用于食物产品充气的设备和方法与流程

本发明涉及用于食物产品充气的设备，以及涉及用于食物产品充气的方法。

背景技术：

对液体和半液体产品充气的最常见的工业应用方法是基于机械充气的。市场上现有的用于食物产品充气的商用机器的示例是诸如由Mondomix^TM制造的机器。可商购获得的机器在它们的设计上有所不同，但其操作原理大体相似。可商购获得的Mondomix^TM机器的混合设备是转子-定子型混合设备，其包括覆有金属钉的不锈钢转子轴，该转子轴配合进在其内部也具有钉的壳体内。装配时，轴上和设备内部的钉互相啮合，在产品流上提供剪切力。液相和气相在进入混合设备之前合并。混合设备将大的气泡机械分解成捕集在食品基质中的非常小的气泡。气泡大小是决定产品属性的要素。在WO 91/07221 A1、GB 888 264 A和DE 31 27 684 A1中描述了这种机器。

WO 2013/068426 A1公开了一种用于食物产品充气的装置，其包括具有至少一组转子-定子组合的混合头。每个转子-定子组合包括转子和定子，转子和定子具有在轴向方向上相对取向的互补带齿轮缘。设置了入口盖，其具有用于接收待充气的产品的产品入口开口以及布置在其上并且横穿所述入口盖的气体注入器，使得所述气体注入器的头部位于由所述入口盖和第一转子-定子组限定的顶部空间中。该装置不允许将几种组合物混合在一起并充气。

DE 297 09 060 U1涉及一种构造套件，其用于构造装置，该设备用于将气体、流体和/或固体连续分散并混合进作为流体基质的流体相中。

NL 1009069 C2涉及一种用于液体产品连续发泡的发泡装置，该发泡装置设置有发泡室，用于液体产品的入口和用于发泡产品的出口与之连接，其中，除此之外，提供气体或空气进料，使所述液体与所述气体或空气在该发泡装置中混合以形成发泡产品，并且其中设置用于供应液体产品的泵。

可商购获得的系统的缺点包括设备的模块性的限制，例如，关于不同流体的入口和/或所获得的气泡的大小，等等。

此外，这类系统在食物产品的均匀混合和充气方面受到限制。

本发明的目的是提供克服已知商用系统的一个或多个缺点的用于食物产品充气的设备和方法。

提供节省成本、灵活、紧凑且适用于工业规模的设备将是有利的。

提供可产生液体或半液体食物产品的稳定、均匀充气的设备将是有利的。

提供夹杂有可食用的颗粒、碎片或微粒的充气可食用产品将是更有利的。

因此提供能够制备夹杂有可食用的颗粒、碎片或微粒的充气可食用产品的设备也是有利的。

技术实现要素：

本发明人已经开发出实质上不同的设备和方法来获得充气食物产品，特别是夹杂有可食用的颗粒、碎片或微粒的充气食物产品，诸如慕斯。

在一个方面中，提供了一种用于对食物产品充气的设备，所述设备包括壳体，所述壳体具有用于待充气的食物产品的入口和用于经充气的食物产品的出口，以及，在所述壳体内包括：多个转子-定子对，其中每个转子-定子对具有在轴向方向上相对取向的互补带齿轮缘；以及气体注入器，该气体注入器用于在相对于第一转子-定子对的上游位置处将气体注入待充气的食物产品中，其中，设置另外的入口以用于在上游转子-定子对与相邻下游转子-定子对之间的位置处注入待与食物产品混合的液体或半液体流动性附加组合物。有利的是，注入的附加组合物将与充气产品混合并被相邻下游转子-定子对切碎以在充气产品中形成颗粒、碎片或微粒。

有利的是，该设备还包括围绕管状的壳体的至少一部分的夹套。

有利的是，该设备还包括背压调节器，该背压调节器布置在该混合设备下游的产品流动路径中。

本发明的设备使得有可能在产品流中产生非常均匀的气体分布和均一的气泡分布。有利的是，本发明设备的构造非常灵活并且可以被调整以产生在整个产品中具有均匀小或大气泡的充气产品。这具有提供更稳定的充气产品的优点，并且例如对于食物产品可以允许更长的货架期和/或减少食物产品中某些稳定化成分的量。

本发明的设备节省成本并且适用于工业应用，特别是在食品充气中。有利的是，与常规充气设备相比，本发明的设备允许更简单和更具成本效益的清洁和消毒过程。有利的是，如下面更详细描述的，本发明的设备非常灵活，例如就不同流体的注入、不同流体入口速率、不同的工作压力、可获得的产品超限度(overrun)范围、所获得的气泡尺寸等等而言。

