АППАРАТ И СПОСОБ ДЛЯ АЭРАЦИИ ПИЩЕВОГО ПРОДУКТА
APPARATUS AND METHOD FOR AERATION OF A FOOD PRODUCT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к аппарату для аэрации пищевых продуктов и способу аэрации пищевых продуктов.
Уровень техники
Наиболее часто применяемые промышленные способы аэрации жидких и полужидких продуктов основаны на принципе механической аэрации. В качестве примера имеющихся сегодня на рынке серийных машин для аэрации пищевых продуктов можно привести машины, производимые компанией Mondomix™. Серийно выпускаемые машины несколько отличаются по своей конструкции, однако принцип их работы в основном один и тот же. Смесительный аппарат из линейки серийно выпускаемых машин Mondomix™ представляет собой смесительный аппарат роторно-статорного типа, содержащий роторный вал из нержавеющей стали, покрытый металлическими штырьками, которые заходят внутрь корпуса, внутри которого также имеются штырьки. Штырьки на валу перемещаются вблизи штырьков на внутренней поверхности аппарата, создавая при этом силу сдвига, действующую на поток продукта. Перед поступлением в смесительный аппарат жидкая фаза и газообразная фаза смешиваются. Смесительный аппарат механически дробит крупные пузыри газа на очень мелкие пузырьки, которые распределены по матрице пищевого продукта. Размер пузырьков является существенным фактором, определяющим свойства продукта. Такие машины описаны в WO 91/07221 A1, GB 888 264 A и DE 31 27 684 A1.
В WO 2013/068426 A1 описано устройство для аэрации пищевых продуктов, содержащее смесительную головку с по меньшей мере одним набором комбинаций ротора-статора. Каждая комбинация ротора-статора содержит ротор и статор со взаимодополняющими зубчатыми ободами, ориентированными противоположно друг другу в осевом направлении. Предусмотрена крышка входного канала, в которой есть впускное отверстие для приема продукта, подлежащего аэрации, и на которой расположен газовый инжектор, пересекающий крышку входного канала диаметрально, так что головка газового инжектора находится в свободном пространстве над продуктом, образованном крышкой входного канала и первым набором ротора-статора. С помощью этого устройства нельзя смешивать и аэрировать несколько композиций одновременно.
DE 297 09 060 U1 относится к конструкционному набору для создания устройства для непрерывного диспергирования и смешивания газов, текучих сред и/или твердых веществ в жидкой фазе с образованием матрицы текучей среды.
NL 1009069 C2 относится к пенообразующему устройству для непрерывного вспенивания жидкого продукта, оснащенному пенообразующей камерой, с которой соединен входной канал для жидкого продукта и выходной канал для вспененного продукта, причем дополнительно предусмотрена подача газа или воздуха, с которым жидкость смешивается в пенообразующем устройстве с получением вспененного продукта, и при этом предусмотрен насос для подачи жидкого продукта.
Недостатки имеющихся на рынке систем включают ограничения в отношении модульности аппарата, например, помимо прочего, в отношении подачи различных жидких сред и/или в отношении размера образующихся пузырьков.
Кроме того, такие системы ограничены в отношении однородного смешивания и аэрации пищевых продуктов.
Задачей изобретения является обеспечение аппарата и способа для аэрации пищевых продуктов, которые бы устраняли один или более недостатков, присущих известным серийно выпускаемым системам.
Преимуществом будет обеспечение экономичного, универсального, компактного аппарата, который можно было бы применять в промышленном масштабе.
Преимуществом будет обеспечение аппарата, который сможет осуществлять стабильную, однородную аэрацию жидких или полужидких пищевых продуктов.
Также преимуществом будет обеспечение аэрированного пищевого продукта с включениями пищевых зерен, крошек или частиц.
Поэтому преимуществом также будет обеспечение аппарата, с помощью которого можно получать аэрированный пищевой продукт с включениями пищевых зерен, крошек или частиц.
