特許 6229596 懸濁液の濃縮システムおよび濃縮方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6229596

(24)【登録日】2017年10月27日

(45)【発行日】2017年11月15日

(54)【発明の名称】懸濁液の濃縮システムおよび濃縮方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 61/36 20060101AFI20171106BHJP

   A23L 2/08 20060101ALN20171106BHJP

【ＦＩ】

   B01D61/36

   !A23L2/08

【請求項の数】9

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-117605(P2014-117605)

(22)【出願日】2014年6月6日

(65)【公開番号】特開2015-229154(P2015-229154A)

(43)【公開日】2015年12月21日

【審査請求日】2017年3月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001063

【氏名又は名称】栗田工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083725

【弁理士】

【氏名又は名称】畝本 正一

(74)【代理人】

【識別番号】100140349

【弁理士】

【氏名又は名称】畝本 継立

(74)【代理人】

【識別番号】100153305

【弁理士】

【氏名又は名称】畝本 卓弥

(72)【発明者】

【氏名】三輪 聡志

【審査官】 富永 正史

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０２−２６８８１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２３７３４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４９５２７５１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０８７８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５００１１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０９４５８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ ６１／００−７１／８２

Ｃ０２Ｆ １／４４

Ａ２３Ｌ ２／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

疎水性多孔質膜を挟んで原水部と凝縮部とを備え、
前記凝縮部を減圧状態に維持し、かつ前記凝縮部に冷却手段を備え、
１００〔℃〕未満に加熱された懸濁液を前記原水部に導入し、該懸濁液の蒸気を前記疎水性多孔質膜に透過させて前記凝縮部で凝縮し、前記懸濁液の濃縮液を生成するとともに、
該濃縮液を回収する濃縮液回収ラインに設置され、該濃縮液回収ラインに流す前記濃縮液の流量を調整する第１のバルブと、
前記濃縮液回収ラインを流れる前記濃縮液の一部または全部を前記原水部の前記懸濁液の導入側に循環させる循環経路に設置され、該循環経路内の流量を調整する第２のバルブと、
を備え、前記原水部への前記懸濁液の供給状態の判断結果に応じて前記第１のバルブと前記第２のバルブの開閉を制御し、前記懸濁液に前記濃縮液を混合させて前記原水部に循環させることを特徴とする懸濁液の濃縮システム。

【請求項2】

前記懸濁液は、果汁、スープ、エキスなど、生物由来成分を含む液体であることを特徴とする請求項１に記載の懸濁液の濃縮システム。

【請求項3】

前記懸濁液の流路幅が１〔ｍｍ〕以上、３０〔ｍｍ〕以下とし、より好ましくは３〔ｍｍ〕以上、２０〔ｍｍ〕以下とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の懸濁液の濃縮システム。

【請求項4】

前記懸濁液の膜面線流速が０．０１〔ｍ／ｓ〕以上、５〔ｍ／ｓ〕以下とし、より好ましくは０．０５〔ｍ／ｓ〕以上、２〔ｍ／ｓ〕以下としたことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の懸濁液の濃縮システム。

【請求項5】

さらに、前記原水部に導入する前記懸濁液を廃熱で加熱する加熱手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の懸濁液の濃縮システム。

【請求項6】

前記第２のバルブの開度制御により前記懸濁液の流量を増減させて、前記原水部内に流れる前記懸濁液の膜面線流速を適正範囲に調整することを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の懸濁液の濃縮システム。

【請求項7】

さらに、前記懸濁液から懸濁物を除く懸濁物除去手段を備え、この懸濁物除去手段で前記懸濁物が除かれた懸濁液を前記原水部に導入することを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載の懸濁液の濃縮システム。

【請求項8】

前記懸濁物除去手段がフィルターまたは遠心分離機の何れか一方または双方を含むことを特徴とする請求項７に記載の懸濁液の濃縮システム。

【請求項9】

疎水性多孔質膜を挟んで原水部と凝縮部とを設置し、前記凝縮部を減圧状態に維持し、かつ前記凝縮部に冷却手段を設置し、１００〔℃〕未満に加熱された懸濁液を前記原水部に導入する工程と、
該懸濁液の蒸気を前記疎水性多孔質膜に透過させて前記凝縮部で凝縮し、前記懸濁液の濃縮液を生成する工程と、
前記原水部への前記懸濁液の供給状態の判断結果に応じて、前記濃縮液を回収する濃縮液回収ラインに流す前記濃縮液の流量を調整する第１のバルブと、前記原水部の前記懸濁液の導入側に前記濃縮液を循環させる循環経路に流す前記凝縮液の流量を調整する第２のバルブの開閉を制御して、前記懸濁液に前記濃縮液を混合させて前記原水部に循環させる工程と、
を含むことを特徴とする懸濁液の濃縮方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はたとえば、果汁、スープ、エキスなど、生物由来成分を含む各種懸濁液を減圧下で濃縮する減圧濃縮およびこの減圧濃縮への廃熱利用などの関連技術に関する。

