Смесительно-взбивальная машина и способ производства бездрожжевого теста с её использованием
MIXING-WHIPPING MACHINE AND METHOD FOR THE PRODUCTION OF YEAST-FREE DOUGH USING IT

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности - к оборудованию хлебопекарного производства и может быть использовано для приготовления взбивного бездрожжевого теста.
Известна месильно-сбивальная машина, содержащая месильную камеру с крышкой, месильный орган с электродвигателем, устройство для выгрузки готового продукта. При этом месильная камера выполнена герметичной и снабжена рубашкой охлаждения, при этом нижняя часть камеры выполнена в форме полусферы, в верхней части которой проходит вал с насаженным на него месильным органом. Месильный орган установлен горизонтально с минимальным зазором относительно днища и представляет собой четыре полукольца, расположенные под углом 90° относительно друг друга. В крышку вмонтирован золотник для сброса избыточного давления, месильная камера сообщается с компрессором и ресивером, причем камера и электродвигатель закреплены на станине – RU 2457681 C2, 2010 г.
Недостаток известной машины состоит в том, что она предназначена только для периодического способа производства, при этом отсутствует возможность получать тесто с одинаковыми параметрами от замеса к замесу.
Известен гомогенизатор хлебного теста, содержащий корпус с загрузочным и разгрузочным отверстиями, размещённый в нём полый вал со шнеком, конец которого проходит через полый усечённый конус,  крыльчатку, разделительный конус и приспособление для удаления тестовой смеси, на полом валу с зазором закреплён посредством стержней диск с лопастями, размещённый у меньшего основания усечённого конуса, на внутренней боковой поверхности которого выполнены изогнутые канавки,  лопасти крыльчатки выполнены гребенчатыми и установлены с зазором по отношению к разделительному конусу – SU 1472018 A1, 1989 г.
Недостаток известного гомогенизатора состоит в том, что возможен только периодический способ производства, при этом невозможно получать тесто с постоянными параметрами от замеса к замесу,  а также отсутствует возможность дополнительного насыщения теста воздухом (газом) и его равномерного распределения.
Известна универсальная машина для обработки пищевых продуктов, содержащая установленный на основании барабан с загрузочным бункером, расположенным в нижней части выпускным патрубком  с заслонкой, шарнирно установленной торцовой крышкой с отверстием, через которое проходит вал с установленной на нём Г-образной лопастью и смонтированный над ней консольно установленный горизонтальный вал со сменными инструментами для размельчения, резания, замешивания, эмульгирования, и двигателем на основании. При этом заслонка выполнена в виде одной пластмассовой детали, изогнута по дуге окружности барабана, имеет горизонтальные выступы, расположенные в её нижней части по периметру. На выпускном патрубке имеются съёмные направляющие для установки в них горизонтальных выступов заслонки. Диаметр отверстий, выполненных в торцовой крышке и противоположной стенке барабана, существенно больше диаметров установленных в них валов,  а между валами и кромками отверстий размещены уплотнения скольжений -  SU 1607682 A3, 1990 г.
Недостаток известной универсальной машины состоит в том, что отсутствует возможность непрерывного способа производства и дополнительного насыщения массы воздухом (газом) и его равномерного распределения.
Наиболее близким аналогом является тестомесильная машина непрерывного действия, содержащая корпус и размещённые в нём на валу смесительный рабочий орган и пластифицирующий рабочий орган с лопастями. Пластифицирующий рабочий орган снабжен установленной на кольцевых эластичных элементах коаксиально валу втулкой,  на которой укреплены лопасти, а на корпусе смонтированы с возможностью поворота трапецеидальные лопатки, установленные между лопастями - SU 1024043 A, 1983 г.
Недостаток известной машины состоит в отсутствии возможности дополнительного насыщения и равномерного распределения воздуха (газа) в тесте.
В связи с указанными недостатками, техническая задача, решаемая изобретением, состоит в  создании машины непрерывного действия с возможностью получения бездрожжевого теста с равномерной пористостью и заданной плотностью (0,3 – 0,8 г/см³) за счет одновременного взбивания тестовой массы и ее дополнительного насыщения воздухом или газом.