Раскрытие изобретения
Авторы изобретения разработали, по существу, принципиально новые аппарат и способ для получения аэрированных пищевых продуктов, в частности таких аэрированных пищевых продуктов, как муссы, с включением пищевых зерен, крошек или частиц.
В одном аспекте обеспечен аппарат для аэрации пищевого продукта, содержащий корпус с входным каналом для пищевого продукта, подлежащего аэрации, и выходным каналом для аэрированного пищевого продукта, а внутри корпуса — несколько пар ротора и статора, при этом каждая пара ротора и статора имеет взаимодополняющие зубчатые ободы, ориентированные противоположно друг другу в осевом направлении, а также газовый инжектор для впрыска газа в положении выше по потоку относительно первой пары ротора и статора в пищевой продукт, подлежащий аэрации, причем предусмотрен дополнительный входной канал для впрыска в положении между парой ротора и статора выше по потоку и следующей ниже по потоку парой ротора и статора жидкой или полужидкой текучей дополнительной композиции, подлежащей смешиванию с пищевым продуктом. Преимуществом является то, что впрыскиваемая дополнительная композиция будет смешана с аэрированным продуктом и взбита следующей ниже по потоку парой ротора и статора с образованием зерен, крошек или частиц в аэрированном продукте.
Дополнительным преимуществом является то, что аппарат содержит рубашку, окружающую по меньшей мере часть цилиндрического корпуса.
Дополнительным преимуществом аппарата является то, что он содержит регулятор обратного давления, расположенный в канале продукта, ниже по потоку относительно смесительного аппарата.
Аппарат настоящего изобретения позволяет производить очень однородное распределение газа в основном потоке продукта и равномерное распределение газовых пузырьков. Преимуществом аппарата настоящего изобретения является его весьма универсальная конфигурация с возможностью настройки для производства аэрированных продуктов с однородным распределением малых или крупных пузырьков в продукте. Преимущество состоит в том, что это дает возможность производить более устойчиво аэрированный продукт и, например, для пищевых продуктов может обеспечить более длительный срок хранения и/или уменьшить количество определенных стабилизирующих ингредиентов в пищевом продукте.
Аппарат настоящего изобретения является экономичным и подходит для промышленного применения, в частности, для аэрации пищевых продуктов. Преимуществом аппарата настоящего изобретения является возможность более простого и более экономичного способа мойки и дезинфекции по сравнению с традиционными аэраторами. Как более подробно описано ниже, преимуществом аппарата настоящего изобретения, помимо прочего, является его большая универсальность, например, в отношении возможности впрыска различных текучих сред, разного объемного расхода текучей среды на входном канале, разных рабочих давлений, диапазона достигаемой взбитости продукта, получаемого размера пузырьков газа.
В другом аспекте данное изобретение обеспечивает способ получения аэрированного пищевого продукта, включающий прохождение потока пищевого продукта, подлежащего аэрации, через аппарат по настоящему изобретению, впрыскивание газа в поток пищевого продукта с помощью газового инжектора, расположенного выше по потоку относительно первой пары ротора и статора, и впрыскивание дополнительной композиции для смешивания с пищевым продуктом через дополнительный входной канал, расположенный между парой ротора и статора выше по потоку и следующей ниже по потоку парой ротора и статора, в осевое пространство между упомянутой парой ротора и статора выше по потоку и упомянутой следующей ниже по потоку парой ротора и статора.
Эти и другие варианты осуществления, а также потенциальные преимущества будут очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан вид в продольном сечении аппарата в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 2 показан вид в перспективе аппарата, представленного на фиг. 1.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 и 2 представлен подходящий смесительный аппарат 300 в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Смесительный аппарат 300 содержит, по существу, цилиндрический корпус 10, внутри которого расположены три ступени или пары ротора и статора 210, 220 и 240. Пары ротора и статора 210, 220 и 240 расположены последовательно вдоль центрального приводного вала 7.
