界面前進凍結濃縮装置
【課題】より溶質の取り込みが少ない氷結晶を形成することができる界面前進凍結濃縮装置を提供すること。
【解決手段】凍結濃縮装置１００は、所定方向に移動する被処理液を、冷ブラインによって冷却される凍結板１６に接触させることで冷却し被処理液中の水分を凍結させて当該被処理液を濃縮する凍結タンク１０と、凍結タンク１０内の被処理液を一定方向に移動させる移動手段である撹拌機１３と、撹拌機１３による被処理液の移動方向を変更する変更手段である制御部２０と、を備える。凍結タンク１０内を移動する被処理液の移動方向を制御部２０に従い撹拌機１３によって変更することにより、被処理液中に含まれる溶質の移動方向が変更され、この結果、デンドライト氷同士の間の溶質の滞留を減少させることができ、氷結晶中への溶質の取り込みを減少させることができる。
【解決手段】凍結濃縮装置１００は、所定方向に移動する被処理液を、冷ブラインによって冷却される凍結板１６に接触させることで冷却し被処理液中の水分を凍結させて当該被処理液を濃縮する凍結タンク１０と、凍結タンク１０内の被処理液を一定方向に移動させる移動手段である撹拌機１３と、撹拌機１３による被処理液の移動方向を変更する変更手段である制御部２０と、を備える。凍結タンク１０内を移動する被処理液の移動方向を制御部２０に従い撹拌機１３によって変更することにより、被処理液中に含まれる溶質の移動方向が変更され、この結果、デンドライト氷同士の間の溶質の滞留を減少させることができ、氷結晶中への溶質の取り込みを減少させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界面前進凍結濃縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水溶液中の水と溶質との凝固点の差を利用して、氷結晶を析出させて分離することにより水溶液の濃度を高める凍結濃縮法は、飲料・液状食品に含まれる成分の濃縮や、排水処理における汚濁物質の処理等に幅広く用いられている。その中でも、懸濁結晶法と比較して被処理液と氷結晶との固液分離が極めて容易であり、システムが単純化される凍結濃縮方法として、被処理液を凍結器の被処理液流路において一定方向に循環させつつ当該流路の壁面を冷ブラインにより冷却することで被処理液流路の壁面に氷結晶を順次形成し成長させて被処理液を凍結濃縮する界面前進凍結濃縮方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような界面前進凍結濃縮方法において、被処理液を効率的に濃縮するためには、溶質の取り込みが少ない良質の氷結晶を形成することが必要であり、凍結速度を遅くして凍結界面が滑らかな氷結晶を形成することが望まれている。しかしながら、産業上の利用を考慮して凍結速度を一定以上とした場合、氷結晶と被処理液との間の凍結界面には、被処理液の流れに対して垂直方向に伸びる主幹と流れに沿って伸びる横枝とを有する樹枝状のデンドライト氷が形成され、凍結時に氷から排除された溶質がデンドライト氷の主幹と横枝とに囲まれた部分に滞留するという問題がある。特に、隣接するデンドライト氷同士の間は、被処理液の流れによる影響を受けずに溶質が多く滞留し、溶質の取り込みが増加した氷結晶が形成されるという問題がある。
【０００４】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、より溶質の取り込みが少ない氷結晶を形成することができる界面前進凍結濃縮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】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明に係る界面前進凍結濃縮装置は、所定方向に移動する被処理液を、冷却し被処理液中の水分を凍結させて当該被処理液を濃縮する界面前進凍結濃縮装置において、被処理液を一定方向に移動させる移動手段と、移動手段による被処理液の移動方向を変更する変更手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
上記の凍結濃縮装置及び凍結濃縮方法によれば、被処理液の移動方向を変更することにより、被処理液中に含まれる溶質の移動方向が変更される。この結果、隣接するデンドライト氷同士の間の溶質の滞留を減少させることができ、氷結晶中への溶質の取り込みを減少させることができる。
【０００７】
ここで、上記作用を効果的に奏する構成として、具体的には、移動手段は撹拌機を備え、変更手段は、前記撹拌機を制御して、当該撹拌機の回転羽根を回転させることにより被処理液を移動させ、撹拌機の回転羽根を逆方向に回転させることにより、被処理液の移動方向を逆方向とすることが挙げられる。この場合、変更手段により撹拌機の回転羽根の回転方向を切り替えることによって、被処理液の移動方向を容易に変更することができるため、新たな装備を設けることなく氷結晶中への溶質の取り込みを減少させることができる。
【０００８】
また、上記作用を効果的に奏する他の構成として、具体的には、移動手段は、上下方向に延びる二つの領域に区画され、当該二つの領域の下部にそれぞれに配置された散気管を有し、変更手段は、散気管のいずれか一方から空気を供給すると共に他方からの空気の供給を停止するように制御することにより、被処理液を二つの領域間で循環させる一方で、一方の散気管からの空気の供給を停止し他方から空気を供給するように制御することにより、被処理液の二つの領域間での移動方向を逆方向とすることが挙げられる。上記の構成を持つ界面前進凍結装置においても、空気を供給する散気管を変更手段によって切り替えることにより、二つの領域間での被処理液の移動方向を容易に変更することができ、氷結晶中への溶質の取り込みを減少させることができる。
【０００９】
ここで、二つの領域は、仕切部により区画される態様とすることで、上記作用を効果的に奏することができる。仕切部により二つの領域に区画することで、散気管からの空気の供給の切り替えによる被処理液の移動方向の変更がより確実に行われ、氷結晶中への溶質の取り込みを減少させることができる。
【００１０】
また、被処理液中の水分を凍結させて当該被処理液を濃縮する凍結器を備え、移動手段は、凍結器に対して被処理液を送液する送液ポンプと、送液ポンプにより送液された被処理液を凍結器の入口と出口のいずれか一方に流入させ、凍結器の入口と出口の他方から排出された被処理液を送液ポンプへ送液する流路と、流路に設けられた複数の開閉弁と、を備え、変更手段は、開閉弁を制御することにより凍結器内の被処理液の移動方向を変更する態様としても上記作用を効果的に奏することができる。この場合も、送液ポンプを一定に駆動させたまま、変更手段により開閉弁を制御することで凍結器内の被処理液の移動方向を変更することができ、氷結晶中への溶質の取り込みを容易に減少させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、より溶質の取り込みが少ない氷結晶を形成することができる界面前進凍結濃縮装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１は、本発明の第一実施形態に係る凍結濃縮装置１００を示す概略構成図である。
