專利名稱：用于控制產(chǎn)品密度的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制產(chǎn)品密度的方法和系統(tǒng)，特別涉及一種用于對充氣食物的最終密度進(jìn)行控制的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在對例如蛋黃醬和色拉調(diào)料的可食用乳化產(chǎn)品所進(jìn)行的大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)中，期望提供具有始終如—美味特性的產(chǎn)品。例如，在乳液產(chǎn)品中，為保護(hù)用戶的滿意度，味覺，質(zhì)地外觀，和口感的連貫性是很重要的。
使用混合和均化工序，從而調(diào)配出粘性乳化產(chǎn)品，例如蛋黃醬和色拉調(diào)料。蛋黃醬是一種公知的水包油乳液。蛋黃醬通常用包含植物油，蛋黃，水和醋的某些成分來配制而成。也可包括其他各種成分，例如調(diào)味品(如香料，食鹽，糖，調(diào)味料)和/或防腐劑。傳統(tǒng)上蛋黃醬產(chǎn)品具有至少65重量％的植物油。然而，已知有基于基礎(chǔ)配方的變化，可提供低油含量類型的蛋黃醬產(chǎn)品。并且可將色拉調(diào)料制成由低于蛋黃醬中植物油數(shù)量的植物油，蛋黃，水和醋所構(gòu)成的乳液，其可與淀粉基料相結(jié)合，并可包含其他香料和調(diào)味料成分。
在這些蛋黃醬和色拉調(diào)料配方基礎(chǔ)上的變化也已為大家所知了。比如，也可制造出蛋黃醬類似物或輕淡調(diào)料，其中用淀粉基料和/或樹膠替換其一部分或所有的植物油，和/或用蛋白，蛋清或無蛋的乳化劑替換一部分蛋黃。
如今我們已知了許多種的混合器，并將它們廣泛地用于對各種可食用粘性乳液所進(jìn)行的混合和均化以及對可流動的食物的類似加工中。在為以高速輸出大量連續(xù)配制的可食用粘性乳液的一種先期制備方法中，將形成的基礎(chǔ)乳液預(yù)混合料的成分引入到具有初級轉(zhuǎn)子/定子階段以及二級銷住(pinned)轉(zhuǎn)子階段的串聯(lián)的(in-line)混合裝置中。例如，在美國專利5,114,732中，在高剪切條件下將基礎(chǔ)乳液預(yù)混合料在轉(zhuǎn)子一定子階段中進(jìn)行混合，其后在銷住轉(zhuǎn)子階段中對該乳液進(jìn)行處理，該階段提供了低剪切的平緩折疊操作，用于混合和均化離開初級轉(zhuǎn)子/定子階段的基礎(chǔ)乳液與附加成分和/或空氣。將空氣引入到該可食用乳液中，以便以期望的方式改變質(zhì)地和外觀。
在過去，基于對完成包裝的產(chǎn)品所進(jìn)行的采樣測量來監(jiān)測可食用乳化產(chǎn)品的物理特性。然而，最終產(chǎn)品采樣具有以下缺點(diǎn)，即在通過該最終產(chǎn)品采樣確定出處理?xiàng)l件中早先出現(xiàn)的干擾之前的一段時(shí)間內(nèi)，生產(chǎn)線就已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并且已生產(chǎn)出很多產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及到一種在對可食用充氣食品產(chǎn)品進(jìn)行制備期間用于控制密度使其達(dá)到預(yù)定水平的方法。在優(yōu)選實(shí)施方案中，需要對在位于用于形成充氣材料的剪切單元的充分下游位置處的產(chǎn)品進(jìn)行密度測量，以便當(dāng)對其密度進(jìn)行測量時(shí)產(chǎn)品處于平衡狀態(tài)。從而，可對位于剪切單元上游位置的充氣氣體注入速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，計(jì)算該調(diào)節(jié)從而可用精確、可靠的方式來減小在預(yù)定的和所測得的密度之間的差異。在優(yōu)選方面中，在給定的工藝運(yùn)行期間，例如在規(guī)則的時(shí)間間隔中，重復(fù)地進(jìn)行對密度的測量和對氣體流速的調(diào)節(jié)步驟。本發(fā)明還涉及一種可操作來執(zhí)行該方法的系統(tǒng)。
可以發(fā)現(xiàn)的是，用加壓氣體充氣而得的食品在從用于形成充氣產(chǎn)品的剪切單元排出時(shí)具有不穩(wěn)定的密度特性，直到經(jīng)過足夠時(shí)間后才能使該產(chǎn)品達(dá)到平衡并且使氣體膨脹達(dá)到穩(wěn)定。在一個方面中，該充氣產(chǎn)品直到該充氣產(chǎn)品的壓力條件降低到近似于大氣壓力的時(shí)候才能平衡。在從剪切單元中排出后，一旦經(jīng)過足夠的時(shí)間該充氣產(chǎn)品就可達(dá)到平衡，之后出于過程控制的目的可對其密度特性進(jìn)行可靠的監(jiān)測。作為另一方面，為食品充氣所選擇出的氣體優(yōu)選的是具有比空氣在給定食品中的溶解度更低溶解度的氣體，其允許食物在不久之后就可達(dá)到平衡，從而能夠更好的控制該過程。
在另一個方面中，可如下進(jìn)一步改善該過程控制在它們與氣體混合或?qū)⑵渥⑷氲郊羟袉卧兄?，通過對一種或多種配方供給材料密度特性中的上游干擾進(jìn)行測量，并對氣體注入速度進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，其對消除(pre-empt)或至少降低對產(chǎn)品密度的影響是有效的，否則可期望在一種或多種配方供給材料中已產(chǎn)生的上游干擾會造成這樣的影響。
優(yōu)選的方法降低了在充氣食品產(chǎn)品中的密度可變性，并由此改進(jìn)了它們的產(chǎn)品質(zhì)量和一致性。并還有可能增加產(chǎn)品產(chǎn)量且改進(jìn)填充的一致性。一些實(shí)施方案中的充氣產(chǎn)品在連續(xù)生產(chǎn)試驗(yàn)過程中保持具有更為一致的外觀和質(zhì)地。該方法和系統(tǒng)適用于包括例如蛋黃醬，蛋黃醬類似物，色拉調(diào)料，沙司，奶油夾心，糖食，加工干酪，和奶油干酪的可食用充氣食品的生產(chǎn)。


參考附圖，從以下對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將得以顯現(xiàn)。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的，用于提供具有動態(tài)控制密度的充氣可食用分散體的方法的流程圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的，用于提供具有動態(tài)控制密度的充氣可食用分散體的方法的流程圖。
