Procedimiento de extrusión a baja temperatura y dispositivo de microestructuración de energía optimizada y adaptado a viscosidad de masas aireadas congeladas.

Dispositivo para la extrusión por congelación a baja temperatura bajo condiciones de microestructuración adaptadas a viscosidad de energía optimizada de sistemas aireados congelados tales como helado,

que comprende una geometría variable de husillos a lo largo de la longitud del extrusor, localmente ajustadas según la viscosidad local con respecto a la dispersión progresiva eficiente, reducción progresiva simultánea de la temperatura y la correspondiente congelación del agua, caracterizado porque dicho dispositivo comprende:

una anchura de la ranura de fuga entre vuelta de husillo y pared interna del barril inferior a 0,1 mm, preferentemente inferior a 0,5 mm,

un grosor de vuelta de husillo de entre 2 y 20 mm y 1: una inclinación del borde frontal de la vuelta de husillo respecto a la pared interna del barril de entre 10º y 45º, preferentemente de entre 30º y 35º, aplicando preferentemente la inclinación a los primeros 2 mm externos de la altura de vuelta de husillo, ó 2: borde frontal de vuelta de husillo redondeado con un radio de preferentemente ≥2 mm,

una altura del canal del husillo de extrusor ajustada a lo largo de la longitud del extrusor a la viscosidad de la masa, mientras que en la zona de alimentación (I) del extrusor, la proporción entre la altura del canal de husillo H y el diámetro externo del husillo D se ajusta a un valor entre 0,03 y 0,07, en la zona intermedia (de la longitud) (II) de entre 0,1 y 0,15 y en el tercio final de la longitud del extrusor, de entre 0,1 y 0,25.

Procedimiento de extrusión a baja temperatura y dispositivo de microestructuración de energía optimizada y adaptado a viscosidad de masas aireadas congeladas En la presente memoria se describe un procedimiento para la fabricación de postres ultracongelados, en particular helados, bajo condiciones optimizadas para la introducción de energía mecánica con el fin de generar una microestructura homogénea finamente dispersada y condiciones simultáneamente optimizadas para la transferencia de calor disipado y de transición de fases (congelación) , hasta fracciones elevadas de agua congelada a las temperaturas bajas correspondientes. La invención se refiere a un dispositivo para llevar a cabo dicho procedimiento.

Antecedentes de la invención Los extrusores de husillo único y de doble husillo son aparatos de procesamiento continuo bien conocidos que se utilizan principalmente en la industria de los polímeros y las cerámicas, aunque también en la alimentaria, en la que se producen, por ejemplo, productos de pasta y tentempiés. Desde 1992 (patente nº DE 4202231 C1) también se ha propuesto la utilización de extrusores para la congelación continua de postres congelados como el helado.

La patente nº US 5.345.781 da a conocer, por ejemplo, un dispositivo que incluye un extrusor que presenta por lo menos un doble husillo en el que sus ejes de giro se encuentran situados en paralelo entre sí. Según dicho documento, la proporción entre la altura del canal y la anchura del mismo es fija a lo largo de la longitud del extrusor. El documento nº WO97/39637 se refiere a un método para la preparación continua de dulces aireados congelados, en el que los ingredientes se homogenizan, pasteurizan, congelan y airean en un extrusor de husillo. El diseño concreto del dispositivo no se encuentra bien descrito en dicho documento. La patente nº US 5.024.066 describe una instalación para preparar, por ejemplo, helado, en la que el sistema de congelación comprende una cámara cilíndrica refrigerada con un tornillo de Arquímedes. En términos de diseño, la profundidad de la rosca puede variar. Por otra parte, no se mencionan la anchura de la ranura de fuga o el perfil de las vueltas del husillo. La proporción entre la altura del canal del tornillo y el diámetro externo del mismo no varía a lo largo de la cámara.