【００１４】
この凍結濃縮装置１００は界面前進凍結濃縮装置であり、図１に示すように、被処理液を収容する凍結器としての凍結タンク１０と、被処理液の循環流路を構成するためのバッフル板１１と、被処理液を循環させる移動手段としての撹拌機１３と、被処理液に接触する表面に氷結晶を形成させる凍結管１５と、撹拌機１３を制御することで撹拌機１３による被処理液の移動方向を変更する制御部（変更手段）２０と、を備えている。
【００１５】
この凍結濃縮装置１００を構成する凍結タンク１０内は、上下方向に延びるバッフル板１１によって内側領域と外側領域とに区画され、凍結タンク１０の略中央底部には撹拌機１３が設置されると共にその回転羽根１３ａが内側領域の下部に進入するように配設されている。そして、この撹拌機１３に対して制御部２０が接続されている。
【００１６】
凍結タンク１０のバッフル板１１の内側領域には、複数の凍結管１５が上下方向に延びるように配置されている。これらの凍結管１５には、各々が上下方向に延びるように裏面側を対向して設けられて被処理液がその表面に接触する一対の凍結板１６，１６が設けられ、凍結板１６，１６の内側に供給される冷ブラインにより、凍結板１６の裏面側が冷却される。
【００１７】
このような構成を有する凍結濃縮装置１００の作用について説明する。
【００１８】
制御部２０によって撹拌機１３の回転羽根１３ａを一の方向（例えば時計回り）へ回転させるように制御すると、撹拌機１３のその回転羽根１３ａが内側領域の下部で回転することにより、バッフル板１１の内側領域の被処理液が上向しバッフル板１１の上部から外側領域に溢流して外側領域を下向する第一の循環流が凍結タンク１０内に形成される。このとき、撹拌機１３の駆動により凍結タンク１０内を循環する被処理液は、内側領域を上向する際に、凍結板１６により冷却されることにより凍結板１６の表面に氷結晶が形成され積層されていき、これにより、被処理液が凍結濃縮される。
【００１９】
次に、一定時間経過した後に、制御部２０により、回転羽根１３ａが一の方向の反対方向である逆方向（他の方向）へ回転するように制御すると、回転羽根１３ａが第一の方向とは逆方向へ回転し、バッフル板１１の外側領域の被処理液が上向しバッフル板１１の上部から内側領域に溢流して内側領域を下向する第一の循環流とは逆方向の第二の循環流が形成される。この場合にも、撹拌機１３の駆動により凍結タンク１０内を循環する被処理液は、内側領域を下向する際に凍結板１６により冷却されることにより、凍結板１６の表面に氷結晶が形成され積層されていき、これにより、被処理液が凍結濃縮される。
【００２０】
上記の構成を有する凍結濃縮装置１００によって被処理液の凍結濃縮を行った場合の作用・効果について図２〜図５を用いて説明する。
【００２１】
図２は、凍結板１６の表面に形成される氷結晶（デンドライト氷）の概略説明図であり、図２（Ａ）はその平面図、図２（Ｂ）は側面図、図３は、被処理液の流れに対するデンドライト氷の説明図であり、図３（Ａ）は被処理液の流れがない場合のデンドライト氷の形状の概略説明図、図３（Ｂ）は被処理液の流れがある場合の溶質の動きの概略説明図、図３（Ｃ）は被処理液の流れがある場合のデンドライト氷の形状の概略説明図、図４（Ａ）〜（Ｃ）は、被処理液の流れが一定の場合のデンドライト氷の成長過程と溶質の流れの説明図、図５（Ａ）〜（Ｃ）は、被処理液の流れを変更した場合のデンドライト氷の成長過程と溶質の流れの説明図である。
【００２２】
本実施形態に係る凍結濃縮装置１００において凍結速度を一定以上として被処理液の濃縮を行う場合、図２に示すように、樹枝状の枝部を有するデンドライト氷である氷結晶Ｓが形成される。氷結晶Ｓは被処理液中の溶質を排除しながら凍結するため、被処理液と氷結晶Ｓとの凍結界面には溶質が滞留しやすくなり、氷結晶Ｓの枝部の間には、図２（Ａ）に示すように、被処理液の溶質Ｃが滞留して被処理液の濃度が高い状態が作られる。
【００２３】
このように凍結板１６の表面で形成されるデンドライト氷である氷結晶Ｓの枝部は、図３（Ａ）に示すように、主幹Ｓ１とこの主幹Ｓ１の両側から突出する横枝Ｓ２とから構成され、氷結晶Ｓの周囲の被処理液が流れていない場合には、主幹Ｓ１に対して横枝Ｓ２が対称に成長するという特徴を有している。
【００２４】
ここで、一定方向に流れる被処理液に接触する凍結板１６の表面で氷結晶が形成される場合、図３（Ｂ）に示すように、氷結晶Ｓの隙間に滞留する溶質Ｃのうち、主幹Ｓ１より流れの上流側に滞留する溶質Ｃは被処理液の流れによって流されていき被処理液全体の濃度と同じ濃度となるまで希釈されるため、氷点降下が起きず、さらに凍結時の発熱も被処理液の流れに沿って放散されやすいため、氷結晶Ｓの横枝Ｓ２の成長が促進される。一方、主幹Ｓ１より下流側に滞留する溶質Ｃは被処理液の流れによる希釈効果が低く、溶質Ｃが下流側に滞留し、被処理液の濃度の高い状態が保持される。この場合、下流側の溶質Ｃが滞留している部分では、被処理液の高濃度による氷点降下が発生し、被処理液の凍結速度が溶質の滞留していない部分よりも遅くなり、氷結晶Ｓの成長が抑制される。この結果、図３（Ｃ）に示すように、被処理液の流れ（本流）に対して上流側の横枝Ｓ２が本流に向かう方向に大きく伸び、この横枝Ｓ２に向かって流れる被処理液は、氷結晶Ｓの先端側の本流に合流するように流れていき、被処理液の流れの下流側の横枝Ｓ２の成長は遅くなる。
【００２５】
したがって、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、従来と同様に被処理液の流れを一定方向（Ｆ１）として氷結晶Ｓを形成させて凍結濃縮を行うと、隣接するデンドライト氷の氷結晶Ｓの間に溶質Ｃが大量に滞留しながら氷結晶の形成が進行するため、氷結晶Ｓには大量の溶質が取り込まれる。
【００２６】