【背景技術】

【0002】

食品や飲料などの製造ではたとえば、果汁、スープ、エキスなどの懸濁液を濃縮する濃縮工程がある。この濃縮工程は、懸濁液中成分の乾固化や粉末化の前処理として、あるいは懸濁液の輸送費の低減や保管スペースの削減のためなどの目的で行われ、鮮度の維持や処理コストの低減など、その処理は極めて重要な工程とされる。

【0003】

果汁、スープ、エキスなどは、果実、肉、魚介類、野菜などの生物由来成分を含んでいる。この生物由来成分は高温下で長時間処理すれば、風味や香りが変質しやすい。風味や香りの変質を防ぐには、１００〔℃〕未満の低温下での減圧濃縮が可能な真空蒸留法たとえば、真空エバポレーターによる方法や、常温下で圧力ろ過する膜分離法たとえば、逆浸透膜を用いる方法がある。

【0004】

このような濃縮の関連技術に関し、果実のジュース製造に真空エバポレーターを用いることが知られ（たとえば、特許文献１、特許文献２）、逆浸透膜を用いてセルロース由来糖液から糖液を濃縮することが知られている（たとえば、特許文献３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表平８−５０６７３３号公報

【特許文献2】特開２００９−６２３０１号公報

【特許文献3】特開２０１３−６３０７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、真空エバポレーターでは生産ラインに用いられる装備が金属製であるため、果汁、スープ、エキスなど、酸や塩類を含むいわゆる腐食性液体に対する適用性が高いとは言えない。また、加温面積や蒸発面積を大きくすれば、蒸発効率を確保できる反面、重装備で装置規模が大きく、高価になるなどの課題がある。

【0007】

一方、逆浸透膜では、膜モジュールの耐熱性が十分でないし、処理水の溶存成分濃度の内、特に塩類濃度に比例してろ過圧力を高くしなければならず、高い動力エネルギーを必要とする。

【0008】

また、この逆浸透膜では、膜表面に懸濁液成分が濃縮して付着し、膜透過液量を著しく低下させる。濃縮液粘度が高くなると、膜モジュール中の膜間にある１〔ｍｍ〕程度以下の極薄い原水流路では濃縮液が流れ難くなる。このため、数倍程度の濃縮倍率しか得られないという課題がある。

【0009】

ところで、海水の淡水化、純水製造、宇宙船内における尿からの水回収などの技術分野では原水から蒸留水を取り出す処理に膜蒸留技術を利用することが知られている。本発明者は、斯かる膜蒸留技術を懸濁液の濃縮に適用することを発案し、この膜蒸留技術を用いた懸濁液の濃縮実験を試みた。この実験で、たとえば、果汁、スープ、エキスなど、生物由来成分を含む各種懸濁液の濃縮に膜蒸留技術を用いた場合には、流路閉塞や膜細孔の詰まりなど、新たな課題を発見し、それを確認するに至った。

【0010】

そこで、本発明の目的は上記課題に鑑み、膜蒸留技術を用いて果汁、スープ、エキスなど、各種懸濁液の濃縮を実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記目的を達成するため、本発明の懸濁液の濃縮システムの一側面によれば、疎水性多孔質膜を挟んで原水部と凝縮部とを備え、前記凝縮部を減圧状態に維持し、かつ前記凝縮部に冷却手段を備え、１００〔℃〕未満に加熱された懸濁液を前記原水部に導入し、該懸濁液の蒸気を前記疎水性多孔質膜に透過させて前記凝縮部で凝縮し、前記懸濁液の濃縮液を生成するとともに、該濃縮液を回収する濃縮液回収ラインに設置され、該濃縮液回収ラインに流す前記濃縮液の流量を調整する第１のバルブと、前記濃縮液回収ラインを流れる前記濃縮液の一部または全部を前記原水部の前記懸濁液の導入側に循環させる循環経路に設置され、該循環経路内の流量を調整する第２のバルブとを備え、前記原水部への前記懸濁液の供給状態の判断結果に応じて前記第１のバルブと前記第２のバルブの開閉を制御し、前記懸濁液に前記濃縮液を混合させて前記原水部に循環させる。

【0012】

上記懸濁液の濃縮システムにおいて、前記懸濁液は、果汁、スープ、エキスなど、生物由来成分を含む液体であってもよい。

【0013】

上記懸濁液の濃縮システムにおいて、前記懸濁液の流路幅が１〔ｍｍ〕以上、３０〔ｍｍ〕以下とし、より好ましくは３〔ｍｍ〕以上、２０〔ｍｍ〕以下としてもよい。

【0014】

上記懸濁液の濃縮システムにおいて、前記懸濁液の膜面線流速が０．０１〔ｍ／ｓ〕以上、５〔ｍ／ｓ〕以下とし、より好ましくは０．０５〔ｍ／ｓ〕以上、２〔ｍ／ｓ〕以下としてもよい。

【0015】

上記懸濁液の濃縮システムでは、さらに、前記原水部に導入する前記懸濁液を廃熱で加熱する加熱手段を備えてもよい。

【0016】

上記懸濁液の濃縮システムでは、前記第２のバルブの開度制御により前記懸濁液の流量を増減させて、前記原水部内に流れる前記懸濁液の膜面線流速を適正範囲に調整してよい。

【0017】

上記懸濁液の濃縮システムにおいて、さらに、前記懸濁液から懸濁物を除く懸濁物除去手段を備え、この懸濁物除去手段で前記懸濁物が除かれた懸濁液を前記原水部に導入してもよい。