圖3A是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的用于控制產(chǎn)品密度的反饋控制方案的方塊圖。
圖3B是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的用于控制產(chǎn)品密度的反饋控制方案的方塊圖。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的用于控制產(chǎn)品密度的模型預(yù)測控制方案的方塊圖。
圖4B是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施方案的用于控制產(chǎn)品密度的模型預(yù)測控制方案的方塊圖。
圖4C是在根據(jù)圖4A和4B的每個實(shí)施方案的用于控制產(chǎn)品密度的模型預(yù)測控制方案中所使用的子程序的方塊圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施方案的，用于提供具有動態(tài)控制密度的充氣可食用分散體的方法的流程圖。
圖6是對于實(shí)施例1中描述的對照實(shí)驗(yàn)的一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品密度和空氣引入流速的圖表，其中將產(chǎn)品密度計(jì)安裝在圖1中所示設(shè)計(jì)的一種變體中的剪切單元出口處。
圖7是對于實(shí)施例2中描述的實(shí)驗(yàn)的一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品密度和空氣引入流速的圖表，其中將產(chǎn)品密度計(jì)安裝在類似于圖1中所示的處理裝置中的剪切單元的下游，在該處產(chǎn)品平衡得以實(shí)現(xiàn)。
圖8是對于實(shí)施例4中描述的實(shí)驗(yàn)的一段時(shí)間內(nèi)，淀粉基料密度，預(yù)混合料密渡，產(chǎn)品密度，和空氣引入流速的圖表，其中將另一個產(chǎn)品密度計(jì)也安裝在與程序控制器相通的淀粉基料進(jìn)料管線上，該程序控制器可基于淀粉基料測量結(jié)果操作來調(diào)節(jié)氣體流速。除非另作說明，否則在不同附圖中標(biāo)有相同附圖標(biāo)記的元件表示相同的特征。
具體實(shí)施例方式
參看圖1，表示出用于以連續(xù)方式制造充氣食物的常規(guī)工藝100，其中以動態(tài)的、精確的、和可靠的方式對產(chǎn)品密度進(jìn)行控制。
經(jīng)由進(jìn)料管線10引入第一食物成分流A。經(jīng)由導(dǎo)管21將食物成分流A泵入到用于乳化的分散或混合裝置12中，其可以是剪切單元。在路線中，將流A在位置36處與氣體30結(jié)合，在此處把氣體經(jīng)由氣體控制閥13注入到流動的流中。
在氣體注入前，將食物成分流A通過串聯(lián)的密度計(jì)11導(dǎo)入，在此處出于將從后面描述中表示出來的原因而進(jìn)行密度測量。在這個非限制性的圖示中，將通過管線17所引入的另一個食物成分B混合到剪切單元12中的充氣分散體內(nèi)。通過路線中串聯(lián)的密度計(jì)18將可食用食物成分流B引入到剪切單元12中。
可以理解的是，上述這些輸入食物成分流A和B，在數(shù)量和組成物，以及混合設(shè)備種類方面，僅是舉例性質(zhì)的。參看圖2，在另一方面中，本發(fā)明也適用于對僅具有一種材料流A輸入的充氣食物制造系統(tǒng)101進(jìn)行處理?？商鎿Q的，可將其用于包括將多于兩種的輸入食物成分流輸送給具有一個或多個相應(yīng)接收注入氣體的混合或剪切單元中的食物充氣處理系統(tǒng)。本發(fā)明也可利用任何類型的、適用于將氣體分散到可流動食物材料或組合物中的分散或剪切單元。此外，在圖1和2中氣體注入的所示位置和單個所示位置僅僅是說明性的?？蓪怏w在剪切單元上游的不同位置處進(jìn)行注入，和/或用多個上游位置來替換所示的僅僅一個位置。
在剪切單元12中處理時(shí)，通過將氣泡充分均勻地分配到整個乳液或其他類型的可食用分散體中，制造出充氣食物結(jié)構(gòu)。氣泡可具有各種尺寸大小，包括小于和/或大于10微米的尺寸。在一個實(shí)施方案中，所制造的充氣結(jié)構(gòu)是可食用分散體。在特定實(shí)施方案中，將充氣結(jié)構(gòu)制造為在含水介質(zhì)中的脂肪物質(zhì)的充氣乳液，即水包油乳液，例如蛋黃醬，色拉調(diào)料等等。
經(jīng)由導(dǎo)管22將所形成的充氣分散體產(chǎn)品導(dǎo)入到第一貯罐14中。在進(jìn)入到第一貯罐14中后，經(jīng)由導(dǎo)管23將該產(chǎn)品導(dǎo)入到填充機(jī)貯罐24中，其經(jīng)由導(dǎo)管25供給填充機(jī)站32。將該產(chǎn)品通過路線中串聯(lián)的密度計(jì)15從第一貯罐14導(dǎo)入到填充機(jī)貯罐24。
在一個方面中，在充氣食品制作系統(tǒng)100中，通過對關(guān)于控制變量，就是在剪切單元12下游處所測得的密度的信息進(jìn)行反饋而提供反饋控制。為了在產(chǎn)品中得到平衡，在與剪切單元12充分遠(yuǎn)的位置處進(jìn)行該測量，將該信息用作在剪切前通過經(jīng)由控制閥13調(diào)節(jié)氣體供給速度而對系統(tǒng)100上游中的密度過程變量進(jìn)行控制的基礎(chǔ)。可通過借助控制器26利用儀器(自動控制)而實(shí)現(xiàn)該反饋，或，可替換的，通過操作員(人工控制)來實(shí)現(xiàn)該反饋。密度計(jì)15的安裝位置處已得到了產(chǎn)品平衡，其與相對于產(chǎn)品密度仍處于壓力條件影響下的剪切單元的更近位置相對，可在給定的處理系統(tǒng)上對于給定的處理?xiàng)l件組憑經(jīng)驗(yàn)地確定密度計(jì)15的安裝位置。
還可理解的是，在用于將氣體注入食品中而形成乳液或微氣泡或氣泡分散體的所有食物充氣制造操作中可不需要分散或剪切單元12。在那些情況中，如圖1中所示，可省略剪切單元12，并且包含有注入氣體的食物成分流A可通過管線210直接送到管線22。在該備選情形中，在充分遠(yuǎn)離氣體位置36的位置處進(jìn)行產(chǎn)品密度測量，以便在產(chǎn)品中得到平衡，將該信息用作通過經(jīng)由控制閥13調(diào)節(jié)氣體供給速度而對系統(tǒng)100上游中的密度過程變量進(jìn)行控制的基礎(chǔ)。