Каждая пара ротора и статора 210, 220 и 240 содержит ротор и соответствующий статор. Роторы закреплены на осевом валу 7 и приводятся во вращательное движение вокруг центральной оси приводного вала с помощью электропривода (не показан), соединенного с валом с помощью винта 6. Электропривод может быть соединен с валом 7 напрямую или опосредованно. Вращение может осуществляться по часовой стрелке или против часовой стрелки вокруг центральной оси приводного вала. В проиллюстрированном варианте осуществления статоры закреплены на внутренней стенке цилиндрического корпуса 10.
На роторах имеется один или более зубчатых ободов, входящих в зацепление со взаимодополняющими зубчатыми ободами на статорах и ориентированных противоположно друг другу в осевом направлении. Каждая пара ротора и статора 210, 220 и 240 может содержать два или более рядов зубьев ротора и статора. Количество рядов зубьев ротора и статора на каждой ступени ротора и статора 210, 220, 240 может отличаться в пределах одного и того же смесительного аппарата. В некотором варианте осуществления изобретения роторы и статоры всех ступеней ротора-статора имеют одинаковое количество рядов зубьев. В предпочтительных вариантах осуществления по меньшей мере один набор ротора-статора содержит по меньшей мере два ряда зубьев ротора-статора; в другом варианте осуществления по меньшей мере один набор ротора-статора содержит три ряда зубьев ротора-статора, а еще в одном в варианте осуществления по меньшей мере один набор ротора-статора содержит четыре ряда зубьев ротора-статора. В одном варианте осуществления, вариантах осуществления каждый набор ротора-статора содержит по меньшей мере два ряда зубьев ротора-статора; в другом варианте осуществления каждый набор ротора-статора содержит три ряда зубьев ротора-статора, а еще в одном варианте осуществления каждый набор ротора-статора содержит четыре ряда зубьев ротора-статора.
Количество, ширина и/или интервал между зубьями ротора может отличаться для разных рядов зубьев на конкретном роторе в конкретном наборе ротора-статора. В предпочтительном варианте осуществления интервал между зубьями, по существу, одинаковый на конкретном роторе. Количество, ширина и/или интервал между зубьями статора может отличаться для разных рядов зубьев на конкретном статоре в зависимости от пищевого продукта, подлежащего аэрации. В предпочтительном варианте осуществления интервал между зубьями, по существу, одинаковый на конкретном статоре. В предпочтительных вариантах осуществления взаимодополняющие аксиально противоположные зубья на роторе и статоре конкретного набора ротора-статора имеют соответствующее количество, ширину и интервал зубьев. В вариантах осуществления роторы содержат по меньшей мере 10 зубьев ротора по окружности, разделенных интервалом по окружности каждого ротора. В вариантах осуществления статоры содержат по меньшей мере 10 зубьев статора по окружности, разделенных интервалом по окружности каждого статора.
Количество, ширина и/или интервал зубьев ротора-статора могут отличаться для разных пар ротора и статора в смесительном аппарате. В вариантах осуществления каждая пара ротора и статора имеет, по существу, одинаковое количество, ширину и/или интервал зубьев ротора/статора. Преимуществом является то, что наружный диаметр зубчатых ободов у каждой пары ротора и статора, по существу, одинаковый. Преимуществом является то, что внутренний диаметр зубчатых ободов каждой пары ротора и статора, по существу, одинаковый.
В некоторых вариантах осуществления смесительный аппарат содержит множество пар ротора и статора. В определенных вариантах осуществления смесительный аппарат содержит по меньшей мере две пары ротора и статора. В определенных вариантах осуществления смесительный аппарат содержит по меньшей мере 3 пары ротора-статора. Как правило, смесительный аппарат содержит не более 8 пар ротора-статора. В одном варианте осуществления смесительный аппарат содержит по меньшей мере три пары ротора-статора и до восьми пар ротора-статора, включая, как будет пояснено ниже, распорные кольца, если применимо. В некоторых вариантах осуществления смесительный аппарат содержит не более 6 пар ротора-статора. В определенных в вариантах осуществления смесительный аппарат содержит три пары ротора-статора. В других вариантах осуществления смесительный аппарат содержит четыре пары ротора-статора.
