来る。
【００４２】
【数１】
【００４３】
ここにコーヒーへの入熱量Ｑin（ｗ）は電熱ヒータ１４による熱供給量である。物質伝達率Ｋ（ｍ／ｓ）は、図４の濃縮試験（濃縮圧力１５００Ｐａ、電熱ヒータ１４の出力６０ｗ）で得られた蒸発速度からコーヒー表面での物質伝達に関する式（４）より算出した。
【００４４】
【数２】
【００４５】
ここでＭはコーヒー質量（ｋｇ）、Ｍ1は水の分子量、Ｍ2は窒素の分子量、ｍは物質伝達量（ｋｇ／m2・ｓ）、Ｌwは蒸発潜熱（ｋＪ／ｋｇ）、ρnは窒素の密度（ｋｇ／m3）、Ｃはコーヒーの比熱（ｋＪ/ｋｇ・ｋ）、Ａは濃縮槽１２の蒸発面積（m2）、ω1cはコーヒーの蒸発表面の水分率、ω1zは遠方の水分率、φは湿度、Ｐは大気圧（Ｐａ）、Ｐ1は濃縮槽１２内圧力（Ｐａ）である。
【００４６】
コーヒー濃縮に関する近似解析と実験を比較したコーヒー質量と温度の過渡変化を図９に示す。図９から近似解析と実験結果とは比較的良く一致しており、コーヒー内の物質移動抵抗がほぼないことがわかる。また、近似解析においてもコーヒー温度が約９℃で一定に推移していることから式（１）よりコーヒーの入熱量Ｑinがすべて蒸発に使用されていると考えられる。さらに式（３）から水分率は湿度の影響を大きく受けることが分かる。また水分率は式（２）からコーヒーの質量変化の度合いに影響を与える。したがって濃縮槽１２内の湿度を下げればコーヒーの質量変化を大きくすることが可能になると考えられる。
【００４７】
実際の濃縮実験においても濃縮槽１２内の湿度を２０％程度まで低下させることにより蒸発量を増大させて濃縮時間を短縮している。したがってコーヒー等の液体を減圧で濃縮するには、濃縮槽１２内の湿度が重要となる。また、今回の濃縮実験および近似解析は１５００Ｐａの圧力一定条件での結果であり、圧力変化が生じれば各物性値が変化して濃縮特性が大きく変化する。このため液体の減圧濃縮では精度良い圧力制御も重要である。
【００４８】
［圧力吸収機構の効果について］
本発明の圧力制御式液体濃縮方法の特徴である圧力吸収機構は、濃縮時の蒸発によって圧力が急上昇した際に圧力変動吸収容器１８で発生した蒸気を急速に吸収して圧力の変動を抑える。そこで、本試験では濃縮槽１２内の圧力が１５００Ｐａから２０００Ｐａまで変動する時に発生した蒸気量を２Ｌと仮定して圧力変動吸収容器１８の容積を２Ｌとした。
【００４９】
図１０は、圧力１５００Ｐａ時に蒸発量１．６ｇ／ｍｉｎを発生させる場合の制御弁１７と圧力変動吸収容器１８による圧力制御と、圧力変動吸収容器１８を使用しないで制御弁１７のみによる圧力制御での圧力の過渡変化を示している。制御弁１７のみの圧力制御では１．６ｇ／ｍｉｎの蒸気が発生した後に圧力が約２０００Ｐａまで急上昇するとともに飽和蒸気温度も上昇するためコーヒー温度が約１５℃まで上昇している。制御弁１７のみの圧力制御では圧力変動に対する真空ポンプ１９の追従に関して時間遅れが大きいため急激な圧力変動に対応できずに濃縮槽１２内の圧力上昇を生じる結果に至ったと考えられる。
【００５０】
これに対して制御弁１７と圧力変動吸収容器１８による圧力制御では蒸気発生後に濃縮圧力はほとんど変化がなく濃縮圧力１５００Ｐａを維持していることが分かる。圧力変動がないためコーヒー温度が約１０℃で推移している。この試験結果から、発生蒸気量を考慮した小型容器（即ち、圧力変動吸収容器１８）を濃縮槽１２と真空ポンプ１９の間に設置することで濃縮槽１２内の圧力変動を吸収することが可能であることを確認した。
【００５１】
［生産試験について］
濃縮コーヒーの生産は、コーヒー豆から抽出した約７０℃のコーヒーから濃縮する必要がある。そのため減圧過程でコーヒーの持つ熱量を利用して蒸発を効率的に行いコーヒー温度を約７０℃から１０℃以下に冷却する。本濃縮法では、圧力制御により蒸発を積極的に行い蒸発潜熱で冷却を行う。具体的には、濃縮槽１２内のコーヒー温度に対して約５℃高く飽和蒸気圧力を高精度に制御することにより沸騰を発生させることなくコーヒー温度を設定温度１０℃以下まで低下させ１０℃に達した後は濃縮槽１２内の圧力を常に１５００Ｐａで維持させる。これによりコーヒーの品質を維持させながら濃縮を得ることが可能になった。また、濃縮試験と近似解析の結果から得られた最適な構造を用いて試験を行うことにより大幅な濃縮時間の短縮を可能にした。
【００５２】
図１１は抽出後のコーヒー温度７０℃での生産試験時のコーヒーの質量と温度の過渡変化を示している。コーヒー温度は、圧力制御により１５００Ｐａに保ちながら蒸発を効率的に行い、短時間にコーヒー温度を目標温度１０℃以下に低下させることが出来る。また、コーヒー温度が１０℃以下に達した後は、圧力変動が生じても圧力変動吸収容器１８で吸収して濃縮圧力を約１５００Ｐａで一定にすることでコーヒー温度を約９℃に一定に保っている。コーヒー温度が、飽和蒸気温度以下で一定に推移していることから電熱ヒータ１４による供給熱量がすべて蒸発潜熱に使用されていることが分かる。このことから計画通りに濃縮時間が約５時間となり目標時間を達成することが出来た。
【００５３】
図１２は、濃縮槽１２内の圧力と飽和蒸気線を示している。図１２から濃縮コーヒーの飽和蒸気温度に対する濃縮槽１２内の温度が常に飽和蒸気線より高いため、５時間の濃縮中に一度も沸騰していないことを確認した。
濃縮開始から約１時間４０分は、電熱ヒータ１４による熱供給を停止させ真空ポンプ１９以外のエネルギーは使用していない。これはコーヒーの内部エネルギーを全て蒸発潜熱に活用してコーヒー温度を約８℃まで冷却しているためである。このため５時間の濃縮に必要なエネルギーを大幅に削減することが出来る。また、濃縮をコーヒー温度１０℃以下で行うことが出来るためコーヒーの品質の劣化を防ぐことが出来る。
【００５４】
［濃縮コーヒーの評価］
図１３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ味と香りに関する官能検査の結果である。評価段階は１を不可、５を可とした。味に関しては焦げ付きによる苦みを５段階で評価した結果である。味に関しては、第３乃至５段階を苦みなしとし、第１乃至２段階を苦みありとすると、苦みなしとする味の評価は約９０％に達した。しかし香りに関しては、第３乃至５段階が２８％、第１乃至２段階が７２％であった。香りは、濃縮を行う過程で香りの成分のほとんどが蒸気とともに排出されていると考えられる。今後は、濃縮コーヒーの成分分析を行い、香りの脱臭原因を追及し改善を図っていくことが必要である。
【００５５】
酸化度合いの測定については、濃縮試験を約２０回行った際に測定したＰＨの平均値がＰＨ５．３であった。濃縮前のＰＨが５．５であるため濃縮工程中に窒素を濃縮槽１２内に直接導入しているためコーヒーの酸化を抑制できた結果であると考えられる。
【００５６】
従って、本発明では高精度な圧力制御を行い、抽出後のコーヒーの味と香りを維持したまま液体の状態で２０倍以上に高速濃縮する新しい濃縮技術について検討を行った。その結果、次の知見を得た。