【0018】

上記懸濁液の濃縮システムにおいて、前記懸濁物除去手段がフィルターまたは遠心分離機の何れか一方または双方を含んでもよい。

【0019】

上記目的を達成するため、本発明の懸濁液の濃縮方法の一側面によれば、疎水性多孔質膜を挟んで原水部と凝縮部とを設置し、前記凝縮部を減圧状態に維持し、かつ前記凝縮部に冷却手段を設置し、１００〔℃〕未満に加熱された懸濁液を前記原水部に導入する工程と、該懸濁液の蒸気を前記疎水性多孔質膜に透過させて前記凝縮部で凝縮し、前記懸濁液の濃縮液を生成する工程と、前記原水部への前記懸濁液の供給状態の判断結果に応じて、前記濃縮液を回収する濃縮液回収ラインに流す前記濃縮液の流量を調整する第１のバルブと、前記原水部の前記懸濁液の導入側に前記濃縮液を循環させる循環経路に流す前記凝縮液の流量を調整する第２のバルブの開閉を制御して、前記懸濁液に前記濃縮液を混合させて前記原水部に循環させる工程とを含んでいる。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、次のいずれかの効果が得られる。

【0021】

(1) 膜蒸留技術を用いることにより、果汁、スープ、エキスなど、繊維分や粒子を含む懸濁液を濃縮することができる。

【0022】

(2) 果汁、スープ、エキスなどの懸濁液を１００〔℃〕未満の低温加熱、冷却および減圧で懸濁液からの蒸気の発生を促し、疎水性多孔質膜に対する蒸気の透過を促進させて濃縮でき、果汁、スープ、エキスなどの懸濁液の成分劣化や風味の変化を防止できる。

【0023】

(3) 果汁、スープ、エキスなど、繊維分や粒子を含む懸濁液による流路閉塞や目詰まりなどの不都合を回避でき、効率的な懸濁液濃縮を実現できる。

【0024】

(4) 果汁、スープ、エキスなど、繊維分や粒子を含む懸濁液の濃縮を膜蒸留技術を適用すれば、果汁、スープ、エキスなどの懸濁液の処理が鮮度維持などから高温加熱を回避するので、廃熱エネルギーの有効利用を図ることができる。

【0025】

(5) 膜蒸留技術に廃熱エネルギーを適用すれば、廃熱エネルギーの有効利用と、懸濁液の濃縮システムの普及を高めることができ、一層の省エネルギー化や省コスト化を図ることができ、環境保全や産業活性化にも貢献できる。

【0026】

そして、本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面および各実施の形態を参照することにより、一層明確になるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】第１の実施の形態に係る濃縮システムの一例を示す図である。

【図2】膜蒸留装置の一例を示す図である。

【図3】膜蒸留装置における懸濁液の流路幅および膜面線流速を説明するための図である。

【図4】懸濁液濃縮の処理手順の一例を示すフローチャートである。

【図5】第２の実施の形態に係る濃縮システムの一例を示す図である。

【図6】第３の実施の形態に係る濃縮システムの一例を示す図である。

【図7】第４の実施の形態に係る濃縮システムの一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

〔第１の実施の形態〕

【0029】

＜濃縮システム＞

【0030】

図１は、第１の実施の形態に係る濃縮システムを示している。図１に示す構成は一例であり、斯かる構成に本発明が限定されるものではない。

【0031】

この濃縮システム２には膜蒸留装置４が備えられ、この膜蒸留装置４には原水ライン６が接続されている。この原水ライン６から膜蒸留装置４に導入される原水はたとえば、懸濁液８であり、この懸濁液８はたとえば、果汁、スープ、エキスなど、生物由来成分を含む液体である。

【0032】

原水ライン６にはたとえば、懸濁液８の加熱手段の一例として熱交換部１０が設置されている。熱交換部１０は工場廃熱など、廃熱源で加熱された熱媒ＨＭの熱を懸濁液８に熱交換する。これにより、懸濁液８はたとえば、数十〔℃〕から１００〔℃〕未満の低温度に加熱されて膜蒸留装置４に供給することができる。懸濁液８の加熱に工場廃熱などの廃熱を利用でき、各種の廃熱の有効利用が図られる。

【0033】

この膜蒸留装置４は懸濁液８を膜蒸留により濃縮し、濃縮液１２と凝縮水１４に分離する。濃縮液１２は濃縮液回収ライン１６に導かれ、凝縮水１４は凝縮水排出ライン１８に導かれる。

【0034】

濃縮液回収ライン１６には第１のバルブ２０−１が設置され、このバルブ２０−１を開くことにより、濃縮液１２が膜蒸留装置４から取り出される。この濃縮液回収ライン１６と原水ライン６との間には濃縮液循環ライン２２が接続され、この濃縮液循環ライン２２には第２のバルブ２０−２が備えられる。濃縮液循環ライン２２は、濃縮液１２を原水側に循環させる循環経路の一例である。