Эта задача решена  в смесительно-взбивальной машине,  содержащей корпус с камерой смешения исходного продукта, загрузочным и разгрузочным патрубками и  ротор со взбивальными элементами,   соединённый с  приводным электродвигателем,  камера смешения содержит ряды взбивальных элементов, выполненных на внутренней поверхности  цельнометаллического статора и размещённые между ними с заходом ряды аналогичных взбивальных элементов на наружной поверхности полого,  цельнометаллического ротора,  в начале камеры смешения имеется патрубок сообщения с каналом подачи сжатого воздуха или газа,  в конце камеры смешения или в дополнительном перемешивающем устройстве,  установленном на выходе разгрузочного патрубка, имеется патрубок подачи солевого раствора, полость между корпусом и наружной поверхностью статора образует водяную рубашку, сообщающуюся с каналом подачи и каналом выпуска теплоносителя или хладагента, а внутренняя полость ротора образует водяную рубашку, сообщающуюся с каналом подачи и каналом выпуска теплоносителя или хладагента.
Кроме того, может быть предложено как конкретное выполнение отдельных частей смесительно-взбивальной машины, так и дополнение её устройствами, улучшающими  рабочие параметры:
- взбивальные элементы выполнены  в виде зубьев в форме или усечённой пирамиды,  или цилиндра, или параллелепипеда;
- ряды взбивальных элементов статора и ротора выполнены методом фрезерования в толще стенок статора и ротора или  выполнены методом механической обработки и закреплены или сваркой,  или плавкой, или напайкой;
- расстояние между верхними краями зубцов статора и противоположной им поверхностью ротора – не менее 1 мм, также расстояние между верхними краями зубцов ротора и противоположной им поверхностью статора – не менее 1 мм; .
- загрузочный патрубок содержит  насос  для подачи исходного продукта;
- используется дополнительное перемешивающее устройство шнекового типа;
-   снаружи корпуса размещено устройство очистки, дозирования и подачи воздуха или газа в камеру смешения через патрубок сообщения с каналом подачи воздуха или газа;
-   разгрузочный патрубок соединён  с камерой смешения через конусный фланец,  полость между корпусом и наружной поверхностью конусного фланца образует водяную рубашку, сообщающуюся с каналом подачи и каналом выпуска теплоносителя или хладагента;
-   разгрузочный патрубок снабжён устройством  противодавления;
- на валу ротора установлено торцевое уплотнение для предотвращения выхода продукта по валу;
- снаружи корпуса размещены два устройства теплообмена, сообщающиеся с соответствующими каналами подачи  и выпуска теплоносителя или хладагента водяной рубашки статора или ротора через соответствующие патрубки;
- камера смешения содержит дополнительные патрубки для внесения дополнительных ингредиентов;
- дополнительно введено устройство  управления  и  мониторинга.
На фиг. 1 приведён общий вид смесительно-взбивальной машины, на фиг. 2 показан фрагмент рядов взбивальных элементов камеры смешения.
Смесительно-взбивальная машина содержит  корпус 1 с камерой смешения 2 исходного продукта, загрузочным патрубком 3 и разгрузочным патрубком 4. Внутри корпуса 1  размещён статор 5 и ротор 6. Статор 5 выполнен цельнометаллическим, в толще его внутренней поверхности выполнены  ряды взбивальных элементов в виде зубцов 7 в форме или усечённой пирамиды, или цилиндра, или параллелепипеда.  Аналогичные ряды взбивальных элементов – зубцов 7 -  выполнены на наружной поверхности на полом, цельнометаллическом роторе 6, соединённом с  приводным электродвигателем 8.
Ряды зубцов 7 на статоре  5 выполнены с шагом, позволяющим размещению между ними с заходом аналогичных рядов зубцов 7, размещённых на роторе  6  (фиг. 2). Ряды взбивальных элементов – зубцов 7 статора 5 и ротора 6 могут быть выполнены методом фрезерования в толще стенок статора и ротора.