В некоторых вариантах осуществления каждая пара ротора и статора является съемной и заменяемой, что обеспечивает универсальность. Например, различные количества, ширины и интервалы между зубьями в зубчатых ободах ротора-статора при этом можно по желанию изменять для каждой пары ротора и статора в данном смесительном аппарате в зависимости от свойств пищевого продукта, подлежащего аэрации, и желаемого результата аэрации.
Смесительный аппарат 300 имеет входной канал 100 продукта в крышке 20 входного канала, выполненный с возможностью приема потока жидкого или полужидкого пищевого продукта, подлежащего аэрации, из питающей линии продукта. В некоторых вариантах осуществления входной канал продукта расположен центрально в крышке 20 входного канала вдоль оси вала 7. Может использоваться насос (не показан) для впрыска жидкого или полужидкого продукта в смесительный аппарат через серию пар ротора и статора.
Для подачи газа под давлением в смесительный аппарат в крышке 20 входного канала расположен газовый инжектор 1. Как правило, газ может впрыскиваться в смесительный аппарат под давлением в диапазоне от около 0,5 бар до около 10 бар. Напорный патрубок 11 газового инжектора расположен в пространстве 50 выше по потоку относительно пары ротора и статора смесительного аппарата и, тем самым, обеспечивает впрыск газа под давлением в смесительный аппарат вблизи зубчатых ободов первой пары 210 ротора и статора. Положение газового инжектора в пространстве 50 важно для обеспечения эффективного включения газа в основной поток продукта. Преимуществом является то, что патрубок 11 газового инжектора расположен вблизи внутреннего зубчатого обода первой пары ротора и статора, причем газ, впрыскиваемый с помощью инжектора 1, будет контактировать с зубьями пары ротора и статора непосредственно после впрыска, таким образом, поток газа подвергается силам сдвига первой пары 210 ротора и статора на входе в аппарат. В результате образуются регулярные и равномерные пузырьки газа в потоке продукта, что позволяет производить однородное распределение газа в продукте с узким распределением размера пузырьков газа. В особенности расстояние между патрубком 11 газового инжектора и внутренним зубчатым ободом первой пары ротора и статора 210 короче, чем расстояние между отверстием 101 входного канала 100 продукта и внутренним зубчатым ободом первой пары ротора и статора 210.
В определенных вариантах осуществления впускной патрубок 11 газового инжектора расположен на расстоянии не более 4 см от внутреннего зубчатого обода первой пары ротора и статора. В некоторых вариантах осуществления впускной патрубок газового инжектора расположен на расстоянии в диапазоне от около 0,1 см до около 3 см от внутренних зубьев первой пары ротора и статора, предпочтительно на расстоянии в диапазоне от около 0,2 см до около 2 см, например на расстоянии в диапазоне от около 0,5 см до 1,5 см.
Газовый инжектор может быть расположен таким образом, что его центральная ось находится под углом от 0° до около 85°, например от 0° до 80° относительно центральной оси смесительного аппарата. В определенных вариантах осуществления газовый инжектор наклонен относительно центральной оси смесительного аппарата, что позволяет оптимизировать поток впрыскиваемого газа на зубья первой пары ротора и статора. Желаемый угол наклона газового инжектора можно регулировать в зависимости от положения газового инжектора на крышке входного канала и соответствующей конфигурации газового инжектора и пары ротора и статора. Например, центральная ось газового инжектора может иметь наклон под углом от около 5° до около 85° относительно центральной оси смесительного аппарата, предпочтительно под углом от около 10° до около 80°, например от около 10° до около 60°, например под углом от около 15° до около 45° относительно центральной оси смесительного аппарата, например под углом от около 15° до около 30°. В других вариантах осуществления газовый инжектор может быть расположен так, что его центральная ось параллельна центральной оси и/или входному каналу продукта.
