СПОСОБ И УСТРОЙСТВО НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЭКСТРУЗИИ ДЛЯ ЭНЕРГООПТИМИЗИРОВАННОГО И АДАПТИРОВАННОГО ПО ВЯЗКОСТИ МИКРОСТРУКТУРИРОВАНИЯ ЗАМОРОЖЕННЫХ АЭРИРОВАННЫХ МАСС Российский патент 2009 года по МПК A23G9/16 

Изобретение относится к способу производства глубоко замороженных десертов, в частности мороженого, при оптимальном потреблении механической энергии для образования гомогенной, высокодисперсной микроструктуры и одновременно для оптимальной передачи рассеиваемой тепловой энергии для фазового превращения (замораживания) вплоть до высокого содержания фракции замороженной воды, а также к устройству для осуществления такого способа.

Одно- и двухшнековые экструдеры являются хорошо известными аппаратами непрерывного действия, которые используются, главным образом, в области получения полимеров и керамики, однако они также применяются в пищевой промышленности, например, в производстве мучных изделий (макарон) и различных закусок. Начиная с 1992 г. (DE 4202231 C1), было предложено использовать экструдеры для непрерывного охлаждения замороженных десертов, таких как мороженое.

Как указано в ряде публикаций (см. список литературы, ссылки 2-19), низкотемпературный экструдер обеспечивает глубокое замораживание мороженого и других пищевых масс, например йогурта и мякоти плодов, до образования значительного количества фракции замороженной воды (80-90% в расчете на способную замораживаться водную фракцию) при одновременном механическом воздействии на поток усилием сдвига.

Обеспечивается эффективный перенос рассеянного тепла, выделяющегося за счет внутреннего трения в высоковязких частично замороженных системах (динамическая вязкость до 10⁴ Паскалей), а также теплоты кристаллизации (замораживание), при этом равновесие между образовавшимся и перенесенным теплом регулируется в зависимости от коэффициента теплопередачи К (характеризующего перенос тепла через слой продукта, прилипший к внутренней стороне корпуса экструдера, к и через стальную стенку в испаряющийся хладагент, контактирующий с внешней стенкой цилиндра экструдера).

До настоящего времени максимальные коэффициенты теплопередачи обеспечивались надлежащим выбором геометрии шнека экструдера с узким зазором пропускания между кончиком лопасти шнека экструдера и внутренней стенкой цилиндра экструдера для эффективной замены (обновления) слоя замороженного материала на стенке цилиндра экструдера, а также использованием испаряющегося хладагента (например, аммиака) для охлаждения корпуса экструдера. Скорости сдвига в канале шнека находятся в узком интервале (имеют "узкое распределение") вследствие использования шнеков с геометрией, характеризующейся малой постоянной высотой шнекового канала и небольшим аксиальным сдвигом шнековой конструкции в двухшнековых экструдерах (ЕР 0561118 В1). Это означает, что в них не имеются расширенные зоны либо с очень высокой, либо с очень низкой скоростью сдвига. При максимальных скоростях сдвига 20-30 с^-1 типичные массы мороженого достигают температуры на выходе из экструдера в интервале от минус 12°С до минус 18°С.

Минимальная температура массы, выпускаемой из экструдера, зависит от свойств массы подавления замерзания и относительной вязкости массы при соответствующей температуре, а также от рассеяния механической энергии за счет внутреннего трения.

При экструзии массы мороженого (например, согласно патентам ЕР 0561118, US 5345781) создается лишь небольшой градиент давления по длине экструдера. Общая разница давлений между входом и выходом из экструдера обычно составляет ≤1-5 бар. Это в значительной степени позволяет избежать расслоения газожидкостной (пенной) смеси, имеющей довольно низкую вязкость на входе в экструдер. Специальная конфигурация шнека экструдера, а также его конструкция (двойной шнек) в низкотемпературном экструдере по EP 0561118 или US 5345781; DE 4202231 С1 соответственно обеспечивает мягкое, эффективное перемешивание массы. Этот эффект достигается в частности посредством соответствующего распределения потока в зоне перекрытия или зацепления между шнеками в двухшнековом экструдере.

Помимо описанных выше устройства и способа основной интерес представляют особые предпочтительные свойства продукта, которые могут быть получены у мороженого, обработанного низкотемпературной экструзией. Обычно к таким предпочтительным свойствам, создаваемым низкотемпературной экструзией, относят более тонкое диспергирование микроструктурных компонентов мороженого - кристаллов льда, воздушных пузырьков/воздушных ячеек и агломератов жировых глобул. Степень такого диспергирования также зависит от рецептуры мороженого. Нижеследующее описание касается типичных стандартных рецептур ванильного сливочного мороженого, однако с некоторыми вариациями в содержании жира или молочного жира (0-16%) и сухого вещества (35-43%). Предпочтительные особые свойства, получаемые у мороженого низкотемпературной экструзии, относятся к основным структурным диспергированным элементам мороженого, к которым относятся кристаллы льда (1), воздушные пузырьки/воздушные ячейки (2) и агломераты жировых глобул (3), которые более тонко диспергируются под действием высоких механических напряжений, действующих в областях ламинарного сдвига и удлинения потока, создаваемых в экструзионном потоке в низкотемпературных условиях.

Что касается кристаллов льда, то вторичное кристаллообразование вследствие истирания и дробления кристаллов, а также первичное кристаллообразование на внутренней стенке цилиндра приводят к уменьшению размера в 2-3 раза по сравнению со стандартной обработкой мороженого во фризере и закалочном туннеле. Средний размер воздушных пузырьков/воздушных ячеек уменьшается в 3-5 раз по сравнению с традиционным способом, что связано с увеличением воздействующих на мороженое усилий сдвига, разбивающих воздушные пузырьки/ячейки.

Интенсивность механической обработки в экструзионном потоке сильно зависит от вязкости массы, определяемой количеством фракции замороженной воды при конкретной температуре. По поперечному сечению шнекового канала экструдера, образующего узкий кольцевой зазор, сдвиговые усилия являются довольно однородными и распределенными в узком интервале (т.н. зоны потока с пиковыми напряжениями). По длине экструдера потребление механической энергии повышается по мере увеличения времени пребывания мороженого в канале экструдера, а также по мере увеличения вязкости массы в результате увеличения фракции замороженной воды.

Локальное разрушение структуры мороженого из-за слишком большого рассеяния энергии и связанного с ним образования теплоты трения исключается при скоростях сдвига, обычно используемых в способах/устройствах (см. ЕР 0561118).

В жиросодержащем (сливочном) мороженом содержатся жировые глобулы типичного основного размера, диаметр которых составляет около 1 микрона и менее, в результате обработки ледяной смеси в жидкой фазе гомогенизаторами высокого давления. Такие жировые глобулы также испытывают повышенные механические воздействия при низкотемпературной экструзии. Подобная обработка жировых глобул приводит к стиранию с поверхности жировых глобул мембран из белков/эмульгаторов, и отчасти также к сильной деформации жировых глобул усилиями сдвига, действующими в экструдере. В результате обработанные таким образом жировые глобулы должны иметь более сильные гидрофобные свойства. Соответственно при этом повышается их аффинность (сродство) к границе раздела с газом (воздушными пузырьками). Повышенное взаимодействие между обработанными жировыми глобулами приводит к их объединению (агрегированию). Однако такие жировые глобулы в высоковязкой низкотемпературной массе мороженого малоподвижны, поэтому маловероятно, чтобы образующиеся агрегаты жировых глобул могли достичь органолептически ощутимого (во рту) размера. Это позволяет избежать образования структуры, напоминающей по ощущению во рту твердое масло.

С органолептической точки зрения более мелкие кристаллы льда и газовоздушные пузырьки, а также механически обработанные, но не слишком агломерированные жировые глобулы обеспечивают резкое усиление ощущаемой сливочности (кремовости) продукта. В то же время низкотемпературная экструзия мороженого оказывает положительное влияние на другие органолептические свойства продукта, такие как характеристики плавления, охлаждающее ощущение во рту и зачерпываемость продукта.

Благодаря более тонкому диспергированию компонентов мороженого, которое улучшает сливочное ощущение, низкотемпературная экструзия обеспечивает сливочность продукта, сравнимую с таковой у традиционного мороженого, но при значительно меньшем содержании жира.

Для обеспечения гомогенной микроструктуры мороженого (1) и очень низкой температуры массы на выходе из экструдера, ниже минус 12°С (2) (стандартное ванильное сливочное мороженое), решающее значение имеет конструкция шнека (шнеков) экструдера с учетом соответствующих условий потока при определенной (адаптированной) скорости вращения.

В ЕР 561118 описан двухшнековый экструдер для непрерывного замораживающего структурирования мороженого с использованием шнека с, по существу, плоскими шнековыми каналами (отношение между высотой канала Н и его шириной около 0,1, соотношение между высотой канала и диаметром внешнего шнека около 0,1) и углом шнека приблизительно 22-30°.

ЕР 713650 касается способа, который также включает двухшнековый экструдер для экструзии замороженных продуктов. Из характеристик шнека описано только соотношение между длиной экструдера и диаметром шнека.

В ЕР 0808577 описан похожий способ, в котором используется одношнековый экструдер с конструктивными характеристиками шнека, аналогичными описанным в ЕР 713650.

В WO 97/26800 описано устройство и способ производства замороженных съедобных пен, таких как мороженое, с использованием одношнекового экструдера. Характеристики геометрии шнека экструдера указаны в виде следующих соотношений: длины шнека к внутреннему диаметру корпуса экструдера 5-10, восходящей высоты шнека к внешнему диаметру шнека 1-2 и внешнего диаметра шнека к его внутреннему диаметру 1,1-1,4. Шнек экструдера имеет лишь одну лопасть.

Также известны низкотемпературные экструдеры (одно- и двухшнековые), предназначенные для обработки мороженого шнеками с 2-6 лопастями, предпочтительно 2-5 лопастями, с углом шнека 28-45°, предпочтительно 32-45°. Предпочтительное соотношение между общей высотой и общей шириной составляет менее 0,2, но более 0,1. Предпочтительное соотношение между длиной канала шнека и внутренним диаметром шнека составляет 2-10, предпочтительно 2-4. Это приводит к тому, что экструдер является довольно коротким.

Основная трудность непрерывного криоструктурирования мороженого с помощью низкотемпературных экструзионных систем состоит в том, что механическая обработка сопровождается одновременным отверждением по мере замораживания. Последнее обстоятельство приводит к увеличению рассеяния тепла вязкого трения, пропорционального вязкости, и, следовательно, к необходимости переноса этого тепла, в дополнение к кристаллизационной энтальпии, вызываемой процессом замораживания. Этот двойной теплоперенос ограничен довольно низкой теплопроводностью массы вспененного мороженого и связанным с ней достижимым коэффициентом теплопередачи К в ламинарном низкотемпературном экструзионном потоке мороженого. Тепло должно переноситься от потока массы мороженого через неперемешиваемый слой мороженого, прилипший на внутреннюю стенку цилиндра, через стенку цилиндра и в хладагент, контактирующий с внешней стенкой цилиндра. Оптимизация режима потока в экструдере, направленная на максимальное улучшение свойств продукта, состоит в максимальной сдвиговой обработке материала для обеспечения максимально диспергированной микроструктуры при минимальной температуре на выходе из экструдера.

В рамках характеристик геометрии шнека экструдера, традиционно используемой для низкотемпературной экструзионной обработки, интенсивная механическая обработка, обеспечивающая микроструктурирование, достигается лишь в конечной зоне низкотемпературного экструдера вблизи выхода из экструдера. Длина такой эффективно структурирующей конечной зоны обычно составляет менее 50% от общей длины экструдера.

В связи с тем, что мороженое, предварительно замороженное в традиционном фризере, обычно подается на вход низкотемпературного экструдера с температурой -5°С и с содержанием 35-45% замороженной воды от способной замораживаться водной фракции, эта масса испытывает лишь низкие усилия сдвига во входной зоне, составляющей около 50% от длины экструдера. Обработка в рассматриваемой области экструдера не обеспечивает интенсивного диспергирования компонентов микроструктуры (кристаллов льда, воздушных пузырьков/ячеек воздуха, агломератов жировых глобул).

Как сообщается в недавних исследованиях, на протяжении первых 30-50% длины экструдера обнаруживается даже увеличение размера воздушных пузырьков/воздушных ячеек. Причина такого явления заключается в смещении динамического равновесия между диспергируемыми и коалесцирующими пузырьками воздуха в сторону их коалесценции за счет меньшего механического воздействия по сравнению с предшествующей обработкой мороженого в традиционном фризере.

Фиг.1 наглядно показывает такой эффект увеличения размера воздушных пузырьков по длине экструдера на первом 150-мм участке пилотного шнекового канала (15% длины экструдера). В рассматриваемой области средний диаметр пузырька увеличивается приблизительно на 25% (см. фиг.2). Лишь через 400-450 мм (~40-45% от общей длины, равной 1000 мм, с диаметром внешнего шнека экструдера 65 мм и высотой шнекового канала 7 мм) начинается эффективное диспергирование.

Эксперименты с различными геометриями шнека подтвердили, что адаптированное по вязкости увеличение сдвиговой обработки на первых 25-70% длины канала экструдера позволяет существенно улучшить ситуацию вплоть до незначительного отверждения структуры во входной зоне, позволяя, таким образом, значительно лучше использовать объем экструдера.

Задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить непрерывное замораживание пищевых масс до максимально возможного содержания фракции замороженной воды, более 60-65% способной замораживаться водной фракции, при одновременном вызванном механическим воздействием микроструктурировании дисперсных компонентов, таких как кристаллы льда, воздушные пузырьки/воздушные ячейки и жировые глобулы/агрегаты жировых глобул, до характеристических средних диаметров менее 10 микрон при узком распределении частиц по диаметру (х_90,3/х_10,3≤10).

Другая задача изобретения состоит в создании устройства для осуществления рассматриваемого способа.

Указанные задачи решаются посредством совокупностей признаков, представленных в пп.1 и 14 формулы изобретения.

Другие изобретательские модификации изобретения описаны в пп.2-13 и 15-29 формулы изобретения.

Согласно способу по изобретению масса мороженого может непрерывно подвергаться глубокому замораживанию и оптимальному микроструктурированию при невозможном до настоящего времени минимальном потреблении энергии/мощности. Этот результат достигается созданием оптимальных условий теплопереноса от массы мороженого в испаряющийся хладагент, при этом количество высокозамороженной фракции достигает 80-90% от способной замораживаться водной фракции, а на выходе из низкотемпературного процесса экструзии согласно изобретению достигаются очень низкие температуры, от минус 12 до минус 18°С.

Микроструктура обработанных таким образом замороженных масс приводит к выгодным реологическим характеристикам продукта, обеспечивающим хорошие формуемость, сохранение формы, порционируемость и зачерпывамость при температурах, значительно более низких, чем прежде.

Кроме того, все замороженные массы, подвергнутые низкотемпературной экструзии, могут расфасовываться и храниться без интенсивного дополнительного отверждения (закаливания), вследствие чего отпадает необходимость в использовании энергозатратных морозильных тоннелей.

Другое преимущество состоит в возможном уменьшении содержания дорогостоящих ингредиентов (например, молочного жира, эмульгаторов), традиционно используемых для оптимизации потребительских свойств продукта, таких как сливочность, и необходимых для мороженого, получаемого традиционным способом.

Мороженое, оптимизированное согласно настоящему изобретению, имеет улучшенную сливочность (кремовость) при значительно пониженном (на 3-6%) содержании жира и при отсутствии эмульгаторов. В отношении калорийности пониженное содержание жира представляет особый интерес.

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут понятны из нижеследующих примеров выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

Фиг.1 - график, показывающий размерное распределение диаметров пузырьков, измеренных по длине экструдера;

Фиг.2 - график, показывающий зависимость максимального диаметра пузырька от температуры по длине экструдера;

Фиг.3 - график, показывающий температурный профиль по длине экструдера, измеренный в массе мороженого;

Фиг.4 - схема геометрии зазора пропускания между краем лопасти шнека и внутренней стенкой цилиндра;

Фиг.5 - схема, показывающая конструкцию двух шнеков с увеличенной высотой шнекового канала по длине экструдера (пример для шнеков с двумя лопастями);

Фиг.6 - схема, показывающая конструкцию двух шнеков с постоянной высотой шнекового канала (пример для шнеков с одной лопастью);

Фиг.7 - схема, показывающая конструкцию двух шнеков с постоянной высотой шнекового канала (пример для шнеков с двумя лопастями);

Фиг.8 - схема, показывающая конструкцию двух шнеков с увеличенной высотой шнекового канала по длине экструдера и уменьшением угла шнека по длине экструдера (пример для шнеков с двумя лопастями);

Фиг.9 - схема примерной конструкции шнека с пазами в лопасти шнека (пример для двух лопастей);

Фиг.10 - схема, показывающая конструкцию шнека с пазами в лопасти и входящими в них штифтами, закрепленными на внутренней стенке цилиндра (пример для двух шнековых лопастей);

Фиг.11 - схема, показывающая конструкцию двух шнеков с пазами в лопастях и входящими в них штифтами, закрепленными на внутренней стенке цилиндра;

Фиг.12 - график сравнения результатов по образованию пузырька максимального размера по длине экструдера для шнеков двух разных конфигураций (конфигурация 1 - традиционная; конфигурация 2 - по изобретению с адаптированной высотой шнекового канала).

Согласно изобретению локальное потребление механической мощности или энергии адаптируется к локальной теплопередаче (скорость теплового потока из мороженого в хладагент) таким образом, что происходит непрерывное снижение температуры в массе мороженого по длине экструдера, как показано на Фиг.3, при этом после прохода расстояния, составляющего от половины до двух третей длины экструдера, температура мороженого снижается до минус 11°С (при минус 11°С стандартное ванильное мороженое, содержащее 10% молочного жира, общее содержание сухих веществ 36-38%, 100%-ное увеличение объема (взбитость) и подслащенное сахаром, содержит 55-65% замороженной воды), таким образом, достигая степени замораживания, составляющей более 55-60% способной замораживаться воды.

Тонкое диспергирование воздушных пузырьков/воздушных ячеек (основная фракция менее 10 мкм, максимальный размер пузырька менее 20 мкм), жировых глобул/агрегатов жировых глобул (основная фракция менее 2 мкм, максимальный размер жировых агломератов менее 10 мкм) и, в частности, уменьшение связности кристаллов льда (основная фракция менее 25 мкм, максимальный диаметр кристаллов льда менее 50 мкм) происходит на участке от второй половины до конечной трети длины экструдера при температуре мороженого ниже минус 11°C или при содержании замороженной воды от 60% и выше (от количества способной замораживаться воды) при усилиях сдвига, создаваемых в потоке.

Для достижения конечного тонкодиспергированного, микроструктурированного состояния массы в экструдере динамика диспергирования на участке от входной зоны до второй трети длины экструдера не имеет решающего значения. В этой части экструдера требуется обеспечить максимально эффективное предварительное диспергирование, в частности, воздушных пузырьков/воздушных ячеек. Следует уменьшать или исключать образование агрегатов кристаллов льда. Для этой цели требуется приложение достаточно высокой механической энергии/мощности и соответствующих диспергирующих усилий.

По мере замерзания и соответствующего повышения вязкости мороженого потребление энергии/мощности по изобретению адаптируется регулированием геометрии шнека с целью локальной оптимизации теплопередачи. Влияющие параметры, это - скорость вращения шнека (1), толщина (прилипшего) слоя мороженого (2), плотность мороженого (3) и вязкость мороженого (4). Для оптимальной теплопередачи необходимо максимально увеличивать параметры 1 и 3 и уменьшать параметры 2 и 4. На параметр 3 влияет, главным образом, локальное давление в канале шнека экструдера. Параметр 4 увеличивается по длине канала экструдера, что является следствием увеличения содержания фракции замороженной воды. Параметры 1 и 2 также локально оптимизируются согласно изобретению посредством адаптации геометрии шнека при данной скорости вращения в соответствии с изобретательской концепцией оптимизации энергозатрат и адаптированного по вязкости микроструктурирования (концепция АВМ).

Рассматриваемая концепция предполагает оптимизацию локального распределения скоростей и давления в материальных потоках через экструдер с целью минимизации потребления мощности и одновременной максимизации эффективности распределения дисперсных структурных компонентов мороженого и, кроме этого, максимизации эффективности смешивания для оптимизации теплопередачи за счет конвекции.

Как показали эксперименты, эта концепция может быть неожиданно легко реализована в низкотемпературных экструдерах посредством минимизации зазора пропускания между внешним краем лопасти шнека и корпусом цилиндра (1), использования оптимального контура/профиля фронтального (переднего) края лопасти шнека (2), локально адаптированной высоты Н канала шнека (3), и, дополнительно к этому, локально адаптированным количеством лопастей шнека (4) и/или локальной адаптации угла шнека (5), и/или локальной адаптации пазов в лопасти шнека (6), или локальной адаптации штифтов, входящих в пазы в лопастях шнека, причем такие штифты закреплены на внешнем корпусе цилиндра.

На основе экспериментальных исследований с использованием специальной измерительной и выборочной техники, позволяющей измерять локальные температуры и микроструктуру мороженого в каждом сегменте по длине низкотемпературного экструдера (см. список литературы: 17-20), были разработаны изобретательские геометрии шнека экструдера. Эти конструкции затем сравнивали с традиционными конструкциями, используемыми для низкотемпературной экструзии.

(1) Минимальный зазор пропускания между краем лопасти шнека и внутренней стенкой цилиндра

Согласно изобретению зазор пропускания между краем лопасти шнека и внутренней стенкой цилиндра составляет <0,1 мм, предпочтительно <0,05 мм.

(2) Оптимизация контура/профиля фронтального края лопасти шнека

Поток массы мороженого по фронтальному (переднему) краю лопасти шнека существенно зависит от контура/профиля рассматриваемого края.

На Фиг.4 показан пример выполнения изобретения. Плоский наклон или закругление позволяет создать сжимаемый поток на переднем крае лопасти так, что толщина замороженного слоя мороженого на внутренней стенке цилиндра уменьшается по сравнению с воздействием на поток острого фронтального края лопасти шнека. Уменьшение количества мороженого, прилипшего к стенке цилиндра, обозначено индексом Δs и показано на Фиг.4.

Даже небольшое уменьшение толщины прилипшего к стенке слоя обеспечивает неожиданно резкое улучшение теплопереноса от массы мороженого к внутренней стенке цилиндра. Согласно изобретению при толщине лопасти шнека более 5 мм величина зазора пропускания должна составлять менее 0,1 мм (предпочтительно менее 0,05 мм), а наклон края лопасти должен составлять 30-45°С при толщине лопасти шнека ≥2 мм. При наличии радиального контура на фронтальном крае лопасти шнека соответствующий радиус должен составлять ≥2 мм.

(3) Локально адаптированная высота Н канала шнека

Уменьшенная высота канала шнека Н (см. Фиг.5) повышает скорость сдвига в соотношении 1/Н при постоянной скорости вращения шнека. В результате происходит соответствующее увеличение диспергирующих усилий сдвига. Вследствие этого уменьшается рассеяние механической энергии на образование тепла от вязкого трения. Уменьшение толщины слоя массы мороженого в канале шнека наряду с уменьшением высоты шнекового канала улучшает условия теплопередачи. Кроме того, в отношении режима потока мороженого в канале шнека следует учитывать уменьшение вязкости мороженого при увеличении скорости сдвига (неньютоновский поток, разреженный усилием сдвига).

При подаче традиционно предварительно охлажденного мороженого в традиционный фризер (стандартное ванильное мороженое; приблизительно 35-49% фракции замороженной воды при минус 5°С, вязкость при скорости сдвига 1 с^-1, приблизительно 10 Паскаль), в соответствии с изобретением во входной зоне экструдера (I) устанавливается соотношение между высотой шнекового канала и диаметром внешнего шнека в интервале 0,03-0,07 в средней части экструдера (II) в интервале 0,1-0,15 и в конечной трети длины экструдера (III) в интервале 0,1-0,25.

В случае двухшнекового экструдера, использованного при изучении промышленной его применимости при внешнем диаметре шнека 0,65 мм, это приводит к абсолютной высоте шнекового канала 2-5 мм во входной зоне (I), 6,5-9 мм в средней зоне (II) и до 6,5-16,25 мм в выходной зоне (III).

При переходе одной зоны в другую может происходить постепенное изменение высоты шнекового канала, однако предпочтительно, чтобы такое изменение было непрерывным. В последнем случае предпочтительный интервал изменения угла между стенкой внутреннего цилиндра и контуром основания шнека (α), показанного на Фиг.6, составляет 0,4°≤α<0,7 (Фиг.5).

(4) Локально адаптированное количество лопастей шнека

Увеличение количества лопастей шнека приводит к обратно пропорциональному уменьшению ширины шнекового канала и соответствующему увеличению количества шнековых каналов (см. Фиг.6 и 7). Частота очистки стенки цилиндра лопастями повышается пропорционально количеству лопастей шнека. В результате улучшается теплоперенос (i), но также увеличивается и потребление механической мощности/энергии и, следовательно, рассеяние энергии (ii). Последнее обстоятельство ограничивает используемое количество лопастей для низких температур и высоких вязкостей. Согласно изобретению экструдер делят, по меньшей мере, на три сегмента по его длине. В первой трети длины экструдера устанавливают 3-6 шнековых лопастей, во второй трети - 2-3 шнековые лопасти и в конечной трети длины экструдера устанавливают 1-3 лопасти.

(5) Локально адаптированный угол шнека

Увеличение угла шнека θ до 45° приводит к повышению производительности шнека экструдера, касающейся массового расхода аксиально самоперемещающейся массы и улучшению перемешивания. При больших углах шнека происходит дальнейшее улучшение перемешивания, оказывающее положительное влияние на конвекционный теплоперенос. Однако при этом значительно повышается образование рассеянного тепла из-за вызванного механическим воздействием внутреннего трения. По этой причине повышение вязкости массы по мере замораживания воды также ограничивает угол шнека.

Согласно изобретению во входной зоне экструдера углы шнека составляют 45-90°С (предпочтительно 45-60°). Экстремальный случай наклона в 90° относится к аксиально ориентированным «направляющим» лопастям, которые не образуют шнека (см. Фиг.8). В средней зоне по длине экструдера могут использоваться наклоны шнека 30-35°, а в конечной трети длины экструдера предпочтительные значения угла наклона составляют 25-30°.

(6) Локально адаптированные пазы в лопастях шнека

Локальные пазы в лопастях шнека, показанные на Фиг.9, способствуют переносу массы мороженого по таким пазам, что улучшает смешивание и диспергирование, а также конвекционный теплоперенос. В то же время усиливается внутреннее трение и связанное с ним рассеивание тепла. Следовательно, такая обработка имеет смысл лишь при не слишком высокой вязкости массы. Согласно изобретению пазы в лопастях шнека используют во входной зоне экструдера (на участке в 20-30% длины экструдера). Ширина пазов должна быть близка или равна высоте цилиндра шнека. Этот же принцип справедлив для лопастей шнека без пазов.

(7) Штифты, локально входящие в пазы в лопастях шнека и соединенные с внутренней стенкой цилиндра

Обеспечение штифтов, присоединенных к стенке внутреннего цилиндра и взаимодействующих с пазами в лопастях шнека, приводит к более интенсивному диспергированию потока в зазоре между лопастью шнека и штифтом (см. Фиг.10 и 11). Особое преимущество может быть достигнуто в том случае, если будет исключена рекоалесценция (слияние вновь) воздушных пузырьков/воздушных ячеек во входной зоне экструдера в условиях низкой вязкости. В условиях высокой вязкости высокое рассеивание энергии в таких зазорах является нежелательным.

Согласно изобретению штифты, взаимодействующие с пазами в лопастях шнека экструдера, предпочтительно устанавливают на участке 10-20% длины экструдера.

На Фиг.12 приведен пример влияния частично оптимизированной высоты канала шнека на средний размер пузырька мороженого по длине экструдера. Уменьшение среднего размера пузырька на 20-30% в конечном продукте представляет собой значительное улучшение сливочности и характеристик плавления, а также устойчивости мороженого к тепловому шоку.

Признаки, указанные в формуле изобретения, а также приведенные в описании и показанные на чертежах, могут в отдельности или в любой комбинации использоваться для практической реализации изобретения.

Список сокращений.

Фиг.1-4:

S₁, S₂ = толщина слоя мороженого, прилипшего к внутренней стенке цилиндра (S₁ - по изобретению, S₂ - традиционный способ)

ΔS = уменьшение прилипшего слоя (=S₁-S₂)

V_ax = осевой компонент скорости лопасти шнека

n = об/мин

S_p = ширина канала шнека

x, y, z = координаты

Фиг.5:

H(z) = высота канала шнека (функция по координате z длины)

De(z) = внешний диаметр шнека (функция по координате z длины)

α = угол между контуром внутреннего шнека и внутренней стенкой цилиндра

θ = угол шнека (между перпендикуляром к оси шнека и проекцией лопасти шнека на плоскость чертежа)

δ = величина зазора пропускания (разность между радиусом внутреннего цилиндра и радиусом лопасти внешнего шнека)

Фиг.6:

А = расстояние между осями шнеков

Фиг.7: см. выше

Фиг.8:

θа = угол шнека в определенной позиции по координате длины

θb = угол шнека на конце шнека во входной зоне

Фиг.9:

b1 = длина проекции секции лопасти шнека, перпендикулярной к оси шнека

Da = внешний диаметр шнека

D = диаметр внутреннего цилиндра

Фиг.10:

c = радиальная длина штифтов, соединенных со стенкой внутреннего цилиндра

d = осевая длина штифтов, соединенных со стенкой внутреннего цилиндра

а = длина проекции участка лопасти шнека на плоскость параллельную оси шнека

Фиг.11:

F = длина штифтов во внутренней стенке цилиндра в периферическом направлении

Фиг.12:

Config.1 = конфигурация шнека традиционного экструдера

Config.2 = конфигурация шнека экструдера согласно изобретению

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано при производстве глубоко замороженных десертов. При реализации способа потребляемую механическую энергию, прикладываемую к частично замороженной массе, повышают в каждой последующей зоне по длине канала шнека экструдера в зависимости от повышения локальной вязкости экструдируемой массы. Устройство, реализующее способ, содержит шнек с изменяющейся по длине экструдера геометрией шнека, локально адаптированной в соответствии с локальной вязкостью экструдируемой массы. Изобретение позволяет при минимальном потреблении механической энергии непрерывно замораживать и оптимально микроструктурировать аэрированные массы. Микроструктура масс, обработанных таким образом, обеспечивает увеличение срока хранения и реологические свойства, способствующие улучшенным характеристикам формуемости, порционируемости и зачерпываемости. 2 н. и 27 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ низкотемпературной замораживающей экструзии для энергооптимизированного, адаптированного по вязкости микроструктурирования замороженных аэрированных масс, подобных мороженому, отличающийся тем, что потребляемую механическую энергию, прикладываемую к частично замороженной массе, повышают в каждой последующей зоне по длине канала шнека экструдера в зависимости от повышения локальной вязкости экструдируемой массы.

2. Способ по п.1, в котором длина зон, на которые поделен экструдер, выбрана для адаптации указанной механической энергии и составляет от одного до десятикратного внешнего диаметра шнека, предпочтительно от одного до двукратного внешнего диаметра шнека.

3. Способ по п.2, в котором длина указанных зон вдоль экструдера является постоянной.

4. Способ по п.2, в котором длина указанных зон адаптирована к локальному изменению вязкости массы.

5. Способ по п.1, в котором такие параметры обработки, как скорость вращения шнека (1), массовая скорость потока, регулируемая нагнетательным насосом, установленным на входе в экструдер (2), и снижение температуры на внешней стенке корпуса экструдера, регулируемое давлением испарения хладагента (3), используемого для шнека экструдера данной геометрии, регулируют таким образом, что температура массы традиционного стандартного ванильного сливочного мороженого составляет ≤-11°С, или, более обобщенно, фракция замороженной воды составляет ≥60% от общего количества способной замораживаться воды, достигаются в пределах первых 50-75% длины экструдера, измеренных от входа в экструдер, предпочтительно в пределах 50-65% этой длины.

6. Способ по любому из пп.1-5, в котором регулирование механической обработки массы, в отношении ее вязкости в соответствующей зоне экструдера, проводят посредством адаптированного изменения высоты канала шнека.

7. Способ по любому пп.1-5, в котором регулирование механической обработки массы, в отношении ее вязкости в соответствующей зоне экструдера, проводят посредством адаптированного изменения количества шнеков.

8. Способ по любому из пп.1-5, в котором регулирование механической обработки массы, в отношении ее вязкости в соответствующей зоне экструдера, проводят посредством адаптированного изменения угла шнека.

9. Способ по любому из пп.1-5, в котором регулирование механической обработки массы, в отношении ее вязкости в соответствующей зоне экструдера, проводят посредством адаптированного изменения ширины пазов в лопастях шнека.

10. Способ по любому из пп.1-5, в котором регулирование механической обработки массы, в отношении ее вязкости в соответствующей зоне экструдера, проводят с помощью регулируемых штифтов, фиксируемых на внутреннем цилиндре экструдера так, что они входят в пазы в лопастях шнека.

11. Способ по любому из пп.1-5, в котором возрастающее снижение температуры и увеличение фракции замороженной воды по длине экструдера обеспечивают путем оптимизации теплопередачи к испаряющемуся хладагенту, контактирующему с внешней стенкой корпуса экструдера, посредством уменьшения величины зазора пропускания между внешним диаметром лопасти шнека и внутренним диаметром корпуса экструдера.

12. Способ по любому из пп.1-5, в котором снижение температуры массы, соответствующее увеличение фракции замороженной массы и увеличение степени диспергирования микроструктуры по длине экструдера обеспечивают путем оптимизации теплопередачи в испаряющийся хладагент, контактирующий с внешней стенкой корпуса экструдера, посредством создания рисунка потока у внешнего фронтального конца лопасти шнека, который приводит к уменьшению толщины слоя замороженного материала на стенке, не соскабливаемого лопастями шнека, меньше величины зазора пропускания.

13. Способ по любому из пп.1-5, в котором снижение температуры массы, соответствующее увеличение фракции замороженной массы и увеличение диспергирования микроструктуры по длине экструдера обеспечивают путем оптимизации теплопередачи к испаряющемуся хладагенту, контактирующему с внешней стенкой корпуса экструдера путем создания рисунка потока у внешнего фронтального конца лопасти шнека, который приводит к снижению толщины слоя замороженного материала на стенке, не соскабливаемого лопастями шнека, меньше величины зазора пропускания, посредством регулирования профиля передней кромки лопасти шнека, наклоненной к внутренней стенке цилиндра или закругленной по хорошо определенному радиусу.

14. Устройство для процесса низкотемпературной замораживающей экструзии по п.1 в энергооптимизированных, адаптированных по вязкости условиях микроструктурирования замороженной аэрированной массы, подобной мороженому, отличающееся тем, что это устройство содержит шнек с изменяющейся по длине экструдера геометрией шнека, локально адаптированной в соответствии с локальной вязкостью указанной массы.

15. Устройство по п.14, в котором величина зазора пропускания между лопастью шнека и внешней стенкой цилиндра составляет менее 0,1 мм, предпочтительно менее 0,05 мм.

16. Устройство по п.14, в котором толщина лопасти шнека составляет 2-20 мм, и
1) наклон переднего края лопасти шнека относительно внутренней стенки цилиндра составляет 10-45°, предпочтительно 30-35°, причем этот наклон предпочтительно выполнен на первых 2 мм высоты лопасти шнека, или
2) передний край лопасти шнека выполнен закругленным с радиусом предпочтительно ≥2 мм.

17. Устройство по п.14, в котором высота канала шнека экструдера отрегулирована по длине экструдера в соответствии с вязкостью массы, причем во входной зоне (I) экструдера соотношение между высотой Н канала шнека и внешним диаметром шнека D предпочтительно составляет между 0,03 и 0,07, в средней зоне (по длине экструдера) (II) - между 0,1 и 0,15, а в конечной трети длины экструдера между 0,1 и 0,25.

18. Устройство по п.14, в котором высота канала шнека непрерывно увеличивается по длине экструдера, так что невинтовой контур основания шнека между впуском и выпуском массы, образует угол со средней длиной осей шнека, составляющий 0,03-0,1°, предпочтительно 0,05-0,07°.

19. Устройство по п.14, в котором шнек содержит 3-7, предпочтительно 4-5 лопастей на участке первой трети длины экструдера; 1-4, предпочтительно 2-3 лопасти во второй трети длины экструдера и 2-3, предпочтительно 1-2 лопасти в конечной трети длины экструдера вблизи выхода экструдера.

20. Устройство по п.14 или 19, в котором количество лопастей шнека постепенно уменьшается по 2-10, предпочтительно 3-5 сегментам экструдера одинаковой или различной длины, при этом количество шнеков непрерывно уменьшается на 1-2 шнековые лопасти при переходе от сегмента к сегменту.

21. Устройство по п.14, в котором углы шнека во входной зоне составляют 35-90°, предпочтительно 45-60°, в средней зоне экструдера 30-45°, предпочтительно 30-35°, и в конечной трети длины экструдера 20-35°, предпочтительно 25-30°.

22. Устройство по п.14, которое имеет постоянное или переменное уменьшение углов шнека в интервале 45-90°, от предпочтительно 45-60° во входной зоне экструдера (I) до 25-35°, предпочтительно 25-30° в выходной зоне (III) экструдера.

23. Устройство по п.14, в котором пазы в лопастях шнека выполнены на первых 10-30%, предпочтительно 15-20% длины экструдера.

24. Устройство по любому из пп.14, 21-23, в котором шнеки содержат более одной лопасти и штифты в соответствующих лопастях шнека, которые аксиально смещены таким образом, что масса подвергается воздействию очищающего/"стирающего" потока на каждом участке внутренней стенки цилиндра.

25. Устройство по п.14 или 23, в котором пазы в лопастях шнека имеют длину в 2,5-3 раза, предпочтительно 1-2 раза больше высоты канала шнека, причем те же размеры имеют не имеющие пазов части лопастей шнека.

26. Устройство по п.24, в котором встроенные элементы, например штифты, соединенные с внутренней стенкой цилиндра, входят в пазы в лопастях шнека при вращении шнека.

27. Устройство по п.14, в котором элементы, такие как штифты, соединены с внутренней стенкой цилиндра в 2-10, предпочтительно 3-5 различных позициях и равномерно или неравномерно расположены по периметру внутренней стенки цилиндра.

28. Устройство по п.14, в котором более чем в одной лопасти шнека пазы в этих лопастях имеют одинаковое аксиальное положение для вхождения в них встроенных элементов, т.е. штифтов.

29. Устройство по п.14, которое представляет собой одно- или двухшнековый экструдер для низкотемпературной экструзии замороженных аэрированных масс, и имеющий адаптированные характеристики геометрии по любому из пп.14-28.