Спосіб механічної обробки суміші компонентів для виготовлення кондитерський емульсій

Спосіб механічної обробки суміші компонентів для виготовлення кондитерських емульсій, який передбачає перемішування, диспергування і розчинення компонентів у гідродинамічному режимі, який відрізняється тим, що суміш компонентів завантажують у закриту посудину з робочими орга 38456 нтрово-гравітаційному полі з накладеною поперечною вібрацією, а у верхній зоні диспергована у газовій фазі на краплі і струмені суміш оброблюється в режимі перехресно-зустрічної взаємодії внаслідок інерційних сил потоків, інтенсивність відцентрового поля характеризується числами Фруда в межах 90...95, порції суміші неперервне і інтенсивно обмінюються між зонами, внаслідок чого процеси перемішування, диспергування і розчинення компонентів здійснюються одночасно протягом 15...18 хв. Причинно-наслідковий зв'язок між запропонованими ознаками та очікуваними технічними результатами буде у тому, що у зоні перехреснопрямотечійної взаємодії потоків суцільного рідкого середовища з накладеною поперековою вібрацією створюється активна взаємодія компонентів емульсії, швидке розчинення цукру, інтенсивне дробіння жирової фази на кульки малого розміру і рівномірний розподіл нерозчинних компонентів; у зоні перехресно-зустрічної взаємодії диспергованих у газовій фазі на краплі і струмені потоків, цей процес продовжується і посилюється, а постійний інтенсивний обмін речовиною між вказаними двома зонами забезпечує рівномірну обробку всього об'єму середовища і запобігає утворенню застійних зон необробленого продукту у закутках апарату. Накладення поперекової вібрації на спрямований рух продукту призводить до створення інтенсивних пульсацій, які руйнують пограничний шар біля поверхні взаємодії фаз рідина-рідина і рідинатверде тіло, сприяючи одночасному диспергуванню і розчиненню компонентів. Тісна інтенсивна взаємодія компонентів вимагає більш інтенсивного, ніж у відомих способах, введення енергії, проте при цьому значно зменшується тривалість виготовлення емульсії і загальна витрата енергії на здійснення процесу виготовлення емульсії зменшується. Зменшенню загальної витрати енергії в процесі швидкого виготовлення емульсії сприяє також те, що в'язкість емульсії збільшується поступово і протягом короткого часу виготовлення не встигає досягти високих значень, які вимагають значного збільшення витрат енергії. На зменшення енергетичних витрат впливає також знайдене експериментальне оптимальне співвідношення між об'ємами зон різної взаємодії потоків. Одночасне виконання операцій розчинення (цукру) і диспергування (кульок жирової фази) дозволяє провести значну частину операції диспергування в умовах, при яких цукор ще не встиг розчинитись і в'язкість суміші не встигла зрости до значень, коли вона починає відчутно впливати на збільшення витрати енергії. Проте такий перебіг процесу можливий лише за умови досягнення певної межі інтенсивності дії робочих органів на продукт, при якій створюються досить потужні потоки, які руйнують пограничні шари біля кристалів цукру. У разі недостатньої інтенсивності впливу робочих органів на продукт, кристали цукру покриваються плівкою жирової фази і цукор перестає розчинятись у водній частині суміші, внаслідок чого поєднання операцій розчинення і диспергування стає неможливим: спочатку потрібно розчинити цукор у воді, потім у розчин додати жирові компоненти і виконати операцію диспергування. Висока інтенсивність дії робочих органів призводить до створення активних турбулентних пульсацій, які руйнують жирову плівку, внаслідок чого кристали цукру розчиняються практично незалежно від наявності жирової фази у суміші для приготування емульсії. Створити активні турбулентні пульсації можна шляхом значного підвищення частоти обертання робочих органів, але це призведе до сильного зростання витрати енергії, яка, як відомо, збільшується пропорційно кубу частоти обертання. Крім цього, енергія, введена у продукт шляхом збільшення