Положение головки (патрубка) инжектора обеспечивает хорошую управляемость прилагаемых сил сдвига и среза и предотвращает образование газовых карманов в потоке продукта. Если инжектор 1 приближен к зубьям первого набора ротора-статора, то это обеспечивает постоянную силу сдвига и среза на впрыскиваемый газ на входе в смесительный аппарат, что гарантирует равномерное распределение газа внутри корпуса смесительного аппарата и в остальную серию наборов ротора/статора. Таким образом, смесительный аппарат обеспечивает эффективное включение газа в основной поток продукта и производит преимущественно очень однородное распределение газа внутри основного потока продукта на выходе, по существу, с равномерным размером пузырьков газа.
В крышке входного канала может находится более одного газового инжектора. В некоторых вариантах осуществления используется два газовых инжектора, в других вариантах осуществления может использоваться три газовых инжектора.
В некоторых вариантах осуществления все наборы ротора в смесительном аппарате 300 имеют одинаковый внутренний и наружный диаметр и расположены последовательно вдоль вала 7, центрированные по одной и той же центральной оси. Такое последовательное расположение обеспечивает управляемость сил сдвига и среза, прилагаемых по длине смесительного аппарата и, что важно, позволяет регулировать, по существу, постоянный расход продукта через смесительный аппарат. Преимуществом является то, что, что это позволяет поддерживать равномерный и малый размер пузырьков газа в продукте на выходе, который остается стабильным в продукте. В отличие от этого, коническое и радиальное расположение множества наборов роторов и статоров в шахматном порядке, в котором каждый набор ротора и статора имеет больший диаметр, чем предыдущий, способствует ускорению потока продукта по мере его прохождения через серию наборов роторов и статоров, что сокращает время нахождения продукта в смесительном аппарате и ведет к существенному увеличению силы сдвига и среза по мере прохождения потока продукта через серию наборов роторов и статоров, что в результате ведет к менее эффективному включению газа, менее однородному распределению пузырьков газа в продукте, и делает невозможным производство продукта с узким распределением размера пузырьков газа, и особенно с равномерным и малым размером пузырьков газа.
В аппарате 300 имеется дополнительный входной канал 310, расположенный в боковой стенке корпуса 10 между находящейся выше по потоку парой 220 ротора-статора и расположенной ниже по потоку парой 240 ротора-статора, если рассматривать поток продукта через аппарат. В варианте осуществления распорное кольцо 314 статора и распорное кольцо 316 ротора, оба без зубчатых ободов, выполнены с возможностью обеспечения осевого расстояния и, следовательно, осевого пространства 312 между парой 220 ротора-статора, расположенной выше по потоку, и парой 240 ротора-статора, расположенной ниже по потоку. В одном варианте осуществления отверстие дополнительного входного канала 310 соединено с осевым пространством 312 между парой 220 ротора-статора выше по потоку и парой 240 ротора-статора ниже по потоку. Осевое пространство полезно для обеспечения предварительного смешивания дополнительной композиции с пищевым продуктом.
В еще одном варианте осуществления аппарат 300 содержит множество дополнительных входных каналов, расположенных в боковой стенке корпуса 10, для впрыска одной или нескольких дополнительных композиций, подлежащих смешиванию с пищевым продуктом. Например, два дополнительных выходных канала расположены между одними и теми же парами роторов-статоров выше и ниже по потоку. В альтернативном варианте осуществления первый дополнительный входной канал расположен между парой ротора-статора выше по потоку и промежуточной парой ротора-статора ниже по потоку, а второй дополнительный входной канал расположен между упомянутой промежуточной парой ротора-статора и парой ротора-статора ниже по потоку. Эти два варианта осуществления можно комбинировать. Например, аппарат 300 имеет два, три или четыре дополнительных выходных канала, расположенных в боковой стенке корпуса. Один или два дополнительных выходных канала расположены между первой группой пар ротора-статора выше и ниже по потоку, а один или два дополнительных выходных канала расположены между второй группой пар ротора-статора выше и ниже по потоку. Предпочтительно, если предусмотрен дополнительный входной канал между парами ротора-статора выше и ниже по потоку, упомянутые пары ротора-статора разнесены с помощью распорного кольца, установленного между парой ротора-статора выше по потоку и парой ротора-статора ниже по потоку.