在另一方面，本发明提供了一种制备充气食物产品的方法，包括：使待充气的食物产品料流通过根据本发明的设备；在相对于第一转子-定子对的上游位置处经由气体注入器将气体注入食物产品料流中；以及在上游转子-定子对与相邻下游转子-定子对之间的位置处通过另外的入口将待与食物产品混合的附加组合物注入设置在所述上游转子-定子对与所述相邻下游转子-定子对之间的轴向空间中。

在下面的具体实施方式和附图中，这些及其它实施方案和潜在优点将显而易见。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施方案的设备的纵向截面。

图2示出了图1中的设备的透视图。

具体实施方式

参见图1和图2，呈现了根据本发明的一个实施方案的合适的混合设备300。混合设备300包括大致管状的壳体10，在壳体10中容纳有三个转子和定子级或对210、220和240。转子-定子对210、220和240沿中心传动轴7串联对齐。

每个转子-定子对210、220和240包括转子和相应的定子。转子被联接到轴向轴7并且通过经由螺杆6联接到轴的马达驱动器(未示出)围绕传动轴的中轴线被可旋转地驱动。马达驱动器可以直接或间接地被联接到轴7。旋转的方向可以是围绕传动轴的中轴线的顺时针或逆时针方向。在所示的实施方案中，定子被联接到圆柱形壳体10的内壁。

转子具有一个或多个带齿轮缘，这些带齿轮缘与定子上的互补带齿轮缘接合并且在轴向方向上相对取向。每个转子-定子对210、220、240可包括两排或更多排转子和定子齿。每个转子-定子级210、220、240上的转子和定子齿的排数可以沿混合设备变化。在一特定的实施方案中，所有转子-定子级的转子和定子具有相同数量的齿组。在优选的实施方案中，至少一个转子定子组包括至少两排转子-定子齿；在另一个实施方案中，至少一个转子定子组包括三排转子-定子齿，并且在又一个实施方案中，至少一个转子定子组包括四排转子-定子齿。在一个实施方案中，每个转子定子组包括至少两排转子-定子齿；在另一个实施方案中，每个转子定子组包括三排转子-定子齿，并且在又一个实施方案中，每个转子定子组包括四排转子-定子齿。

在特定转子/定子组中的特定转子上的各排齿之间，数量、宽度和/或转子齿之间的间距可以变化。在一个优选的实施方案中，特定转子上的齿之间的间距基本上相同。取决于待充气的食物产品，特定定子上的各排齿之间，数量、宽度和/或定子齿之间的间距可以变化。在一个优选的实施方案中，特定定子上的齿之间的间距基本上相同。在优选的实施方案中，特定转子-定子组的转子和定子上互补的在轴向上相对的齿具有相应的齿数量、宽度和间距。在实施方案中，转子包括围绕每个转子的圆周周向间隔开的至少10个转子齿。在实施方案中，定子包括围绕每个定子的圆周周向间隔开的另外至少10个定子齿。

转子/定子齿的数量、宽度和/或间距可以在混合设备内的各转子-定子对之间变化。在实施方案中，每个转子-定子对具有基本上相同的转子/定子齿的数量、宽度和/或间距。有利的是，每个转子-定子对的带齿轮缘的外径基本上相同。有利的是，每个转子-定子对的带齿轮缘的内径基本上相同。

在一些实施方案中，混合设备包括多个转子-定子对。在某些实施方案中，混合设备包括至少两个转子-定子对。在某些实施方案中，混合设备包括至少3个转子-定子对。一般而言，混合设备容纳有不超过8个转子-定子对。在一个实施方案中，混合设备包括至少三个转子-定子对，以及至多八个转子-定子对，如下文将解释的，在适用时包括间隔环。在一些实施方案中，混合设备容纳有不超过6个转子-定子对。在某些实施方案中，混合设备包括三个转子-定子对。在其它实施方案中，混合设备包括四个转子-定子对。

在一些实施方案中，每个转子-定子对是可移除和可互换的，从而提供灵活性。例如，取决于待充气的食物产品的特性以及所需的充气结果，可因此根据需要，在混合设备内的每个转子-定子对位置处改变转子-定子带齿轮缘的齿之间的不同数量、宽度和间距。

混合设备300在入口盖20中具有产品入口100，该入口盖被构造用于从产品供料管线接收待充气的液体或半液体食物产品的料流。在一些实施方案中，该产品入口沿着轴7的轴线位于入口盖20的中央。可以使用泵(未示出)将液体或半液体产品注入混合设备中并穿过一系列转子-定子对。

气体注入器1设置在入口盖20中，用于将压力下的气体引入混合设备中。通常，可以在约0.5巴至约10巴范围内的压力下将气体注入混合设备中。气体注入器的出口顶端11位于相对于混合设备的转子-定子对的上游的空间50中，从而向接近第一转子-定子对210的带齿轮缘的混合设备中注入压力下的气体。气体注入器在空间50中的位置对于将气体有效地掺入产品料流中是重要的。有利的是，气体注入器的顶端11紧邻第一转子-定子对的内带齿轮缘，由此穿过注入器1注入的气体将在注入后直接接触该转子-定子对的齿，使得气流在进入设备时受到第一转子-定子对210的剪切力。这具有在产品料流中产生规则且均一的气泡的效果，使得有可能在整个产品中产生均匀的气体分布，具有窄的气泡尺寸分布。特别是，气体注入器的顶端11与第一转子-定子对210的内带齿轮缘之间的距离比产品入口100的孔101与第一转子-定子对210的内带齿轮缘之间的距离短。

在某些实施方案中，气体注入器的入口顶端11设置在距离第一转子-定子对的内带齿轮缘不超过4cm的位置处。在一些实施方案中，气体注入器的入口顶端位于距离第一转子-定子对的内齿约0.1cm至约3cm范围内的位置处，优选位于距离约0.2厘米至约2厘米范围内的位置处，例如约0.5厘米至约1.5厘米范围内的位置处。

气体注入器可设置成其中心轴线相对于混合设备的中心轴线以0°至约85°，例如介于0°和80°之间的角度对齐。在某些实施方案中，气体注入器相对于混合设备的中心轴线倾斜，这允许优化注入气体在第一转子-定子对的齿上的气流。可以根据气体注入器在入口盖上的位置以及气体注入器与转子-定子对的相对布置方式来调节气体注入器的所需倾斜度。例如，气体注入器的中心轴线可相对于混合设备的中心轴线以约5°至约85°的角度倾斜，优选以约10°至约80°，例如约10°至约60°的角度倾斜，例如相对于混合设备的中心轴线以约15°至约45°的角度，例如以约15°至约30°的角度倾斜。在其它实施方案中，气体注入器可以以其中心轴线平行于中心轴线和/或产品入口来设置。

注入头(顶端)的位置可很好地控制所施加的剪切力和切削力，并避免产品料流中形成气穴。通过使注入器1靠近第一转子/定子组的齿，在注入的气体进入混合设备中时在注入气体上提供恒定的剪切力和切削力，从而确保气体均匀分布进混合设备的主体内并进入其余的一系列转子/定子组中。以这种方式，混合设备使气体有效地掺入产品料流中，并且有利地在出口处的产品料流内产生非常均匀的气体分布，具有基本上均一的气泡尺寸。

可以在入口盖中设置多于一个气体注入器。在一些实施方案中，使用两个气体注入器，在其它实施方案中可以使用三个气体注入器。

在一些实施方案中，混合设备300中的所有转子-定子组具有相同的内径和外径，并且设置成沿着轴7以同一中心轴线为中心串联对齐。这种对齐构造允许控制沿混合设备施加的剪切力和切削力，并且重要的是允许控制穿过混合设备的产品具有基本上恒定的流速，从而使得有可能在出口处的产品中维持有利的均一且小的气泡尺寸，其在产品中保持稳定。相比之下，多个转子-定子组的圆锥形和径向交错的构造(其中每个转子-定子组具有比前一组大的直径)在产品料流通过一系列转子-定子组时产生产品料流的加速度，从而减少产品在混合设备中的停留时间，并且随着产品流前进通过一系列转子-定子组而引起剪切力和切削力显著增加，这导致气体掺入效率较低、气泡在整个产品中的分布较不均匀并且使得不可能生产具有窄的气泡尺寸分布、特别是具有均一且小的气泡尺寸的产品。

当考虑产品在设备中的流动时，设备300具有另外的入口310，该入口设置在壳体10的侧壁中介于上游转子-定子对220与下游转子-定子对240之间。在一个实施方案中，定子间隔环314和转子间隔环316(二者均无带齿轮缘)被布置成在上游转子-定子对220与下游转子-定子对240之间提供轴向距离并因此提供轴向空间312。在一个实施方案中，另外的入口310的开口与上游转子-定子对220与下游转子-定子对240之间的轴向空间312连通。该轴向空间可用于确保附加组合物与食物产品的预混合。