ここで、本実施形態に係る凍結濃縮装置１００のように、被処理液の流れを反転した場合、図５（Ａ）に示すように最初の被処理液の流れＦ１の場合には氷結晶の主幹Ｓ１の下流側に溶質Ｃが滞留しながら氷結晶Ｓが成長するが、被処理液の流れを反転すると図５（Ｂ）に示すように流れＦ１に対して下流側に滞留していた溶質Ｃが反転後の被処理液の流れＦ２によって流され、主幹Ｓ１の下流側の被処理液の濃度が希釈される。一方、今度は流れＦ１とは逆方向の流れＦ２に対する主幹Ｓ１の下流側に溶質Ｃが滞留するが、図５（Ｃ）に示すように被処理液の流れを反転させることにより、流れＦ２に対して主幹Ｓ１の下流側に滞留していた溶質Ｃが被処理液の流れＦ１により流されるため、主幹Ｓ１の下流側の被処理液の濃度が希釈される。このように、被処理液の流れを反転させることにより、被処理液の流れに対して下流側に滞留する溶質を被処理液の本流に流して、被処理液の濃度を被処理液全体の濃度と均一になるように希釈しながら氷結晶Ｓを成長させることができるため、被処理液の流れを一定方向にした場合と比較して溶質Ｃの取り込みが少ない氷結晶Ｓを形成することができる。また、この被処理液の移動方向の変更を一定時間毎に行うことで、隣接するデンドライト氷の氷結晶Ｓの間の溶質Ｃが滞留しやすい部分の被処理液の濃度を一定時間毎に希釈することができる。
【００２７】
したがって、本実施形態に係る凍結濃縮装置１００では、凍結タンク１０内を移動する被処理液の移動方向を変更することにより、被処理液中に含まれる溶質の移動方向を変更できる。この結果、隣接するデンドライト氷同士の間の溶質の滞留を減少させることができ、氷結晶中への溶質の取り込みを容易に減少させることができる。
【００２８】
次に、本発明の第二実施形態について説明する。図６は、本発明の第二実施形態に係る凍結濃縮装置２００を示す概略構成図である。
【００２９】
この凍結濃縮装置２００が凍結濃縮装置１００と異なる点は、被処理液を移動させる移動手段として、撹拌機１３に代えて散気管２１及び散気管２２を備える点である。具体的には、凍結タンク１０内は、上下方向に延びるバッフル板（仕切部）２３によって二つの領域に区画され、二つの領域の下部にそれぞれに散気管２１，２２を備える。散気管２１及び散気管２２には、例えばブロア等の駆動により外部から空気等のガスを供給する構造とし、各々に接続された開閉弁Ｖ１及び開閉弁Ｖ２により、ガスの供給を切り替える構造としている。この開閉弁Ｖ１及び開閉弁Ｖ２の制御は、開閉弁Ｖ１及び開閉弁Ｖ２に接続された制御部（変更手段）３０によって行われる。
【００３０】
上記の構成を有する凍結濃縮装置２００では、まず、制御部３０により、散気管２１の開閉弁Ｖ１を開とすると共に、散気管２２の開閉弁Ｖ２を閉とすることにより、凍結タンク１０内の被処理液は、散気管２１から供給されるガスのエアーリフト効果によって散気管２１の設けられた領域を上向して、バッフル板２３の上部から散気管２２の設けられた領域に溢流して当該領域を下向する第一の循環流が凍結タンク１０内に形成される。次に、一定時間経過した後に、制御部３０により、散気管２１の開閉弁Ｖ１を閉とすると共に、散気管２２の開閉弁Ｖ２を開とすることにより、散気管２２から供給されるガスのエアーリフト効果により、散気管２２の設けられた領域を上向して、バッフル板２３の上部から散気管２１の設けられた領域に溢流して当該領域を下向する第一の循環流と反対方向に流れる第二の循環流が形成され、これが繰り返される。
【００３１】
このように、凍結濃縮装置２００でも制御部３０により開閉弁Ｖ１，Ｖ２の開閉を制御して被処理液の移動方向を反転させながら、被処理液の凍結濃縮を行うため、第一実施形態と同様に、溶質の取り込みの少ない氷結晶を容易に形成することができる。
【００３２】
次に、本発明の第三実施形態について説明する。図７は、本発明の第三実施形態に係る凍結濃縮装置３００を示す概略構成図である。
【００３３】
図７に示すように、凍結濃縮装置３００は、被処理液が流れる凍結管３１と、凍結管３１に沿って設けられ、被処理液にその表面が接触すると共に背面側が冷ブラインによって冷却される凍結板３２と、凍結板３２を冷却するための冷ブラインの流れる冷ブライン管３３とを備える。冷ブラインは、冷ブライン送液ラインＬ１〜Ｌ３により冷ブライン管３３内を流れる構成とされている。
【００３４】
ここで、被処理液タンク３５内に収容された被処理液Ｌは、送液ラインＬ１１を通して送液ポンプ３６により凍結管３１へ送液される。送液ポンプ３６と凍結管３１の入口とは開閉弁Ｖ１を介して送液ラインＬ１２で接続され、送液ポンプ３６と凍結管３１の出口とは開閉弁Ｖ４を介して送液ラインＬ１５で接続される。また、被処理液タンク３５には送液ラインＬ１６が接続され、凍結管３１の入口と送液ラインＬ１６とは開閉弁Ｖ２を介して送液ラインＬ１３で接続され、凍結管３１の出口と送液ラインＬ１６とは開閉弁Ｖ３を介して送液ラインＬ１４で接続される。これにより被処理液を移動させる移動手段が構成される。開閉弁Ｖ１〜Ｖ４の開閉は、開閉弁Ｖ１〜Ｖ４に各々接続される制御部（変更手段）４０により行われる。
【００３５】
上記の構成を有する凍結濃縮装置３００では、まず、制御部４０により、開閉弁Ｖ１及びＶ３を開とすると共に、開閉弁Ｖ２及びＶ４を閉とすることにより、被処理液タンク３５内の被処理液Ｌは、送液ラインＬ１１を経て送液ポンプ３６により送液され、送液ライン１２を経て凍結管３１の入口に送液された後、この凍結管３１内を一の方向に流れ、凍結管３１の出口から排出された被処理液は、送液ラインＬ１４及び送液ラインＬ１６を経て被処理液タンク３５に戻る第一の循環流が形成される。このとき、凍結管３１内を移動する被処理液は、凍結管３１を移動しながら凍結板３２により冷却され、凍結板３２の表面に氷結晶が形成され積層されていくことによって凍結濃縮される。
【００３６】
次に、一定時間経過した後に、開閉弁Ｖ２及びＶ４を開とすると共に、開閉弁Ｖ１及びＶ３を閉とすることにより、被処理液タンク３５内の被処理液は、送液ラインＬ１１を経て送液ポンプ３６により送液され、送液ラインＬ１５を経て凍結管３１の出口に送液された後、この凍結管３１内を一の方向とは反対の逆方向に流れ、凍結管３１の入口から排出された被処理液は、送液ラインＬ１３及び送液ラインＬ１６を経て被処理液タンク３５に戻る第二の循環流が形成され、これが繰り返される。この場合にも、凍結管３１内を移動する被処理液は、凍結管３１を移動しながら凍結板３２により冷却され、凍結板３２の表面に氷結晶が形成され積層されていくことによって凍結濃縮される。
【００３７】
このように、凍結濃縮装置３００でも制御部４０により開閉弁Ｖ１〜Ｖ４の開閉を制御することにより被処理液の流れを反転させながら、凍結板３２の表面に氷結晶を形成させることにより凍結管３１内の被処理液の凍結濃縮を行うため、第一実施形態と同様に溶質の取り込みが少ない氷結晶を得ることができる。また、凍結濃縮装置３００では、送液ポンプ３６を一定に駆動させたまま、制御部４０により開閉弁Ｖ１〜Ｖ４を制御することで凍結器３１内の被処理液の移動方向を変更することができるため、上記のように溶質の取り込みが少ない氷結晶の形成を容易に行うことができる。
【００３８】