Aspectos del procesamiento Tal como se describe en varias publicaciones (ver la revisión de la literatura 2-19) , un extrusor a baja temperatura permite la ultracongelación del helado y de otras masas alimentarias como yogur y pulpas de frutas hasta alcanzar una fracción elevada de agua congelada (80% a 90% respecto a la fracción de agua congelable) bajo tensiones mecánicas de acción simultánea mediante flujo cizallante.

El calor disipado causado por la fricción viscosa en los sistemas parcialmente congelados altamente viscosos (viscosidad dinámica de hasta 104 Pa·s) debe transferirse además al calor de cristalización (congelación) de manera eficiente, mientras que el equilibrio entre el calor generado y el calor transferido depende del ajuste del coeficiente de transferencia de calor k (describe la transferencia de calor a través de una capa de producto adherido a la pared interior de la carcasa del extrusor hasta y atravesando dicha pared de acero y hasta el interior de un refrigerante en evaporación en contacto con la pared exterior del barril del extrusor.

Hasta hoy, los coeficientes máximos de transferencia de calor se han alcanzado mediante una elección apropiada de la geometría del husillo de extrusión, con una ranura de fuga estrecha entre la punta de vuelta del barril del extrusor y la pared interior del barril del extrusor con el fin de sustituir eficientemente la capa de material congelado contigua a la pared del barril del extrusor, y mediante la utilización de un refrigerante que se evapora (por ejemplo amonio) para el enfriamiento de la carcasa del extrusor. Las tasas de cizalla generadas en el canal del husillo presentan una distribución estrecha debido a la utilización de geometrías de husillo con una altura del canal del husillo constantemente baja y un ligero desplazamiento axial de la disposición de los husillos dentro de los sistemas extrusores de doble husillo (patente nº EP 0561 118 B1) . Lo anterior implica que no existen zonas extendidas con tasas de cizalla muy altas o muy bajas. A tasas de cizalla máxima de aproximadamente 20 a 30 s-1 para las masas de helado típicas, se alcanzan temperaturas de salida de entre -12ºC y -18ºC en la salida del extrusor.

La temperatura de estiramiento mínima de la masa en la salida del extrusor depende de las propiedades de depresión del punto de congelación de la masa y la viscosidad relacionada de la masa a la temperatura correspondiente, así como de la disipación de la energía mecánica causada por la fricción viscosa.

En la extrusión de la masa de helado (por ejemplo según las patentes nº EP 0561118 y nº US 5.345.781) sólo se genera un pequeño gradiente de presión a lo largo del extrusor. La diferencia de presión total entre la entrada y la salida del extrusor en general es de entre ≤1 y 5 bares. Lo anterior garantiza que se evita la segregación de fases de la mezcla de gas-líquido (espuma) , que todavía presenta una viscosidad bastante baja en la entrada del extrusor, en gran medida. La configuración específica de husillos del extrusor, así como la disposición de los husillos (doble husillo) en el extrusor de baja temperatura según EP 0561118 ó US 5.345.781; DE 4202231C1, respectivamente, aplica además una mezcla eficiente y suave de la masa. Lo anterior se consigue particularmente mediante una distribución apropiada del flujo en la zona de solapamiento/engranado de las vueltas del husillo entre los husillos en el caso de dos husillos.

Aspectos del producto Aparte del aparato anteriormente descrito y aspectos relacionados con el procedimiento, existe un gran interés en las propiedades ventajosas específicas del producto que pueden conseguirse en el helado tratado mediante extrusión a baja temperatura. Generalmente se indica que dichas propiedades ventajosas generadas por la extrusión a baja temperatura se refiere a una dispersión más fina de los componentes microestructurales del helado: cristales de hielo, burbujas de aire/celdas de aire y aglomerados de glóbulos de grasas. El grado de dichos efectos de dispersión depende además de la receta del helado. La descripción siguiente se refiere a las recetas estándares típicas del helado de vainilla; aunque con variaciones en el contenido de grasa/grasa láctea (0% a 16%) y materia seca (35% a 43%) . Las propiedades especiales ventajosas conseguidas para los helados extruidos a baja temperatura se refieren a los elementos dispersados estructurantes principales en el helado, siendo los cristales de agua helada (1) , las burbujas de aire/celdas de aire (2) y los aglomerados de glóbulos de grasas (3) , todos ellos mucho más finamente dispersados bajo las elevadas tensiones mecánicas que actúan en la cizalla laminar y flujo de alargamiento dentro del flujo del extrusor bajo las condiciones de baja temperatura.