Для получения максимального эффекта взбивания, при заходе рядов зубцов 7  статора  5 и ротора  6, расстояние между краями зубцов статора  5 и поверхностью ротора 6 должно быть  не менее 1 мм, расстояние между краями зубцов ротора  6 и поверхностью статора  5 также  должно быть  не менее 1 мм (фиг.2). Это расстояние может быть увеличено в зависимости от плотности тестовой массы до взбивания и желаемой плотности теста на выходе.
Геометрическая форма взбивальных элементов – зубцов 7 - в виде или усечённой пирамиды, или цилиндра, или параллелепипеда, размещённых с заходом верхних и нижних друг в друга, а также – минимальное расстояние  между краями зубцов ротора  6 и статора  5 и соответствующей им противоположной поверхностью (не менее 1 мм),  позволяет увеличить объём взаимодействия  зубцов 7  с исходным  продуктом,  уменьшая до минимума  пространство,  в котором  взбивания не  происходит.
Форма зубцов была определена опытно-экспериментальным путем.
На валу ротора 6 установлено торцевое уплотнение для предотвращения выхода продукта по валу (не показано).
3
На машине установлено устройство 9 очистки, дозирования и подачи,  через патрубок 10, сжатого воздуха или газа, который проходит двухступенчатую подготовку (очистку),  посредством фильтра и субмикрофильтра со встроенным предфильтром. Данная система обеспечивает очистку подаваемого сжатого воздуха класса  “0” согласно ГОСТ 17433-80 “Сжатый воздух. Классы загрязнённости”. Таким образом в камеру смешения 2 через патрубок 10 сообщения с каналом подачи сжатого воздуха    подаётся воздух, очищенный от воды и масла, с фильтрацией  твёрдых частиц размером более 0,01 мкм и содержанием посторонних примесей не более 0,001 мг/м.
росы
3
На вход смесительно-взбивальной машины рекомендуется подавать сжатый воздух после магистрального фильтра и осушителя, обеспечивающих предварительную очистку сжатого воздуха класса  “4” согласно ГОСТ 17433-80 “Сжатый воздух. Классы загрязнённости”: твёрдые частицы - до 3 мкм, влага - t≤+10°С, масло - не более 5мг/м.
Кроме сжатого воздуха,  может быть использован газ:  или углекислый, или азот, или кислород.
Для подачи и выхода продукта имеются загрузочный патрубок 3 и разгрузочный патрубок  4. Патрубок 3, для удобства и равномерности подачи исходного продукта,  содержит регулируемый винтовой насос (не показан).   Разгрузочный патрубок 4 соединён  с камерой смешения 2 через конусный фланец 11.  Эта форма позволяет плавно перетекать взбитому тесту в разгрузочный патрубок 4.
Полость между корпусом  1 и наружной поверхностью статора 5 образует водяную рубашку 12 для поддержания заданной температуры при изготовлении теста.  Для этого снаружи корпуса 1 размещены два устройства 13 теплообмена, сообщающиеся с соответствующими каналами подачи  и выпуска теплоносителя или хладагента водяной рубашки 12 статора 5 через соответствующие патрубки 14, 15.
Внутренняя полость ротора  6 образует водяную рубашку 16 для охлаждения ротора и содержит патрубки 17, 18  для подвода и отвода теплоносителя или хладагента.
Полость между камерой смешения 2 и внешней поверхностью конусного фланца 11 образует водяную рубашку 19, сообщающуюся с каналом подачи и каналом выпуска теплоносителя или хладагента через соответствующие патрубки 20, 21.
Разгрузочный патрубок  4, для регулирования внутреннего давления,  снабжён устройством противодавления 22, которое может представлять собой диафрагму,  выполненную в виде эластичной трубки, при изготовлении которой может быть использован любой эластомерный материал.
Загрузочный патрубок 3 содержит насос 23 для подачи исходного продукта.
Камера смешения 2 содержит патрубок 24 подачи солевого раствора, а также – дополнительные патрубки 25 для внесения дополнительных ингредиентов при производстве хлеба с различными добавками.
Смесительно-взбивальная машина, кроме ручного управления оператором с пульта управления, может быть оснащена устройством  управления  и  мониторинга 26.