обертів, швидко перетворюється у теплову і приводить до перегрівання продукту. З метою зниження зростання витрат енергії і більш доцільного її використання запропоновано на обертовий рух продукту накладати поперечні вібрації, створивши, таким чином, зону перехресно-прямотечійної взаємодії рідких потоків у відцентровогравітаційному полі з накладеною поперековою вібрацією. Над цією зоною внаслідок розбризкування рідини інтенсивно працюючими робочими органами, які частково виступають вище рівня суміші, створюється зона диспергованих у газовій фазі крапель і струменів, які взаємодіють у перехреснозустрічному напрямку: краплі і струмені, відбиті від твердої поверхні, повторно роздроблюються при зустрічі з потоками, які відкидаються робочими органами. Неперервний інтенсивний обмін речовиною між цими двома зонами сприяє кращому перемішуванню і рівномірній обробці продуктів у апараті, заважає осіданню частинок твердої фази і прискорює їх розчинення. Спосіб механічної обробки суміші компонентів для виготовлення кондитерських емульсій здійснюється таким чином. Суміш компонентів, що входять у склад рецептури емульсії, завантажується в апарат, обладнаний робочими органами, розміщеними, наприклад, на горизонтальному валу. Рівень суміші не повинен повністю перекривати верхньої частини робочих органів. При обертанні робочих органів виникає відцентрова сила, внаслідок чого суміш захвачується ними і рухається в зазорах між робочими органами в тангенціальному напрямку і одночасно у радіальному напрямку, відстаючи від колової швидкості обертання робочих органів. Створюється рух рідкої робочої суміші по спіралі, закрученій у бік, протилежний напрямку обертання робочих органів. На спіральний рух потоку у відцентровогравітаційному полі накладається вібрація, яка може бути створена як за допомогою застосування окремих віброгенеруючих пристроїв так і шляхом профілювання робочих органів, що використовуються для створення відцентрового поля. З метою посилення інтенсивності перехресної взаємодії потоків використовуються поперекові вібрації, які у зазначеному прикладі повинні накладатись у аксіальному напрямку перпендикулярно площині дії відцентрової сили. Взаємодія спірального і відцентрового рухів приводить до посилення пульсацій між прилеглими шарами рідкої суміші і утворення інтенсивних турбулентних струменів і завихрювань, які поши 2 38456 і у випадку приготування емульсії характеризує її дисперсність. Критерій Фруда є загально визнаним безрозмірним параметром, який характеризує інтенсивність дії робочих органів у гравітаційно-відцентровому полі апаратів різних конструкцій. Він показує, у скільки разів відцентрове прискорення, визване дією робочих органів, перевищує прискорення сил тяжіння. Наприклад, при частоті обертання робочих органів n = 900 об/хв, радіусом R = = 0,1 м, число Фруда Fr = 4n2·R = 4(900/60)2·0,1 = = 90. Значення чисел Фруда, при яких забезпечується ефект прискореного приготування емульсії, встановили експериментальне шляхом визначення часу приготування емульсії для печива "Привіт". Різні значення чисел Фруда одержували шляхом зміни частоти обертання робочих органів, радіус яких був постійним R = 0,1 м. В усіх дослідах на відцентрово-гравітаційне поле накладались поперечно-пульсаційні коливання синусоїдальної форми амплітудою 7 мм і частотою 60 Гц. Готовність емульсії спочатку оцінювали органолептичне шляхом розтирання мазка готової емульсії між пальцями на визначення відсутності у ній твердих частинок, потім перевіряли на стійкість за показником відсутності розшарування, витримуючи емульсію у мірному циліндрі протягом 10 діб при температурі 20°С. Результати випробувань приготування емульсії приведені у таблиці 1. Таблиця 1 рюються на весь потік. Струмені різної інтенсивності, ініційовані сусідніми елементами робочих органів, перетинаються під різними кутами, вступаючи в інтенсивну перехресно-прямотечійну взаємодію в зоні суцільних рідких потоків у зазорах між робочими органами. У верхній