出于此目的，“平衡”或“平衡的(equilibrated)”指這樣的產(chǎn)品狀態(tài)，在該產(chǎn)品狀態(tài)中產(chǎn)品密度不易由于產(chǎn)品壓力條件和/或在產(chǎn)品離開剪切單元后氣體溶解到產(chǎn)品中的影響而發(fā)生顯著變化。本發(fā)明研究人員已認(rèn)識到可流動充氣食品，例如充氣乳液的密度，在正壓力下泵入并排出剪切單元12，其并不穩(wěn)定且易于在排出剪切單元時(shí)發(fā)生改變，直到作用于產(chǎn)品的正壓力充分消散并在充分離開剪切單元的下游的位置處達(dá)到穩(wěn)定。在一方面中，在剪切單元下游通道中的一個位置對產(chǎn)品密度進(jìn)行測量，在該位置處在密度測量之前，分散體產(chǎn)品處于在+1psig(psig＝1磅/平方英寸(表壓))范圍內(nèi)的壓力條件下，雖然根據(jù)氣體和食物組成，壓力大于1psig可生產(chǎn)出令人滿意的結(jié)果。
根據(jù)這里的實(shí)施方案用于讀取產(chǎn)品密度值的設(shè)備是直觀計(jì)數(shù)器，因?yàn)樽蠲黠@的測量點(diǎn)表面上將緊接在剪切單元上游的氣體注入點(diǎn)之后，或，可替換的，其緊接在剪切單元中制備充氣產(chǎn)品之后。常規(guī)思想通常是溫度可對液態(tài)產(chǎn)品所進(jìn)行的密度測量產(chǎn)生較大地影響，而壓力對其的影響通常預(yù)計(jì)可以忽略不計(jì)。另外，氣體在產(chǎn)品液態(tài)部分中的溶解程度也不會在乳化剪切單元中的配方成分時(shí)馬上就達(dá)到穩(wěn)定，因此最好考慮在剪切單元充分下游選擇進(jìn)行產(chǎn)品密度測量的位置的可能性。
通過本發(fā)明研究人員所進(jìn)行的試驗(yàn)在下面的實(shí)施例中進(jìn)行描述，其表明當(dāng)密度測量距離剪切單元出口太近而使壓力和氣體溶解度對產(chǎn)品密度的影響還未得到全部消散的位置處，即產(chǎn)品并未平衡的位置處，未觀察到在氣體供給速度和所測得的產(chǎn)品密度之間具備有意義的相互關(guān)系。由此，對于給定的工藝設(shè)置和條件，可憑經(jīng)驗(yàn)對充分遠(yuǎn)離剪切單元的下游、用于進(jìn)行產(chǎn)品密度測量的位置進(jìn)行確定，在所述位置處僅有除了壓力和氣體溶解度以外的過程變量會影響產(chǎn)品密度。
為了自動控制，將密度計(jì)15安裝在生產(chǎn)線中與剪切單元具有充分距離的下游位置處，以便當(dāng)使用時(shí)在產(chǎn)品流中獲得產(chǎn)品平衡。密度計(jì)產(chǎn)生信號(電子的，數(shù)字的，氣動的，等等)，該信號表示所測得的平衡產(chǎn)品密度。通過通信線路16將密度計(jì)與控制器26相連，用于交互通信?？刂破?6又通過通信線路20與氣體控制閥13相連。可對該密度計(jì)進(jìn)行編程，使其以規(guī)定的時(shí)間間隔或連續(xù)地執(zhí)行測量。可替換的，通信線路16可準(zhǔn)許來自于控制器26的指令信號控制密度計(jì)什么時(shí)候和以什么樣的時(shí)間間隔進(jìn)行密度測量。
在一個執(zhí)行過程中，利用產(chǎn)品密度計(jì)的輸出而提供比例積分微分(PID)控制，從而直接控制氣體注入率，而不參考上游預(yù)混合料和淀粉基料密度。所設(shè)計(jì)的PID控制器方案通常用來消除操作人員連續(xù)關(guān)注的需要。利用控制器來自動地調(diào)節(jié)氣體注入率，作為受控過程變量，以便將產(chǎn)品密度測量結(jié)果保持在預(yù)定設(shè)定點(diǎn)處。設(shè)定點(diǎn)值和過程變量的實(shí)時(shí)測量結(jié)果之差就是偏移量。所調(diào)節(jié)的變量，例如，氣體注入率，通常等于該控制器的輸出。響應(yīng)于測量結(jié)果或設(shè)定點(diǎn)的改變，控制器的輸出也將發(fā)生改變。根據(jù)控制器制造者，將積分或重置動作設(shè)定為時(shí)間-重復(fù)(time-repeat)或重復(fù)/時(shí)間(reapeat/time)，因?yàn)橐粋€不過是另一個的倒數(shù)。如通常所知，PID控制器的三個模式通常具有以下特點(diǎn)在比例區(qū)內(nèi)，控制器輸出與測量結(jié)果中的偏移量或改變量成比例；在積分動作中，控制器輸出與出現(xiàn)偏移量的時(shí)間量成比例，通過積分動作對其進(jìn)行消除；以及在微分動作中，控制器輸出與測量結(jié)果或偏移量的改變率成比例，并且通過測量結(jié)果隨時(shí)間的改變率來計(jì)算出控制器輸出。
參看圖3A，例如，在PID控制型方法中，密度計(jì)15檢測并自動地將表示產(chǎn)品密度的信號傳輸給控制器26，控制器26處理并分析該信號，也就是對該信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將所測得的密度值與預(yù)期的預(yù)置或目標(biāo)值或所謂的“設(shè)定點(diǎn)”進(jìn)行比較。如果所測得的實(shí)際密度值與目標(biāo)值之間存在差異，該控制器則將指令信號經(jīng)由通信線路35傳輸給氣體閥13，其用預(yù)設(shè)的方式自動地改變氣體閥的設(shè)置，以便對產(chǎn)品密度進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，使其接近于目標(biāo)值?；谒邮盏降膩碜杂诳刂破?6的信號，氣體閥13可對通過氣體入口管30進(jìn)入到管道21中的氣體流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過管道21將預(yù)混合料供應(yīng)給剪切單元12。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識到的是，適用做氣體體積流量控制裝置的各種裝置都可使用，所述機(jī)構(gòu)并不限于控制閥。
控制器26還可將從密度計(jì)15處所接收到的信號轉(zhuǎn)換為可顯示的密度讀數(shù)，可在密度計(jì)(經(jīng)由反饋信號通信)上，在控制器上，和/或在包括有出于交互通信目的而與控制器相連的計(jì)算機(jī)顯示監(jiān)視器(未示出)的圖形化用戶界面上對其進(jìn)行顯示。
對于手動反饋控制，操作人員定時(shí)地對在密度計(jì)15處的瞬時(shí)產(chǎn)品密度進(jìn)行測量，例如通過讀取出安裝在生產(chǎn)線23上的傳感器的密度讀數(shù)，其可實(shí)時(shí)地測量并產(chǎn)生出密度值或表示密度值的信號。將該密度計(jì)15也安裝在生產(chǎn)線上充分遠(yuǎn)離剪切單元的下游位置上，在此處已獲得了產(chǎn)品平衡。
在一個優(yōu)選方面中，對于過程控制的自動或手動模式，在工藝運(yùn)行期間，如果需要，經(jīng)由反饋控制系統(tǒng)，以固定的時(shí)間間隔間歇地進(jìn)行密度測量，從而能夠定期地進(jìn)行密度調(diào)節(jié)。