Работа смесительно-взбивальной машины осуществляется следующим образом.
Статор  5 приводится во вращение электродвигателем 8 через муфту.
Подача воздуха или газа  в камеру смешения 2 осуществляется  через патрубок 10 сообщения с каналом подачи воздуха или газа или вручную, или автоматически  от устройства управления и мониторинга 26.
От устройств 13 теплообмена осуществляется подвод теплоносителя или хладагента к патрубкам 14, 17 водяной рубашки 12 статора 5  и  водяной рубашки 16 ротора 6.
Также осуществляется подвод теплоносителя к патрубку 20  водяной рубашки 19 конусного фланца 11.
Далее управление осуществляется или вручную или в автоматическом режиме  с операторской панели устройства управления и мониторинга 26, с которой также  контролируется  скорость вращения ротора 6 со взбивальными элементами – зубцами 7.
Показатели подачи воздуха  при автоматическом управлении  отображаются на панели управления.
Исходный продукт – тесто из перемешивающего устройства 27 шнекового типа, подаётся непрерывно  регулируемым винтовым насосом через загрузочный  патрубок  3 в смесительную зону – пространство размещения взбивальных элементов – зубцов 7.
В смесительной зоне взбивальными элементами производится взбивание  (насыщение воздухом) и перемешивание смеси до получения на выходе массы с необходимой плотностью.
Установка в разгрузочном патрубке  4 устройства противодавления 22 позволяет взбивать в машине тесто различной плотности:  при загрузке теста меньшей плотности воздух подаётся  в устройство противодавления 22, сжимая его и уменьшая его объём,  вследствие чего внутреннее давление рабочей камеры повышается и в результате плотность продукта на выходе увеличивается.
Таким образом, за счёт предлагаемой конструкции смесительно-взбивальной машины осуществляется возможность получения бездрожжевого теста с равномерной пористостью и заданной плотностью за счет одновременного взбивания тестовой массы и ее дополнительного насыщения воздухом или газом.
Рассмотрим известные способы производства бездрожжевого теста.
Известен способ производства хлеба из сбивного теста,  включающий процессы перемешивания теста, сбивания теста, деления теста на порции заданного веса и выпечки хлеба. Процесс деления проводят после завершения процесса перемешивания, перед процессом сбивания. Процесс сбивания проводят отдельно для каждой порции теста. После чего осуществляют выпечку хлеба из сбивного теста. Процессы перемешивания и сбивания теста могут проводиться устройствами, предпочтительно предназначенными для проведения процессов перемешивания и сбивания, соответственно. Процесс сбивания может проводиться под давлением не менее 0,3 МПа с последующим снижением давления до атмосферного с регулируемой скоростью. При этом снижение давления до атмосферного производят до вывода сбивающего устройства из теста или после вывода сбивающего устройства из теста  – RU 2475028 C1, 2011 г.
Недостатком известного способа является периодичность, многостадийность  процесса, сложность технической реализации, сравнительно низкая производительность.
-1
-1
Известен способ производства сбивного бездрожжевого хлеба, в котором промытое, высушенное нешелушенное зерно пшеницы измельчают в муку, просеивают, замешивают тесто из муки цельносмолотого зерна пшеницы, ферментного препарата «GC-106» в количестве 0,008-0,012% к массе муки, лимонной кислоты с дозировкой 0,18-0,22% к массе муки, соли поваренной пищевой в количестве 0,7-1,3% к массе муки и воды питьевой. Замес теста осуществляют в два этапа: на первом этапе  все рецептурные компоненты перемешивают в сбивальной камере при частоте вращения месильного органа 3,34-6,67 с в течение 8-10 мин, при температуре 45-55°C, на втором этапе в камеру подают атмосферный воздух под давлением 0,35-0,45 МПа и осуществляют сбивание теста в течение 6-10 мин при частоте вращения месильного органа 5-8,34 с, по завершении процесса сбивания формуют тестовые заготовки массой 0,25 кг при рабочем давлении, выпечку проводят при температуре 250±2°C -  RU 2439997 C1, 2012 г.
