Цилиндрическое мембранное устройство для получения пены

Цилиндрическое мембранное устройство для получения пены

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устойчивой (стабильной) пене, имеющей контролируемое распределение по размерам высокодисперсных пузырьков воздуха, и к приготавливаемым из нее пищевым продуктам с низким содержанием жира. Особенно интересные приготавливаемые из таких пен продукты включают мороженое и родственные замороженные продукты.

Уровень техники

Получение тонко диспергированных пузырьков газа в непрерывной жидкой или полутвердой текучей фазе, называемой либо газовой дисперсией в случае объемных долей газа ниже около 10-15%, либо пеной в случае объемных долей газа, превышающих около 15-20%, является предметом особого интереса, в частности, в пищевой, фармацевтической, косметической промышленности, производстве керамики и строительных материалов. Доля содержания газа в относящихся к этим отраслям промышленности продуктах оказывает сильное воздействие на такие их физические характеристики, как плотность, реология, теплопроводность, сжимаемость и связанные с ними потребительские качества. В области пищевых продуктов аэрирование ряда систем от жидких до полутвердых повышает их ценность в отношении консистенции и таких связанных с этим воспринимаемых/органолептических свойств, как кремообразность, мягкость и однородность, а также улучшенная способность к сохранению формы и устойчивость к расслаиванию. Для определенных пищевых композиций, таких как замороженные десерты или мороженое, сильно сниженная теплопроводность является другим важным фактором устойчивости, предохраняющим продукт от быстрого таяния, например вследствие термических ударов, происходящих в «цепи охлаждения» от магазина до холодильника потребителя. Значительное увеличение внутренней поверхности может также открыть доступ к новым областям, пригодным для адсорбции и фиксации/стабилизации функциональных/техно-функциональных молекул, таких как вкусоароматические и/или питательно активные соединения.

В обычных замороженных и аэрированных водно-ледяных суспензиях типа мороженого такие характеристически важные сенсорные свойства как формуемость, кремообразность, однородность, сохранение формы в процессе таяния и устойчивость к термическим ударам определяются взаимодействием трех дисперсных фаз: воздушных полостей/пузырьков, жировых шариков/агломератов жировых шариков и кристаллов водяного льда с характеристическими диапазонами размеров и объемными долями этих дисперсных компонентов, соответствующими показанным, например, в таблице 1.

Таблица 1
Диапазоны размеров и объемных долей дисперсных фаз в обычном мороженом.
	газовые/воздушные полости	агломераты жировых шариков	кристаллы водяного льда
Средний диаметр Х50,0/мкм	25-35	2-100	50-60
Объемная доля/об.%	50-60	8-15	40-50

Хорошо стабилизированные мелкие воздушные полости главным образом ответственны за кремообразность и ощущение однородной текстуры во время таяния мороженого во рту потребителя. Более мелкие воздушные полости/пенистая структура в расплавленном состоянии при сдвиговом воздействии, возникающем между языком и небом, приводят к более выраженному восприятию кремообразности. Воздушные полости более мелкого размера также способствуют более длительной продолжительности хранения замороженных композиций мороженого вследствие более значительных пространственных затруднений для роста кристаллов льда. При постоянной объемной доле газа большее количество более мелких воздушных полостей образует более значительную площадь поверхности раздела газовой фазы, снижая тем самым толщину слоев, образуемых непрерывной водной жидкой фазой между воздушными полостями. Это ограничивает рост кристаллов льда внутри этих слоев. Другой, хотя и менее выраженный, непосредственный вклад в кремообразность проистекает из средних размеров агломератов жировых шариков, имеющих диаметр менее 20-30 мкм. Когда агрегаты жировых шариков получаются большими, чем около 30-50 мкм, кремообразное ощущение трансформируется в жирное, маслянистое вкусовое впечатление.