參看圖3B，控制方案300可適用于前述過程控制的自動或手動模式，可將其用于動態(tài)地控制產(chǎn)品密度，并在工藝運(yùn)行期間連續(xù)地使其保持為特定的目標(biāo)值。設(shè)定點(diǎn)是為產(chǎn)品目標(biāo)密度而預(yù)先設(shè)立的，時(shí)間間隔Δt是為過程中的密度測量而設(shè)立的?？梢岳斫獾氖?，這些輸入是在給定工藝運(yùn)行前已經(jīng)預(yù)先選定的，但是也可在工藝運(yùn)行期間對其進(jìn)行改變。氣體具有降低整體產(chǎn)品密度的影響。由此，如果所測得的過程中的產(chǎn)品密度大于預(yù)先選定的目標(biāo)值，則控制器(或者，如果是手動模式則是操作人員)就通過使氣體閥打開預(yù)計(jì)量來增加流回到上游的氣體流量，從而改變產(chǎn)品密度，使其能充分地補(bǔ)償(例如，降低)在最新所測得的密度值與預(yù)先選定的目標(biāo)產(chǎn)品密度值之間所存在的差異。
可替換的，如果所測得的產(chǎn)品密度低于預(yù)期的目標(biāo)值，則控制器(或者，如果是手動模式則是操作人員)就通過將閥關(guān)閉預(yù)計(jì)量來降低氣體流量，從而補(bǔ)償在最新所測得的密度值與預(yù)先選定的目標(biāo)值之間所存在的差異。在經(jīng)過時(shí)間間隔Δt后，所進(jìn)行的下一個產(chǎn)品測量將確定當(dāng)前所執(zhí)行的氣體流速調(diào)節(jié)對消除在先前測量中的產(chǎn)品密度中所檢測出的偏差問題是否有效。如果在當(dāng)前測量中檢測到另一個偏差，則進(jìn)行另一個氣體流速的調(diào)節(jié)，預(yù)計(jì)其可消除最新確定的偏差等等，貫穿給定工藝運(yùn)行的剩余持續(xù)時(shí)間或預(yù)期的其它整個監(jiān)測周期。這樣，可以確定出在所測得的產(chǎn)品密度中的偏差并以迭代方式對其進(jìn)行尋址。
雖然為了簡化說明而未在圖3B中顯示，但是可以理解的是，如果所確定的最新測得的密度值大于或小于目標(biāo)值，則在對氣體閥設(shè)置進(jìn)行調(diào)節(jié)之前執(zhí)行算法，更進(jìn)一步的判定偏差是否在相對于目標(biāo)值所賦的任何預(yù)先選定的公差范圍之外；如果是這樣的話，則對氣體閥設(shè)置進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，并可替換的，如果不是這樣的話，則對該循環(huán)不進(jìn)行閥控制設(shè)置調(diào)節(jié)，并在經(jīng)過了下一個預(yù)定的測量時(shí)間間隔Δt后過程繼續(xù)進(jìn)入下一次檢測和比較重復(fù)。在另一種方法中，密度測量結(jié)果可以以選定的有效數(shù)字從數(shù)學(xué)上進(jìn)行截留，從而實(shí)際上忽略了比所選定目標(biāo)值更小的值偏移，并對氣體控制閥不進(jìn)行矯正動作，直到觀測到在所提供的有效數(shù)字的范圍之內(nèi)的偏移。
對于一組給定工藝條件以及設(shè)備設(shè)置，可對制造系統(tǒng)100進(jìn)行預(yù)采樣和編程，以便開發(fā)預(yù)測模型，其具體化為數(shù)學(xué)算法，其表示密度計(jì)所指示出的最終產(chǎn)品密度的未來值與最終產(chǎn)品密度的當(dāng)前值，上游成分密度，和氣體注入流速之間的關(guān)系。在這種方法中，所開發(fā)的預(yù)測模型可考慮所有密度輸入的當(dāng)前值，從而預(yù)測出未來產(chǎn)品密度并進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)。為了完成該預(yù)測模型，控制器可包括具有可使用計(jì)算機(jī)編碼的可編程邏輯控制器(PLC)，其具體化為安裝在主板上的微電子硬件等，和/或加載在與其有通信聯(lián)系的遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)上的軟件。具有上述功能性的PLC模型在市場上可買到。該控制器也可作為比例積分微分(PID)控制器或預(yù)測控制器初始化(PSC)控制器來運(yùn)行，后一種是優(yōu)選的。代碼包括算法，其從數(shù)學(xué)角度來講互聯(lián)(inter-relate)所測得的產(chǎn)品密度，氣體注入流速，并最好還包括某個測得的供給材料密度。在一個方面中，在對用于給充氣食品生產(chǎn)線的預(yù)測模型所進(jìn)行的開發(fā)中應(yīng)用了該算法。該算法也可是這樣一種類型的算法，其適應(yīng)在工藝運(yùn)行期間所檢測到的除了氣體供給速度以外的某些其他過程控制變量的改變，所述其他過程控制變量也可影響產(chǎn)品密度，例如在供給材料中和/或在產(chǎn)品密度測量位置處的溫度改變。
具有用于開發(fā)出并執(zhí)行本文所述用于對充氣食品進(jìn)行過程控制的算法的硬件和軟件的控制器系統(tǒng)的一個非限制性例子是QUICKSTUDYTM過程控制器系統(tǒng)，其由Adaptive Resources，Pittsburgh，PA開發(fā)。其根據(jù)實(shí)時(shí)或歷史的正常工作數(shù)據(jù)進(jìn)行工作，并且自動地產(chǎn)生出處理模型，該處理模型可用于預(yù)測執(zhí)行該過程的方向，并在進(jìn)行前饋監(jiān)測之前或之后立即執(zhí)行校正動作，以便消除或消除與產(chǎn)品密度設(shè)定點(diǎn)之間的偏差。如在此所解釋和在其他地方所示的，如果不受益于本發(fā)明，不了解充氣產(chǎn)品的產(chǎn)品密度及其測量對在本系統(tǒng)內(nèi)選定的測量位點(diǎn)非常敏感，以及只有系統(tǒng)內(nèi)的某些位置才可以被成功地使用的話，這種商業(yè)銷售的過程控制系統(tǒng)本身不能對充氣食品生產(chǎn)線正確地進(jìn)行建模和控制。