【0035】

原水ライン６から供給される原水量が少ない場合には、バルブ２０−２を開き、濃縮液１２を原水側の懸濁液８に戻して混合し、膜蒸留装置４に循環させればよい。

【0036】

＜膜蒸留装置４＞

【0037】

図２は、膜蒸留装置４の一例を示している。この膜蒸留装置４は低温廃熱を利用する懸濁液８の加熱と、疎水性多孔質膜を通過させた懸濁液８の蒸気を減圧および低温条件下で蒸留または濃縮する膜蒸留技術を用いる。

【0038】

この膜蒸留装置４には疎水性多孔質膜２４が備えられ、この疎水性多孔質膜２４を挟んで原水室２６と凝縮室２８が備えられる。原水室２６は懸濁液８を導入する原水部の一例であり、凝縮室２８は疎水性多孔質膜２４を通過した蒸気を凝縮する凝縮部の一例である。

【0039】

疎水性多孔質膜２４は原水室２６に導入された懸濁液８の蒸気のみを選択的に通過させる手段の一例である。この疎水性多孔質膜２４にはたとえば、フッ素樹脂製多孔質膜が使用される。このフッ素樹脂製多孔質膜は耐熱性に優れる。この疎水性多孔質膜２４では懸濁液８の蒸気３０のみを透過させ、膜透過蒸気量に対する懸濁液８の浸透圧や粘度の影響を受けにくく、蒸気透過性が高く、懸濁液濃縮を効率的に行える。

【0040】

凝縮室２８には減圧装置３２が接続され、凝縮室２８の壁面には冷却部３４が備えられている。凝縮室２８とともに原水室２６が減圧装置３２により減圧されて減圧状態に維持され、冷却部３４は接触する蒸気３０を凝縮する程度の温度に冷却されている。減圧下に維持された凝縮室２８には、疎水性多孔質膜２４を通過した蒸気３０が引き込まれる。蒸気３０は凝縮室２８の冷却部３４に触れ、凝縮する。つまり冷却部３４では蒸気３０が結露状態で凝縮水１４を生ずる。

【0041】

この場合、凝縮室２８が減圧状態に維持されるので、蒸気３０を引き込む機能だけでなく、懸濁液８の沸点をより降下させる機能を有する。これにより、懸濁液８から生じる蒸気３０が顕著となり、疎水性多孔質膜２４を透過する蒸気量が増大する。この結果、凝縮室２８に入った蒸気３０が冷却部３４に接触して減圧条件下で凝縮し凝縮水１４となる。つまり、懸濁液８から多くの蒸気３０が凝縮して凝縮水１４に変換されるので、原水室２６の懸濁液８が効率的に濃縮される。したがって、原水室２６から多くの濃縮液１２が生成され、濃縮液回収ライン１６に回収される。

【0042】

この膜濃縮において、懸濁液８を濃縮し、濃縮液１２を得る上で、懸濁液８の流路幅および膜面線流速は極めて重要である。流路幅は、懸濁液８を通過させるに有効な流路径などの大きさである。これに対し、膜面線流速は、懸濁液８の流量を装置内の有効断面積で割った値で与えられる線速度であり、見かけ上、懸濁液８の速度である。具体的には、疎水性多孔質膜２４の膜面に平行な懸濁液８の平均流速である。

【0043】

図３は、一例としてこの膜蒸留装置４中の懸濁液８の流れを示す。図３において、疎水性多孔質膜２４面から、疎水性多孔質膜２４面の対面にある原水室２６面までの距離が、流路幅Ｗである。また、原水室２６断面積で懸濁液８の流量を割った値が、膜面線流速Ｖである。原水である懸濁液８は、膜蒸留装置４を流れながら、濃縮されるため、原水に含まれる懸濁物および溶解成分濃度Ｐが高くなるため、原水室２６の流路３５を流れにくくなる。Ｑは懸濁物および溶解成分濃度Ｐの推移を示している。この懸濁物および溶解成分濃度Ｐが高くなると、流路閉塞や膜細孔の詰まりなどを生じるという課題がある。斯かる課題を解決すべく、鋭意検討の結果、懸濁液８の流路幅Ｗおよび膜面線流速Ｖを原水水質に合わせて、適性範囲に調整すれば、これらの課題を解決できることが見出された。すなわち、懸濁液８の流路幅Ｗおよび膜面線流速Ｖは、原水水質たとえば、懸濁物質の形状や柔らかさや濃度また溶存成分により異なり、具体的にはたとえば、糖分やアミノ酸やタンパク質などの種類や濃度により異なるので、その適正範囲は濃縮試験により確認することが好ましい。この濃縮試験により、本用途での斯かる適正範囲は概ね、次の通りである。

【0044】

そして、この膜蒸留装置４では、懸濁液８の流路幅Ｗがたとえば、１〔ｍｍ〕以上、３０〔ｍｍ〕以下であればよく、より好ましくは３〔ｍｍ〕以上、２０〔ｍｍ〕以下とする。また、懸濁液８の膜面線流速Ｖはたとえば、０．０１〔ｍ／ｓ〕以上、５〔ｍ／ｓ〕以下とし、より好ましくは０．０５〔ｍ／ｓ〕以上、２〔ｍ／ｓ〕とすればよい。