Преимущество обеспечения нескольких дополнительных выходных каналов состоит в том, что это позволяет, как будет пояснено ниже, вводить несколько дополнительных композиций с различным конечным гранулометрическим составом в зависимости от геометрии соответствующих пар ротора-статора ниже по потоку.
Предусмотрен дополнительный входной канал 310 для впрыска жидкой или полужидкой дополнительной композиции, подлежащей подмешиванию в аэрированный продукт, поступающий от пары 220 ротора-статора выше по потоку. Жидкая или полужидкая дополнительная композиция впрыскивается через второй входной канал 310 в осевое пространство 312 и в аэрированный пищевой продукт. Это позволяет выполнить предварительное смешивание дополнительной композиции с аэрированным пищевым продуктом перед более интенсивным смешиванием с помощью пары ротора-статора, расположенной ниже по потоку.
В одном варианте осуществления жидкая и полужидкая дополнительная композиция может однородно подмешиваться в аэрированный пищевой продукт. В другом варианте осуществления жидкая или полужидкая дополнительная композиция может быть введена в аэрированный пищевой продукт для придания «мраморного» внешнего вида конечному продукту. В еще одном варианте осуществления жидкая или полужидкая дополнительная композиция представляет собой композицию, затвердевающую вскоре после впрыска в аэрированный пищевой продукт, например, благодаря охлаждению дополнительной композиции.
Например, аэрированный пищевой продукт поддерживается при низкой температуре, например при температуре ниже 20°С. Дополнительная композиция может представлять собой расплавленную шоколадную композицию или жидкую карамельную композицию, температура которой выше, чем температура аэрированного пищевого продукта. Благодаря разнице температур дополнительная композиция охлаждается вскоре после впрыска в аэрированную пищевую композицию, что приводит к увеличению вязкости дополнительной композиции или даже приводит к затвердеванию дополнительной композиции. Дополнительная композиция и поток аэрированного пищевого продукта поступают вместе в направлении пары 240 ротора-статора ниже по потоку, и дополнительная композиция дробится на частицы во время прохождения через пару 240 ротора-статора. Благодаря эффекту смешивания, производимого парой 240 ротора-статора, частицы дополнительной композиции равномерно распределяются в аэрированном пищевом продукте, что обеспечивает получение однородного аэрированного пищевого продукта. В одном варианте осуществления может требоваться обеспечение частиц нескольких дополнительных композиций. В этом случае, аппарат 300 содержит несколько дополнительных входных каналов, по меньшей мере по одному на каждую дополнительную композицию, подлежащую впрыску.
В преимущественном варианте осуществления аппарат имеет рубашку 320 вокруг корпуса 10. Между рубашкой 320 и корпусом 10 образуется пространство или просвет для циркуляции хладагента или подогревающей текучей среды. Рубашка имеет входной канал 321 и выходной канал 322 для циркуляции хладагента или подогревающей текучей среды. Преимущество использования рубашки состоит в том, что продукт, подлежащий аэрации, поддерживается при желаемой температуре. В некоторых вариантах осуществления жидкий хладагент циркулирует внутри рубашки для поддержания охлажденной температуры продукта, проходящего через смесительный аппарат. Циркуляция жидкого хладагента позволяет предотвратить поглощение тепловой энергии, которая может образовываться из-за скоростей вращения внутри смесительного аппарата. Преимущество состоит в том, что это помогает поддерживать нужную степень и стабильность аэрации в продукте. Может предусматриваться любой хладагент или подогревающая текучая среда. В качестве жидких хладагентов могут использоваться воздух или вода при низкой температуре. Температура хладагента или подогревающей текучей среды может изменяться в зависимости от продукта, подлежащего аэрации, и желаемых свойств аэрации продукта.