參看圖4A，利用模型預(yù)測控制方案400來動態(tài)地控制產(chǎn)品密度，并在工藝運(yùn)行期間連續(xù)地將其保持為特定的目標(biāo)值?？苫ㄙM(fèi)相對短的時(shí)間間隔而獲得在過程中的密度測量結(jié)果，例如每隔幾秒。除了上述的在過程中的密度測量結(jié)果，可通過結(jié)合來自于已包裝好的產(chǎn)品本身的產(chǎn)品密度數(shù)據(jù)，來進(jìn)一步改進(jìn)過程控制。然而，根據(jù)對打開包裝的充氣食品進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測量而得到離開生產(chǎn)線的產(chǎn)品密度測量通常更耗費(fèi)時(shí)間。每隔幾小時(shí)或甚至是每隔幾天才可實(shí)際上獲得那些數(shù)據(jù)。圖4A和4C表示出本發(fā)明中用于將已包裝的產(chǎn)品密度測量結(jié)果集成到本發(fā)明的過程控制設(shè)計(jì)方案中的布置。在這個布置方案中，不但選擇出產(chǎn)品密度設(shè)定點(diǎn)或目標(biāo)，而且也選擇出在過程中的密度與已包裝的產(chǎn)品密度之間的最初偏移量。在將氣體注入到剪切單元并在該剪切單元中對形成的混合物進(jìn)行處理并將其排出之后，經(jīng)過了相對短的時(shí)間間隔Δ()t1(例如每隔2-10秒)，在下游位置處對充氣分散體產(chǎn)品的過程中的產(chǎn)品密度進(jìn)行測量。另外，以較長的時(shí)間間隔(例如每隔3小時(shí))中，對離開生產(chǎn)線的已包裝的充氣分散體產(chǎn)品的產(chǎn)品密度進(jìn)行采集。在控制器中將所測得的過程中的產(chǎn)品密度與目標(biāo)值進(jìn)行比較，從而判斷出是否存在偏移量。如果已經(jīng)把已包裝的產(chǎn)品密度輸入到算法的最新迭代中，則根據(jù)需要對過程中的密度與已包裝的產(chǎn)品密度之間的偏移量進(jìn)行更新。將這個已更新的偏移量并入到由控制器所預(yù)測的未來的過程中的產(chǎn)品密度的預(yù)測水平中。此外，對配方供給材料，例如流A和流B的密度值進(jìn)行檢測。之后，通過控制器的計(jì)算而對氣體供給速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變充氣分散體產(chǎn)品的密度，以便使其與預(yù)先選定的密度目標(biāo)或設(shè)定點(diǎn)一致。將上述步驟至少重復(fù)一次，并優(yōu)選主要或基本上在整個生產(chǎn)試驗(yàn)中。圖4B是與圖4A類似實(shí)施的另一個實(shí)施方案，但是進(jìn)一步包括為平行運(yùn)行的生產(chǎn)線而不是單個生產(chǎn)線提供過程控制，它們使用公共的包裝線(例如圖5中所示，其后對其描述)。
反饋控制和/或模型預(yù)測控制獨(dú)立地用于給定工藝運(yùn)行的一部分或多個部分，而不必在整個工藝運(yùn)行中使用。例如，在工藝運(yùn)行開始期間，在系統(tǒng)100中達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)條件之前，可啟動前饋控制，而不啟動反饋控制方案，該反饋控制方案在系統(tǒng)接近或獲得相對穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)才在同一生產(chǎn)線期間啟動?！跋鄬Ψ€(wěn)定狀態(tài)條件”在本文中，通常指這樣的過程狀態(tài)，在其中仍可發(fā)生重要變量，例如，密度的改變，但已減弱到處于用于反饋控制或前饋控制方案的預(yù)定模型的范圍內(nèi)。
在本文中，材料樣品的“密度”是指對一定體積的樣品而言的材料的質(zhì)量。壓力和溫度會影響充氣材料的密度。如上所述，雖然常規(guī)思想中壓力對密度計(jì)測量結(jié)果的影響是可忽略的，但是本發(fā)明研究人員發(fā)現(xiàn)，如果緊接在制備充氣乳液中所使用的剪切或分散操作之后馬上進(jìn)行測量，氣體溶解度效應(yīng)也可影響在可食用乳液中的密度測量結(jié)果。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，在充氣食品生產(chǎn)操作中，利用密度計(jì)來得出各種進(jìn)料和產(chǎn)品流的密度值。根據(jù)本文的實(shí)施方案，利用密度計(jì)提供精確和完整的過程控制。這消除了對獨(dú)立進(jìn)行流量，溫度和壓力測量而導(dǎo)出密度值的需要，雖然并未排除這樣的可替換方法。
在一個方面中，利用輻射源測量儀或Coriolis測量儀來進(jìn)行密度測量。輻射源測量儀可以是常規(guī)的用于測量密度的輻射測量計(jì)，包括例如ALARA輻射源測量儀的市場上可買到的裝置。適用于串聯(lián)安裝、用于在產(chǎn)品流中進(jìn)行產(chǎn)品密度測量的輻射測量儀是市場上可買到的，例如來自于Berthold IndustrialSystems(例如測量儀LB379)。輻射測量計(jì)通常可提供不依賴于處理產(chǎn)品的顏色，溫度，壓力，粘度，傳導(dǎo)率或化學(xué)特性的、非接觸的、連續(xù)的密度測量。在輻射測量計(jì)中的密度測量是基于當(dāng)其穿過處理材料時(shí)伽馬射線吸收的測量。當(dāng)其穿過材料時(shí)由伽馬源發(fā)射出的射線發(fā)生衰減。這種吸收是測試距離和密度的指數(shù)函數(shù)。由此，如果測量路徑是常量，則射線的衰減指示產(chǎn)品密度。換句話說，吸收與材料密度的改變成比例，并且因?yàn)閷y量路徑保持為常量，就提供了產(chǎn)品密度的指示。在一個方面中，輻射測量計(jì)用于向基于微處理器的評價(jià)電子器件發(fā)送信號。上述市場上可買到的輻射測量計(jì)可包括用于自動漂移補(bǔ)償?shù)拈W爍晶體，其為溫度變化和成分老化所帶來的影響進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)作檢測器使用的閃爍計(jì)數(shù)器支持?jǐn)?shù)字設(shè)計(jì)。這些輻射測量計(jì)還可具有單點(diǎn)校準(zhǔn)和與密度成比例的電流回路信號。
在可替換的方面中，可用Coriolis測量儀進(jìn)行密度測量。Coriolis測量儀通常也稱為Coriolis質(zhì)量流量計(jì)，特別適用在具有減少了固體含量的輕質(zhì)漿料或清的流體上，例如蛋黃醬產(chǎn)品。Coriolis測量儀可以連續(xù)的方式動態(tài)地測量流的流動密度。Coriolis測量儀具有兩個主要部分傳感器和發(fā)送器。該傳感器由一個或兩個液體可穿流過的管構(gòu)成。電磁驅(qū)動機(jī)構(gòu)振動該管。通過該管的流量產(chǎn)生出與質(zhì)量流速成比例的Coriolis力。該管結(jié)構(gòu)的自然諧振頻率是其幾何結(jié)構(gòu)，構(gòu)造材料，和管組件質(zhì)量(管質(zhì)量加上管內(nèi)流體的質(zhì)量)的函數(shù)。管的質(zhì)量是固定。因?yàn)榱黧w質(zhì)量是其密度乘以其體積(也是固定的)，因此振動頻率可與處理流體的密度相關(guān)。由此，通過對管振動的諧振頻率所進(jìn)行的測量可確定出流體密度。另外，當(dāng)材料密度發(fā)生改變時(shí)，其對管的振動頻率產(chǎn)生影響。這是可測量的量。頻率上的改變與材料密度成比例。通過發(fā)送器來探測力的大小，并將其轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流速。