以上、本発明を実施形態に基づき詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、界面前進凍結濃縮装置として回転円板型凍結濃縮装置を用いた場合であっても、円板を駆動させるモータの回転方向を反転させて、装置内の被処理液の移動方向を変更することにより、溶質の取り込みが少ない氷結晶を容易に形成することができる。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例及び比較例を説明する。
【００４０】
（実施例１）
図８に示す凍結濃縮装置４００を用いて、被処理液の凍結濃縮を行った。
【００４１】
凍結濃縮装置４００は、具体的には、モータ４１の回転をベルトを介してボールネジ４３に伝達する構成で、このボールネジ４３に螺合する昇降部材に連結された把持具４４により容器４５が把持されており、この容器４５内に被処理液が収容される。容器４５は、内径５５ｍｍ、内高２５０ｍｍのステンレス製である。容器４５の上部には撹拌機４８が取り付けられており、撹拌機４８の回転羽根４９が容器４５内で回転するようになっている。さらに容器４５の下方には恒温槽５２が設けられ、恒温槽５２内には冷ブラインＦが収容される。さらに、冷ブラインＦの液面近くの容器４５の周囲には、縦５０ｍｍ、横１５０ｍｍのシリコンラバーヒーターを巻回した加熱管５１が電源５０に接続されて容器４５とのクリアランスが１ｍｍとなる位置に設けられている。
【００４２】
上記の構成を有する凍結濃縮装置４００の容器４５に３％ＮａＣｌ溶液を収容し、−１６℃の冷ブラインＦを恒温槽５２に収容して、モータ４１を回転させることにより容器４５を冷ブラインＦ中に１０ｍｍ／ｈの速度で降下させた。撹拌機４８の回転羽根４９としては６枚パドル羽根、径３０ｍｍを使用し、凍結界面（冷ブラインＦの液面）から２０ｍｍの高さとなる位置において回転数６００ＲＰＭで回転させた。３０秒毎に回転羽根４９の回転方向を切り替えながら氷結晶を形成させた結果、溶質を多く含む白色部が少ない氷結晶が得られた。
【００４３】
（比較例１）
撹拌機４８の回転羽根４９の回転方向を一定としたほかは実施例１と同様にして氷結晶を形成させた結果、実施例１の氷結晶と比較して溶質を多く含む白色部が被処理液の回転方向に沿って複数延在する氷結晶が得られた。
【００４４】
実施例１と比較例１の結果より、回転方向を一定時間毎に変更することにより、溶質を多く含む白色部が減り、より良質な氷結晶が形成されることが確認できた。
【００４５】
（実施例２）
実施例１と同様の凍結濃縮装置４００の容器４５に３％ＮａＣｌ溶液５００ｍｌを収容し、−１６℃の冷ブラインＦを恒温槽５２に収容して、モータ４１を回転させることにより容器４５を冷ブラインＦ中に１０ｍｍ／ｈの速度で降下させた。１分毎に回転羽根４９の回転方向を変更しながら容器４５を約１７時間降下させた後、容器４５を取り出し、容器４５の外側に水道水をかけて容器４５に接している氷を溶かすことにより、容器４５内から氷ブロックを取り出した。
【００４６】
（比較例２）
撹拌機４８の回転羽根４９の回転方向を一定としたほかは実施例２と同様にして氷ブロックを取り出した。
【００４７】
実施例２及び比較例２の氷ブロックを、それぞれ容器４５の高さ方向に６つのブロックに切断し、容器４５の底面側の氷ブロックからそれぞれブロック１〜６とした。各ブロックの氷を溶かした後、導電率計を用いて各ブロックの氷結晶に含まれる溶質の濃度を測定した。また、各ブロックの氷結晶において形成時の被処理液の濃度をそれぞれ求め、氷結晶形成時の被処理液の濃度に対する氷結晶中の溶質の濃度を分配係数として算出した。結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
【００４９】
実施例２と比較例２の結果より、実施例２のほうが氷結晶への溶質の取り込みが少なくなり、被処理液を効率よく濃縮できることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第一実施形態に係る凍結濃縮装置を示す概略構成図である。
【図２】凍結板の表面に形成される氷結晶（デンドライト氷）の概略説明図である。
【図３】被処理液の流れに対するデンドライト氷の説明図である。
【図４】被処理液の流れが一定の場合のデンドライト氷の成長過程と溶質の流れの説明図である。
【図５】被処理液の流れを変更した場合のデンドライト氷の成長過程と溶質の流れの説明図である。
【図６】本発明の第二実施形態に係る凍結濃縮装置を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第三実施形態に係る凍結濃縮装置を示す概略構成図である。
【図８】本発明の実施例に係る凍結濃縮装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０…凍結タンク、１１，２３…バッフル板、１３…撹拌機、１５，３１…凍結管、１６，３２…凍結板、２０，３０，４０…制御部（変更手段）、２１，２２…散気管、３５…被処理液タンク、３６…送液ポンプ、１００，２００，３００，４００…凍結濃縮装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界面前進凍結濃縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水溶液中の水と溶質との凝固点の差を利用して、氷結晶を析出させて分離することにより水溶液の濃度を高める凍結濃縮法は、飲料・液状食品に含まれる成分の濃縮や、排水処理における汚濁物質の処理等に幅広く用いられている。その中でも、懸濁結晶法と比較して被処理液と氷結晶との固液分離が極めて容易であり、システムが単純化される凍結濃縮方法として、被処理液を凍結器の被処理液流路において一定方向に循環させつつ当該流路の壁面を冷ブラインにより冷却することで被処理液流路の壁面に氷結晶を順次形成し成長させて被処理液を凍結濃縮する界面前進凍結濃縮方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような界面前進凍結濃縮方法において、被処理液を効率的に濃縮するためには、溶質の取り込みが少ない良質の氷結晶を形成することが必要であり、凍結速度を遅くして凍結界面が滑らかな氷結晶を形成することが望まれている。しかしながら、産業上の利用を考慮して凍結速度を一定以上とした場合、氷結晶と被処理液との間の凍結界面には、被処理液の流れに対して垂直方向に伸びる主幹と流れに沿って伸びる横枝とを有する樹枝状のデンドライト氷が形成され、凍結時に氷から排除された溶質がデンドライト氷の主幹と横枝とに囲まれた部分に滞留するという問題がある。特に、隣接するデンドライト氷同士の間は、被処理液の流れによる影響を受けずに溶質が多く滞留し、溶質の取り込みが増加した氷結晶が形成されるという問題がある。