（１）突発的に発生する蒸気に対しては発生量に等しい容器の圧力変動吸収容器１８を設けることにより発生蒸気を吸収し、濃縮槽１２内の圧力変動を最小限に抑えることが出来た。
（２）濃縮速度を速くする要因として濃縮槽１２内の湿度調整が重要である事が分かった。この結果をもとに減圧容器１３内に濃縮槽１２を設ける二重構造として、さらに窒素を濃縮槽１２内に直接導き濃縮槽１２の排気孔２５bの面積率を約２５％にすることで濃縮槽１２内の湿度を約２０％程度まで低下させることができた。
（３）圧力変動吸収容器１８によって精度良く圧力を制御することと濃縮槽１２の構造により容器内の湿度を制御することが可能になったため濃縮時間を約５時間に短縮することができた。
（４）また、本発明に係る圧力制御式液体濃縮方法と、遠心式真空薄膜圧縮法とを使用エネルギーの観点から対比すると、初期においては、コーヒーが初期温度７０℃に持つエネルギーを使用することにより外部エネルギーを使うことなく濃縮ができることもあって、エネルギー効率が極めて高くなる（試算によれば、本発明方法は１／３．５となる）。
【００５７】
前記実施の形態および実験例においては、被濃縮液１１としてコーヒーを例にして本発明を説明したが、本発明の要旨を変更しない範囲で、前述した他の液体についても適用可能である。また、被濃縮液１１から粉末や顆粒を製造する場合、被濃縮液１１を濃縮し、最終的に水分を除去する必要があるが、この過程において、被濃縮液１１から水分を蒸発させてより濃度の高い濃縮液とする場合も本発明は適用される。従って、最終的製品が必ずしも液体であることを要しない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る圧力制御式液体濃縮装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】液体温度と飽和蒸気温度との関係を示すグラフである。
【図３】濃縮槽内の圧力と飽和蒸気線との関係を示すグラフである。
【図４】コーヒー質量と温度の過渡変化を示すグラフである。
【図５】熱量と濃縮速度との関係を示すグラフである。
【図６】電熱ヒータの各ワット数に対する飽和蒸気線との比較を示すグラフである。
【図７】各湿度におけるコーヒーの質量と温度の過渡変化を示すグラフである。
【図８】開口率に対する濃縮速度と濃縮槽内湿度との関係を示すグラフである。
【図９】解析と実験との比較を示すグラフである。
【図１０】圧力制御試験結果を示すグラフである。
【図１１】生産試験時のコーヒーの質量と温度の過渡変化を示すグラフである。
【図１２】濃縮槽内の圧力と飽和蒸気線との関係を示すグラフである。
【図１３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ味および香りに関する官能検査結果を示す円グラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１０：圧力制御式液体濃縮装置、１１：被濃縮液、１２：濃縮槽、１３：減圧容器、１４：電熱ヒータ、１５：循環ポンプ、１６：排気口、１７：制御弁、１８：圧力変動吸収容器、１９：真空ポンプ、２０、２１：温度計、２２：ガス圧力計、２３：制御部、２４：不活性ガス吹き込み手段、２５：蓋、２５ａ：密閉蓋、２５ｂ：排気孔、２６：窒素ガスボンベ、２７：流量計、２８：配管、２９：先部、３０：電源部、３１：電源兼制御部、３２：圧力計、３３：電源兼制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は内部に液体または固体が溶けている液状物の濃縮方法およびその装置に係り、食品分野（例えば、天然果汁、コーヒー、紅茶、緑茶、動物エキス、魚介エキス、植物エキス、キノコ類エキス、アミノ酸、チーズ、クリーム）、医薬分野（例えば、抗生物質、酵素、蛋白水溶水、醗酵液、アミノ酸、生薬エキス、インターフェロン、ビタミン類）、機能性食品分野（例えば、クロレラ、漢方薬エキス、青汁）、または環境分野（例えば、焼酎廃液からのエキス回収、ビール廃液からのエキス回収、油脂の回収、有機溶剤の回収）において利用可能な圧力制御式液体濃縮方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、最も普及している大気圧下での加熱濃縮法は、濃縮時間が短いという長所がある一方、熱効率が悪く、味や香りが低下するとともに焦げつきや酸化するなど品質面での短所も多い。この短所を解決するために例えば、特許文献１に記載されているように、遠心式真空薄膜濃縮法が開発されている。
また、特許文献２には、液体を加熱する熱交換器と、熱交換器によって加熱された液体から比較的気化し易い成分の蒸気を分離する蒸発濃縮器を複数段連結して、廃水または製薬液などの液体から、低含水率の濃縮物と高純度の純水を得ることができる多重効用濃縮システムおよび方法が提案されている。
そして、特許文献３には、濃縮槽に海水を注入し、濃縮槽内を真空ポンプを介して減圧した状態で、濃縮槽内の海水を加熱して海水中の水分を蒸発させて残留した濃縮水を得る海水の濃縮方法が提案されている。そして、減圧工程においては真空ポンプを作動させ、圧力管を介して濃縮槽の上端部に設けられた圧力口から所望の圧力となるよう随時監視しながら排気している。更に、熱源室は高温であるので、空焚部分に水滴などが触れると一瞬で蒸発しと記載されているので、１００℃以上の温度で海水を加熱している。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２７１５９６号公報
【特許文献２】特開２００３−２３６３０２号公報
【特許文献３】特開２００６−４３５１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１記載の技術においては、液体を平面板上に薄膜状に形成した後に高温加熱を行い瞬間的に濃縮するため高い熱効率を実現する反面、低圧力においては液体が低温で沸騰するため完全な品質改善までは至っていないという問題がある。
また、特許文献２の技術においては、複数段の熱交換器と蒸発濃縮器が必要であり、装置が複雑になるほか、食品を濃縮する場合には腐敗などの問題があるので、機器が複雑であると掃除などが容易でないという問題がある。
そして、特許文献３に記載されている技術は、減圧しながら加熱しているが、加熱温度と圧力の関係を厳密に制御しているわけではないので、蒸発速度も遅く、結果として濃縮に時間がかかるという問題があった。また、高温の熱源で加熱しているので、濃縮槽内の液が不足すると、壁面に付着した液が急速乾燥され、凝固物（塩）が固化して付着するという問題がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、加熱される液の温度と圧力を制御して、沸騰すること無しに最大の効率で濃縮を行い、しかも、圧力制御を真空ポンプの動作とは関係なく正確に行うことが可能な圧力制御式液体濃縮方法およびその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的に沿う第１の発明に係る圧力制御式液体濃縮方法は、被濃縮液を入れた加熱源付きの濃縮槽と、真空ポンプに連結された圧力変動吸収容器とを制御弁で連結し、