發(fā)送器激勵傳感器，處理來自于傳感器的信號，產(chǎn)生輸出信號，并合計(jì)流動單位。每個傳感器的發(fā)送器通常用兩個獨(dú)特的值進(jìn)行編程制造者的流量以及密度校準(zhǔn)因數(shù)。雖然制造者可以不同方式對這些值進(jìn)行尋址時(shí)，但它們通常具有給發(fā)送器的將傳感器輸出轉(zhuǎn)換成普通單位的值輸入。這使測量計(jì)可執(zhí)行規(guī)定規(guī)格。在利用校準(zhǔn)因數(shù)對發(fā)送器進(jìn)行編程之后，對輸出信號進(jìn)行編程。
可相對于相關(guān)的測量儀傳感器，將發(fā)送器進(jìn)行整體地或遠(yuǎn)程地安裝，并可用交流電或直流電驅(qū)動該發(fā)送器。該發(fā)送器要求分開的電源線和輸出信號線。管線架設(shè)通常需要串聯(lián)或“搭接(strap-on)”安裝。發(fā)送器可為電源和信號提供標(biāo)準(zhǔn)的電連接，并且在優(yōu)選實(shí)施方案中還提供了數(shù)據(jù)界面?？商峁┎⒗媚M和/或數(shù)字輸出。
發(fā)送器任選地可包括一些安裝在其管上的前端信號處理電子設(shè)備，以便使測量儀產(chǎn)生出輸出給控制器的數(shù)字輸出。該前端電子設(shè)備可包括A/D轉(zhuǎn)換器，處理器，軟件，和傳感器系數(shù)和設(shè)置，可將其安裝在管上，與儀器的溫度、應(yīng)變，驅(qū)動和相移的測量裝置直接連接。經(jīng)由RS-485可將該信號傳輸給安裝在儀器本身上的主要電子轉(zhuǎn)換器，或傳輸給經(jīng)由導(dǎo)線或電纜遠(yuǎn)離一定距離安裝的主要電子轉(zhuǎn)化器。
通過通信線路，以太網(wǎng)電纜，或無線通信系統(tǒng)(例如，通過射頻通信)，或其他任何方式，輻射源或Coriolis測量儀可與控制器進(jìn)行通信。在一個非限制性的實(shí)施方式中，密度計(jì)儀器輸出給控制器，以及任選的其他附屬設(shè)備(例如，信息流計(jì)算機(jī)，用于檢驗(yàn)的脈沖計(jì)數(shù)器或加法器)的頻率輸出可表示成脈沖一比例因數(shù)(PSF)。這個系數(shù)(或這些系數(shù))確定出流速和頻率輸出之間的關(guān)系。對于給定流速，它通常用赫茲(Hz)，每秒出現(xiàn)的脈沖數(shù)表示。這些值應(yīng)表現(xiàn)出操作的最大值，但不超過傳感器的范圍。非限制性的例子包括5000Hz＝5000磅/分鐘，3000Hz＝3000千克/秒，等等。發(fā)送器通常具有預(yù)編程為可選用項(xiàng)目的所有常用單位。該程序不僅包括質(zhì)量單位，還包括體積流量單位。
可以理解的是，輻射源或Coriolis測量儀還可具有顯示器，其可以在本地或遠(yuǎn)程安裝的。發(fā)送器還可具有本地顯示器和鍵盤，以便易于存取處理數(shù)據(jù)。還可以理解的是，可用其他類型的密度計(jì)替代輻射源或Coriolis測量儀。這些其他裝置包括替代Coriolis測量儀的其他類型的直接質(zhì)量振動測量儀器，例如振動線圈，音叉，比重計(jì)，排水浮體，電容探測器等等。
在一個實(shí)施方案中，具有改進(jìn)的產(chǎn)品密度管理的、由本文所述的方法和系統(tǒng)中所制造出的充氣食品包括可食用分散體。在特別實(shí)施方案中，可食用分散體是可食用乳液，并特別是水包油乳液?？墒秤梅稚Ⅲw包括可用匙狀物拾取的產(chǎn)品，例如蛋黃醬，蛋黃醬類似物，色拉調(diào)料，輕淡調(diào)料，三明治醬，以及其他產(chǎn)品，例如可傾倒調(diào)味料，沙司，奶油夾心等。
如此所述，利用氣體對可食用乳液或其他食品進(jìn)行充氣。為了這個目的，“充氣”指為液體提供或充進(jìn)氣體。該氣體優(yōu)選地具有比空氣在處理?xiàng)l件下所生產(chǎn)出的食品中的溶解度更低的溶解度。為了這個目的，術(shù)語“空氣”指由大約21％氧氣和79％氮?dú)饨M成的氣體。例如，所述氣體可以是氮?dú)?，氦氣，空氣等等。這些氣體可單獨(dú)使用，或使用它們的組合物。優(yōu)選地，所使用的氣體不包括空氣，或僅包含非常少量的空氣。各種氣體在充氣食品中的溶解度，特別是在蛋黃醬和色拉調(diào)料中的溶解度，按照空氣，氦氣，和氫氣的順序遞減。在充氣產(chǎn)品中的平衡和穩(wěn)定速率通常與所包含氣體的溶解度成反比。
充入了具有比空氣在該食品中溶解度更低的溶解度氣體例如氮?dú)饣驓錃獾某錃馐称?，就所測得的密度特性而言，在離開剪切單元之后，其更為有效地、迅速地達(dá)到平衡和穩(wěn)定。從過程控制的觀點(diǎn)來看，還注意到具有低于空氣溶解度的氣體可提供在充氣食品的密度參數(shù)和氣體注入率之間更可預(yù)測的關(guān)系。換句話說，當(dāng)利用具有低于空氣的溶解度的氣體時(shí)，通過以更可預(yù)測的方式，通過在已剪切食品中所測得的密度值的改變，可更快速、可靠地反映出對氣體注入率的調(diào)節(jié)。優(yōu)選的是充入氣體是惰性氣體，其與食物產(chǎn)品不發(fā)生(生物)化學(xué)作用。從惰性和減小溶解度的觀點(diǎn)來看，氮?dú)馐呛虾躅A(yù)期的。其也可以是容易獲得的并典型的是比其他惰性氣體，例如氦氣花費(fèi)更低的氣體。
在另一個實(shí)施方案中，本發(fā)明還包含用于對食物進(jìn)行充氣的方法，其中使用具有比空氣更高的食物溶解度的氣體，例如二氧化碳。在其它條件都相同時(shí)，這些充氣食物通常將花費(fèi)比充有氧氣的同樣食物所需的更長的時(shí)間才能達(dá)到平衡。然而，具有降低了溶解度的氣體方案的共同目標(biāo)仍然適用于應(yīng)對在用于形成充氣材料而使用的剪切單元的充分下游位置處的產(chǎn)品進(jìn)行密度測量，從而當(dāng)對其密度進(jìn)行測量時(shí)產(chǎn)品達(dá)到平衡狀態(tài)?？捎迷谀承?yīng)用中，以便注入并分散具有高于空氣的溶解度的氣體的食物類型的非限制性例子包括某些巧克力組合物的產(chǎn)品，其中注入充氣氣體，但并不需要使用剪切單元。密度測量必須在距離最終注入位置足夠遠(yuǎn)的下游完成，以便可在充氣食物流中對平衡的密度值進(jìn)行測量。
對于給定的一組工藝條件，可如下對并入到充氣食品中氣體的百分比進(jìn)行計(jì)算氣體百分比＝100-(D1/D2×100)，其中D1是充氣產(chǎn)品的密度，D2是除了未充氣之外相同配方的未充氣產(chǎn)品的密度。