【０００４】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、より溶質の取り込みが少ない氷結晶を形成することができる界面前進凍結濃縮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】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明に係る界面前進凍結濃縮装置は、所定方向に移動する被処理液を、冷却し被処理液中の水分を凍結させて当該被処理液を濃縮する界面前進凍結濃縮装置において、被処理液を一定方向に移動させる移動手段と、移動手段による被処理液の移動方向を変更する変更手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
上記の凍結濃縮装置及び凍結濃縮方法によれば、被処理液の移動方向を変更することにより、被処理液中に含まれる溶質の移動方向が変更される。この結果、隣接するデンドライト氷同士の間の溶質の滞留を減少させることができ、氷結晶中への溶質の取り込みを減少させることができる。
【０００７】
ここで、上記作用を効果的に奏する構成として、具体的には、移動手段は撹拌機を備え、変更手段は、前記撹拌機を制御して、当該撹拌機の回転羽根を回転させることにより被処理液を移動させ、撹拌機の回転羽根を逆方向に回転させることにより、被処理液の移動方向を逆方向とすることが挙げられる。この場合、変更手段により撹拌機の回転羽根の回転方向を切り替えることによって、被処理液の移動方向を容易に変更することができるため、新たな装備を設けることなく氷結晶中への溶質の取り込みを減少させることができる。
【０００８】
また、上記作用を効果的に奏する他の構成として、具体的には、移動手段は、上下方向に延びる二つの領域に区画され、当該二つの領域の下部にそれぞれに配置された散気管を有し、変更手段は、散気管のいずれか一方から空気を供給すると共に他方からの空気の供給を停止するように制御することにより、被処理液を二つの領域間で循環させる一方で、一方の散気管からの空気の供給を停止し他方から空気を供給するように制御することにより、被処理液の二つの領域間での移動方向を逆方向とすることが挙げられる。上記の構成を持つ界面前進凍結装置においても、空気を供給する散気管を変更手段によって切り替えることにより、二つの領域間での被処理液の移動方向を容易に変更することができ、氷結晶中への溶質の取り込みを減少させることができる。
【０００９】
ここで、二つの領域は、仕切部により区画される態様とすることで、上記作用を効果的に奏することができる。仕切部により二つの領域に区画することで、散気管からの空気の供給の切り替えによる被処理液の移動方向の変更がより確実に行われ、氷結晶中への溶質の取り込みを減少させることができる。
【００１０】
また、被処理液中の水分を凍結させて当該被処理液を濃縮する凍結器を備え、移動手段は、凍結器に対して被処理液を送液する送液ポンプと、送液ポンプにより送液された被処理液を凍結器の入口と出口のいずれか一方に流入させ、凍結器の入口と出口の他方から排出された被処理液を送液ポンプへ送液する流路と、流路に設けられた複数の開閉弁と、を備え、変更手段は、開閉弁を制御することにより凍結器内の被処理液の移動方向を変更する態様としても上記作用を効果的に奏することができる。この場合も、送液ポンプを一定に駆動させたまま、変更手段により開閉弁を制御することで凍結器内の被処理液の移動方向を変更することができ、氷結晶中への溶質の取り込みを容易に減少させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、より溶質の取り込みが少ない氷結晶を形成することができる界面前進凍結濃縮装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１は、本発明の第一実施形態に係る凍結濃縮装置１００を示す概略構成図である。
【００１４】
この凍結濃縮装置１００は界面前進凍結濃縮装置であり、図１に示すように、被処理液を収容する凍結器としての凍結タンク１０と、被処理液の循環流路を構成するためのバッフル板１１と、被処理液を循環させる移動手段としての撹拌機１３と、被処理液に接触する表面に氷結晶を形成させる凍結管１５と、撹拌機１３を制御することで撹拌機１３による被処理液の移動方向を変更する制御部（変更手段）２０と、を備えている。
【００１５】
この凍結濃縮装置１００を構成する凍結タンク１０内は、上下方向に延びるバッフル板１１によって内側領域と外側領域とに区画され、凍結タンク１０の略中央底部には撹拌機１３が設置されると共にその回転羽根１３ａが内側領域の下部に進入するように配設されている。そして、この撹拌機１３に対して制御部２０が接続されている。
【００１６】
凍結タンク１０のバッフル板１１の内側領域には、複数の凍結管１５が上下方向に延びるように配置されている。これらの凍結管１５には、各々が上下方向に延びるように裏面側を対向して設けられて被処理液がその表面に接触する一対の凍結板１６，１６が設けられ、凍結板１６，１６の内側に供給される冷ブラインにより、凍結板１６の裏面側が冷却される。
【００１７】
このような構成を有する凍結濃縮装置１００の作用について説明する。
【００１８】
制御部２０によって撹拌機１３の回転羽根１３ａを一の方向（例えば時計回り）へ回転させるように制御すると、撹拌機１３のその回転羽根１３ａが内側領域の下部で回転することにより、バッフル板１１の内側領域の被処理液が上向しバッフル板１１の上部から外側領域に溢流して外側領域を下向する第一の循環流が凍結タンク１０内に形成される。このとき、撹拌機１３の駆動により凍結タンク１０内を循環する被処理液は、内側領域を上向する際に、凍結板１６により冷却されることにより凍結板１６の表面に氷結晶が形成され積層されていき、これにより、被処理液が凍結濃縮される。
【００１９】
次に、一定時間経過した後に、制御部２０により、回転羽根１３ａが一の方向の反対方向である逆方向（他の方向）へ回転するように制御すると、回転羽根１３ａが第一の方向とは逆方向へ回転し、バッフル板１１の外側領域の被処理液が上向しバッフル板１１の上部から内側領域に溢流して内側領域を下向する第一の循環流とは逆方向の第二の循環流が形成される。この場合にも、撹拌機１３の駆動により凍結タンク１０内を循環する被処理液は、内側領域を下向する際に凍結板１６により冷却されることにより、凍結板１６の表面に氷結晶が形成され積層されていき、これにより、被処理液が凍結濃縮される。
【００２０】