在另一个实施方案中，设备300包括设置在壳体10的侧壁中的多个另外的入口以用于注入待与食物产品混合的一种附加组合物或几种附加组合物。例如，两个另外的入口设置在相同的上游转子-定子对与下游转子-定子对之间。作为另一种选择，第一另外的入口设置在上游转子-定子对与中间下游转子-定子对之间，而第二另外的入口设置在所述中间转子-定子对与下游转子-定子对之间。这两个实施方案可以组合。例如，设备300具有两个、三个或四个设置在壳体的侧壁中的另外的入口。一个或两个另外的入口设置在第一组上游转子-定子对与下游转子-定子对之间，而一个或两个另外的入口设置在第二组上游转子-定子对与下游转子-定子对之间。优选地，当在上游转子-定子对与下游转子-定子对之间设置另外的入口时，所述转子-定子对用布置在所述上游转子-定子对与所述下游转子-定子对之间的间隔环间隔开。

设置几个另外的入口的优点在于，如将在下面进一步解释的，允许掺入具有不同最终粒度测定的几种附加组合物，这取决于各下游转子-定子对的几何形状。

设置另外的入口310以用于将待混合的液体或半液体附加组合物注入从上游转子-定子对220流出的充气产品中。液体或半液体附加组合物通过第二入口310注入轴向空间312中并进入充气食物产品中。这允许在通过下游转子-定子对进行更强烈混合之前附加组合物与充气食物产品的预混合。

在一个实施方案中，可使液体或半液体附加组合物均匀混合进充气食物产品中。在另一个实施方案中，可将液体或半液体附加组合物掺入充气食物产品中以便为最终产品提供大理石纹外观。在又一个实施方案中，液体或半液体附加组合物是在注入充气食物产品后很快固化的组合物，例如由于附加组合物的冷却。

例如，将充气食物产品维持在低温，诸如低于20℃的温度下。在比充气食物产品的温度高的温度下，附加组合物可以是熔融巧克力组合物或液体焦糖组合物。由于温度差异，附加组合物在注入充气食物组合物后很快冷却下来，这导致附加组合物粘度增加，或者甚至导致附加组合物固化。附加组合物和充气食物产品一起朝下游转子-定子对240向下游流动，并且附加组合物在流过转子-定子对240时分解成微粒。由于转子-定子对240的混合作用，附加组合物的微粒均匀地分布到充气食物产品中，由此提供均匀的充气食物产品。在一个实施方案中，提供几种其它组合物的微粒可能是期望的。在那种情况下，设备300包括几个另外的入口，每种要注入的附加组合物至少一个入口。

在一个有利的实施方案中，该设备具有围绕壳体10的夹套320。夹套320和壳体10在其间限定用于循环冷却剂或加热流体的空间或空隙。夹套具有用于循环冷却剂或加热流体的入口321和出口322。有利的是，使用夹套允许将待充气的产品维持在期望的温度下。在一些实施方案中，冷却剂流体在夹套中循环以维持流经混合设备的产品中的冷却温度。冷却剂流体的循环使得有可能防止吸收由混合设备内的旋转速度产生的热能。有利的是，这有助于维持产品中充气的程度和稳定性。可以设想任何冷却剂或加热流体。示例性的冷却剂流体包括低温的空气或水。冷却剂或加热流体的温度可以根据待充气的产品和产品的期望充气特性而变化。

在使用中，产品进料流通过入口盖20中的产品入口100的孔101进入混合设备，进入相对于转子-定子对的上游的空间50中。进入产品入口100的产品进料流被串联地泵送通过转子-定子对210、220并经由产品出口80离开混合设备300。转子222、223、224相对于固定的定子227、228、229以高速旋转，从而提供高剪切率。或者，转子222、223、224相对于固定的定子227、228、229以低速旋转，从而提供低剪切率。转子的旋转速度可以根据所考虑的产品和所需的剪切条件来选择。例如，典型的选择速度可以为约50转/分钟至1500转/分钟。

经由气体注入器1在压力下进入混合设备的气体，流动到第一转子-定子对的带齿轮缘上并直接受到所述带齿转子-定子对所提供的高剪切和切削力。每个转子-定子对中的转子的旋转将产品料流和气泡向外泵送通过转子齿与定子齿之间的剪切间隙，从而产生局部高剪切条件。施加在转子齿与定子齿之间的剪切间隙(流体流经该间隙)中的产品料流上的高剪切力，提供产品料流的均化以及使产品均匀充有小气泡。气体注入器的位置对于有效地将气体掺入产品料流中是重要的，并且有利地在产品出口80处的产品料流内产生非常均匀的气体分布，具有基本均一的气泡尺寸。充气产品经由腔室60和产品出口80离开混合设备220。