Формуемость таких замороженных аэрированных суспензий, как мороженое, главным образом соотносится со структурой кристаллов льда, в частности, с размерами кристаллов льда и их взаимной связанностью. Формуемость является наиболее существенным качественным признаком мороженого в низкотемпературном диапазоне между -20°С и -15°С. При традиционном производстве мороженого частичное замораживание осуществляется в морозильных аппаратах непрерывного или периодического действия с охлаждаемыми скребковыми теплообменниками до конечных температур около -5°С. Затем суспензия мороженого заливается в чашки или формуется через выпускные отверстия экструзионных головок. Затем продукты отверждаются в туннельных закалочных с охлажденным до температур около -40°С воздушным теплоносителем до достижения температуры в толще продукта около -20°С. После этого продукты отправляются на хранение и/или распределение. После предварительного замораживания мороженого обычных рецептур во фризере в виде кристаллов водяного льда замерзает около 40-45% замораживаемой воды. Другая часть замораживаемой воды величиной около 55-60% остается, тем не менее, жидкой вследствие снижения температуры замерзания водного раствора, обогащенного сахарами, полисахаридами и белками. Большая часть этой жидкой фракции замерзает при дальнейшем охлаждении в закалочном туннеле. На этом этапе закаливания мороженое находится в состоянии покоя. Вследствие этого дополнительно замороженная вода кристаллизуется на поверхности существующих ледяных кристаллов, вызывая их рост от около 20 мкм до 50 мкм и выше. Некоторые из ледяных кристаллов связываются друг с другом, образуя трехмерную сетку кристаллического льда. После образования таких сеток мороженое ведет себя как твердое тело, а его формуемость падает.

Некоторые патенты, такие как патенты US №№5620732, 6436460, 6491960, 6565908 раскрывают сдерживание роста кристаллов льда во время охлаждения/закалки при помощи антифризных белков. Также ожидается, что это должно оказывать положительное воздействие на способность кристаллов к образованию связей в отношении улучшения формуемости.

Патенты US №№6558729, 5215777, 6511694 и 6010734 раскрывают применение других специальных ингредиентов, таких как низкоплавкие растительные жиры, полиэфиры жирной кислоты и многоатомного спирта или особые сахара, такие как смеси сахарозы/мальтозы для смягчения относящихся к мороженому продуктов, улучшая тем самым их формуемость и кремообразность.

Патенты US №№5345781, 5713209, 5919510, 6228412 и RE 36390 раскрывают специальное технологическое оборудование, главным образом одно- или двухшнековые замораживающие экструдеры непрерывного действия, предназначенное для повышения качества микроструктуры мороженого (воздушные полости, кристаллы льда и агломераты жировых шариков) при использовании высоковязких сил трения, действующих при обычно очень низких температурах обработки от 10°С до -15°С, и таким образом улучшающее текстуру и характеристики устойчивости.

Другие публикации раскрывают применение мезоморфных фаз поверхностно-активного вещества с приготавливаемым при определенной температуре премиксом, содержащим поверхностно-активные вещества и воду, для обеспечения непрерывной ламеллярной фазы. Эти документы включают европейскую патентную заявку 753995 и публикацию WO 95/35035. Другой подход, который раскрывает применение мезоморфных фаз пищевого поверхностно-активного вещества в качестве структурирующих агентов и/или заменителей жиров, встречается в патенте US 6368652, европейской патентной заявке 558523 и публикации WO 92/09209.

Публикация WO 2005/013713 раскрывает содержащее по меньшей мере 2 мас.% жира замороженное кондитерское изделие, в котором часть всего присутствующего жира имеет консистенцию масла, а также способ его производства.

Тем не менее, несмотря на эти раскрытия, остается потребность в способе получения замороженной пены или замороженных кондитерских изделий, которые при замораживании не претерпевали бы явного расширения газовых пузырьков и не приобретали бы связанных с этим выраженных свойств твердого тела или льдистой структуры.

Кроме того, сохраняется недостаток новаторских технологий аэрирования, обращающихся к вышеупомянутой потребности. Например, промышленная технология аэрирования с применением мембран все еще является относительно новой. Известное общеупотребительное аэрирование или взбивание текучих жидких композиций обычно выполняется с помощью роторно-статорных диспергирующих смесителей, функционирующих в областях турбулентного потока в условиях очень высоких норм потребления энергии.

В области диспергирования систем типа жидкость - жидкость (эмульгирование) известны методики диспергирования с помощью мембран, при которых применяются статичные мембранные модули, в которых отделение дисперсных жидких капель вызывается протеканием непрерывной жидкой фазы через мембрану. Однако это означает, что обеспечивающие отделение капель силы или напряжения непосредственно связаны с объемной скоростью потока непрерывной жидкой фазы. Разумеется, это неприемлемо для производства относящихся к эмульсиям или дисперсиям композиций, если изменения в объемной скорости потока также способны воздействовать на распределение капель дисперсной фазы по размерам, изменяя тем самым связанные с этим параметром свойства композиции.