上記の構成を有する凍結濃縮装置１００によって被処理液の凍結濃縮を行った場合の作用・効果について図２〜図５を用いて説明する。
【００２１】
図２は、凍結板１６の表面に形成される氷結晶（デンドライト氷）の概略説明図であり、図２（Ａ）はその平面図、図２（Ｂ）は側面図、図３は、被処理液の流れに対するデンドライト氷の説明図であり、図３（Ａ）は被処理液の流れがない場合のデンドライト氷の形状の概略説明図、図３（Ｂ）は被処理液の流れがある場合の溶質の動きの概略説明図、図３（Ｃ）は被処理液の流れがある場合のデンドライト氷の形状の概略説明図、図４（Ａ）〜（Ｃ）は、被処理液の流れが一定の場合のデンドライト氷の成長過程と溶質の流れの説明図、図５（Ａ）〜（Ｃ）は、被処理液の流れを変更した場合のデンドライト氷の成長過程と溶質の流れの説明図である。
【００２２】
本実施形態に係る凍結濃縮装置１００において凍結速度を一定以上として被処理液の濃縮を行う場合、図２に示すように、樹枝状の枝部を有するデンドライト氷である氷結晶Ｓが形成される。氷結晶Ｓは被処理液中の溶質を排除しながら凍結するため、被処理液と氷結晶Ｓとの凍結界面には溶質が滞留しやすくなり、氷結晶Ｓの枝部の間には、図２（Ａ）に示すように、被処理液の溶質Ｃが滞留して被処理液の濃度が高い状態が作られる。
【００２３】
このように凍結板１６の表面で形成されるデンドライト氷である氷結晶Ｓの枝部は、図３（Ａ）に示すように、主幹Ｓ１とこの主幹Ｓ１の両側から突出する横枝Ｓ２とから構成され、氷結晶Ｓの周囲の被処理液が流れていない場合には、主幹Ｓ１に対して横枝Ｓ２が対称に成長するという特徴を有している。
【００２４】
ここで、一定方向に流れる被処理液に接触する凍結板１６の表面で氷結晶が形成される場合、図３（Ｂ）に示すように、氷結晶Ｓの隙間に滞留する溶質Ｃのうち、主幹Ｓ１より流れの上流側に滞留する溶質Ｃは被処理液の流れによって流されていき被処理液全体の濃度と同じ濃度となるまで希釈されるため、氷点降下が起きず、さらに凍結時の発熱も被処理液の流れに沿って放散されやすいため、氷結晶Ｓの横枝Ｓ２の成長が促進される。一方、主幹Ｓ１より下流側に滞留する溶質Ｃは被処理液の流れによる希釈効果が低く、溶質Ｃが下流側に滞留し、被処理液の濃度の高い状態が保持される。この場合、下流側の溶質Ｃが滞留している部分では、被処理液の高濃度による氷点降下が発生し、被処理液の凍結速度が溶質の滞留していない部分よりも遅くなり、氷結晶Ｓの成長が抑制される。この結果、図３（Ｃ）に示すように、被処理液の流れ（本流）に対して上流側の横枝Ｓ２が本流に向かう方向に大きく伸び、この横枝Ｓ２に向かって流れる被処理液は、氷結晶Ｓの先端側の本流に合流するように流れていき、被処理液の流れの下流側の横枝Ｓ２の成長は遅くなる。
【００２５】
したがって、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、従来と同様に被処理液の流れを一定方向（Ｆ１）として氷結晶Ｓを形成させて凍結濃縮を行うと、隣接するデンドライト氷の氷結晶Ｓの間に溶質Ｃが大量に滞留しながら氷結晶の形成が進行するため、氷結晶Ｓには大量の溶質が取り込まれる。
【００２６】
ここで、本実施形態に係る凍結濃縮装置１００のように、被処理液の流れを反転した場合、図５（Ａ）に示すように最初の被処理液の流れＦ１の場合には氷結晶の主幹Ｓ１の下流側に溶質Ｃが滞留しながら氷結晶Ｓが成長するが、被処理液の流れを反転すると図５（Ｂ）に示すように流れＦ１に対して下流側に滞留していた溶質Ｃが反転後の被処理液の流れＦ２によって流され、主幹Ｓ１の下流側の被処理液の濃度が希釈される。一方、今度は流れＦ１とは逆方向の流れＦ２に対する主幹Ｓ１の下流側に溶質Ｃが滞留するが、図５（Ｃ）に示すように被処理液の流れを反転させることにより、流れＦ２に対して主幹Ｓ１の下流側に滞留していた溶質Ｃが被処理液の流れＦ１により流されるため、主幹Ｓ１の下流側の被処理液の濃度が希釈される。このように、被処理液の流れを反転させることにより、被処理液の流れに対して下流側に滞留する溶質を被処理液の本流に流して、被処理液の濃度を被処理液全体の濃度と均一になるように希釈しながら氷結晶Ｓを成長させることができるため、被処理液の流れを一定方向にした場合と比較して溶質Ｃの取り込みが少ない氷結晶Ｓを形成することができる。また、この被処理液の移動方向の変更を一定時間毎に行うことで、隣接するデンドライト氷の氷結晶Ｓの間の溶質Ｃが滞留しやすい部分の被処理液の濃度を一定時間毎に希釈することができる。
【００２７】
したがって、本実施形態に係る凍結濃縮装置１００では、凍結タンク１０内を移動する被処理液の移動方向を変更することにより、被処理液中に含まれる溶質の移動方向を変更できる。この結果、隣接するデンドライト氷同士の間の溶質の滞留を減少させることができ、氷結晶中への溶質の取り込みを容易に減少させることができる。
【００２８】
次に、本発明の第二実施形態について説明する。図６は、本発明の第二実施形態に係る凍結濃縮装置２００を示す概略構成図である。
【００２９】
この凍結濃縮装置２００が凍結濃縮装置１００と異なる点は、被処理液を移動させる移動手段として、撹拌機１３に代えて散気管２１及び散気管２２を備える点である。具体的には、凍結タンク１０内は、上下方向に延びるバッフル板（仕切部）２３によって二つの領域に区画され、二つの領域の下部にそれぞれに散気管２１，２２を備える。散気管２１及び散気管２２には、例えばブロア等の駆動により外部から空気等のガスを供給する構造とし、各々に接続された開閉弁Ｖ１及び開閉弁Ｖ２により、ガスの供給を切り替える構造としている。この開閉弁Ｖ１及び開閉弁Ｖ２の制御は、開閉弁Ｖ１及び開閉弁Ｖ２に接続された制御部（変更手段）３０によって行われる。
【００３０】
上記の構成を有する凍結濃縮装置２００では、まず、制御部３０により、散気管２１の開閉弁Ｖ１を開とすると共に、散気管２２の開閉弁Ｖ２を閉とすることにより、凍結タンク１０内の被処理液は、散気管２１から供給されるガスのエアーリフト効果によって散気管２１の設けられた領域を上向して、バッフル板２３の上部から散気管２２の設けられた領域に溢流して当該領域を下向する第一の循環流が凍結タンク１０内に形成される。次に、一定時間経過した後に、制御部３０により、散気管２１の開閉弁Ｖ１を閉とすると共に、散気管２２の開閉弁Ｖ２を開とすることにより、散気管２２から供給されるガスのエアーリフト効果により、散気管２２の設けられた領域を上向して、バッフル板２３の上部から散気管２１の設けられた領域に溢流して当該領域を下向する第一の循環流と反対方向に流れる第二の循環流が形成され、これが繰り返される。
【００３１】
このように、凍結濃縮装置２００でも制御部３０により開閉弁Ｖ１，Ｖ２の開閉を制御して被処理液の移動方向を反転させながら、被処理液の凍結濃縮を行うため、第一実施形態と同様に、溶質の取り込みの少ない氷結晶を容易に形成することができる。