前記濃縮槽の圧力で決定される前記被濃縮液の飽和蒸気温度より、前記加熱源で加熱された前記被濃縮液の温度がＴ℃低くなるように、前記制御弁を制御して、前記被濃縮液の沸騰を防止し、かつ、前記濃縮槽内の被濃縮液の表面に乾燥した気流を吹き付けて前記被濃縮液の蒸発を促進する。
なお、０＜Ｔ≦１２（より好ましくは、２≦Ｔ≦１０）である。
【０００７】
また、第２の発明に係る圧力制御式液体濃縮方法は、第１の発明に係る方法において、前記気流は前記被濃縮液に対して不活性ガスであって、しかも円筒状の前記濃縮槽内を旋回流として流れる。
第３の発明に係る圧力制御式液体濃縮方法は、第２の発明に係る方法において、前記濃縮槽の上部中央には排気孔が設けられ、該排気孔の開口率は前記濃縮槽の断面積の１５〜４０％である。なお、ここで、濃縮槽の被濃縮液の表面から排気孔までの高さは、例えば、濃縮槽の内径の０．５〜１．５倍程度としている。
【０００８】
第４の発明に係る圧力制御式液体濃縮方法は、第１〜第３の発明に係る方法において、前記加熱源は前記被濃縮液内に浸漬されたヒータからなって、前記被濃縮液がその品質変性温度より低い所定温度以下になった場合に作動する。なお、加熱源としては、電熱ヒータの他、蒸気配管による加熱、加熱空気配管による加熱、赤外線ヒータによる加熱なども含むものである。
【０００９】
第５の発明に係る圧力制御式液体濃縮方法は、第１〜第４の発明に係る方法において、前記被濃縮液は循環ポンプによって均一温度に攪拌保持されている。そして、加熱源表面の温度境界層を破壊して、被濃縮液の局部的な沸騰を防止している。
【００１０】
また、前記目的に沿う第６の発明に係る圧力制御式液体濃縮装置は、被濃縮液を入れる濃縮槽と、
前記濃縮槽内の被濃縮液を加熱する加熱源と、
前記濃縮槽内の被濃縮液を攪拌して均一温度にする攪拌手段と、
前記濃縮槽に直接または間接的に制御弁を介して接続される圧力変動吸収容器と、
前記圧力変動吸収容器に接続されて該圧力変動吸収容器内を前記濃縮槽の圧力より低く減圧する真空ポンプと、
前記濃縮槽中の被濃縮液の温度を測定する温度計と、
前記濃縮槽のガス圧力を測定するガス圧力計と、
前記ガス圧力計で測定される圧力で決定される前記被濃縮液の飽和蒸気温度より、前記温度計で測定される前記被濃縮液の温度がＴ℃低くなるように、前記制御弁を制御する制御部とを有する。
なお、０＜Ｔ≦１２（より好ましくは、２≦Ｔ≦１０）である。
【００１１】
第７の発明に係る圧力制御式液体濃縮装置は、第６の発明に係る装置において、前記攪拌手段は前記被濃縮液を前記濃縮槽から取り出して再度前記濃縮槽に入れる循環ポンプである。
【００１２】
第８の発明に係る圧力制御式液体濃縮装置は、第６および第７の発明に係る装置において、前記加熱源は、前記被濃縮液が所定温度以下になった場合に作動する。
【００１３】
第９の発明に係る圧力制御式液体濃縮装置は、第６〜第８の発明に係る装置において、前記濃縮槽は断面円形となって、前記濃縮槽内の被濃縮液の表面には、該被濃縮液に対して不活性ガスが前記濃縮槽の内側接線方向に吹き込まれている。
そして、第１０の発明に係る圧力制御式液体濃縮装置は、第６〜第９の発明に係る装置において、前記濃縮槽は減圧容器内に配置されて、前記圧力変動吸収容器に接続される排気口は前記減圧容器に設けられている。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１〜５記載の圧力制御式液体濃縮方法においては、被濃縮液を入れた加熱源付きの濃縮槽と、真空ポンプに連結された圧力変動吸収容器とを制御弁で連結し、濃縮槽の圧力で決定される被濃縮液の飽和蒸気温度より、加熱源で加熱された被濃縮液の温度がＴ℃（なお、０＜Ｔ≦１２）低くなるように、制御弁を制御しているので、被濃縮液の沸騰が防止される。これによって、被濃縮液の沸騰による変性や変質を防止できる。
また、濃縮槽内の被濃縮液の表面に乾燥した気流を吹き付けているので、被濃縮液の表面に発生する高湿度の気体を積極的に除去して、被濃縮液の蒸発が促進される。
【００１５】
特に、請求項２記載の圧力制御式液体濃縮方法においては、気流は被濃縮液に対して不活性ガス（例えば、窒素、炭酸ガスなど）であって、しかも濃縮槽内を旋回流として流れるので、気流が被濃縮液を酸化させたり、変質させることがない他、より万遍なく被濃縮液の表面を清浄化することが可能となる。
また、請求項３記載の圧力制御式液体濃縮方法は、排気孔の開口率が濃縮槽の断面積の１５〜４０％程度であるので、旋回流が濃縮槽の液面の周囲だけでなく、中央部にも流れ、被濃縮液の表面全体の湿度を下げることができる。
【００１６】
請求項４記載の圧力制御式液体濃縮方法は、加熱源が被濃縮液内に浸漬されたヒータからなっているので、加熱効率を高めることができる。また、被濃縮液がその品質変性温度より低い所定温度以下になった場合に作動するので、加熱によって被濃縮液が変質または変性しない。
【００１７】
請求項５記載の圧力制御式液体濃縮方法は、被濃縮液は循環ポンプによって均一温度に攪拌保持されているので、加熱源の周りが局部加熱されて沸騰などが起こったり、あるいは被濃縮液が局部的に加熱されて変質や変性が生じることがない。
【００１８】
そして、請求項６〜１０記載の圧力制御式液体濃縮装置においては、ガス圧力計で測定される圧力で決定される被濃縮液の飽和蒸気温度より、温度計で測定される被濃縮液の温度がＴ℃低くなるように、制御弁を制御する制御部を有するので、被濃縮液の沸騰が生じることなく、被濃縮液の急速濃縮を行うことができる。これによって、被濃縮液に沸騰や過度の加熱によって変性、変質が生じることがない。
【００１９】
特に、請求項７記載の圧力制御式液体濃縮装置においては、攪拌手段は被濃縮液を濃縮槽から取り出して再度濃縮槽に入れる循環ポンプであるので、被濃縮液に過度な波立ちを発生させることなく、更に、加熱源の周りに積極的に被濃縮液の流れを形成させながら全体の被濃縮液の温度を均一にすることができる。
【００２０】
請求項８記載の圧力制御式液体濃縮装置においては、加熱源は、被濃縮液が所定温度以下になった場合に作動するので、被濃縮液を必要以上に加熱することがなく、従って、熱に対して敏感に変質、変性する被濃縮液に対して特に有効である。
【００２１】
そして、請求項９記載の圧力制御式液体濃縮装置においては、濃縮槽は断面円形となって、濃縮槽内の被濃縮液の表面には、被濃縮液に対して不活性ガスが濃縮槽の内側接線方向に吹き込まれているので、濃縮槽内で旋回流が発生し、より効率的に被濃縮液の表面を清浄化できる。
また、請求項１０記載の圧力制御式液体濃縮装置においては、濃縮槽が減圧容器に収納されているので、濃縮槽の強度を下げることが可能となり、特に、濃縮槽を交換する場合には効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の一実施の形態に係る圧力制御式液体濃縮装置の概略構成を示す説明図、図２は液体温度と飽和蒸気温度との関係を示すグラフ、図３は濃縮槽の圧力と飽和蒸気線との関係を示すグラフ、図４はコーヒー質量と温度の過渡変化を示すグラフ、図５は熱量と濃縮速度との関係を示すグラフ、図６は電熱ヒータの各ワット数に対する飽和蒸気線との比較を示すグラフ、図７は各湿度におけるコーヒーの質量と温度の過渡変化を示すグラフ、図８は開口率に対する濃縮速度と濃縮槽内湿度との関係を示すグラフ、図９は解析と実験との比較を示すグラフ、図１０は圧力制御試験結果を示すグラフ、図１１は生産試験時のコーヒーの質量と温度の過渡変化を示すグラフ、図１２は濃縮槽内の圧力と飽和蒸気線との関係を示すグラフ、図１３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ味および香りに関する官能検査結果を示す円グラフである。
【００２３】
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る圧力制御式液体濃縮装置１０は、被濃縮液１１を入れる濃縮槽１２が内側に配置された減圧容器１３と、濃縮槽１２内の被濃縮液１１を加熱する加熱源の一例である電熱ヒータ１４と、濃縮槽１２内の被濃縮液１１を攪拌する攪拌手段の一例である循環ポンプ１５と、減圧容器１３の排気口１６に制御弁１７を介して接続される圧力変動吸収容器１８と、圧力変動吸収容器１８に接続される真空ポンプ１９と、濃縮槽１２内の被濃縮液１１の温度およびその上側のガス温度をそれぞれ測定する温度計２０、２１と、減圧容器１３中の圧力を測定するガス圧力計２２と、これらの制御部２３と、濃縮槽１２の表面に被濃縮液１１に対して乾燥した気流を作る不活性ガスの一例である窒素を吹き込む不活性ガス吹き込み手段２４とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
【００２４】
濃縮槽１２は、例えば、直径が１４０ｍｍ、高さが２００ｍｍ程度の容器からなっている。そして、被濃縮液１１に対して十分耐蝕性を有する合成樹脂、金属、セラミックス等の円筒状容器からなって、上部には中央に排気孔２５bを有する蓋２５が被っている。この濃縮槽１２の側部には入口と出口がそれぞれ濃縮槽１２内の別の場所に向けられた循環ポンプ１５が設けられているとともに、濃縮槽１２の内部には浸漬型の電熱ヒータ１４が設けられて、内部の被濃縮液１１を被濃縮液１１の例えば品質変性温度より低い所定の温度（例えば、１０〜３０℃）に保持するようにしている。即ち、被濃縮液１１の濃縮が行われると、被濃縮液１１の温度が下がるので、これを防止して所定温度になるように電熱ヒータ１４が作動する。
【００２５】
この濃縮槽１２内には温度計（正確には温度センサー、熱電対）２０、２１が設けられ、一方は被濃縮液１１内に浸漬され、他方は被濃縮液１１の上方のガス温度を測定するようにしている。また、濃縮槽１２と連通して同一圧力となった減圧容器１３の内側壁面にはガス圧力計２２が設けられ、内部の圧力を測定できるようになっている。そして、温度計２０、２１、ガス圧力計２２の出力は制御部２３に接続されている。濃縮槽１２の上部には蓋２５が設けられ、この蓋２５の中央には、濃縮槽１２の断面積の１５〜４０％の断面積（即ち、開口率）を有する排気孔２５ｂが設けられている。なお、蓋２５を除去すれば開口率１００％となる。
【００２６】
濃縮槽１２はその直径の１．５〜３倍程度、高さが濃縮槽１２の１．２〜２倍の減圧容器（例えば、例えば、直径が３００ｍｍ、高さが３５０ｍｍ）１３内に配置されている。これによって、濃縮槽１２の簡略化ができる。減圧容器１３は十分強度を有する金属（例えば、ステンレス）からなって、上部に開閉できる密閉蓋２５ａを備えている。この減圧容器１３の側板を貫通して不活性ガス吹き込み手段２４が設けられている。
不活性ガス吹き込み手段２４は、減圧容器１３外に配置されている窒素ガス供給源の一例である窒素ガスボンベ（最大圧力が例えば１５ＭＰａ）２６と、窒素ガスボンベ２６から図示しない減圧弁などを介して接続される流量計２７と、流量計２７からの窒素ガスを濃縮槽１２内に送るために減圧容器１３の側壁を貫通して配置される配管２８とを有している。
【００２７】
配管２８の先部２９は、被濃縮液１１の表面に斜め上方向からかつ濃縮槽１２の内壁面の接線方向に向いて気流が吹き付けられるように、位置し、濃縮槽１２の内部に旋回流を形成するようになっている。そして、旋回流となった窒素ガスによって被濃縮液１１の表面に湿度の低い気流空間を形成し、最終的には濃縮槽１２の上部の蓋２５の排気孔２５ｂから減圧容器１３内に排出され、更に排気口１６から制御弁１７を介して圧力変動吸収容器１８内に排気されるようになっている。
減圧容器１３の外部には、電熱ヒータ１４に例えば０〜１００ｗの電力を送る電源部３０と、ガス圧力計２２の電源兼制御部３１とが設けられている。また、制御弁１７は電磁駆動型の流量調整弁からなって電気信号によって所定の開度となって、減圧容器１３から圧力変動吸収容器１８への気流の制御が可能となって、減圧容器１３の内部を例えば、０．８ｋＰａ〜１０１ｋＰａに調整できるようになっている。圧力変動吸収容器１８は減圧容器１３の体積の１／１０〜１／２程度の容積を有し、内部に監視用の圧力計３２が設けられている。なお、３３は圧力計３２の電源兼制御部を示す。圧力変動吸収容器１８には真空ポンプ１９が接続されて、常時圧力変動吸収容器１８の内部圧力は、減圧容器１３内の圧力より十分低い圧力（例えば、減圧容器１３内の圧力をＰとした場合、０．１Ｐ〜０．８Ｐ）になるようにしている。
【００２８】
減圧容器１３外には、制御部２３が設けられているが、この制御部２３には、温度計２０、２１、ガス圧力計２２の出力値が入力され、制御弁１７の開度を制御するようになっているとともに、電源部３０を制御して電熱ヒータ１４の供給電力を変えて、被濃縮液１１の温度を所定値に制御している。
【００２９】
ガス圧力計２２の出力値によって、制御弁１７を制御し、濃縮槽１２内の圧力を所定範囲に保つようにしている。即ち、制御部２３には、更にガス圧力計２２で測定される圧力によって決定される被濃縮液１１の飽和蒸気温度より、温度計２０で測定される被濃縮液１１の温度がＴ℃だけ低くなるように、制御弁１７を制御して、濃縮槽１２の圧力を調整する制御手段が設けられている。なお、この制御手段は、被濃縮液１１の温度を温度計２０が検知し、被濃縮液１１の温度よりＴ℃高い温度の被濃縮液１１の飽和蒸気圧に濃縮槽１２内の圧力（即ち、減圧容器１３内の圧力）がなるように、制御弁１７を制御するとしてもよい。ここで、０＜Ｔ≦１２であるが、温度Ｔ℃が０に近づくと制御が難しく、１２℃に近づくと、被濃縮液１１からの蒸発量が減少するので、２℃〜１０℃（更に好ましくは４℃〜７℃）とするのがよい。ここで、被濃縮液１１は電熱ヒータ１４によって加熱されているので、電熱ヒータ１４の入熱に対応する量の蒸発が起こり、これによって被濃縮液１１が更に濃縮される。
【００３０】
図２には、この場合の被濃縮液１１の温度と、飽和蒸気温度との関係を示すが、飽和蒸気温度よりＴ℃だけ被濃縮液１１の温度を保持する、即ち、減圧容器１３内の圧力を保持すると、被濃縮液１１に沸騰などが生じることなく、被濃縮液１１の濃縮を行うことができる。図２においては、被濃縮液１１の温度が徐々に下がり、１０℃近傍で維持するように電熱ヒータ１４を制御しているが、被濃縮液１１の種類に合わせて適切な温度とすることができる。図３は、被濃縮液１１の濃縮槽１２内での圧力と飽和蒸気線を示したもので、飽和蒸気線に対応する温度を被濃縮液１１の温度が超えると沸騰を生じるが、飽和蒸気線に対応する温度以下では沸騰は生じず、濃縮のみが行われる。
【００３１】
次に、この圧力制御式液体濃縮装置１０の実験例を説明し、本発明の一実施の形態に係る圧力制御式液体濃縮方法について説明するが、この実験例では被濃縮液１１としてコーヒーを使用した。
濃縮実験では、圧力約１５００Ｐａ、窒素導入量１．５Ｌ／ｍｉｎの条件で電熱ヒータ14の出力を２０ｗ、４０ｗ、６０ｗと８０ｗの４段階で行った。実験で使用するコーヒーの質量は５００ｇとした。濃縮実験では、各電熱ヒータ14の出力に対する濃縮速度と温度を測定することにより濃縮特性を調べた。また液体表面近傍の窒素湿度を湿度計で計測して濃縮槽１２内の湿度に対する物質伝達量を検討するとともに濃縮速度を向上させる濃縮槽１２の構造の検討も行った。
【００３２】
具体的には、コーヒー豆に熱湯を注ぎ抽出したコーヒーを冷凍機で約５℃まで冷却した後に濃縮槽１2に５００ｇ入れて約１５００Ｐａまで減圧する。減圧容器１３内の圧力が安定した後に電熱ヒータ１４の出力（以下、ヒータ出力ともいう）を２０〜８０ｗの間で調整した。濃縮速度は、１０分おきに減圧容器１３内に設置した質量計でコーヒーの質量を測定することにより求めた。また液体表面近傍の湿度は、蓋２５に孔を開け、濃縮槽１２の内部に直径５ｍｍの配管（チューブ）２８を挿入して濃縮槽１２に窒素を流入させ液体から発生する蒸気量および窒素量と排気量のバランスを調節することにより変化させる。
【００３３】
濃縮槽１２内の湿度は、２０．５％、３２．３％と７６．５％とした。ただし湿度７６．５％は、濃縮槽１２外にチューブを配して開口面積１００％で実施した。各湿度での濃縮実験は、コーヒー質量５００ｇ、圧力約１５００Ｐａ、窒素導入量１．５Ｌ／ｍｉｎ、ヒータ出力６０ｗで行った。また実験で得られたデータをもとに近似解析を行い、減圧状態での液体濃縮機構を検証した。各濃縮実験を行う際に突発的に発生した蒸気による圧力変動を圧力変動吸収容器１８で吸収して高精度な圧力制御を実現する。そこで圧力吸収試験と生産試験を行い圧力変動吸収容器１８の評価を行った。
【００３４】
圧力変動吸収試験は、制御弁１７と圧力変動吸収容器１８による圧力制御と、圧力変動吸収容器１８を使用しないで、制御弁１７のみによる圧力制御を、減圧容器１３内の圧力約１５００Ｐａ、窒素導入量約１．５Ｌ／ｍｉｎ、ヒータ出力６０ｗで行い圧力の吸収性能を比較した。具体的には、初期圧力を約１５００Ｐａで一定として電熱ヒータ１４の出力６０ｗを投入することにより急激な蒸発量の発生に伴う圧力変動を強制的に発生させた。その時の圧力吸収状態を濃縮槽１２内の圧力と液体温度の時間変化を測定して評価を行った。
【００３５】
生産試験では、約７０℃の抽出コーヒーの温度に対して約５〜１０℃高い飽和蒸気温度を維持できる飽和蒸気圧力に維持しながら温度を１０℃以下に冷却させる。最終的には、濃縮槽１２内の圧力を１５００Ｐａまで低下させた後にヒータ出力６０ｗでコーヒー温度を１０℃以下に維持させ５時間でコーヒー質量を約２０分の１まで濃縮する。
本実験ではこの圧力制御式液体濃縮装置１０で試作した濃縮コーヒーの評価としてＰＨ測定と官能検査を行った。ＰＨ測定では、各濃縮試験を行った際に最終濃縮２０ＢｒｉｘのコーヒーのＰＨを測定した。また、官能検査では、３０人に濃縮コーヒーを試飲してもらい味と香りについて回答を得たアンケートの結果を集計した。
【００３６】
以下に上記実験例の結果と考察を示す。
［液体の濃縮特性］
図４は、減圧容器１３内の圧力が約１５００Ｐａの状態で電熱ヒータ１４の各出力に対するコーヒー温度と質量の過渡変化である。図４から電熱ヒータ１４の出力６０ｗで濃縮時間５時間、濃縮温度１０℃以下であった。また、電熱ヒータ１４の出力８０ｗでは濃縮時間が６０ｗに比べて１時間２０分速い。しかし濃縮温度が約１２℃まで上昇する。電熱ヒータ１４の出力４０ｗでは濃縮時間が６０ｗに比べて約１時間遅く、２０ｗでは約２時間遅くなっている。濃縮温度は、１０℃以下である。
【００３７】
図５に電熱ヒータ１４の各出力時の平均濃縮速度と平均濃縮速度に対する蒸発潜熱量を示す。図５から各電熱ヒータ１４の出力時の平均濃縮速度と平均濃縮速度に対する蒸発潜熱量がほぼ等しいため電熱ヒータ１４の出力がすべて蒸発潜熱量に使われていると考えられる。各電熱ヒータ１４の出力時の平均濃縮速度が蒸発潜熱量に対する平均濃縮速度より少々速いのは濃縮槽１２への窒素導入によるものと考えられる。また図６から電熱ヒータ１４の各出力時の温度が、圧力１５００Ｐａ時の飽和蒸気温度約１３℃を超えていないため、本圧力制御式液体濃縮装置１０では電熱ヒータ１４の出力２０〜８０ｗで沸騰が起きないことも確認した。つまり、圧力１５００Ｐａ下で電熱ヒータ１４の出力８０ｗまで蒸気発生量と排気量のバランスが取れているため沸騰を発生せずに濃縮を行うことができる。以上から本発明の目標である濃縮時間５時間以内、濃縮温度１０℃以下を達成できるこの実験例の最適電熱ヒータ１４の出力が６０ｗであることを確認した。
【００３８】
［液体表面近傍湿度変化試験と濃縮槽１２の最適構造］
図７は、液体（コーヒー液）表面近傍の湿度に対するコーヒー質量とコーヒー温度の過渡変化である。図７から液体表面近傍の湿度約２０．５％の濃縮時間は、湿度約３２．３％に比べて約２０分短く湿度約７６．５％に比べて約２．５時間短い。またコーヒー温度は湿度約３２．３％まで目標温度１０℃以下に抑えられているのに対して、湿度約７６．５％では目標温度１０℃を大きく超えて約５０℃まで上昇している。したがって液体表面近傍の湿度が低いほど蒸発量が多く、湿度が高いほど蒸発量が少なくなっていることが分かる。また湿度が高い場合は電熱ヒータ１４による供給熱量の一部がコーヒーの顕熱に変換されるため、温度が上昇する。液体表面近傍の湿度は、電熱ヒータ１４の出力とともに濃縮速度に影響を与える大きな要因である。