【0045】

斯かる値は、発明者による工夫や濃縮実験によって確認したものであり、懸濁液８の濃縮に膜蒸留技術を用いた場合に既述の課題を解決したものである。したがって、斯かる条件を設定すれば、懸濁液８に含まれる繊維成分や粗大な粒子による疎水性多孔質膜２４の流路閉塞を防止でき、蒸気透過機能が損なわれることがなく、懸濁液８の濃縮効率を高めることができることが確認された。

【0046】

この場合、懸濁液８の膜面線流速Ｖが懸濁液８の濃縮効率に関係する。そこで、原水ライン６からの懸濁液８の供給原水量が少ない場合には、バルブ２０−２を開き、バルブ２０−１を絞って通過量を減ずることにより、濃縮液１２を原水ライン６側に戻し、懸濁液８に濃縮液１２を加えた加算液を原水として膜蒸留装置４に循環させる。これにより、原水室２６に流れる懸濁液８の循環量を調整でき、膜面線流速を高めることができるとともに、所定の値に制御できる。この場合、後述の原水室２６の入口に濃縮液１２を戻して原水室２６に循環させてもよい。

【0047】

また、原水ライン６からの懸濁液８の供給原水量が多い場合にはたとえば、バルブ２０−２を開き、原水ライン６側の懸濁液８に濃縮液回収ライン１６から濃縮液１２を加えて膜蒸留装置４に循環させることも可能である。

【0048】

図４は、懸濁液８の濃縮の処理手順を示している。この処理手順は、本発明の懸濁液の濃縮方法の一例である。

【0049】

この処理手順では、懸濁液８の濃縮に際し、膜蒸留装置４の凝縮室２８を減圧するとともに、冷却部３４を低温状態に維持する（Ｓ１１）。

【0050】

原水ライン６に流れる懸濁液８を熱交換部１０で熱交換により低温加熱する（Ｓ１２）。この低温加熱は、たとえば、数十〔℃〕から１００〔℃〕未満の温度に懸濁液８を加熱する。

【0051】

加熱された懸濁液８から生じた蒸気３０を原水室２６から疎水性多孔質膜２４を通して凝縮室２８に流す（Ｓ１３）。

【0052】

疎水性多孔質膜２４を通過した蒸気３０は凝縮室２８の冷却部３４により冷やされて凝縮し、凝縮水１４となって凝縮水排出ライン１８から排出される（Ｓ１４）。

【0053】

そして、原水室２６に供給される懸濁液８の原水供給量が適正かを判断する（Ｓ１５）。原水供給量が適正であれば（Ｓ１５のＹＥＳ）、原水室２６で濃縮された濃縮液１２を濃縮液回収ライン１６から送出する（Ｓ１６）。これにより、懸濁液８の濃縮液１２が回収される。

【0054】

原水供給量が少なければ（Ｓ１５のＮＯ）、バルブ２０−２を開き、濃縮液１２を濃縮液循環ライン２２に流し、原水ライン６の懸濁液８に戻し、濃縮液１２で増量された原水＝懸濁液８＋濃縮液１２を原水室２６に供給し（Ｓ１７）、Ｓ１３以下の処理を行う。これにより、同様に濃縮液１２が回収される。

【0055】

＜第１の実施の形態の効果＞

【0056】

(1) 以上説明したように、膜蒸留技術を用いることにより、繊維分や粒子を含む懸濁液８を膜蒸留技術により濃縮することができる。

【0057】

(2) 第１の実施の形態では、既述の課題を解決でき、従来の真空エバポレーターによる方法や膜分離法にはない優れた濃縮機能が得られる。

【0058】

(3) 第１の実施の形態から明らかなように、海水淡水化や純水製造や宇宙船内での尿からの水回収などに限定的に用いられていた膜蒸留技術を懸濁液８の濃縮に適用でき、上記課題を克服し、懸濁液８を効率的に濃縮でき、濃縮液１２を回収できる。

【0059】

(4) 第１の実施の形態では、熱交換部１０に通流させる熱媒ＨＭは、廃熱源から得られる廃熱エネルギーを利用して加熱している。この熱媒ＨＭの熱を熱交換して懸濁液８を低温加熱しているので、廃熱エネルギーの膜蒸留技術への適用など、その有効利用を拡大することができ、一層の省エネルギー化や省コスト化を図ることができ、環境保全や産業活性化に貢献することができる。

【0060】

(5) 疎水性多孔質膜２４を含む原水室２６および凝縮室２８の内部が減圧されているので、この減圧下では低温加熱された懸濁液８の沸点が下がることにより、懸濁液８の水分からの蒸発が促進される。このような減圧下による処理であるため、懸濁液８の加熱温度は１００〔℃〕未満の比較的低い温度の加熱でよく、懸濁液８の加熱に工場廃熱などの各種の廃熱を熱源として有効に利用できる。