Первые попытки получения пен с помощью мембран также предпринимались с использованием статичных мембранных устройств и с проблемами того же рода, что описаны выше для случая получения дисперсий в системе жидкость - жидкость, однако с более выраженными сложностями в отношении образования мелких пузырьков, особенно при повышенных объемных долях газа (>30-40%). Это может основываться на известной физической зависимости, описываемой так называемым критическим капиллярным числом (Са_с). Основным типом потока, генерируемого в окрестности (то есть в пограничном слое Прандтля) обтекаемой потоком мембраны, является сдвиговой поток. В сдвиговом потоке критическое капиллярное число находится в строгой зависимости от соотношения величин вязкости дисперсной и непрерывной фаз (η_{дисперсная}/η_{непрерывная}). В частности, для случая очень небольших, демонстрируемых вспененными системами величин отношения вязкостей, находящихся в диапазоне ≤10^-3-10^-4, Са_с может достигать значений, превышающих величины около 10-30. Причина заключается в том, что, несмотря на легкую и значительную деформацию пузырьков воздуха в жидкостях со сдвиговым течением, какого-либо эффективного разбиения не происходит, или, другими словами, величина критической деформации пузырьков сильно возрастает с уменьшением величины соотношения вязкостей. При очень высоких объемных скоростях достигаются условия турбулентного потока с улучшенной дисперсией пузырьков. Однако это не дает удовлетворительного результата в отношении размера пузырьков и узости диапазона распределения пузырьков по размерам. Даже в области турбулентного потока в окрестности стенок существует ламинарный слой Прандтля, ограничивающий действие турбулентного механизма диспергирования.

Недавно для диспергирования в системе жидкость - жидкость было применено ротационное мембранное устройство, продемонстрировавшее высокий потенциал улучшения диспергирования капель, в частности, в отношении малых и имеющих узкий диапазон распределения по размерам капелек, но это устройство не применялось для диспергирования газов или вспенивания. Вероятно, это является следствием проблем, связанных со сложностью разбиения газовых пузырьков в описанном выше преобладающем ламинарном сдвиговом потоке, а также вследствие значительного различия в плотности двух фаз, которое делает способ в поле циркуляционного, особенно ламинарного, потока еще более трудно выполнимым. Газовая фаза, обладающая плотностью менее одного процента от плотности жидкости, в поле действующей в ламинарных циркуляционных потоках центробежной силы имеет тенденцию отделяться в направлении более малых радиусов (что эквивалентно более низкому центробежному давлению), не подвергаясь вызываемым действием потока возмущениям. Фундаментальные проблемы такого рода остаются нерешенными.

Патентная заявка Германии DE 10127075 раскрывает ротационное мембранное устройство для получения эмульсионных систем. Однако это устройство не подходит для генерирования тонкодисперсных гомогенных газовых дисперсий или пен из-за больших радиальных размеров рассеивающих. зазоров, образованных между мембранными модулями и корпусом, влияние которых при повышенных скоростях вращения, необходимых для тонкого диспергирования газовых пузырьков проявляется в существенной поддержке расслоения фаз.

Публикации WO 2004/30799 и WO 01/45830 описывают подобные, предназначаемые для получения эмульсий, мембранные устройства с проблемами в отношении газовых дисперсий или пен, идентичными ранее упомянутым.

В этой связи существует потребность в новом устройстве для аэрирования и в способе, делающем возможным создание маложирного продукта из замороженной пены, который при замораживании не образует крупных газовых пузырьков или связанных между собой кристаллов льда и вытекающих из этого характеристик твердого тела. Имеется также потребность в продуктах, содержащих такую новую пену.