Недостатком известного способа является периодичность, многостадийность  процесса,  сравнительно низкая производительность.
-1
-1
Наиболее близким аналогом является способ производства сбивного бездрожжевого хлеба из муки цельносмолотого зерна пшеницы, характеризующийся тем, что промытое, высушенное нешелушенное зерно пшеницы измельчают в муку, просеивают, замешивают тесто из муки цельносмолотого зерна, лимонной кислоты, пищевой поваренной соли и питьевой воды, причем замешивание теста осуществляют в сбивальной камере при частоте вращения месильного органа 15 с в течение 5-15 мин, затем в камеру подают воздух под давлением 0,4 МПа и осуществляют сбивание теста при температуре 20°С в течение 6-12 мин при частоте вращения месильного органа 20 с, по завершении процесса сбивания формуют тестовые заготовки массой 0,25 кг под рабочим давлением 0,4 МПа и производят выпечку при температуре 228-232°С в течение 45 минут  - RU 2364087 C1, 2009 г.
Недостатком  способа - прототипа является то, что при изменении рецептуры или влажности теста производят повторную загрузку компонентов с последующей регулировкой давления и скорости месильного органа, после этого производят выгрузку и определяют качество теста, в случае неудовлетворительных результатов загрузку производят повторно.   К недостаткам  относится также то, что загрузку всех компонентов, в том числе – соли,  влияющей на свойства клейковины, производят одновременно, что ухудшает взбиваемость  теста.
Основным недостатком всех описанных известных способов  является снижение качества взбивного теста, увеличение энергоемкости и снижение производительности производства из-за проведения процессов перемешивания и взбивания в одном аппарате с использованием для процесса взбивания того же перемешивающего устройства, что использовалось для проведения процесса перемешивания. Но процессы перемешивания и взбивания имеют разные цели: в процессе перемешивания смешивают сухие ингредиенты с жидкими с получением гомогенной тестовой массы, а в процессе взбивания насыщают предварительно полученную гомогенную массу теста воздухом. В предлагаемом способе увеличение производительности и стабильность качества достигаются, прежде всего,  за счет того, что процесс предварительного перемешивания ингредиентов до образования гомогенной массы проводят отдельно в устройстве,  для этого предназначенном. А загрузку тестовой массы в камеру  смешения  взбивального устройства  и взбивание теста под давлением проводят непрерывно при определенных параметрах давления сжатого воздуха и скорости вращения взбивальных  элементов.
В соответствии с указанными недостатками  аналогов, техническая задача, решаемая  способом, заключается в повышении качества взбивного теста, снижении энергоёмкости и повышении производительности путём  проведения процесса взбивания непрерывно и в отдельном аппарате,  имеющем высокие характеристики, необходимые при взбивании теста.
Эта задача решена в способе производства бездрожжевого теста,  при котором замешанную тестовую массу из муки различных сортов, питьевой воды  и пищевой поваренной соли обрабатывают  в камере смешения при подаче сжатого воздуха, при этом, тестовую массу  предварительно замешивают в отдельном перемешивающем устройстве с последующей подачей её  в камеру смешения вышеописанной смесительно-взбивальной машины, тестовую массу взбивают при температуре 18-30°С,   числе оборотов ротора от 40 до 1000 об/мин, сжатый воздух или газ подают под давлением 0,1 - 0,6 МПа, пищевую поваренную соль в виде солевого раствора добавляют в количестве, соответствующем рецептуре,  через патрубок подачи солевого раствора, а выгрузку готового теста осуществляют непрерывно через разгрузочный патрубок.
В частных случаях применения способа, производят обработку тестовой массы влажностью 52-58%.
Также возможно для получения  хлеба с различными добавками внесение  при  взбивании тестовой массы дополнительных ингредиентов, например,  лимонной кислоты, ароматизаторов, красителей.
Способ производства бездрожжевого теста осуществляется следующим образом.
После подготовки к работе вышеописанной смесительно-взбивальной машины –
включения  привода вращения статора  5, подвода теплоносителя или хладагента к водяным рубашкам статора 5, ротора 6 и конусного фланца 11, исходный продукт – тестовая масса необходимой рецептурной смеси  из дополнительного перемешивающего устройства 27 шнекового типа, подаётся непрерывно  насосом в смесительную зону – пространство размещения взбивальных элементов – зубцов 7.