【００３９】
そこで、本発明の圧力制御式液体濃縮装置１０では、図１に示すように減圧容器１３内に濃縮槽１２を設置して二重容器として濃縮槽１２に直接窒素をコーヒー表面に旋回できるように流入させ、また濃縮槽１２上部に載せる蓋２５に排気孔２５bを設けてコーヒーから発生する蒸気を排出することにより、さらに旋回を増幅させてコーヒー全体に接触させるとともに導入窒素の対流時間を長くすることにより液体表面近傍の湿度を低下させている。図８は、濃縮槽１２の上部の開口率に対して圧力約１５００Ｐａおよび電熱ヒータ１４の出力６０ｗでの濃縮速度を示している。また、図８は排気孔２５bの濃縮槽１２の断面積に対応する開口率に対する液体表面近傍の湿度も表している。ただし湿度７６．５％は濃縮槽１２の外に窒素チューブを配しているため図８から除外している。なお、濃縮槽１２内の気流の旋回空間の高さは、濃縮槽１２の内径の０．５〜１．５倍程度としている。
【００４０】
各濃縮試験における窒素導入量は１．５Ｌ／ｍｉｎである。図８から濃縮速度の最大値は、開口面積率が２５％であった。開口面積が２５％より高い場合は導入した窒素の旋回力が弱いためにコーヒー表面全体に窒素が触れずに濃縮槽１２から排気される。このため液体表面近傍の湿度が開口面積率２５％の場合より高くなっていると考えられる。また、開口面積率が２５％より低い場合はコーヒー表面に窒素が触れているが、濃縮槽１２内での滞留時間が長くなるため湿度が開口面積率２５％の場合より高くなっていると考えられる。このように液体表面近傍の湿度が上昇することにより濃縮速度が低下すると思慮する。
【００４１】
［近似解析による濃縮特性の検証］
本発明の実験では、近似解析においても濃縮槽１２内の湿度が濃縮速度に大きく関係していることを調べた。そこで濃縮試験の結果について簡単なモデル解析によりコーヒーの濃縮機構を検討した。その熱および物質伝達モデルは、集中定数系として取り扱いを仮定すれば、次式に表すことが出来る。
【００４２】
【数１】
【００４３】
ここにコーヒーへの入熱量Ｑin（ｗ）は電熱ヒータ１４による熱供給量である。物質伝達率Ｋ（ｍ／ｓ）は、図４の濃縮試験（濃縮圧力１５００Ｐａ、電熱ヒータ１４の出力６０ｗ）で得られた蒸発速度からコーヒー表面での物質伝達に関する式（４）より算出した。
【００４４】
【数２】
【００４５】
ここでＭはコーヒー質量（ｋｇ）、Ｍ1は水の分子量、Ｍ2は窒素の分子量、ｍは物質伝達量（ｋｇ／m2・ｓ）、Ｌwは蒸発潜熱（ｋＪ／ｋｇ）、ρnは窒素の密度（ｋｇ／m3）、Ｃはコーヒーの比熱（ｋＪ/ｋｇ・ｋ）、Ａは濃縮槽１２の蒸発面積（m2）、ω1cはコーヒーの蒸発表面の水分率、ω1zは遠方の水分率、φは湿度、Ｐは大気圧（Ｐａ）、Ｐ1は濃縮槽１２内圧力（Ｐａ）である。
【００４６】
コーヒー濃縮に関する近似解析と実験を比較したコーヒー質量と温度の過渡変化を図９に示す。図９から近似解析と実験結果とは比較的良く一致しており、コーヒー内の物質移動抵抗がほぼないことがわかる。また、近似解析においてもコーヒー温度が約９℃で一定に推移していることから式（１）よりコーヒーの入熱量Ｑinがすべて蒸発に使用されていると考えられる。さらに式（３）から水分率は湿度の影響を大きく受けることが分かる。また水分率は式（２）からコーヒーの質量変化の度合いに影響を与える。したがって濃縮槽１２内の湿度を下げればコーヒーの質量変化を大きくすることが可能になると考えられる。
【００４７】
実際の濃縮実験においても濃縮槽１２内の湿度を２０％程度まで低下させることにより蒸発量を増大させて濃縮時間を短縮している。したがってコーヒー等の液体を減圧で濃縮するには、濃縮槽１２内の湿度が重要となる。また、今回の濃縮実験および近似解析は１５００Ｐａの圧力一定条件での結果であり、圧力変化が生じれば各物性値が変化して濃縮特性が大きく変化する。このため液体の減圧濃縮では精度良い圧力制御も重要である。
【００４８】
［圧力吸収機構の効果について］
本発明の圧力制御式液体濃縮方法の特徴である圧力吸収機構は、濃縮時の蒸発によって圧力が急上昇した際に圧力変動吸収容器１８で発生した蒸気を急速に吸収して圧力の変動を抑える。そこで、本試験では濃縮槽１２内の圧力が１５００Ｐａから２０００Ｐａまで変動する時に発生した蒸気量を２Ｌと仮定して圧力変動吸収容器１８の容積を２Ｌとした。
【００４９】
図１０は、圧力１５００Ｐａ時に蒸発量１．６ｇ／ｍｉｎを発生させる場合の制御弁１７と圧力変動吸収容器１８による圧力制御と、圧力変動吸収容器１８を使用しないで制御弁１７のみによる圧力制御での圧力の過渡変化を示している。制御弁１７のみの圧力制御では１．６ｇ／ｍｉｎの蒸気が発生した後に圧力が約２０００Ｐａまで急上昇するとともに飽和蒸気温度も上昇するためコーヒー温度が約１５℃まで上昇している。制御弁１７のみの圧力制御では圧力変動に対する真空ポンプ１９の追従に関して時間遅れが大きいため急激な圧力変動に対応できずに濃縮槽１２内の圧力上昇を生じる結果に至ったと考えられる。
【００５０】
これに対して制御弁１７と圧力変動吸収容器１８による圧力制御では蒸気発生後に濃縮圧力はほとんど変化がなく濃縮圧力１５００Ｐａを維持していることが分かる。圧力変動がないためコーヒー温度が約１０℃で推移している。この試験結果から、発生蒸気量を考慮した小型容器（即ち、圧力変動吸収容器１８）を濃縮槽１２と真空ポンプ１９の間に設置することで濃縮槽１２内の圧力変動を吸収することが可能であることを確認した。
【００５１】
［生産試験について］
濃縮コーヒーの生産は、コーヒー豆から抽出した約７０℃のコーヒーから濃縮する必要がある。そのため減圧過程でコーヒーの持つ熱量を利用して蒸発を効率的に行いコーヒー温度を約７０℃から１０℃以下に冷却する。本濃縮法では、圧力制御により蒸発を積極的に行い蒸発潜熱で冷却を行う。具体的には、濃縮槽１２内のコーヒー温度に対して約５℃高く飽和蒸気圧力を高精度に制御することにより沸騰を発生させることなくコーヒー温度を設定温度１０℃以下まで低下させ１０℃に達した後は濃縮槽１２内の圧力を常に１５００Ｐａで維持させる。これによりコーヒーの品質を維持させながら濃縮を得ることが可能になった。また、濃縮試験と近似解析の結果から得られた最適な構造を用いて試験を行うことにより大幅な濃縮時間の短縮を可能にした。
【００５２】
図１１は抽出後のコーヒー温度７０℃での生産試験時のコーヒーの質量と温度の過渡変化を示している。コーヒー温度は、圧力制御により１５００Ｐａに保ちながら蒸発を効率的に行い、短時間にコーヒー温度を目標温度１０℃以下に低下させることが出来る。また、コーヒー温度が１０℃以下に達した後は、圧力変動が生じても圧力変動吸収容器１８で吸収して濃縮圧力を約１５００Ｐａで一定にすることでコーヒー温度を約９℃に一定に保っている。コーヒー温度が、飽和蒸気温度以下で一定に推移していることから電熱ヒータ１４による供給熱量がすべて蒸発潜熱に使用されていることが分かる。このことから計画通りに濃縮時間が約５時間となり目標時間を達成することが出来た。