Раскрытие изобретения

Изобретение относится к устройству для изготовления пены, имеющей контролируемое распределение по размерам газовых пузырьков в жидкой матрице, содержащему пористый материал с контролируемым размером пор для получения, по существу, однородного распределения по размерам газовых пузырьков, газовое насосное устройство для направления потока газа к и через пористый материал для образования газовых пузырьков, жидкостное насосное устройство для направления потока жидкой матрицы через пористый материал и вращающийся элемент с изменяемой, но регулируемой круговой скоростью, обуславливающий наличие потока в окрестности пористого материала для отделения от пористого материала, сбора, накопления и захватывания газовых пузырьков в жидкой матрице с целью создания пены, имеющей газовые пузырьки в целом однородного размера и по существу однородное распределение пузырьков газа по размерам. Предпочтительно размер пор пористого материала, поток газа из газового насосного устройства, поток жидкости из жидкостного насосного устройства и дополнительный поток, вызываемый вращающимся элементом вблизи от поверхности пористого материала, кооперативно взаимодействуют для обеспечения газовых пузырьков, имеющих средний диаметр Х_50,0, величина которого находится в диапазоне от 1,5 до 2 средних диаметров Хр поры пористого материала, и для обеспечения пены с величиной коэффициента распределения газовых пузырьков по диаметрам Х_90,0/ Х_10,0 менее 5 без дополнительного вращающегося потока, и кооперативно взаимодействуют для обеспечения газовых пузырьков, имеющих средний диаметр Х_50,0, величина которого находится в диапазоне от 1,25 до 1,5 средних диаметров поры Хр пористого материала, и для обеспечения пены с величиной коэффициента распределения газовых пузырьков по диаметрам Х_90,0/Х_10,0 менее 3, предпочтительно менее 2 с дополнительным вращающимся потоком.

Предпочтительно пористым материалом является мембрана, конфигурация которой, размеры, расположение и, в конечном итоге, перемещение подбираются таким образом, чтобы сделать возможным прохождение через нее газа и образование на поверхности мембраны газовых пузырьков, а также чтобы способствовать отделению газовых пузырьков от поверхности мембраны перетекающим потоком жидкой матрицы для их уноса в этой жидкой матрице. Подходящие пористые мембраны могут быть изготовлены из металла, керамического, стеклянного, полимерного или резинового материала и иметь диаметр пор в пределах от 0,1 до 10 мкм, поры среднего диаметра и узкое распределение пор по размерам, отличающееся величиной отношения максимального диаметра поры к минимальному менее 1,5, а также контролируемое расстояние между порами, составляющее по меньшей мере 3, но предпочтительно более 5 средних диаметров поры.

Пористой мембране может быть придана форма цилиндра, а устройство, кроме того, содержит корпус, который включает стенку с поверхностью, которой придаются такие форма и размеры, чтобы примыкать к цилиндру из пористой мембраны, образуя узкий зазор постоянной ширины между цилиндром из пористой мембраны и поверхностью стенки корпуса. Предпочтительно обеспечивается по меньшей мере один приводящий элемент для вращения цилиндра, или корпуса, или их обоих в целях отделения газовых пузырьков от поверхности пористой мембраны и захватывания газовых пузырьков в жидкой матрице. При этом зазор может иметь ширину от около 0,1 до 10 миллиметров.

В одном воплощении цилиндрическая поверхность, на которой образуются газовые пузырьки, является внешней поверхностью цилиндра, примыкающая стенка корпуса является внутренней стенкой, цилиндр из пористой мембраны является вращающимся, а приводящий элемент обеспечивает вращение с круговой скоростью от 1 до 40 м/с, при этом вращающаяся внешняя поверхность цилиндра находится в контакте с проходящей жидкой матрицей, отделяющей газовые пузырьки и захватывающей их в жидкой матрице. В качестве варианта цилиндрическая поверхность, на которой образуются газовые пузырьки, является внутренней поверхностью цилиндра из мембраны, а стенка корпуса окружает цилиндр из мембраны. Через зазор между стенкой корпуса и цилиндром из мембраны газ прокачивается сквозь мембрану. Внутри цилиндра из мембраны концентрически или эксцентрически располагается вращающийся элемент, предпочтительно другой (не имеющий мембраны) цилиндр таким образом, чтобы вызываемый вращающимся элементом (цилиндром) поток обеспечивал течение жидкой матрицы, которая направляется так, чтобы проходить мимо внутренней поверхности цилиндра из мембраны для отделения пузырьков газа и захватывания их в жидкой матрице.