Para los cristales de hielo, los efectos secundarios de nucleación mediante desgaste y rotura de los cristales, además de la nucleación adicional de cristales de hielo primarios en la pared interna del barril, conducen a una reducción de tamaño en un factor de 2 a 3 respecto al procesamiento convencional del helado en congelador y posterior túnel de endurecimiento. Se reduce el tamaño medio de las burbujas de aire/celdas de aire en un factor de 3 a 5 respecto al procedimiento convencional, debido a que el incremento de las tensiones de cizalla que actúan conducen a la rotura de las burbujas/celdas de aire.

La intensidad del tratamiento mecánico en el flujo del extrusor depende fuertemente de la viscosidad de la masa, que se relaciona con la fracción de agua congelada a una temperatura específica. En una sección transversal del canal del husillo del extrusor, que forma un estrecho hueco anular, las tensiones de cizalla se distribuyen de manera bastante homogénea y estrecha (ahora zonas de flujo con picos de tensión) . A lo largo de la longitud del extrusor, la entrada de energía mecánica incrementa con el tiempo de residencia del helado en el canal del extrusor, así como con el incremento de la viscosidad de la masa como resultado de una mayor fracción de agua congelada.

La destrucción local de la estructura del helado por una disipación excesiva de la energía y generación relacionada de calor por fricción se evita a las tasas de cizalla de procedimiento/aparato aplicadas típicamente (patente EP nº 056118) .

En los helados que contienen grasas se presentan glóbulos de grasas con un tamaño medio atípico... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para la extrusión por congelación a baja temperatura bajo condiciones de microestructuración adaptadas a viscosidad de energía optimizada de sistemas aireados congelados tales como helado, que comprende una geometría variable de husillos a lo largo de la longitud del extrusor, localmente ajustadas según la viscosidad local con respecto a la dispersión progresiva eficiente, reducción progresiva simultánea de la temperatura y la correspondiente congelación del agua, caracterizado porque dicho dispositivo comprende: una anchura de la ranura de fuga entre vuelta de husillo y pared interna del barril inferior a 0, 1 mm, preferentemente inferior a 0, 5 mm, un grosor de vuelta de husillo de entre 2 y 20 mm y 1: una inclinación del borde frontal de la vuelta de husillo respecto a la pared interna del barril de entre 10º y 45º, preferentemente de entre 30º y 35º, aplicando preferentemente la inclinación a los primeros 2 mm externos de la altura de vuelta de husillo, ó 2: borde frontal de vuelta de husillo redondeado con un radio de preferentemente ≥2 mm, una altura del canal del husillo de extrusor ajustada a lo largo de la longitud del extrusor a la viscosidad de la masa, mientras que en la zona de alimentación (I) del extrusor, la proporción entre la altura del canal de husillo H y el diámetro externo del husillo D se ajusta a un valor entre 0, 03 y 0, 07, en la zona intermedia (de la longitud) (II) de entre 0, 1 y 0, 15 y en el tercio final de la longitud del extrusor, de entre 0, 1 y 0, 25.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por una altura del canal de husillo continuamente creciente a lo largo de la longitud del extrusor, de manera que la línea de contorno no enroscada del tronco de husillo entre la entrada y la salida de la masa, formando los ejes longitudinales centrales del husillo un ángulo de entre 0, 03º y 0, 1º, preferentemente de entre 0, 05º y 0, 07º.