【0061】

(6) 原水室２６に供給される懸濁液８が少ない場合には、濃縮液１２を原水室２６の入口または原水ライン６に循環させて原水室２６に対する原水供給量を増量させることができ、原水室２６における懸濁液８の膜面線流速を高め、しかも、懸濁液濃縮や疎水性多孔質膜２４に対する蒸気通過に適正な膜面線流速に制御でき、懸濁液８の効率的な膜濃縮を行うことができる。

【0062】

〔第２の実施の形態〕

【0063】

この濃縮システム２は図５に示すように、膜蒸留装置４の前処理側に懸濁物除去手段の一例であるメッシュフィルター３６を備え、メッシュフィルター３６による透過処理を膜蒸留装置４の膜蒸留処理に組み合わせてもよい。図５において、図１と同一部分には同一符号を付してある。

【0064】

この濃縮システム２では、膜蒸留装置４の前段に設置されたメッシュフィルター３６に原水ライン６から懸濁液８が供給される。メッシュフィルター３６のろ過で、懸濁液８から得られるろ液３８が懸濁液ライン４０により膜蒸留装置４に導入される。濃縮液回収ライン１６と懸濁液ライン４０との間には濃縮液循環ライン２２−１、濃縮液回収ライン１６と原水ライン６の間には濃縮液循環ライン２２−２が備えられ、濃縮液循環ライン２２−１には既述のバルブ２０−２、濃縮液循環ライン２２−２にはバルブ２０−３が備えられている。

【0065】

メッシュフィルター３６には膜蒸留装置４と同様に濃縮液回収ライン４２が設けられ、この濃縮液回収ライン４２にはバルブ２０−４が備えられる。この濃縮液回収ライン４２と原水ライン６との間には濃縮液循環ライン２２−３が備えられ、この濃縮液循環ライン２２−３にはバルブ２０−５が設置される。

【0066】

この実施の形態によれば、懸濁液８がメッシュフィルター３６でろ過され、メッシュフィルター３６から得られたろ液３８を膜蒸留装置４に供給することができ、ろ液３８から濃縮した濃縮液１２が膜蒸留装置４で回収される。

【0067】

このようなメッシュフィルター３６を前置した処理では、メッシュフィルター３６のろ過により、原水である懸濁液８から数〔％〕〜数十〔％〕程度の懸濁物を除去できる。この懸濁物の除去により、膜蒸留装置４では懸濁物による流路閉塞や膜細孔の詰まりなどの影響を軽減できる。

【0068】

この場合、メッシュフィルター３６の目開きは、原水の懸濁液８に含まれる懸濁物などの懸濁成分のサイズによって選定すればよい。懸濁液８にたとえば、果汁、スープ、エキスなど、生物由来成分を含む懸濁液を想定したメッシュフィルター３６の目開きではたとえば、１０〔μｍ〕以上、数〔ｍｍ〕以下であればよく、より好ましくは５０〔μｍ〕以上、２０００〔μｍ〕程度であればよいが、いずれにしても懸濁物の除去を想定すれば、そのサイズによって目開きを選定すればよい。

【0069】

この第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に原水ライン６に熱交換部１０を備え、廃熱で加熱された熱媒ＨＭの熱を懸濁液８に熱交換し、低温加熱された懸濁液８を原水室２６に導入すればよい。

【0070】

＜第２の実施の形態の効果＞

【0071】

(1) このようにメッシュフィルター３６を併用すれば、高濃度で懸濁物を含む懸濁液８や、粗大な固形物を高濃度で含有する懸濁液８の濃縮を効率よく行うことができる。

【0072】

(2) メッシュフィルター３６で得られる濃縮液をメッシュフィルター３６の入口側の原水の懸濁液８に戻して懸濁液８として循環させれば、懸濁液８からの濃縮液１２の回収率を高めることができる。

【0073】

〔第３の実施の形態〕

【0074】

この濃縮システム２ではメッシュフィルター３６に代え、図６に示すように、遠心分離機４４を組み合わせてシステムを構成してもよい。図６において、図５と同一部分には同一符号を付してある。

【0075】

この濃縮システム２では、膜蒸留装置４の前段に懸濁物除去手段の一例として遠心分離機４４が設置され、この遠心分離機４４に原水ライン６から懸濁液８が供給される。遠心分離機４４で懸濁液８から分離された透過液４６は懸濁液ライン４０により膜蒸留装置４に導入される。その他の構成は、図５と同一であるのでその説明を割愛する。

【0076】

この実施の形態によれば、懸濁液８に遠心分離機４４で前処理が施され、遠心分離機４４で得られた透過液４６を膜蒸留装置４に供給することができ、透過液４６から濃縮した濃縮液１２が膜蒸留装置４で回収される。

【0077】

このような遠心分離機４４で前処理すれば、遠心分離機４４を透過させることにより、原水である懸濁液８から数〔％〕〜数十〔％〕程度の懸濁物を除去できる。この懸濁物の除去により、遠心分離機４４によっても、膜蒸留装置４では懸濁物による影響を軽減できる。