В случае концентрического расположения внутреннего цилиндра без мембраны ширина зазора устанавливается в диапазоне от 0,1 до 10 миллиметров для обеспечения возможности регулировки при подборе размера пузырьков газа или их распределения по размерам.

В случае эксцентрического расположения внутреннего цилиндра без мембраны эксцентрический зазор для потока имеет величину отношения наибольшей ширины зазора к наименьшей ширине зазора от 1,1 до 5 для обеспечения возможности регулировки при подборе размера пузырьков газа или их распределения по размерам.

Кроме того, возможность регулирования при выборе размера пузырьков газа или распределения по размерам обеспечивается при помощи любого из жидкостного насосного устройства, обеспечивающего изменяемую, регулируемую массовую скорость потока жидкости матрицы, газового насосного устройства, направляющего газ через мембрану с изменяемыми, регулируемыми трансмембранным давлением и объемной или массовой скоростью потока газа, и/или изменяемой, регулируемой круговой скорости вращающегося элемента или цилиндра. Изобретение также относится к способу производства пены, имеющей контролируемое распределение по размерам газовых пузырьков в жидкой матрице, который содержит прохождение потока газа к и через пористый материал, имеющий контролируемые величины размера пор и расстояния между порами, для получения по существу однородного распределения пузырьков газа по размерам, а также прохождение потока жидкой матрицы через пористый материал для отделения, сбора, накопления и захватывания газовых пузырьков в жидкой матрице для образования пены. При этом способе величины размера пор пористого материала, потока газа из газового насосного устройства, потока жидкости из жидкостного насосного устройства и круговой скорости вращающегося вблизи от поверхности пористого материала элемента выбираются отдельно или в комбинации такими, чтобы обеспечивать пузырьки газа, имеющие средний диаметр X_50,0, величина которого находится в диапазоне от 2 до 2,5 средних диаметров Хр поры пористого материала, и для обеспечения пены с величиной коэффициента распределения газовых пузырьков по диаметрам Х_90,0/Х_10,0 менее 5 без дополнительного вращающегося потока, вызываемого вращающимся элементом, и для обеспечения газовых пузырьков, имеющих средний диаметр X_50,0, величина которого находится в диапазоне от 1,25 до 1,5 средних диаметров поры Хр пористого материала, с обеспечением пены с величиной коэффициента распределения газовых пузырьков по диаметрам X_90,0/X_10,0 менее 3, предпочтительно менее 2 с дополнительным вращающимся потоком.

Когда жидкая матрица содержит воду, газ является воздухом и мембрана вращается с оптимально отрегулированной круговой скоростью, пена может обеспечиваться весьма желательной величиной коэффициента распределения пузырьков газа по диаметрам Х_90,0/Х_10,0 ниже 2.

Пористый материал в устройстве обычно является мембраной, конфигурация которой, размеры, расположение и, в конечном итоге, перемещение подбираются таким образом, чтобы сделать возможным прохождение через нее газа и образование на ее поверхности газовых пузырьков, а поток жидкости, образованный жидкой матрицей, проходящей через образованный между пористой мембраной и поверхностью стенки зазор, и, в конечном итоге, дополнительный поток, порождаемый изменяемым, регулируемым вращательным движением вращающегося элемента, способствуют отводу пузырьков газа. Предпочтительно пористой мембране придается форма цилиндра, а зазор между цилиндром из пористой мембраны и поверхностью стенки корпуса имеет постоянную ширину. Способ, кроме того, содержит обеспечение вращательного движения цилиндра, стенки или их обоих для отделения газовых пузырьков от поверхности пористой мембраны и захватывания газовых пузырьков в жидкой матрице. Цилиндр может вращаться с круговой скоростью от 1 до 40 м/с, при этом вращающаяся внешняя поверхность цилиндра находится в контакте с проходящей жидкой матрицей, выбивающей газовые пузырьки и захватывающей их в жидкой матрице. В качестве варианта цилиндрическая поверхность, на которой образуются газовые пузырьки, может являться внутренней поверхностью цилиндра из мембраны, а внутренняя поверхность корпуса в этом случае образует с внешней поверхностью цилиндра из мембраны зазор, через который поступает и проходит через мембрану газ. При такой компоновке вращающийся элемент, предпочтительно второй цилиндр без мембраны, располагается концентрически или эксцентрически внутри цилиндра из мембраны, образуя зазор шириной от 0,1 до 10 мм в случае концентрического расположения, а при эксцентрическом расположении образуя зазор, имеющий отношение наибольшей величины ширины зазора к наименьшей ширине зазора от 1,1 до 5, так, чтобы жидкая матрица направлялась мимо внутренней поверхности цилиндра для отделения пузырьков газа и захватывания их в жидкой матрице.