【００５３】
図１２は、濃縮槽１２内の圧力と飽和蒸気線を示している。図１２から濃縮コーヒーの飽和蒸気温度に対する濃縮槽１２内の温度が常に飽和蒸気線より高いため、５時間の濃縮中に一度も沸騰していないことを確認した。
濃縮開始から約１時間４０分は、電熱ヒータ１４による熱供給を停止させ真空ポンプ１９以外のエネルギーは使用していない。これはコーヒーの内部エネルギーを全て蒸発潜熱に活用してコーヒー温度を約８℃まで冷却しているためである。このため５時間の濃縮に必要なエネルギーを大幅に削減することが出来る。また、濃縮をコーヒー温度１０℃以下で行うことが出来るためコーヒーの品質の劣化を防ぐことが出来る。
【００５４】
［濃縮コーヒーの評価］
図１３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ味と香りに関する官能検査の結果である。評価段階は１を不可、５を可とした。味に関しては焦げ付きによる苦みを５段階で評価した結果である。味に関しては、第３乃至５段階を苦みなしとし、第１乃至２段階を苦みありとすると、苦みなしとする味の評価は約９０％に達した。しかし香りに関しては、第３乃至５段階が２８％、第１乃至２段階が７２％であった。香りは、濃縮を行う過程で香りの成分のほとんどが蒸気とともに排出されていると考えられる。今後は、濃縮コーヒーの成分分析を行い、香りの脱臭原因を追及し改善を図っていくことが必要である。
【００５５】
酸化度合いの測定については、濃縮試験を約２０回行った際に測定したＰＨの平均値がＰＨ５．３であった。濃縮前のＰＨが５．５であるため濃縮工程中に窒素を濃縮槽１２内に直接導入しているためコーヒーの酸化を抑制できた結果であると考えられる。
【００５６】
従って、本発明では高精度な圧力制御を行い、抽出後のコーヒーの味と香りを維持したまま液体の状態で２０倍以上に高速濃縮する新しい濃縮技術について検討を行った。その結果、次の知見を得た。
（１）突発的に発生する蒸気に対しては発生量に等しい容器の圧力変動吸収容器１８を設けることにより発生蒸気を吸収し、濃縮槽１２内の圧力変動を最小限に抑えることが出来た。
（２）濃縮速度を速くする要因として濃縮槽１２内の湿度調整が重要である事が分かった。この結果をもとに減圧容器１３内に濃縮槽１２を設ける二重構造として、さらに窒素を濃縮槽１２内に直接導き濃縮槽１２の排気孔２５bの面積率を約２５％にすることで濃縮槽１２内の湿度を約２０％程度まで低下させることができた。
（３）圧力変動吸収容器１８によって精度良く圧力を制御することと濃縮槽１２の構造により容器内の湿度を制御することが可能になったため濃縮時間を約５時間に短縮することができた。
（４）また、本発明に係る圧力制御式液体濃縮方法と、遠心式真空薄膜圧縮法とを使用エネルギーの観点から対比すると、初期においては、コーヒーが初期温度７０℃に持つエネルギーを使用することにより外部エネルギーを使うことなく濃縮ができることもあって、エネルギー効率が極めて高くなる（試算によれば、本発明方法は１／３．５となる）。
【００５７】
前記実施の形態および実験例においては、被濃縮液１１としてコーヒーを例にして本発明を説明したが、本発明の要旨を変更しない範囲で、前述した他の液体についても適用可能である。また、被濃縮液１１から粉末や顆粒を製造する場合、被濃縮液１１を濃縮し、最終的に水分を除去する必要があるが、この過程において、被濃縮液１１から水分を蒸発させてより濃度の高い濃縮液とする場合も本発明は適用される。従って、最終的製品が必ずしも液体であることを要しない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る圧力制御式液体濃縮装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】液体温度と飽和蒸気温度との関係を示すグラフである。
【図３】濃縮槽内の圧力と飽和蒸気線との関係を示すグラフである。
【図４】コーヒー質量と温度の過渡変化を示すグラフである。
【図５】熱量と濃縮速度との関係を示すグラフである。
【図６】電熱ヒータの各ワット数に対する飽和蒸気線との比較を示すグラフである。
【図７】各湿度におけるコーヒーの質量と温度の過渡変化を示すグラフである。
【図８】開口率に対する濃縮速度と濃縮槽内湿度との関係を示すグラフである。
【図９】解析と実験との比較を示すグラフである。
【図１０】圧力制御試験結果を示すグラフである。
【図１１】生産試験時のコーヒーの質量と温度の過渡変化を示すグラフである。
【図１２】濃縮槽内の圧力と飽和蒸気線との関係を示すグラフである。
【図１３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ味および香りに関する官能検査結果を示す円グラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１０：圧力制御式液体濃縮装置、１１：被濃縮液、１２：濃縮槽、１３：減圧容器、１４：電熱ヒータ、１５：循環ポンプ、１６：排気口、１７：制御弁、１８：圧力変動吸収容器、１９：真空ポンプ、２０、２１：温度計、２２：ガス圧力計、２３：制御部、２４：不活性ガス吹き込み手段、２５：蓋、２５ａ：密閉蓋、２５ｂ：排気孔、２６：窒素ガスボンベ、２７：流量計、２８：配管、２９：先部、３０：電源部、３１：電源兼制御部、３２：圧力計、３３：電源兼制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被濃縮液を入れた加熱源付きの濃縮槽と、真空ポンプに連結された圧力変動吸収容器とを制御弁で連結し、
前記濃縮槽の圧力で決定される前記被濃縮液の飽和蒸気温度より、前記加熱源で加熱された前記被濃縮液の温度がＴ℃低くなるように、前記制御弁を制御して、前記被濃縮液の沸騰を防止し、かつ、前記濃縮槽内の被濃縮液の表面に乾燥した気流を吹き付けて前記被濃縮液の蒸発を促進することを特徴とする圧力制御式液体濃縮方法。
なお、０＜Ｔ≦１２である。
【請求項２】
請求項１記載の圧力制御式液体濃縮方法において、前記気流は前記被濃縮液に対して不活性ガスであって、しかも円筒状の前記濃縮槽内を旋回流として流れることを特徴とする圧力制御式液体濃縮方法。
【請求項３】
請求項２記載の圧力制御式液体濃縮方法において、前記濃縮槽の上部中央には排気孔が設けられ、該排気孔の開口率は前記濃縮槽の断面積の１５〜４０％であることを特徴とする圧力制御式液体濃縮方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力制御式液体濃縮方法において、前記加熱源は前記被濃縮液内に浸漬されたヒータからなって、前記被濃縮液がその品質変性温度より低い所定温度以下になった場合に作動することを特徴とする圧力制御式液体濃縮方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力制御式液体濃縮方法において、前記被濃縮液は循環ポンプによって均一温度に攪拌保持されていることを特徴とする圧力制御式液体濃縮方法。