【0078】

この場合、遠心分離機４４の目開きは、原水の懸濁液８に含まれる懸濁物などの懸濁成分のサイズによって選定すればよい。懸濁液８にたとえば、果汁、スープ、エキスなど、生物由来成分を含む懸濁液を想定した遠心分離機４４においても、その目開きではたとえば、１０〔μｍ〕以上、数〔ｍｍ〕以下であればよく、より好ましくは５０〔μｍ〕以上、２０００〔μｍ〕程度であればよいが、いずれにしても懸濁物の除去を想定すれば、そのサイズによって目開きを選定すればよい。

【0079】

また、遠心分離機４４の遠心力は、原水である懸濁液８の性状に合わせて調整すればよく、懸濁液８にたとえば、果汁、スープ、エキスなど、生物由来成分を含む懸濁液を想定すれば、最大値として４０００〔Ｇ〕ないし５０００〔Ｇ〕以下とし、より好ましくは数百〔Ｇ〕から３０００〔Ｇ〕であればよいが、いずれにしても懸濁物の除去を想定し、遠心力を選定すればよい。

【0080】

この第３の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に原水ライン６に熱交換部１０を備え、廃熱で加熱された熱媒ＨＭの熱を懸濁液８に熱交換し、低温加熱された懸濁液８を原水室２６に導入すればよい。

【0081】

＜第３の実施の形態の効果＞

【0082】

(1) このように遠心分離機４４を併用すれば、高濃度で懸濁物を含む懸濁液８や、粗大な固形物を高濃度で含有する懸濁液８の濃縮を効率よく行うことができる。

【0083】

(2) 遠心分離機４４で得られる濃縮液を遠心分離機４４の入口側の原水の懸濁液８に戻して懸濁液８として循環させれば、第２の実施の形態と同様に、懸濁液８からの濃縮液１２の回収率を高めることができる。

【0084】

〔第４の実施の形態〕

【0085】

この濃縮システム２は図７に示すように、メッシュフィルター３６および遠心分離機４４を組み合わせてシステムを構成してもよい。図７において、図５または図６と同一部分には同一符号を付してある。

【0086】

この濃縮システム２では、膜蒸留装置４の前段に遠心分離機４４が設置され、この遠心分離機４４の前段にメッシュフィルター３６が設置されている。第１の原水ライン６−１から原水である懸濁液８が供給され、第２の原水ライン６−２には同様に懸濁液８が供給される。

【0087】

メッシュフィルター３６のろ過で、懸濁液８から分離されたろ液は、既述の濃縮液１２としてバルブ２０−６を開くことにより、濃縮液ライン４８−１から回収される。また、この濃縮液１２はバルブ２０−７を開くことにより濃縮液ライン４８−２から懸濁液ライン４０に導かれ、遠心分離機４４の透過液とともに膜蒸留装置４の原水室２６に導入される。この場合、メッシュフィルター３６で得られる濃縮液１２の回収または膜蒸留装置４への供給はバルブ２０−６、２０−７の開度によって調整することができる。また、バルブ２０−７を開き、バルブ２０−６を閉じれば、メッシュフィルター３６のろ過で得られたろ液３８を懸濁液ライン４０のみに加えることができる。

【0088】

メッシュフィルター３６では懸濁液８のろ過によって濃縮残渣５０が得られ、この濃縮残渣５０が濃縮残渣回収ライン５２から回収される。この場合、懸濁液８に多くの懸濁物が含まれる場合には、メッシュフィルター３６のろ過でその懸濁物を濃縮残渣５０として懸濁液８から除き、この懸濁液８を膜蒸留装置４に導入でき、膜蒸留装置４に対する懸濁物の影響を回避でき、効率的な濃縮が行える。

【0089】

遠心分離機４４では、懸濁液８から濃縮液１２が分離され、バルブ２０−４を開くことにより濃縮液回収ライン４２から回収される。また、この濃縮液１２は濃縮液循環ライン５４からバルブ２０−５を開くことによりメッシュフィルター３６に供給され、メッシュフィルター３６内の懸濁液８に混合させることができる。

【0090】

このように、膜蒸留装置４とメッシュフィルター３６および遠心分離機４４を組み合わせることにより、懸濁液８から濃縮液１２を回収するとともに、凝縮水１４および濃縮残渣５０を取り出すことができる。

【0091】

この実施の形態においても、懸濁液８にたとえば、果汁、スープ、エキスなど、生物由来成分を含む懸濁液を想定したメッシュフィルター３６または遠心分離機４４においても、その目開きではたとえば、１０〔μｍ〕以上、数〔ｍｍ〕以下であればよく、より好ましくは５０〔μｍ〕以上、２０００〔μｍ〕程度であればよいが、いずれにしても懸濁物の除去を想定すれば、そのサイズによって目開きを選定すればよい。また、遠心分離機４４の遠心力については、第３の実施の形態と同様に設定すればよい。

【0092】

また、懸濁液８中の懸濁物質の濃度や性状によって、メッシュフィルター３６または遠心分離機４４に代え精密ろ過膜や限外ろ過膜を用いてもよく、これらをメッシュフィルター３６または遠心分離機４４のいずれか一方または双方と組み合わせて用いてもよい。