частині апарата частина закрученого потоку рідини відривається від країв робочих органів і роздроблюється на краплі і окремі струмінці, які відкидаються на внутрішні поверхні корпусу і кришки закритої посудини. Після удару об ці поверхні, частина рідини розтікається на них і стікає вниз, повертаючись у зону взаємодії потоків у відцентрово-гравітаційному полі з накладеною вібрацією. Інша частина рідини відбивається від поверхні апарата, розбризкується і, рухаючись по інерції у вигляді крапель і струменів, частково падає на робочі органи, а частково у своєму польоті вступає в зіткнення з краплями і струменями, що відірвались від робочих органів, внаслідок чого утворюється зона перехресно-зустрічної взаємодії диспергованих у газовій фазі на краплі і струмені потоків. В об'ємі кожної зони і між зонами відбувається інтенсивний постійний обмін речовиною, перемішування і взаємодія потоків продукту, внаслідок чого підвищується ефективність приготування емульсії. Енергетичні витрати на приготування емульсії знижуються за рахунок використання явища відбивання крапель і струменів від внутрішніх поверхонь верхньої частини апарата. Спеціальні канали, пристрої або трубопроводи, які спрямовують рух окремих потоків рідини і вимагають додаткових витрат енергії, при цьому не застосовуються. Внаслідок інтенсивного неперервного обміну речовиною між зонами досягається однакова інтенсивність обробки всього об'єму продукту в апараті без утворення застійних зон, виключається можливість осідання частинок твердої фази і затримки їх розчинення. Основним завданням приготування емульсії для цукрових сортів печива є розчинення цукру і диспергування твердої фази. У разі інтенсивного приготування емульсії запропонованим способом розчинення цукру, як правило, завершується раніше, ніж диспергування і рівномірний розподіл жирової фази. Діаметр жирових кульок dk, одержаних при дробінні, є функцією фізико-хімічних властивостей суспензії: як її середньої густини r, в'язкості m і поверхневого натягу s на міжфазній поверхні жирвода, а також функцією створених робочими органами динамічних зусиль, інтенсивність яких залежить від частоти обертання n і радіуса R робочих органів, тобто dк = f(r, m, s, n, R). Фізико-хімічні показники емульсії для цукрових сортів печива змінюються в досить вузькій зоні (r = 1150±100 кг/м3; m » 1,2±0,4 Па·с; s = 0,039±0,033 Н/м), тому вплив зміни цих показників на процес дробіння жирових кульок незначний. Із параметрів n і R, що залишились, з урахуванням прискорення сили тяжіння g, шляхом аналізу розмірностей одержуємо відцентровий критерій Фруда, який дорівнює: Частота обертання органів n, об/хв. 840 855 870 885 900 915 930 945 960 Значення Час приго- Зростання числа тування потужності, Фруда, Fr емульсії, t, % хв 78,4 21 81,2 19 84,1 17 87,0 16 90,0 15 100 93,0 15 105 96,1 14 110 99,2 14 116 102,4 14 121 У четвертому стовпчику таблиці 1 подані розрахункові величини зростання потужності на перемішування, виходячи із положення, що потужність зростає пропорційно кубу числа обертів. За 100% прийнята потужність при n = 900 об/хв, Fr = = 90. Із таблиці випливає, що прискорене приготування емульсії характеризується числом Фруда Fr = 90. При подальшому збільшені числа Фруда час приготування емульсії скорочується уповільненим темпом, а витрати енергії зростають інтенсивно. Враховуючи технічні похибки, можливість коливань напруги в електромережі та з метою забезпечення надійності приготування емульсії вважаємо доцільним рекомендувати інтервал чисел Фруда від 90 до 95. При цьому час приготування досліджуваної емульсії становить близько 15 хв. Слід відзначити, що рецептури кондитерських емульсій для різних сортів печива передбачають широкий діапазон вмісту цукру: від 20 до 80 г на Fr = 4p2n2R/g » 4n2R 3 38456 100 г водної фази в емульсії. Розчинність цукру в воді при температурі приготування емульсії 36°С становить 76 г на 100 г водної фази, тому в деяких рецептурах емульсії цукор повністю не розчинюється. У