【００３２】
次に、本発明の第三実施形態について説明する。図７は、本発明の第三実施形態に係る凍結濃縮装置３００を示す概略構成図である。
【００３３】
図７に示すように、凍結濃縮装置３００は、被処理液が流れる凍結管３１と、凍結管３１に沿って設けられ、被処理液にその表面が接触すると共に背面側が冷ブラインによって冷却される凍結板３２と、凍結板３２を冷却するための冷ブラインの流れる冷ブライン管３３とを備える。冷ブラインは、冷ブライン送液ラインＬ１〜Ｌ３により冷ブライン管３３内を流れる構成とされている。
【００３４】
ここで、被処理液タンク３５内に収容された被処理液Ｌは、送液ラインＬ１１を通して送液ポンプ３６により凍結管３１へ送液される。送液ポンプ３６と凍結管３１の入口とは開閉弁Ｖ１を介して送液ラインＬ１２で接続され、送液ポンプ３６と凍結管３１の出口とは開閉弁Ｖ４を介して送液ラインＬ１５で接続される。また、被処理液タンク３５には送液ラインＬ１６が接続され、凍結管３１の入口と送液ラインＬ１６とは開閉弁Ｖ２を介して送液ラインＬ１３で接続され、凍結管３１の出口と送液ラインＬ１６とは開閉弁Ｖ３を介して送液ラインＬ１４で接続される。これにより被処理液を移動させる移動手段が構成される。開閉弁Ｖ１〜Ｖ４の開閉は、開閉弁Ｖ１〜Ｖ４に各々接続される制御部（変更手段）４０により行われる。
【００３５】
上記の構成を有する凍結濃縮装置３００では、まず、制御部４０により、開閉弁Ｖ１及びＶ３を開とすると共に、開閉弁Ｖ２及びＶ４を閉とすることにより、被処理液タンク３５内の被処理液Ｌは、送液ラインＬ１１を経て送液ポンプ３６により送液され、送液ライン１２を経て凍結管３１の入口に送液された後、この凍結管３１内を一の方向に流れ、凍結管３１の出口から排出された被処理液は、送液ラインＬ１４及び送液ラインＬ１６を経て被処理液タンク３５に戻る第一の循環流が形成される。このとき、凍結管３１内を移動する被処理液は、凍結管３１を移動しながら凍結板３２により冷却され、凍結板３２の表面に氷結晶が形成され積層されていくことによって凍結濃縮される。
【００３６】
次に、一定時間経過した後に、開閉弁Ｖ２及びＶ４を開とすると共に、開閉弁Ｖ１及びＶ３を閉とすることにより、被処理液タンク３５内の被処理液は、送液ラインＬ１１を経て送液ポンプ３６により送液され、送液ラインＬ１５を経て凍結管３１の出口に送液された後、この凍結管３１内を一の方向とは反対の逆方向に流れ、凍結管３１の入口から排出された被処理液は、送液ラインＬ１３及び送液ラインＬ１６を経て被処理液タンク３５に戻る第二の循環流が形成され、これが繰り返される。この場合にも、凍結管３１内を移動する被処理液は、凍結管３１を移動しながら凍結板３２により冷却され、凍結板３２の表面に氷結晶が形成され積層されていくことによって凍結濃縮される。
【００３７】
このように、凍結濃縮装置３００でも制御部４０により開閉弁Ｖ１〜Ｖ４の開閉を制御することにより被処理液の流れを反転させながら、凍結板３２の表面に氷結晶を形成させることにより凍結管３１内の被処理液の凍結濃縮を行うため、第一実施形態と同様に溶質の取り込みが少ない氷結晶を得ることができる。また、凍結濃縮装置３００では、送液ポンプ３６を一定に駆動させたまま、制御部４０により開閉弁Ｖ１〜Ｖ４を制御することで凍結器３１内の被処理液の移動方向を変更することができるため、上記のように溶質の取り込みが少ない氷結晶の形成を容易に行うことができる。
【００３８】
以上、本発明を実施形態に基づき詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、界面前進凍結濃縮装置として回転円板型凍結濃縮装置を用いた場合であっても、円板を駆動させるモータの回転方向を反転させて、装置内の被処理液の移動方向を変更することにより、溶質の取り込みが少ない氷結晶を容易に形成することができる。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例及び比較例を説明する。
【００４０】
（実施例１）
図８に示す凍結濃縮装置４００を用いて、被処理液の凍結濃縮を行った。
【００４１】
凍結濃縮装置４００は、具体的には、モータ４１の回転をベルトを介してボールネジ４３に伝達する構成で、このボールネジ４３に螺合する昇降部材に連結された把持具４４により容器４５が把持されており、この容器４５内に被処理液が収容される。容器４５は、内径５５ｍｍ、内高２５０ｍｍのステンレス製である。容器４５の上部には撹拌機４８が取り付けられており、撹拌機４８の回転羽根４９が容器４５内で回転するようになっている。さらに容器４５の下方には恒温槽５２が設けられ、恒温槽５２内には冷ブラインＦが収容される。さらに、冷ブラインＦの液面近くの容器４５の周囲には、縦５０ｍｍ、横１５０ｍｍのシリコンラバーヒーターを巻回した加熱管５１が電源５０に接続されて容器４５とのクリアランスが１ｍｍとなる位置に設けられている。
【００４２】
上記の構成を有する凍結濃縮装置４００の容器４５に３％ＮａＣｌ溶液を収容し、−１６℃の冷ブラインＦを恒温槽５２に収容して、モータ４１を回転させることにより容器４５を冷ブラインＦ中に１０ｍｍ／ｈの速度で降下させた。撹拌機４８の回転羽根４９としては６枚パドル羽根、径３０ｍｍを使用し、凍結界面（冷ブラインＦの液面）から２０ｍｍの高さとなる位置において回転数６００ＲＰＭで回転させた。３０秒毎に回転羽根４９の回転方向を切り替えながら氷結晶を形成させた結果、溶質を多く含む白色部が少ない氷結晶が得られた。
【００４３】
（比較例１）
撹拌機４８の回転羽根４９の回転方向を一定としたほかは実施例１と同様にして氷結晶を形成させた結果、実施例１の氷結晶と比較して溶質を多く含む白色部が被処理液の回転方向に沿って複数延在する氷結晶が得られた。
【００４４】
実施例１と比較例１の結果より、回転方向を一定時間毎に変更することにより、溶質を多く含む白色部が減り、より良質な氷結晶が形成されることが確認できた。
【００４５】
（実施例２）
実施例１と同様の凍結濃縮装置４００の容器４５に３％ＮａＣｌ溶液５００ｍｌを収容し、−１６℃の冷ブラインＦを恒温槽５２に収容して、モータ４１を回転させることにより容器４５を冷ブラインＦ中に１０ｍｍ／ｈの速度で降下させた。１分毎に回転羽根４９の回転方向を変更しながら容器４５を約１７時間降下させた後、容器４５を取り出し、容器４５の外側に水道水をかけて容器４５に接している氷を溶かすことにより、容器４５内から氷ブロックを取り出した。
【００４６】
（比較例２）
撹拌機４８の回転羽根４９の回転方向を一定としたほかは実施例２と同様にして氷ブロックを取り出した。