【0093】

この第４の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に原水ライン６に熱交換部１０を備え、廃熱で加熱された熱媒ＨＭの熱を懸濁液８に熱交換し、低温加熱された懸濁液８を原水室２６に導入すればよい。

【0094】

＜第４の実施の形態の効果＞

【0095】

(1) このようにメッシュフィルター３６および遠心分離機４４を併用すれば、高濃度で懸濁物を含む懸濁液８や、粗大な固形物を高濃度で含有する懸濁液８から固形物などを取り除き、懸濁液８の濃縮をより効率よく行うことができる。

【0096】

(2) メッシュフィルター３６および遠心分離機４４で得られる濃縮液をメッシュフィルター３６の入口側の原水の懸濁液８に戻して懸濁液８として循環させれば、第２または第３の実施の形態の効果を超える、懸濁液８からの濃縮液１２の回収率をより高めることができる。

【実施例】

【0097】

＜実施例１＞

【0098】

この実施例では、温州ミカンを搾汁後に篩別し、この液体からパルプ懸濁物を４０〔％〕程度除去したものを原水とし、これを既述の懸濁液８とした。この懸濁液８を屈折率計で測定したところ、原水糖度は９〔％〕であった。

【0099】

この懸濁液８を既述の膜蒸留装置４で、原水流路幅５〔ｍｍ〕、膜面線流速０．５〔ｍ／ｓ〕に設定して膜蒸留濃縮を実施した。

【0100】

この実施例によれば、原水流路の閉塞は確認されなかった。濃縮液を屈折率計で測定したところ、糖度５２〔％〕まで濃縮できた。

【0101】

＜実施例２＞

【0102】

この実施例２では実施例１と同様の懸濁液８を用いた。すなわち、温州ミカンを搾汁後、篩別し、パルプ懸濁物を４０〔％〕程度除去したものを原水とし、これを懸濁液８とした。この懸濁液８の原水糖度は９〔％〕である。

【0103】

そして、この実施例２では、原水流路幅０．５〔ｍｍ〕、膜面線流速５〔ｍ／ｓ〕で設定し、膜蒸留濃縮を実施した。

【0104】

この実施例２では、原水流路に閉塞が生じたものの、濃縮液を屈折率計で測定したところ、糖度１０．５〔％〕まで濃縮できたものの、既述の実施例１の糖度に達しなかった。つまり、原水流路幅０．５〔ｍｍ〕、膜面線流速５〔ｍ／ｓ〕が濃縮効率に影響を与えており、懸濁液８の流路幅や膜面線流速を調整し、懸濁液８の導入量を制御することにより、濃縮濃度が得られることが確認された。

【0105】

〔他の実施の形態〕

【0106】

(1) 上記実施の形態では疎水性多孔質膜２４に隣接して凝縮室２８を設置したが、この凝縮室２８を疎水性多孔質膜２４から離間した位置に配置し、疎水性多孔質膜２４を通過させた蒸気３０を凝縮室２８に導いて凝縮する構成としてもよい。

【0107】

(2) 上記実施の形態では原水ライン６に熱交換部１０を備え、廃熱を熱媒ＨＭで熱交換部１０に導き、懸濁液８に熱交換しているが、熱交換部１０は既述のように膜蒸留装置４側に設置してもよいし、廃熱源側に設置してもよい。つまり、廃熱源側に備えた熱交換部に原水ライン６により導いた懸濁液を廃熱により熱交換し、懸濁液８を低温加熱する構成であってもよい。

【0108】

(3) 懸濁液８から膜濃縮によって得られた凝縮水１４は、工業用水や飲料などの用途に用いてもよい。

【0109】

以上説明したように、懸濁液の濃縮システムおよび濃縮方法の最も好ましい実施の形態等について説明した。本発明は、上記記載に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載され、または発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0110】

本発明の懸濁液の濃縮システムおよび濃縮方法によれば、果汁、スープ、エキスなど、生物由来成分を含む懸濁液を膜濃縮により効率よく濃縮することができ、膜濃縮および廃熱利用技術として広く利用することができる。

【符号の説明】

【0111】

２ 濃縮システム
４ 膜蒸留装置
６ 原水ライン
６−１ 第１の原水ライン
６−２ 第２の原水ライン
８ 懸濁液
１０ 熱交換部
１２ 濃縮液
１４ 凝縮水
１６ 濃縮液回収ライン
１８ 凝縮水排出ライン
２０−１ 第１のバルブ
２０−２ 第２のバルブ
２０−３、２０−４、２０−５、２０−６、２０−７ バルブ
２２、２２−１、２２−２、２２−３ 濃縮液循環ライン
２４ 疎水性多孔質膜
２６ 原水室
２８ 凝縮室
３０ 蒸気
３２ 減圧装置
３４ 冷却部
３５ 流路
３６ メッシュフィルター
３８ ろ液
４０ 懸濁液ライン
４２ 濃縮液回収ライン
４４ 遠心分離機
４６ 透過液
４８−１、４８−２ 懸濁液ライン
５０ 濃縮残渣
５２ 濃縮残渣回収ライン
５４ 濃縮液循環ライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】