【請求項６】
被濃縮液を入れる濃縮槽と、
前記濃縮槽内の被濃縮液を加熱する加熱源と、
前記濃縮槽内の被濃縮液を攪拌して均一温度にする攪拌手段と、
前記濃縮槽に直接または間接的に制御弁を介して接続される圧力変動吸収容器と、
前記圧力変動吸収容器に接続されて該圧力変動吸収容器内を前記濃縮槽の圧力より低く減圧する真空ポンプと、
前記濃縮槽中の被濃縮液の温度を測定する温度計と、
前記濃縮槽のガス圧力を測定するガス圧力計と、
前記ガス圧力計で測定される圧力で決定される前記被濃縮液の飽和蒸気温度より、前記温度計で測定される前記被濃縮液の温度がＴ℃低くなるように、前記制御弁を制御する制御部とを有することを特徴とする圧力制御式液体濃縮装置。
なお、０＜Ｔ≦１２である。
【請求項７】
請求項６記載の圧力制御式液体濃縮装置において、前記攪拌手段は前記被濃縮液を前記濃縮槽から取り出して再度前記濃縮槽に入れる循環ポンプであることを特徴とする圧力制御式液体濃縮装置。
【請求項８】
請求項６および７のいずれか１項に記載の圧力制御式液体濃縮装置において、前記加熱源は、前記被濃縮液が所定温度以下になった場合に作動することを特徴とする圧力制御式液体濃縮装置。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載の圧力制御式液体濃縮装置において、前記濃縮槽は断面円形となって、前記濃縮槽内の被濃縮液の表面には、該被濃縮液に対して不活性ガスが前記濃縮槽の内側接線方向に吹き込まれていることを特徴とする圧力制御式液体濃縮装置。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか１項に記載の圧力制御式液体濃縮装置において、前記濃縮槽は減圧容器内に配置されて、前記圧力変動吸収容器に接続される排気口は前記減圧容器に設けられていることを特徴とする圧力制御式液体濃縮装置。
【請求項１】
被濃縮液を入れた加熱源付きの濃縮槽と、真空ポンプに連結された圧力変動吸収容器とを制御弁で連結し、
前記濃縮槽の圧力で決定される前記被濃縮液の飽和蒸気温度より、前記加熱源で加熱された前記被濃縮液の温度がＴ℃低くなるように、前記制御弁を制御して、前記被濃縮液の沸騰を防止し、かつ、前記濃縮槽内の被濃縮液の表面に乾燥した気流を吹き付けて前記被濃縮液の蒸発を促進することを特徴とする圧力制御式液体濃縮方法。
なお、０＜Ｔ≦１２である。
【請求項２】
請求項１記載の圧力制御式液体濃縮方法において、前記気流は前記被濃縮液に対して不活性ガスであって、しかも円筒状の前記濃縮槽内を旋回流として流れることを特徴とする圧力制御式液体濃縮方法。
【請求項３】
請求項２記載の圧力制御式液体濃縮方法において、前記濃縮槽の上部中央には排気孔が設けられ、該排気孔の開口率は前記濃縮槽の断面積の１５〜４０％であることを特徴とする圧力制御式液体濃縮方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力制御式液体濃縮方法において、前記加熱源は前記被濃縮液内に浸漬されたヒータからなって、前記被濃縮液がその品質変性温度より低い所定温度以下になった場合に作動することを特徴とする圧力制御式液体濃縮方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力制御式液体濃縮方法において、前記被濃縮液は循環ポンプによって均一温度に攪拌保持されていることを特徴とする圧力制御式液体濃縮方法。
【請求項６】
被濃縮液を入れる濃縮槽と、
前記濃縮槽内の被濃縮液を加熱する加熱源と、
前記濃縮槽内の被濃縮液を攪拌して均一温度にする攪拌手段と、
前記濃縮槽に直接または間接的に制御弁を介して接続される圧力変動吸収容器と、
前記圧力変動吸収容器に接続されて該圧力変動吸収容器内を前記濃縮槽の圧力より低く減圧する真空ポンプと、
前記濃縮槽中の被濃縮液の温度を測定する温度計と、
前記濃縮槽のガス圧力を測定するガス圧力計と、
前記ガス圧力計で測定される圧力で決定される前記被濃縮液の飽和蒸気温度より、前記温度計で測定される前記被濃縮液の温度がＴ℃低くなるように、前記制御弁を制御する制御部とを有することを特徴とする圧力制御式液体濃縮装置。
なお、０＜Ｔ≦１２である。
【請求項７】
請求項６記載の圧力制御式液体濃縮装置において、前記攪拌手段は前記被濃縮液を前記濃縮槽から取り出して再度前記濃縮槽に入れる循環ポンプであることを特徴とする圧力制御式液体濃縮装置。
【請求項８】
請求項６および７のいずれか１項に記載の圧力制御式液体濃縮装置において、前記加熱源は、前記被濃縮液が所定温度以下になった場合に作動することを特徴とする圧力制御式液体濃縮装置。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載の圧力制御式液体濃縮装置において、前記濃縮槽は断面円形となって、前記濃縮槽内の被濃縮液の表面には、該被濃縮液に対して不活性ガスが前記濃縮槽の内側接線方向に吹き込まれていることを特徴とする圧力制御式液体濃縮装置。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか１項に記載の圧力制御式液体濃縮装置において、前記濃縮槽は減圧容器内に配置されて、前記圧力変動吸収容器に接続される排気口は前記減圧容器に設けられていることを特徴とする圧力制御式液体濃縮装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−２４６３２７（Ｐ２００８−２４６３２７Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８９０４０（Ｐ２００７−８９０４０）
【出願日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、独立行政法人科学技術振興機構、実用化のための可能性試験（ＦＳ）、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５９１０６５５４９）福岡県 (121)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、独立行政法人科学技術振興機構、実用化のための可能性試験（ＦＳ）、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５９１０６５５４９）福岡県 (121)
【Ｆターム（参考）】
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