Через патрубок 10 подачи воздуха или газа  в камеру смешения 2 осуществляется  подача воздуха или газа.
Благодаря большому количеству взбивальных  элементов – зубцов 7 -  взбивание происходит таким образом, что тестовая масса  полностью насыщается воздухом и становится гомогенной по структуре и плотности.
В  процессе взбивания  добавляют солевой  раствор (раствор пищевой поваренной соли) через патрубок 24  в количестве, соответствующем рецептуре.   Как вариант, солевой раствор может подаваться в дополнительное перемешивающее устройство,  установленное на выходе разгрузочного патрубка 4 (не показано).
Через разгрузочный патрубок  4 готовая взбитая тестовая масса подаётся  в формы для выпекания.
В Таблице 1 приведены три варианта рецептур теста,  которые могут быть использованы  при  производстве по предлагаемому способу.
Тестовую массу приготовляют из муки различных сортов  по
ГОСТ Р 52189 – 2003 «Мука пшеничная. Общие технические условия» и
ГОСТ Р 52809 – 2007 «Мука ржаная хлебопекарная. Технические условия».
В Таблице 2 приведены параметры смесительно-взбивальной машины, позволяющие получить исходный продукт высокого качества для указанных в Таблице 1 рецептур.
Таблица 1
Наимено-вание компонентов
Рецептура 1(мука первого сорта)
Рецептура 2(мука цельно-смолот. зерна пшеницы)
Рецептура 3(мука высшего сорта)
Мука, кг
7
7
7
Вода, кг
5,5
6,027
6,620
Соль, кг
0,105
0,105
0,105
Влажность теста, %
52
54
56
Таблица 2
Наименование параметров
Рецептура 1
Рецептура 2
Рецептура 3
Температура взбивания, <sup>о</sup>С
18
20
30
Плотность теста на выходе, г/см<sup>3</sup>
0,4
0,5
0,6
Число оборотов ротора, об/мин
40-200
200-500
500-1000
Давление воздуха,  МПа
0,1
0,51
0,6
Расход воздуха л/мин
7
5
6
Противодавление, МПа
0,35-0,46
0,35
0,44
Диапазон температуры взбивания тестовой массы – 18-30°С,  обусловлен реологическими свойствами теста в данном диапазоне.  Снижение температуры ниже 18°С не позволяет получить тесто необходимой плотности,  а её повышение сверх 30°С приведёт к перегреву теста при взбивке и отсутствию мелкопористой структуры теста.
Число оборотов ротора от 40 до 1000 об/мин  зависит от хлебопекарных свойств муки и связано с   обработкой тестовой массы различной влажности:  при числе оборотов  ниже 40 об/мин  не произойдёт взбивания тестовой массы до заданной плотности на выходе,  превышение  числа оборотов  сверх 1000 об/мин приведёт к нарушению структуры теста.
Давление подаваемого в камеру смешения 2 сжатого воздуха или газа - 0,1 - 0,6 МПа - так же, как и вышеуказанные параметры, связано с   обработкой тестовой массы различной влажности.  Снижение давления ниже 0,1 МПа приведёт к получению теста с высокой плотностью (более 0,8 г/см³), его повышение сверх 0,6 МПа  приведёт к образованию в тесте крупных пор и пустот.
Так как в течение всего процесса  осуществляется непрерывный мониторинг и регулировка параметров, при нарушении установленного для данного режима давления,   его изменение в камере смешения  2 производится устройством  противодавления  22.
В предлагаемом способе регулировку параметров и качество выходящего теста определяют непрерывно. Разработана  автоматическая система управления приготовлением  взбивного теста, которая позволяет отслеживать текущие значения всех режимных параметров, автоматически поддерживать их на установленном уровне или изменять в соответствии с предусмотренным алгоритмом управления, чем достигается высокая производительность процесса,  высокое  и стабильное качество  теста,  имеющего равномерную и мелкопористую структуру.