Способ может осуществляться регулируемым образом подбором размера пузырьков газа или их распределения по размерам, выбирая мембрану с определенным распределением размеров пор и расстоянием между порами и управляя потоком жидкой матрицы при изменяемой, регулируемой массовой скорости потока, контролируя поток газа через мембрану при изменяемых, регулируемых трансмембранном давлением и объемной или массовой скорости потока газа и управляя дополнительным потоком, вызываемым изменяемым, регулируемым вращательным движением вращающегося элемента (цилиндра), движущегося вблизи поверхности мембраны. Такой дополнительный вращающийся поток, обеспечиваемый вращающимся элементом, очень предпочтителен, поскольку он разделяет усилия, обеспечивающие протекание продукта и усилия, обеспечивающие отделение пузырьков, действующие на поверхность мембраны и определяющие размер получающихся пузырьков. При этом желательные величины размера пузырьков газа и распределения размера пузырьков газа могут быть достигнуты внутри диапазона объемных долей диспергированного газа от 20% до 70%, что эквивалентно взбитости от 25 до 230%.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания сущности и преимуществ изобретения, а также относящихся к нему преимуществ по сравнению с существующим уровнем техники, следует обратиться к нижеследующему описанию, взятому в соединении с прилагаемыми фигурами, обеспечивающими иллюстративное сопровождение изобретения и связанных с изобретением показателей, при этом:

Фиг.1 - диаграмма распределения по размерам пузырьков воздуха, полученных с помощью обычного устройства для диспергирования пузырьков.

Фиг.2 - график распределения по размерам воздушных пузырьков пены, полученной в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг.3 - гистограмма, представляющая 10-й, 50-й и 90-й процентиль диаметров пузырьков для трех различных воплощений способа/устройства аэрирования по изобретению.

Фиг.4 - график, представляющий ширину распределения по размерам пузырьков или его «узость» для трех различных воплощений способа/устройства аэрирования по изобретению.

Фигуры 5А и 5В представляют полученные с помощью электронного сканирующего микроскопа микрофотографии ламеллярных кейдж-структур пен по изобретению.

Фиг.6 - график, демонстрирующий функциональную зависимость объема ламеллярной фазы от концентрации добавленного способствующего набуханию вещества.

Фиг.7 - технологическая схема, представляющая этапы получения пены в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.8 представляет конечный продукт, полученный при изменении в ходе получения пены порядка следования этапа нагревания (I) и этапа регулирования рН (II), при котором обратный порядок (II, затем I) приводит к явному разрушению структуры без образования пены.

Фиг.9 - фотография двух пробирок, позволяющая сравнить дренажные характеристики пены согласно изобретению с пеной обычного щербета.

Фиг.10 - график изменения диаметра пузырьков пены, подвергнутой термическому удару, с Фиг.10А, являющейся микрофотографией пузырьков до термического удара, и Фиг.10В, иллюстрирующей пузырьки после термического удара.

Фиг.11 - график, демонстрирующий поведение пены согласно изобретению при термическом ударе.

Фиг.12 - схематический чертеж первого воплощения (Тип I) аэрирующего устройства изобретения, показывающий осевое сечение устройства с мембраной, установленной на поверхности внутренней вращающейся части (то есть цилиндра), и представленными на Фиг.12А и Фиг.12В увеличенными изображениями сечения перфорированного участка, показывающими компактные газовые образования на поверхности мембраны.

Фиг.13 - схематический чертеж второго воплощения (Тип II) аэрирующего устройства изобретения, показывающий осевое сечение устройства с мембраной, установленной на поверхности внешней неподвижной части (цилиндрического корпуса), и увеличенным изображением сечения зазора (Фиг.13А), показывающим газовые струйки, выбрасываемые из мембранной поры в зазор.