цих випадках для гарантованого рівноважного розчинення цукру час приготування емульсії доцільно збільшувати на 3 хв. Таким чином, час приготування емульсій становить 15...18 хв. Частка вкладу кожної зони у процес приготування емульсії і загальна ефективність процесу залежить від співвідношення між об'ємами зон. У зоні перехресно-прямотечійної взаємодії суцільних рідких потоків у відцентрово-гравітаційному полі з накладеною вібрацією об'ємом V1, порівняно з зоною взаємодії потоків, диспергованих у газовій фазі об'ємом V2, внаслідок більшої густини суцільної рідкої фази створюються більш інтенсивні і більш концентровані в одиниці об'єму дотичні напруження, які приводять до прискорення розчинення твердої фази і диспергування рідкої фази. У зоні потоків, диспергованих у газовій фазі, взаємодія між краплями і струменями відбувається лише під час їх зіткнення та ударів об поверхню, частота яких в одиницю об'єму менша, ніж частота елементарних взаємодій потоків у рідкій фазі. Внаслідок цього, вклад зони суцільної рідкої фази у процес приготування емульсії переважає, і об'єм цієї зони для інтенсифікації процесу повинен бути більшим. Проте при занадто великій частці об'єму суцільної фази може відбуватися закручення і обертання рідини разом з робочими органами та інші негативні явища, які приведуть до зменшення загальної ефективності процесу в апараті. Таким чином, існує оптимальне співвідношення між об'ємами зон V1/V2, яке встановлюється експериментальне. Досліди проведені на прикладі приготування емульсії для печива "Привіт", ефективність приготування емульсії визначали за відсотковим вмістом у ній жирових кульок, діаметр яких перевищував 30 мкм. Чим менша відносна кількість великих жирових кульок, тим вища дисперсність і стійкість емульсії. Час приготування емульсії в усіх випадках дорівнював 15 хв, число Фруда Fr = 90, емульсія зберігалась, не розшаровуючись при температурі 20°С, протягом 10 діб. Відношення об'ємів зон змінювали шляхом зміни рівня емульсії в апараті. Результати досліджень наведені в таблиці 2. Таблиця 2 відношення об'ємів зон, V1/V2 вміст жирових кульок більших за 30 мкм, e, % відношення об'ємів зон, V1/V2 вміст жирових кульок більших за 30 мкм, e, % 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,00 8,2 7,4 7,4 7,5 7,6 7,6 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25 4,50 7,4 7,2 7,6 7,4 7,5 7,7 Подані у таблиці 2 результати досліджень свідчать про незначний вплив відношення об’ємів зон у дослідженому діапазоні на ефективність диспергування емульсії, але все ж дозволяють встановити оптимальний діапазон зміни цієї величини. Нижньою межею зміни відношення об'ємів зон V1/V2 доцільно прийняти значення 2,5. У цьому випадку приймаємо до уваги два фактори. Перший це те, що при зниженні значень V1/V2 менше 2,5 кількість жирових кульок діаметром більше 30 мкм починає зростати, тобто ступень дисперсності емульсії знижується. Другим фактором є те, що зменшення відношення V1/V2 означає збільшення частини об'єму посудини, не заповненої у спокійному стані сумішшю компонентів, тобто зменшення відношення V1/V2 при заданому об'ємі суміші, приводить до збільшення розмірів апарата, що недоцільно. Верхню межу зміни V1/V2 приймаємо рівною 4,0, враховуючи зафіксоване у дослідах зростання потужності після досягнення цього значення. При збільшенні V1/V2 ремінь на шківу приводного пристрою робочих органів при недостатній натяжці починав пробуксовувати, в установці з’являлись вібрації. Таким чином, діапазоном відношення об'ємів зон є 2,5£ V1/V2£4,0. Відомо [1], що на обертання робочих органів у апаратах з мішалками витрачається потужність N = KNrn3d5, де KN - коефіцієнт потужності. Тому, для реалізації рекомендованих значень числа Фруда слід намагатись збільшувати частоту обертання і зменшувати діаметр робочих органів. Література: 1. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах. - Л:. Химия, 1984. – 336 с. 4 38456 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5