以下所述的實(shí)施方案涉及到可食用的可用匙狀物拾取的產(chǎn)品，據(jù)此說明本發(fā)明的方法。蛋黃醬類型產(chǎn)品和色拉調(diào)料包含在這些產(chǎn)品之中。蛋黃醬類型產(chǎn)品包括蛋黃醬和蛋黃醬類似物。蛋黃醬是乳化的半固體，不可傾倒的食物調(diào)味品，其可用例如植物油，水，糖，以蛋黃為例的食品級乳化劑，以及酸化劑，和任選的各種其他調(diào)味品添加劑，例如鹽，辛香料，香料，和其他賦于組合物味覺特性的成分制成。并且，還可包括防腐劑，色素(不與蛋黃顏色類似)，和穩(wěn)定劑。蛋黃醬的修改方案通常被稱為蛋黃醬類似物，其可包括淀粉基料和/或樹膠以替換一部分或全部的油成分，和/或一部分或全部蛋黃也可由蛋白，蛋清，無蛋乳化劑來替代。
總含水量可根據(jù)所制造的充氣產(chǎn)品的類型而改變。添加到特定配方中的淀粉基料數(shù)量可根據(jù)在配方中所使用的或被淀粉替代的植物油數(shù)量而改變。
如所述的那樣，充氣食品也可以是色拉調(diào)料。色拉調(diào)料可包括與許多蛋黃醬類型產(chǎn)品類似的成分，但通常包含有比蛋黃醬配方中少的油，比蛋黃醬配方中多的水，并且經(jīng)常用淀粉基料配制。充氣食品還可以是沙司。沙司包括那些含有油，牛油，和/或奶油的，例如可包括荷蘭式沙司和烤面條加干酪沙司。充氣食品還可以是含奶油的甜點(diǎn)，例如包含有油和糖的分散體。Crème Anglaise是這種含奶油的甜點(diǎn)的例子。
在一個實(shí)施方案中，利用根據(jù)圖1中所述的方法和系統(tǒng)制造充氣食物產(chǎn)品，其中將兩個分開的供給材料流引入到剪切單元中。作為非限制性的例子，在將其注入到剪切單元12中前，主要供給流21可以是包含有可食用食物部分和包含注入到預(yù)混合料A中氣體的氣體部分30的預(yù)混合料A，可食用食物部分包括水，鹽，甜味劑，油，雞蛋，和調(diào)味料。剪切單元12可以是轉(zhuǎn)子/定子單元，膠體磨碎機(jī)等。使預(yù)混合料/氣體組合物在剪切單元12中受到剪切力，其精細(xì)地細(xì)分該預(yù)混合料，并形成充氣的水包油乳液。在這個描述中，將淀粉組合物作為流B引入到剪切單元12中，優(yōu)選的是在首先對預(yù)混合料執(zhí)行過剪切操作之后。之后在更溫和的混合條件下，將基料組合物拌入到該已剪切的預(yù)混合料中，例如通過提供包括有隨后的銷住轉(zhuǎn)子階段的剪切單元12而實(shí)現(xiàn)。這種具有兩個階段的剪切單元的例子，例如，在美國專利5,114,732中公開，其說明書在此引入作為參考。
作為非限制性的描述，在剪切單元銷住轉(zhuǎn)子階段中引入的淀粉組合物B可包含，例如水，淀粉，糖，和一部分或全部的配方中的醋，以及調(diào)味料。可包括附加的成分。也可將配方中的醋在剪切單元之前經(jīng)由安裝在管線21上的噴射器(未示出)串聯(lián)注入到預(yù)混合料中?？蓪㈦u蛋用作本描述中的乳化劑，但是產(chǎn)品也可制造成非乳化的分散體，其中用淀粉基料和/或樹膠替代所有的雞蛋。在一個實(shí)施方案中，以大約40到60pisg的壓力將預(yù)混合料流A泵入到剪切單元12中，并隨后將乳液產(chǎn)品以大約為17pisg或更大，特別的是大約17pisg到大約23pisg，更特別的是大約19pisg到大約21pisg的出口壓力，從剪切單元12中排出。從剪切單元12中排出的乳液通常是相對比較有粘性的、可用匙狀物拾取的材料(或者是在其他實(shí)施方案中的有粘性的、可傾倒的材料)，但是包括氣囊或氣孔，從而形成三錐孔眼結(jié)構(gòu)，在包裝后基本上保持該耐貯存方式的結(jié)構(gòu)。
并入到充氣食品產(chǎn)品中的氣體質(zhì)量通常可忽略不計(jì)。充氣食品的產(chǎn)品密度可根據(jù)特定配方而改變。對于充氣的、可用匙狀物拾取的蛋黃醬以及色拉調(diào)料，例如，其可為從大約0.85到大約1.15g/mL，更特別的是大約0.88到大約1.05g/mL。這些充氣食品通常具有貯存穩(wěn)定性，以及輕而堅(jiān)實(shí)的質(zhì)地。
本發(fā)明實(shí)施方案如前所述，當(dāng)如所述的那樣實(shí)施密度測量和過程控制方案時(shí)，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)試驗(yàn)通常處于穩(wěn)定狀態(tài)條件下。換句話說，在密度測量結(jié)果大致均勻，除了存在不與啟動或停止時(shí)段相關(guān)的干擾之后，應(yīng)用這里所述的過程控制形式，通過本發(fā)明的方法進(jìn)而可抵消并消除所述干擾。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，將過程控制提供給間斷的生產(chǎn)試驗(yàn)，其中已終止了上游產(chǎn)品制備，并且，例如貯罐14(圖1)不再接收另外的產(chǎn)品輸入，并由此對從貯罐14輸出的最初固定且無補(bǔ)充量的產(chǎn)品供給的產(chǎn)品流進(jìn)行密度計(jì)測量。在這種特定情況下，控制器必須輸入來自貯罐14的罐內(nèi)液位(產(chǎn)品體積)的信息?？赏ㄟ^任何常規(guī)方式測定罐內(nèi)液位，例如利用安裝在罐14內(nèi)的傳感器(例如電容傳感器)，其適用于將測量數(shù)據(jù)傳輸給控制器26。
參看圖5，在又一個實(shí)施方案中，提供系統(tǒng)設(shè)備102，其中穩(wěn)壓罐(surgetank)14接收由多個在同一時(shí)間平行運(yùn)行的充氣產(chǎn)品生產(chǎn)線1021和1022所輸入的產(chǎn)品，其中在每個平行的生產(chǎn)線中都實(shí)施向食物成分流中注入氣體。生產(chǎn)線1021具有與圖1中所示系統(tǒng)100類似的特征。所示的生產(chǎn)線1022具有與生產(chǎn)線1021類似特征的設(shè)置，雖然并不需要這樣。在位置15處已結(jié)合的產(chǎn)品在穩(wěn)壓罐14下游測量密度。前述的圖4B表示出可用于圖5系統(tǒng)中的常規(guī)的過程控制方案。如果參看圖5，如果在目標(biāo)和測得的產(chǎn)品密度之間出現(xiàn)偏移量，則控制器26同時(shí)在兩個生產(chǎn)線上消除該偏移量。
除非另作說明，這里所述的所有的百分比，比率，份數(shù)，和使用量均按重量計(jì)算。以下的實(shí)施例將對根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行進(jìn)一步說明，但并不是限制性的。
實(shí)施例實(shí)施例1作為最初的對照研究，如前所述，通常在與如圖1中所示相同的處理系統(tǒng)中生產(chǎn)出充氣的、可用匙狀物拾取的食品，除了將用于測量產(chǎn)品密度的密度計(jì)設(shè)置在管道22中與剪切單元12的出口端相當(dāng)接近的位置處。所用的兩個階段的剪切單元為在美國專利5,114,732中所大致描述的類型。以大約40到60pisg的壓力將基礎(chǔ)乳液預(yù)混合料泵入到剪切單元12中，并隨后以大約20pisg的出口壓力從單元12中排出乳化產(chǎn)品。在將所形的結(jié)合物泵入到剪切單元中之前，將加壓的氣體與基礎(chǔ)乳液預(yù)混合料相結(jié)合。將控制閥設(shè)置在氣體輸入管線上，從而對氣體供給流速提供控制。