3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por uno o más husillos que comprenden 3 a 7, preferentemente 4 a 5 vueltas de husillo en el primer tercio de la longitud del extrusor, con 1 a 4, preferentemente 2 a 3 vueltas de husillo en el segundo tercio de la longitud del extrusor y con 2 a 3, preferentemente 1 a 2 vueltas de husillo en el tercio final de la longitud del extrusor en la vecindad de la salida del extrusor.

4. Dispositivo según las reivindicaciones 1 y 3, caracterizado por una reducción progresiva del número de vueltas de husillo en 2 a 10, preferentemente 3 a 5, segmentos longitudinales iguales o variables del extrusor, mientras que el número de husillos se reduce continuamente en 1 a 2 vueltas de husillo de segmento a segmento.

5. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por ángulos de husillo en la zona de entrada (I) de entre 35º y 90º, preferentemente de entre 45º y 60º, en la zona intermedia del extrusor de entre 30º y 45º, preferentemente de entre 30º y 35º y en el tercio final de la longitud del extrusor de entre 20º y 35º, preferentemente de entre 25º y 30º.

6. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por una reducción del ángulo de husillo constante o variable de entre 45º y 90º, preferentemente de entre 45º y 60º entre la zona de entrada del extrusor (I) hasta entre 20º y 35º, preferentemente entre 25º y 30º en la zona de salida del extrusor (III) .

7. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por cortes en las vueltas de husillo en el primer 10% a 30%, preferentemente 15% a 20%, de la longitud del extrusor.

8. Dispositivo según las reivindicaciones 1 y 5 a 7, caracterizado por husillos que presentan más de una vuelta de husillo y cortes en las vueltas de husillo respectivas que se encuentran desplazadas axialmente, de manera que la masa se somete a un flujo de raspado/"limpieza" de cada parte de la pared interna del barril.

9. Dispositivo según las reivindicaciones 1 y 7, caracterizado por cortes en las vueltas de husillo en las que la longitud de estos cortes es 2, 5 a 3 veces, preferentemente 1 a 2 veces la altura del canal de husillo y en el que las mismas dimensiones son válidas para las partes sin corte de las vueltas de husillo.

10. Dispositivo según las reivindicaciones 1, 7 y 8, caracterizado por elementos integrados, por ejemplo pivotes, conectados con la pared interna del barril, engranados con los cortes en las vueltas de husillo durante el giro del husillo.

11. Dispositivo según las reivindicaciones 1 y 9, caracterizado por elementos, por ejemplo pivotes, conectados con la pared interna del barril en 2 a 10, preferentemente 3 a 5 posiciones diferentes dispuestas regular o irregularmente en el perímetro de la pared interna del barril.

12. Dispositivo según las reivindicaciones 1 y 9 a 11, caracterizado por más de una vuelta de husillo en las que los cortes en estas vueltas de husillo presentan la misma posición axial para permitir el engranado con los elementos integrados, por ejemplo pivotes.

13. Dispositivo según las reivindicaciones 1 y 12, caracterizado por una disposición de extrusor de un solo husillo o de dos husillos para la extrusión a baja temperatura de masas aireadas congeladas y características de geometría adaptadas según una o más de las reivindicaciones 1 a 12.

14. Procedimiento de extrusión por congelación de baja temperatura para la microestructuración adaptada a viscosidad de energía optimizada de masas aireadas congeladas tales como helado, que comprende a lo largo de la longitud del canal del husillo de extrusor un tratamiento mecánico adaptado según zonas de la masa aireada parcialmente congelada que ha sido adaptada según zonas a su viscosidad local, caracterizado porque se lleva a cabo en un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 de manera que en cada una de las zonas posteriores se consigue la dispersión de burbujas de aire/celdas de aire y simultáneamente una reducción de la temperatura y un correspondiente incremento de la fracción de agua congelada.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque para una temperatura convencional de masa de helado de vainilla estándar de ≤-11ºC o más generalmente se consiguen fracciones de masa de agua congelada de aproximadamente ≥60% respecto a la fracción de agua congelable total en el primer 50% a 75% de la longitud del extrusor medida desde la entrada del extrusor, preferentemente 50% a 65% de la longitud.