В применяемом способе поток подаваемого продукта поступает в смесительный аппарат через отверстие 101 входного канала 100 продукта в крышке 20 входного канала в пространство 50 выше по потоку относительно пары ротора и статора. Поток подаваемого продукта, поступающего во входной канал 100 продукта, последовательно нагнетается с помощью пар роторов и статоров 210, 220 и выходит из смесительного аппарата 300 через выходной канал 80 продукта. Роторы 222, 223, 224 вращаются с высокой скоростью относительно неподвижных статоров 227, 228, 229, обеспечивая высокую скорость сдвига. В альтернативном варианте осуществления роторы 222, 223, 224 вращаются с низкой скоростью относительно неподвижных статоров 227, 228, 229, обеспечивая низкую скорость сдвига. Скорость вращения роторов может быть выбрана в зависимости от конкретного продукта и желаемых условий сдвига. Например, типичная скорость вращения может составлять от около 50 до 1500 об/мин.
Газ, поступающий в смесительный аппарат под давлением через газовый инжектор 1, подается на зубчатые ободы первой пары ротора и статора, где непосредственно подвергается высоким силам сдвига и среза, создаваемым зубчатой парой ротора и статора. Вращение роторов в каждой паре ротора и статора нагнетает поток продукта и пузырьки газа наружу через зазоры сдвига между зубьями ротора и зубьями статора, создавая локализованное интенсивное состояние сдвига. Высокие силы сдвига, действующие на поток продукта в зазорах сдвига между зубьями ротора и зубьями статора, через которые проходит текучая среда, обеспечивают гомогенизацию потока продукта и получение однородной аэрации продукта с мелкими пузырьками газа. Положение газового инжектора является важным фактором для эффективного включения газа в поток продукта, и преимущественно обеспечивает весьма однородное распределение газа в потоке продукта в выходном канале 80 продукта, по существу, с равномерным размером пузырьков газа. Аэрированный продукт выходит из смесительного аппарата 220 через полость 60 и выходной канал 80 продукта.
Преимуществом является то, что система настоящего изобретения позволяет обеспечить аэрированный продукт с эффективным включением газа в основной продукт, то есть очень высокие степени включения газа, другими словами взбитость. Например, смесительный аппарат изобретения позволяет обеспечить взбитость более 100%, даже более 200% или 300%. Как правило, может достигаться взбитость от 10% до 500%, например от 20% до 300%. Такая высокая степень взбитости достигается вместе с однородным распределением газа в продукте и узким распределением размера пузырьков газа.
Аппарат изобретения очень универсальный и позволяет выполнять «позднюю дифференциацию» производимых продуктов. Например, можно подготовить общую пищевую матрицу, которая подается в аппарат 300 через входной канал 100 продукта. Эта пищевая матрица проходит через аппарат 300, и в пищевую матрицу впрыскивается газ через газовый инжектор 1. Затем во вспененную пищевую матрицу через дополнительный входной канал 310 впрыскивается дополнительная композиция. Изменяя тип дополнительной композиции, можно легко изменить конечный продукт с использованием одной и той же пищевой матрицы и различных дополнительных композиций. Кроме того, смесь пищевой матрицы и дополнительной композиции подвергается дополнительному смешиванию при ее прохождении через пару 240 ротора-статора ниже по потоку относительно дополнительного входного канала 310. Это дополнительное смешивание гарантирует, что конечный продукт будет иметь однородный размер пузырьков.
В некоторых вариантах осуществления скорость сдвига изменяется в зависимости от продольного положения вдоль потока продукта. Например, скорость сдвига пропорционально зависит от скорости ротора, обратно пропорционально — от ширины зазора ротора-статора, и обратно пропорционально — от углового расстояния между двумя зубьями одного и того же ряда. Ширина зазора ротора-статора — это радиальное расстояние между рядом зубьев ротора и рядом зубьев смежного статора. Например, в некоторых вариантах осуществления скорость сдвига в первой ступени ротора-статора больше, чем скорость сдвига в последующей (-их) ступени (-ях). Этого можно достичь, например, путем уменьшения размера зазоров сдвига между зубчатыми ободами ротора и статора в следующих друг за другом наборах ротора и статора. В одном и том же аппарате могут иметь место несколько различных скоростей сдвига в зависимости от пар ротора и статора.