Фиг.14А представляет ортогональное по отношению к оси вращения сечение устройства с Фиг.12-13, демонстрируя эксцентрическое взаиморасположение вращающейся внутренней части и корпуса, с Фиг.14В, иллюстрирующим сечение, параллельное оси вращения.

Фиг.15А показывает ортогональное по отношению к оси вращения сечение устройства с Фиг.12-13, демонстрируя концентрическое взаиморасположение вращающейся внутренней части и корпуса с закрепленной на корпусе аэрирующей мембраной и профилированной поверхностью вращающейся внутренней части (то есть цилиндра); Фиг.15В иллюстрирует сечение, параллельное оси вращения.

Фиг.16 - график функции распределения размера пузырьков воздуха q₀(x) (например, распределение плотности) после дисперсионной обработки в новом мембранном устройстве В-типа II с мембраной, установленной на неподвижном корпусе.

Фиг.17 - график функции распределения размера пузырьков воздуха q₀(x) (например, распределение плотности) после дисперсионной обработки в мембранном устройстве типа II при тех же условиях, что и с устройством В-типа I.

Фиг.18 - график функции распределения размера пузырьков воздуха q₀(x) (например, распределение плотности) после дисперсионной обработки в обычном роторно-статорном устройстве при тех же условиях, что и с устройствами В-типа I и II.

Фиг.19 - график, демонстрирующий функциональную зависимость среднего диаметра пузырьков x_50,0 (средняя величина распределения объема пузырьков, q₃(x)) как функции диспергированного газа при 30 объемных долях для модельной рецептуры NDA-1, подвергнутой аэрации с помощью двух различных воплощений способа: мембранного способа/устройства с мембраной, установленной на вращающемся внутреннем цилиндре (В-тип I), и мембранного способа/устройства с мембраной, закрепленной на корпусе, и вращающимся внутренним сплошным цилиндром с гладкой поверхностью (В-тип II); условия: рецептура NDA-1, зазор: 0,22 мм, число оборотов в минуту: 6250).

Фиг.20 - график, демонстрирующий функциональную зависимость среднего диаметра пузырьков x_50,0 (средняя величина распределения объема пузырьков, q₃(x)) как функции объемной плотности энергии (энергия, подводимая к единице объема жидкости) для непрерывной текучей жидкофазной рецептуры NMF-2 (2а и 2b сопоставимы) аэрированной двумя различными способами: обычным, с использованием роторно-статорного смесителя с входящими в зацепление штифтами, обеспечивающим поток с турбулентными характеристиками (А), и новым мембранным способом/устройством с мембраной, установленной на вращающемся внутреннем цилиндре (В-тип I).

Фиг.21 - график функции распределения размера пузырьков воздуха q₀(x) (распределение плотности) после дисперсионной обработки в новом мембранном устройстве с мембраной, установленной на неподвижном внешнем корпусе, и с вращающимся внутренним цилиндром с профилированной поверхностью (условия: рецептура NDA-1, зазор: 0,22 мм, число оборотов в минуту: 6250, объемная доля газа 0,5).

Осуществление изобретения

В описании ниже применяется ряд определений, используемых для определения изобретения и понимания его элементов новизны.

Термин «термический удар» для целей настоящего изобретения означает изменение в состоянии пены от твердого до жидкого или полужидкого состояния, или наоборот, вызываемого нагреванием от температуры, при которой матрица является замороженной, к температуре, при которой матрица становится жидкой или полужидкой, или охлаждением от температуры, при которой матрица является жидкостью, к температуре, при которой матрица оказывается замороженной или твердой.

Термин «устойчивость к термическому удару» для целей настоящего изобретения означает способность пены сохранять стабильность, когда она подвергается одному или нескольким явлениям термических ударов. Как правило, это означает, что пена по существу сохраняет размер пузырьков и распределение размера пузырьков после воздействия термического удара, то есть пузырьки не сливаются и структура пены не ухудшается.

Настоящее изобретение относится к новой многофункциональной устойчивой пене, а также к способам изготовления такой пены и к продуктам, включающим или содержащим новую пену. Данная пена является уникальной композицией газовых пузырьков в матрице, добавление к которой некоторых дополнительных компонентов приводит к новой и уникальной ламеллярной кейдж-структуре, способствующей стабилизации пузырьков в пене.