有利的是，本发明的系统允许提供充气产品，将气体有效地掺入进产品基料中，即非常高的气体掺入率，或者称为超限。例如，本发明的混合设备允许提供超过100％，甚至超过200％或300％的超限度。通常可以实现10％至500％，例如20％至300％的超限度。实现了这种高超限度，同时还在整个产品中具有均匀的气体分布，并且具有窄的气泡尺寸分布。

本发明的设备非常灵活并且允许产品的“后期区分”制造。例如，有可能制备经由产品入口100引入进设备300中的通用食品基质。该食品基质流过设备300，并且气体通过气体注入器1被注入食品基质中。然后通过另外的入口310将附加组合物注入发泡食品基质中。通过改变附加组合物的类型，容易使用单一食品基质和不同的附加组合物来改变最终产品。此外，当食品基质和附加组合物的混合物流经另外的入口310下游的转子-定子对240时，其经历进一步混合。这种进一步混合可确保最终产品呈现出均匀的气泡尺寸。

在一些实施方案中，剪切速率随着沿产品流动路径的纵向位置而变化。例如，剪切速率随着转子速度成比例地变化，与转子/定子间隙宽度成反比，并且与同一排的两个齿之间的角距离成反比。转子/定子间隙宽度是转子齿排与相邻的定子齿排之间的径向距离。例如，在一些实施方案中，第一转子/定子级中的剪切速率大于一个或多个后续级中的剪切速率。这可以例如通过减小随后的转子-定子组中的转子和定子的带齿轮缘之间的剪切间隙的尺寸来实现。取决于转子-定子对，可以在设备中存在几种不同的剪切速率。

充气产品料流从最后的转子-定子对240流出到腔室60中，并通过产品出口80流出混合设备。有利的是，腔室空间60有助于优化充气产品的膨胀和稳定。如果需要，转子-定子对的数量以及出口腔室60的尺寸可根据充气的程度而变化，例如如通过的超限百分比所测量的。在一些实施方案中，可设置更少数量的转子-定子对，例如一个转子-定子对，或者两个转子-定子对以及更大的腔室空间。作为另外一种选择或除此之外，可沿着混合设备的流动方向在两个连续的转子-定子对之间设置腔室。

可以通过首先移除一个或两个端盖将转子和定子作为模块进行移除和更换。因此，根据实际需要，可以将适用于特定产品的特定操作的转子和定子插入壳体10中。例如，可移除转子间隔环316和定子间隔环314并用一个转子-定子对代替，并且转子-定子对可以具有诸如尺寸、齿数以及齿排及其分布和间距之类的特性，这些特性针对最终产品的成分和期望特性而被优化。

优选的是，在混合设备的产品出口80的下游的产品料流中设置背压调节器(未示出)。在一些实施方案中，背压调节器是膜背压阀的形式，例如双膜背压阀。然而，可设想其它合适的背压调节器系统。有利的是，背压调节器允许控制混合室中的压力并确保产品稳定地流过混合设备。如果压力太低，则充气程度(超限度)可能会降低，因为产品基料将无法保持充气。然而，如果压力太高，则气体可能被挤出产品，再次导致充气程度降低。除了别的以外，腔室中所需的压力将取决于待充气的产品和期望的充气程度。例如，一般而言混合设备中的工作压力通常为约0.5巴至约15巴。

本发明的混合设备可以有利地在多种应用中用于液体和半液体产品的充气，例如在食品或化妆品行业中。特别的应用是用于液体和半液体食品的充气，例如乳制品、糖食、冰淇淋或其它液体和半液体食品的充气，其中所注入的液体或半液体附加组合物的示例包括处于升高温度下的焦糖和巧克力，这类附加组合物可在该温度下被注入并被充气产品冷却而形成固体微粒。下游转子-定子对然后将使附加组合物破碎或粉碎，例如，形成粒状，在充气产品中具有微粒、颗粒或碎片。

在其它实施方案中，本发明提供了一种使用如上文所述的混合设备对液体或半液体产品、优选食品充气的方法。

在明确陈述数值范围或限制的情况下，应将此类明确范围或限制理解为包括落入所述明确陈述的范围或限制内的具有类似幅度的迭代范围或限制(例如，约1至约10包括2、3、4等；大于0.10包括0.11、0.12、0.13等)。使用广义术语诸如包含、包括、具有等应当理解为提供对狭义术语诸如由…组成、基本上由…组成、实质上由…组成等的支持。

应该指出的是，在本发明的多个方面或实施方案之一中描述的实施方案和特征，也适用于本发明的其它方面或实施方案。