【００４７】
実施例２及び比較例２の氷ブロックを、それぞれ容器４５の高さ方向に６つのブロックに切断し、容器４５の底面側の氷ブロックからそれぞれブロック１〜６とした。各ブロックの氷を溶かした後、導電率計を用いて各ブロックの氷結晶に含まれる溶質の濃度を測定した。また、各ブロックの氷結晶において形成時の被処理液の濃度をそれぞれ求め、氷結晶形成時の被処理液の濃度に対する氷結晶中の溶質の濃度を分配係数として算出した。結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
【００４９】
実施例２と比較例２の結果より、実施例２のほうが氷結晶への溶質の取り込みが少なくなり、被処理液を効率よく濃縮できることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第一実施形態に係る凍結濃縮装置を示す概略構成図である。
【図２】凍結板の表面に形成される氷結晶（デンドライト氷）の概略説明図である。
【図３】被処理液の流れに対するデンドライト氷の説明図である。
【図４】被処理液の流れが一定の場合のデンドライト氷の成長過程と溶質の流れの説明図である。
【図５】被処理液の流れを変更した場合のデンドライト氷の成長過程と溶質の流れの説明図である。
【図６】本発明の第二実施形態に係る凍結濃縮装置を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第三実施形態に係る凍結濃縮装置を示す概略構成図である。
【図８】本発明の実施例に係る凍結濃縮装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０…凍結タンク、１１，２３…バッフル板、１３…撹拌機、１５，３１…凍結管、１６，３２…凍結板、２０，３０，４０…制御部（変更手段）、２１，２２…散気管、３５…被処理液タンク、３６…送液ポンプ、１００，２００，３００，４００…凍結濃縮装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定方向に移動する被処理液を、冷却し被処理液中の水分を凍結させて当該被処理液を濃縮する界面前進凍結濃縮装置において、
前記被処理液を前記所定方向に移動させる移動手段と、
前記移動手段による前記被処理液の移動方向を変更する変更手段と、
を備えることを特徴とする界面前進凍結濃縮装置。
【請求項２】
前記移動手段は、撹拌機を備え、
前記変更手段は、前記撹拌機を制御して、当該撹拌機の回転羽根を回転させることにより前記被処理液を移動させ、前記撹拌機の回転羽根を逆方向に回転させることにより、前記被処理液の移動方向を逆方向とすることを特徴とする請求項１記載の界面前進凍結濃縮装置。
【請求項３】
前記移動手段は、
上下方向に延びる二つの領域に区画され、当該二つの領域の下部にそれぞれに配置された散気管を有し、
前記変更手段は、前記散気管のいずれか一方から空気を供給すると共に他方からの空気の供給を停止するように制御することにより、前記被処理液を二つの領域間で循環させる一方で、一方の散気管からの空気の供給を停止し他方から空気を供給するように制御することにより、前記被処理液の二つの領域間での移動方向を逆方向とすることを特徴とする請求項１記載の界面前進凍結濃縮装置。
【請求項４】
前記二つの領域は、仕切部により区画されることを特徴とする請求項３記載の界面前進凍結濃縮装置。
【請求項５】
前記被処理液中の水分を凍結させて当該被処理液を濃縮する凍結器を備え、
前記移動手段は、
前記凍結器に対して前記被処理液を送液する送液ポンプと、
前記送液ポンプにより送液された前記被処理液を前記凍結器の入口と出口のいずれか一方に流入させ、前記凍結器の入口と出口の他方から排出された前記被処理液を前記送液ポンプへ送液する流路と、
前記流路に設けられた複数の開閉弁と、を備え、
前記変更手段は、前記開閉弁を制御することにより前記凍結器内の前記被処理液の移動方向を変更することを特徴とする請求項１記載の界面前進凍結濃縮装置。
【請求項１】
所定方向に移動する被処理液を、冷却し被処理液中の水分を凍結させて当該被処理液を濃縮する界面前進凍結濃縮装置において、
前記被処理液を前記所定方向に移動させる移動手段と、
前記移動手段による前記被処理液の移動方向を変更する変更手段と、
を備えることを特徴とする界面前進凍結濃縮装置。
【請求項２】
前記移動手段は、撹拌機を備え、
前記変更手段は、前記撹拌機を制御して、当該撹拌機の回転羽根を回転させることにより前記被処理液を移動させ、前記撹拌機の回転羽根を逆方向に回転させることにより、前記被処理液の移動方向を逆方向とすることを特徴とする請求項１記載の界面前進凍結濃縮装置。
【請求項３】
前記移動手段は、
上下方向に延びる二つの領域に区画され、当該二つの領域の下部にそれぞれに配置された散気管を有し、
前記変更手段は、前記散気管のいずれか一方から空気を供給すると共に他方からの空気の供給を停止するように制御することにより、前記被処理液を二つの領域間で循環させる一方で、一方の散気管からの空気の供給を停止し他方から空気を供給するように制御することにより、前記被処理液の二つの領域間での移動方向を逆方向とすることを特徴とする請求項１記載の界面前進凍結濃縮装置。
【請求項４】
前記二つの領域は、仕切部により区画されることを特徴とする請求項３記載の界面前進凍結濃縮装置。
【請求項５】
前記被処理液中の水分を凍結させて当該被処理液を濃縮する凍結器を備え、
前記移動手段は、
前記凍結器に対して前記被処理液を送液する送液ポンプと、
前記送液ポンプにより送液された前記被処理液を前記凍結器の入口と出口のいずれか一方に流入させ、前記凍結器の入口と出口の他方から排出された前記被処理液を前記送液ポンプへ送液する流路と、
前記流路に設けられた複数の開閉弁と、を備え、
前記変更手段は、前記開閉弁を制御することにより前記凍結器内の前記被処理液の移動方向を変更することを特徴とする請求項１記載の界面前進凍結濃縮装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２９１６７２（Ｐ２００９−２９１６７２Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４４８９８（Ｐ２００８−１４４８９８）
【出願日】平成２０年６月２日（２００８．６．２）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２日（２００８．６．２）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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