В зависимости от желательного применения пены, могут использоваться пузырьки, приготовленные из любого газа. Для большинства применений газовые пузырьки готовятся из воздуха, но если желательно, газ может быть любым, являющимся инертным или по меньшей мере нереакционноспособным по отношению к жидкости матрицы и к предполагаемым для включения в матрицу или пену компонентам. Обычно предпочитаются, например, азот, кислород, аргон, двуокись азота или их смеси, хотя для отдельных применений пены могут использоваться водород, гелий или другие подобные газы. Мелкие пузырьки пены присутствуют в жидкой матрице, содержащей некоторые полезные добавки, которые поддерживают и сохраняют структуру пены, невзирая на воздействие различных температур в пределах от тех, которые вызывают замораживание матрицы, до тех которые вызывают ее нагревание лишь чуть ниже точки кипения матрицы.

Жидкость, используемая для получения матрицы пены, может также широко изменяться в зависимости от желательного типа пены и ее конечного применения. Самой широко распространенной и удобной для этих целей жидкостью является вода, хотя может использоваться и любая другая жидкость, которая является полярной и нереакционноспособной по отношению к газовым пузырькам и составным частям матрицы. Поскольку основным применением пены должна быть сфера потребления, газ и жидкость должны быть нетоксичными для употребления человеком.

Матрица обычно содержит жидкость и включает структурирующий агент, который образует ламеллярную или пузырьковую кейдж-структуру без образования геля, придающего пене каучукоподобную текстуру. Ламеллярная кейдж-структура захватывает по меньшей мере существенную часть газовых пузырьков и жидкой матрицы с тем, чтобы удерживать пузырьки газа и жидкость в достаточно плотной структуре, которая по существу предотвращает дренаж жидкой матрицы и слияние и расслоение пузырьков газа для обеспечения стабильности пены даже в случаях, когда пена подвергается многократным термическим ударам.

Выражение «по существу, предотвращает дренаж» для целей настоящего изобретения означает, что из пены при выдерживании ее в контейнере в течение 24 часов при температуре окружающей среды истекает не более 5% жидкости. Также выражение «по существу сохраняет стабильность» означает, что пена может быть подвергнута одному или большему количеству резких температурных колебаний в форме термического удара без утраты своей структуры. Это означает, что пена может быть заморожена, расплавлена или перетоплена с сохранением своей структуры. Например, для продукта в виде мороженого, которое является предпочтительным воплощением изобретения, это означает, что продукт может подвергаться замораживанию и повторному замораживанию без образования кристаллов льда таких размеров, которые могли бы придавать продукту неприятные качества.

Жидкая матрица предпочтительно содержит полярную жидкость, газ является азотом, кислородом, аргоном, двуокисью азота или их смесями, газовые пузырьки имеют достаточно малый средний диаметр и расположение в ламеллярной кейдж-структуре достаточно тесное, чтобы при воздействии на пену температур ниже температуры замерзания жидкой матрицы препятствовать образованию в жидкой матрице замороженных кристаллов со средними диаметрами X_50,0 в 50 мкм или более. Предпочтительно жидкая матрица содержит воду, газ является воздухом, газовые пузырьки имеют средний диаметр Х_50,0, составляющий менее 30 мкм, и располагаются с промежутками менее 30 мкм, а пена имеет величину коэффициента распределения пузырьков по диаметрам Х_90,0/Х_10,0 менее 5. Более предпочтительно газовые пузырьки имеют средний диаметр Х_50,0, составляющий менее 15 мкм, и расположены с промежутками менее 15 мкм, а пена имеет коэффициент распределения пузырьков по диаметрам Х_90,0/Х_10,0 менее 3,5 и, более конкретно, между 2 и 3.

Подходящий структурирующий агент, как правило, содержит амфифильное соединение или материал, который включает гидрофобные и набухающие гидрофильные участки, которые образуют ламеллярную или пузырьковую кейдж-структуру.

Структурирующий агент часто является эмульгатором, который присутствует в количестве от около 0,05 до 2,5 мас.% от массы жидкой матрицы. Предпочтительный структурирующий агент содержит термически, физико-химически (то есть с применением к молекулам «обработки заряда»: