ФРИЗЕР ДЛЯ МЯГКИХ СОРТОВ МОРОЖЕНОГО
FREEZER FOR SOFT ICE-CREAM TYPES

Изобретение относится к молочной промышленности, в частности к получению мороженого, и может быть использовано для производства мягких сортов мороженого из многокомпонентных смесей с добавлением жидких ингредиентов.
Известен фризер Б6-ОФМ (Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн. Кн. 2: Учеб. для вузов / С.Т.Антипов, И.Т.Кретов, А.Н.Остриков и др.; Под ред. Акад. РАСХН В.А.Панфилова. - М.: Высш. шк., 2001. - 680 с. С.935-936), предназначенный для выработки мягкого мороженого из жидкой смеси. В состав фризера входит корпус, привод, рабочий цилиндр с мешалкой, который с внешней стороны охлаждается, системы охлаждения рабочего цилиндра и подачи продукта в него. Система охлаждения бывает аммиачной, фреоновой или рассольной и обеспечивает охлаждение продукта до температур -3…-5°С. Система подачи продукта осуществляет впуск в рабочий цилиндр вместе с продуктом также и воздуха для насыщения им продукта. В корпусе фризера размещены две автономные системы приготовления мороженого. Смесь заливают в емкость, откуда она через клапан вместе с воздухом поступает в цилиндр. В рубашке цилиндра, которая является испарителем, кипит хладоагент (фреон R502). Смесь в цилиндре охлаждается и постоянно перемешивается мешалкой, вращение которой обеспечивается от индивидуального электродвигателя через клиноременную передачу. Каждый цилиндр обслуживается низкотемпературным агрегатом, размещенным в нижней части фризера. При охлаждении смеси в цилиндре до -5°С реле температуры выключает холодильный агрегат. С помощью рукоятки открывают выпускное устройство и мешалкой мороженое выталкивается из цилиндра.
Недостатками фризера являются: значительные энергозатраты, обусловленные нерациональным ведением процесса термомеханического воздействия на исходную смесь; неравномерное распределение компонентов в получаемой смеси и ее недостаточное взбивание из-за несовершенной конструкции мешалки, которая не учитывает особенности физико-механических свойств исходных компонентов; отсутствие возможности быстрой переналадки в связи с переходом на выпуск других сортов мягкого мороженого.
Технической задачей изобретения является рациональное ведение процесса термомеханического воздействия на исходную смесь за счет оптимизации характера движения продукта и обеспечения поддержания заданного температурного режима в каждой из трех рабочих камер, максимальная универсализация конструкции механизмов перемешивания с учетом особенностей физико-механических свойств исходных компонентов; получение мягких сортов мороженого функционального назначения.
Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что во фризере для мягких сортов мороженого, содержащем двутельный корпус с расположенным внутри валом с мешалкой, загрузочный и разгрузочный патрубки, новым является то, что корпус имеет цилиндроконическую форму и включает в себя три последовательно расположенные камеры, первая и вторая камеры находятся в цилиндрической части корпуса, а третья - в конусообразной части корпуса, внутри корпуса соосно установлены быстроходный и тихоходный валы, причем тихоходный вал расположен внутри быстроходного и проходит через все три камеры, а быстроходный вал - только в первой камере, на входе и выходе из первой камеры и на входе в третью камеру установлены опоры для тихоходного вала, в загрузочном патрубке, расположенном в верхней части первой камеры, установлен конусообразный нагнетающий шнек, половина первой камеры имеет двутельный корпус, состоящий из двух отдельных частей, первая часть двутельного корпуса первой камеры снабжена патрубками для подвода и отвода горячей воды, а вторая часть - патрубками для подвода и отвода холодной воды, в первой камере установлен быстроходный вал, на котором вначале в зоне расположения первой и второй частей двутельного корпуса расположены лопасти, выполненные в виде изогнутых лемехообразных пластин, контактирующих с внутренней поверхностью первой камеры, и отделенные друг от друга перфорированными кольцеобразными пластинами, жестко прикрепленными к днищу корпуса первой камеры, а на второй половине первой камеры, на которой отсутствует двутельный корпус, на быстроходном валу закреплены две ленточные спирали разного диаметра с противоположной навивкой, а над ними в верхней части первой камеры расположены распылительные форсунки для подачи жидких компонентов, вторая и третья камеры имеют общий двутельный корпус с патрубками для подвода и отвода аммиака, во второй камере на тихоходном валу с определенным шагом установлены ножеобразные пластины для перемешивания и перемещения продукта, в третьей камере на тихоходном валу смонтированы витки шнека переменного шага и диаметра, а на выходе из третьей камеры - разгрузочное отверстие.
На чертеже приведено объемное изображение общего вида фризера для мягких сортов мороженого.
Фризеры являются основным оборудованием в производстве мороженого и предназначены для частичного замораживания воды в подготовленных молочных смесях и насыщения их мелкодиспергированным воздухом. В зависимости от вида мороженого и конструкции фризера в лед переходит 25,0…60,0% воды, а объем молочной смеси вследствие аэрации увеличивается примерно в два раза.
Фризер для мягких сортов мороженого (чертеж) содержит корпус 1 с тремя последовательно расположенными камерами 7, 8 и 9, загрузочный патрубок 2, внутри которого установлен конусообразный нагнетающий шнек 3.
Корпус 1 фризера имеет цилиндроконическую форму и включает в себя три последовательно расположенные камеры 7, 8 и 9. Первая 7 и вторая 8 камеры находятся в цилиндрической части корпуса 1, а третья камера 9 - в конусообразной части корпуса 1. Внутри корпуса 1 соосно установлены быстроходный 4 и тихоходный 5 валы, причем тихоходный вал 5 расположен внутри быстроходного вала 4 и проходит через все три камеры 7, 8 и 9. Быстроходный вал 4 расположен только в первой камере 7. Валы 4 и 5 приводятся во вращение от привода 6 (чертеж).
На входе и выходе из первой камеры 7 и на входе в третью камеру 9 установлены опоры 12 для тихоходного вала 5.
Половина первой камеры 7 имеет двутельный корпус, состоящий из двух отдельных частей 13 и 14. Первая часть 13 двутельного корпуса первой камеры 7 снабжена патрубками для подвода 15 и отвода 16 горячей воды, а вторая часть 14 - патрубками для подвода 17 и отвода 18 холодной воды. В первой камере 7 установлен быстроходный вал 4, на котором вначале в зоне расположения первой 13 и второй частей 14 двутельного корпуса расположены лопасти 10, выполненные в виде изогнутых лемехообразных пластин, контактирующих с внутренней поверхностью первой камеры 7. Конфигурация и форма лемехообразных лопастей 10 выбрана с учетом состояния перемешиваемой массы, ее объема, толщины слоя, производительности, соотношения смешиваемых компонентов, степени однородности, способа загрузки компонентов и выгрузки смеси и требований технологии. Лопасти 10 отделены друг от друга перфорированными кольцеобразными пластинами 11, жестко прикрепленными к днищу корпуса первой камеры 7.
На второй половине первой камеры 7, на которой отсутствует двутельный корпус, на быстроходном валу 4 закреплены две ленточные спирали 19 и 20 разного диаметра с противоположной навивкой, а над ними в верхней части первой камеры 7 расположены распылительные форсунки 21 для подачи жидких компонентов и насыщения исходного сырья мелкодиспергированным воздухом.
Вторая 8 и третья 9 камеры имеют общий двутельный корпус 22 с патрубками для подвода 23 и отвода 24 аммиака. Во второй камере 8 на тихоходном валу 5 с определенным шагом установлены ножеобразные пластины 25 для перемешивания и перемещения продукта (чертеж).
В третьей камере 9 на тихоходном валу 5 смонтированы витки шнека 26 переменного шага и диаметра, а на выходе из третьей камеры 9 - разгрузочное отверстие 27.
3
-1
-3
Смеси мороженого представляют собой сложные системы. В водной среде, составляющей 60…75% от массы смеси, находятся другие составные компоненты, которые отличаются не только размерами частиц и их агрегатным состоянием, но и химическим составом. Например, смеси на молочной основе содержат соли неорганических и органических кислот (около 20 наименований), органические кислоты, сахарозу, лактозу, мочевину (размер частиц менее 10 мкм), молочные белки и стабилизаторы (размер частиц от 10 до 10 мкм), жировые включения, а в смесях мороженого с наполнителями - еще и частицы последних.
Мягкое мороженое - продукт нежной, кремообразной консистенции, температурой -5…-7°С и взбитостью обычно 40…60%. Это мороженое готово сразу после выхода его из фризера. Оно не подвергается дальнейшему замораживанию и содержит 45…55% воды в замороженном состоянии.
Мягкое мороженое вырабатывают из специальных сухих смесей, содержащих все составные части мороженого в заданном соотношении.
Процесс фризерования смесей заключается в частичном вымораживании воды (температура поступающей во фризер смеси 12…16°С, а на выходе она составляет -3,5°С) и взбивании (насыщении смеси воздухом). При этом происходит не только изменение размеров частиц дисперсной фазы, но и формирование ее новых компонентов - воздушных пузырьков, кристаллов льда и лактозы. Таким образом, при фризеровании смесь, а затем и мороженое подвергаются сложной технологической обработке. При фризеровании размеры жировых частиц увеличиваются, происходит укрупнение кристаллов льда и лактозы, не остаются постоянными и размеры воздушных пузырьков. Размеры жировых шариков, воздушных пузырьков, кристаллов льда и лактозы, частичек наполнителей в смесях и мороженом в основном превышают 1 мкм. От размеров и формы кристаллов льда в значительной мере зависят структура, консистенция мороженого, а также его вкусовые качества.
Предлагаемый фризер для мягких сортов мороженого работает следующим образом. Исходное сырье загружается во фризер через загрузочный патрубок 2 с помощью вращающегося конусообразного нагнетающего шнека 3. Включается привод 6, и быстроходный 4 и тихоходный 5 валы приводятся во вращение. Быстроходный вал 4 при помощи лемехообразных лопастей 10 начинает захватывать и перемешивать компоненты получаемой смеси. На эффективность смешивания влияют плотность компонентов исходного сырья, гранулометрический состав (форма, размеры, дисперсионное распределение по крупности для неоднородных компонентов) частиц компонентов смеси, влажность компонентов, состояние поверхности частиц, силы трения и адгезии поверхностей частиц и т.д. Лемехообразные лопасти 10 при вращении продавливают получаемую вязкую массу через перфорированные кольцеобразные пластины 11, обеспечивая тем самым дополнительную турбулизацию перемешиваемого потока смеси.
Одновременно через патрубок 15 в первую часть 13 двутельного корпуса первой камеры 7 подается горячая вода, которая нагревает внутреннюю поверхность корпуса 1 и отводится через патрубок 16.
Нагрев исходной смеси в первой части 13 камеры 7 обусловлен необходимостью расплава и последующего диспергирования при интенсивном перемешивании молочных и других жиров, входящих в состав исходной смеси, и их равномерного распределения по всему объему смеси. Перфорированные кольцеобразные пластины 11, жестко прикрепленные к внутренней поверхности корпуса в первой камере, нагреваются и являются источником нагрева исходной смеси, проходящей через отверстия в них. Конструкция лемехообразных лопастей 10 обеспечивает не только равномерное перемешивание, но и эффективное продавливание получаемой массы через отверстия в пластинах 11, диспергируя при этом все компоненты исходной смеси.
Одновременно через патрубок 17 во вторую часть 14 двутельного корпуса первой камеры 7 подается холодная вода, которая охлаждает внутреннюю поверхность корпуса 1 и отводится через патрубок 18.
Последующее охлаждение исходной смеси во второй части 14 камеры 7 обусловлено необходимостью охлаждения исходной смеси для эффективного набухания белков, входящих в состав смеси, и протекания других физико-химических изменений компонентов смеси. Перфорированные кольцеобразные пластины 11, жестко прикрепленные к внутренней поверхности корпуса в первой камере, охлаждаются и являются источником охлаждения исходной смеси, проходящей через отверстия в них. Конструкция лемехообразных лопастей 10 обеспечивает эффективное продавливание получаемой массы через отверстия в пластинах 11.
Затем продукт поступает во вторую половину первой камеры 7, где с помощью двух вращающихся ленточных спиралей 19 и 20 разного диаметра с противоположной навивкой, закрепленных на быстроходном валу 4, осуществляется интенсивное взбивание смеси компонентов, т.е. насыщение ее мельчайшими пузырьками воздуха. Ленточные спирали 19 и 20 обеспечивают перекрестное движение потоков смеси навстречу друг другу в направлении от стенок к центру фризера и наоборот. Таким образом, направление перемещения смеси во второй половине первой камере 7 фризера имеет вид перекрестного противотока.
Из распылительных форсунок 21, расположенных в верхней части первой камеры 7, подаются жидкие компоненты и мелкодиспергированный воздух. Предлагаемая конструкция ленточных спиралей 19 и 20 обеспечивает интенсивное перемешивание и взбивание смеси компонентов, доводя их до необходимой степени однородности в соответствии с требованиями технологии. Воздух, которым насыщается смесь, распределяется в ней в виде мельчайших пузырьков; объем смеси существенно увеличивается; при замораживании образуется «пенистая» структура мороженого. Воздух в мороженом препятствует быстрому таянию продукта во время его употребления, предохраняет полость рта от излишнего охлаждения, способствует формированию мелкокристаллической структуры мороженого и улучшению его консистенции. О количественном содержании воздуха в мороженом судят на основании специального показателя - взбитости, который представляет собой отношение приращения объема смеси после фризерования к ее первоначальному объему. Установлено, что размер воздушных пузырьков в мороженом находится в пределах 30…150 мкм при среднем размере 60 мкм. Средний диаметр воздушных пузырьков в мороженом тем меньше, чем больше его вязкость и зависит от вида используемого стабилизатора. В процессе фризерования диаметр воздушных пузырьков уменьшается. Вначале расстояния между ними доходят до 100 мкм, к концу фризерования составляют 20…30 мкм. С увеличением размеров воздушных пузырьков консистенция и вкусовые достоинства продукта ухудшаются, а с уменьшением - улучшаются. Увеличение взбитости способствует образованию более нежной и однородной консистенции мороженого. Однако чрезмерно большая взбитость способствует появлению порока структуры «снежистость».
Затем взбитая смесь компонентов последовательно перемещается во вторую камеру 8 фризера. Одновременно через патрубок 23 в общий двутельный корпус 22 второй 8 и третьей 9 камеры подается жидкий аммиак (или другой какой-либо хладоагент, например фреон R502), который охлаждает внутреннюю поверхность корпуса 1 этих камер и отводится через патрубок 24. В общем двутельном корпусе 22 второй 8 и третьей 9 камеры, который является испарителем, кипит жидкий аммиак. Смесь охлаждается и постоянно перемешивается ножеобразными пластинами 25 во второй камере 8 и витками шнека 26 переменного шага и диаметра в третьей камере 9.
Вращающиеся ножеобразные пластины 25 обеспечивают интенсивное перемешивание и перемещение продукта по длине второй камеры 8. Затем охлажденная смесь выходит из второй камеры 8 и направляется в третью камеру 9, в которой при помощи шнека 26 переменного шага и диаметра она перемешивается и через отверстие 27 заданного размера выводится из фризера.
Смесь компонентов подвергается интенсивному и оптимальному термомеханическому воздействию за счет оптимизации характера движения продукта и обеспечения поддержания заданного температурного режима. Этим достигается придание необходимой однородности и гомогенности структуры мороженого.
В процессе фризерования в связи с понижением температуры и вымерзанием части влаги, а также насыщением воздухом в мороженом происходят следующие физико-химические изменения. Пересыщенность растворов лактозы резко возрастает. В результате уже при температуре -1°С начинается образование кристаллов, в основном размером до 3 мкм, а к концу фризерования (-5°С) наблюдается не только увеличение числа кристаллов, но и возрастание их среднего размера.
Белки в мороженом играют важную роль - выполняя функции эмульгатора жировой фазы во время перемешивания и пенообразования - в процессе фризерования. Во фризерования смеси (-2…-6°С) белок адсорбирует с поверхности жировых шариков, становится более гидратированным и вместе с введенным стабилизатором увеличивает вязкость смеси, улучшая в дальнейшем взбитость и консистенцию готового продукта. Содержание белка в смеси мороженого должно быть 3,0…6,7%.
В мороженом молочный жир находится в виде мельчайших жировых шариков, окруженных липротеиновыми оболочками. Вкусовые достоинства, структура и консистенция мороженого на молочной основе во многом определяются размером жировых шариков в смесях и готовом продукте. Жировые шарики ориентируются частично вокруг воздушных ячеек в виде цепочек в незамороженной части мороженого. Стабильность смесей мороженого зависит от стабильности жировой эмульсии и стабильности белков. Жировые шарики в гомогенизированной смеси окружены белково-липоидными оболочками. Чем больше в смеси массовая доля молочного жира, тем ниже дисперсность воздуха в мороженом и ниже его взбиваемость. Стабилизация воздушной фазы мороженого обусловлена наличием слоя кристаллов жира вокруг пузырьков воздуха и тонких пластин замороженной жидкости между пузырьками воздуха. В результате этого происходит не только изменение размеров частиц дисперсной фазы, но и формирование ее новых компонентов - воздушных пузырьков, кристаллов льда и лактозы.
Выходящее из третьей камеры 9 мягкое мороженое направляется на упаковку.
Таким образом, использование изобретения позволит:
- оптимизировать процесс термомеханического воздействия на исходное сырье, различное по своим физико-механическим свойствам, за счет рационального характера движения продукта и обеспечения поддержания заданного температурного режима в каждой из трех рабочих камер в зависимости от ее функционального назначения;
- расширить область применения за счет достигнутой универсализации механизмов перемешивания с учетом особенностей физико-механических свойств исходных компонентов;
- получить мягкие сорта мороженого функционального назначения, состоящие из смеси различных компонентов, благодаря решению проблемы равномерного распределения компонентов смеси и наиболее рациональному температурному воздействию на них.