Поток аэрированного продукта поступает от последней пары 240 ротора и статора в полость 60 и выходит из смесительного аппарата через выходной канал 80 продукта. Преимуществом является то, что пространство 60 полости способствует более оптимальному увеличению в объеме и стабилизации аэрированного продукта. Количество пар роторов и статоров и размер выходной полости 60 могут быть при желании изменены в зависимости от степени аэрации, например измеренной в процентах взбитости. В некоторых вариантах осуществления может использоваться меньшее количество пар ротора и статора, например одна пара ротора и статора или две пары ротора и статора, а также может обеспечиваться пространство полости большего объема. В альтернативном или дополнительном варианте осуществления может быть обеспечена камера между двумя последовательными парами ротора и статора в направлении потока в смесительном аппарате.
Роторы и статоры можно снимать и заменять как модули, снимая сначала одну или сразу обе торцевые крышки. В данном случае роторы и статоры, которые подходят для конкретных операций на конкретных продуктах, могут быть вставлены в корпус 10 в зависимости от фактических нужд. В качестве примера распорное кольцо 316 ротора и распорное кольцо 314 статора можно снять и заменить парой ротора и статора, а пары ротора и статора могут иметь такие свойства как размеры, количество зубьев и рядов зубьев и их распределение и интервал, которые оптимизированы для данных ингредиентов и желаемых свойств конечного продукта.
Предпочтительно, чтобы в потоке продукта ниже по потоку от выходного канала 80 продукта смесительного аппарата был предусмотрен регулятор обратного давления (не показан). В некоторых вариантах осуществления регулятор обратного давления имеет форму диафрагменного клапана обратного давления, например клапана обратного давления с двумя диафрагмами. Однако предусматриваются другие подходящие регуляторы обратного давления. Преимуществом является то, что регулятор обратного давления позволяет регулировать давление в смесительной камере и обеспечивает стабильный поток продукта через смесительный аппарат. Если давление слишком низкое, то степень аэрации (взбитости) может снизиться, так как основа продукта не сможет сохранять аэрацию. Однако, если давление слишком высокое, газ может выдавливаться из продукта, что опять же приведет к сниженной степени аэрации. Желаемое давление в камере будет зависеть, помимо прочего, от продукта, подлежащего аэрации, и желаемой степени аэрации. Например, как правило, типичное рабочее давление в смесительном аппарате составляет от около 0,5 до около 15 бар.
Смесительный аппарат по данному изобретению может преимущественно использоваться для аэрации жидких и полужидких продуктов в широком диапазоне применений, например в пищевой и косметической промышленностях. Примером применения является аэрация жидких и полужидких пищевых продуктов, например, аэрация молочной продукции, кондитерской продукции, мороженого или других жидких и полужидких продуктов питания, при этом примеры впрыскиваемой жидкой или полужидкой дополнительной композиции включают карамель и шоколад при повышенной температуре, причем такие дополнительные составы могут впрыскиваться и охлаждаться аэрированным продуктом с образованием твердых частиц. Пара ротора-статора ниже по потоку будет затем дробить или измельчать дополнительную композицию, например, с образованием гранул с частицами, зернами или крошками в аэрированном продукте.
В других вариантах осуществления данное изобретение обеспечивает способ аэрации жидкого или полужидкого продукта, предпочтительно продукта питания, с использованием смесительного аппарата в соответствии с приведенным выше описанием.
Если числовые диапазоны или ограничения явно указаны, такие указанные диапазоны или ограничения следует понимать как включающие повторяющиеся диапазоны или ограничения подобной величины в пределах явно указанных диапазонов или ограничений (например, «от около 1 до около 10» включает 2, 3, 4, и т.д.; «более 0,10» включает 0,11, 0,12, 0,13 и т.д.). Использование более широких терминов, таких как «содержит», «включает», «имеет», и т.д., следует понимать как вспомогательные для более узких терминов, таких как «состоит из», «состоит, по существу, из», «содержит, по существу», и т.п.
Следует отметить, что варианты осуществления и признаки, описанные в контексте одного из аспектов или вариантов осуществления настоящего изобретения, также применимы к другим аспектам или вариантам осуществления настоящего изобретения.