將基礎(chǔ)乳液預(yù)混合料以大約350-650磅/分的速率向剪切單元供給。該基礎(chǔ)乳液預(yù)混合料適合于制備蛋黃醬類型產(chǎn)品，并主要包含有水，油，和乳化劑，將其在剪切單元中與由水和淀粉所組成的淀粉基料混合。
僅限于在對照研究中，在一段時(shí)間中將充氣產(chǎn)品的密度值以傳統(tǒng)的方式連續(xù)地記錄，但在該對照研究中并不進(jìn)行反饋控制。在圖6中描繪出該結(jié)果。除非另作說明，否則以標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘(SCFH)為單位度量氣體導(dǎo)入速率。
圖6中所示的結(jié)果清楚的說明了，未觀測到在氣體導(dǎo)入速率和產(chǎn)品密度之間存在可辨別的關(guān)系，其中密度計(jì)安裝在鄰近剪切單元出口端。在類似的條件下重復(fù)該對照研究，除了用氮?dú)馓鎿Q空氣作為氣體材料。同樣地，未觀測到在氮?dú)鈱?dǎo)入速率和產(chǎn)品密度之間存在可辨別的關(guān)系，其中密度計(jì)安裝在鄰近剪切單元出口端。
實(shí)施例2在這些實(shí)驗(yàn)中，密度計(jì)位于剪切單元的更下游，在類似于圖1中所示的位置。該密度計(jì)裝在導(dǎo)管23上，導(dǎo)管23連接設(shè)置在剪切單元12出口側(cè)下游的500加侖貯罐14和在充填機(jī)32入口側(cè)的稍小的50加侖貯罐24。管道22具有大約5英尺的長度和大約4英寸的直徑，并且緊接著罐24之前安裝該密度計(jì)。管道23具有類似于管道22的直徑。產(chǎn)品在貯罐14中具有大約5-15分鐘的平均停留時(shí)間。在充填機(jī)貯罐24中的停留時(shí)間是大約1-5分鐘。
此外，加工材料，設(shè)備，和記錄產(chǎn)品密度測量結(jié)果的方式均與在實(shí)施例1中所述的類似。
在第一工藝運(yùn)行中，將空氣當(dāng)作氣體。在圖7中描繪出該結(jié)果。以可預(yù)測的方式觀測到的產(chǎn)品密度在空氣流速降低時(shí)升高，并且反之亦然。
在第二工藝運(yùn)行中，將氮?dú)猱?dāng)作氣體。以可預(yù)測的方式觀測到的產(chǎn)品密度同樣在空氣流速降低時(shí)升高，并且反之亦然。
實(shí)施例1和2的結(jié)果十分令人驚訝地顯示，充氣食品的產(chǎn)品密度參數(shù)對在剪切單元下游所進(jìn)行密度測量的位置非常敏感。雖然不期望受限于任何理論，但是假定食物產(chǎn)品密度受離開剪切單元時(shí)產(chǎn)品中溶解的氣體的影響，并且持續(xù)一段時(shí)間，直到其充分地消散從而使產(chǎn)品達(dá)到平衡并穩(wěn)定。
實(shí)施例3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)從而調(diào)查和比較充氣氣體的選擇對于充氣乳液的密度保持性可能的影響。在這方面研究氮?dú)夂涂諝?。并且，在兩種不同的充氣乳液中研究充氣氣體選擇的影響，兩種不同的充氣乳液是A)蛋黃醬，和B)蛋黃醬類似物。用于制造所研究的每種充氣乳液的工藝系統(tǒng)與實(shí)施例2中所述的一致。
A)蛋黃醬的研究蛋黃醬預(yù)混合料包含有大約80％的油和6％的雞蛋，以及包含水，甜味劑，和調(diào)味料的剩余物。以10-15SCFH的速度將氣體(根據(jù)運(yùn)行情況，可為氮?dú)饣蚩諝?與基礎(chǔ)乳液預(yù)混合料相結(jié)合。在剪切單元的出口并另外在第一與第二貯罐中間下游位置處對產(chǎn)品密度進(jìn)行測量，將在剪切單元的出口處測量的產(chǎn)品密度作為“初始產(chǎn)品密度”(參看實(shí)施例1)，將在第一與第二貯罐中間下游位置處測量的產(chǎn)品密度作為“充填機(jī)前的產(chǎn)品密度”(參看實(shí)施例2)。對于充氣的蛋黃醬產(chǎn)品，觀測到的密度測量結(jié)果呈現(xiàn)在表1中。表1中所呈現(xiàn)出的每個密度值是利用了相應(yīng)氣體在給定工藝運(yùn)行中所得到的三個數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值。
表1

表1中的結(jié)果清楚地顯示，利用氮?dú)庾鳛槌錃鈿怏w與將空氣作為充氣氣體相比，在充氣的蛋黃醬中密度保持性具有優(yōu)勢。
B)蛋黃醬類似物的研究
利用類似于實(shí)施例1中所述的基礎(chǔ)乳液預(yù)混合料成分和淀粉基料成分來制備蛋黃醬類似物。以20-60SCFH的速度將氣體(根據(jù)運(yùn)行情況，可為氮?dú)饣蚩諝?與基礎(chǔ)乳液預(yù)混合料相結(jié)合。在剪切單元的出口并另外在第一與第二貯罐中間下游位置處對產(chǎn)品密度進(jìn)行測量，將在剪切單元的出口處測量的產(chǎn)品密度作為“初始產(chǎn)品密度”(參看實(shí)施例1，將在第一與第二貯罐中間下游位置處測量的產(chǎn)品密度作為“充填機(jī)前的產(chǎn)品密度”(參看實(shí)施例2)。對于充氣的蛋黃醬類似物產(chǎn)品，觀測到的密度測量結(jié)果呈現(xiàn)在表2中。表2中所呈現(xiàn)出的每個密度值是利用了相應(yīng)氣體在給定工藝運(yùn)行中所得到的三個數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值。
表2

表2中的結(jié)果清楚地顯示，利用氮?dú)庾鳛槌錃鈿怏w與將空氣作為充氣氣體相比，在充氣的蛋黃醬類似物中密度保持性具有優(yōu)勢。
實(shí)施例4對記錄和響應(yīng)在上游成分中所測得的密度變化所產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究。使用實(shí)施例2中的加工材料和裝備。將空氣用作充氣氣體。同樣將Coriolis測量儀安裝在淀粉基料供給管路17上，從而在其上進(jìn)行密度測量。并且將Coriolis測量儀也安裝在管道23上，從而在平衡的產(chǎn)品位置處測量產(chǎn)品密度。
安裝由Adaptive Resources，Pittsburgh，PA開發(fā)的QUICKSTUDYTM過程控制器系統(tǒng)，其作為該過程的自動控制系統(tǒng)運(yùn)行，其與用于測量產(chǎn)品密度的Coriolis測量儀和另一個用于測量淀粉基料供給管路中的密度的Coriolis測量儀通信，也就是從它們接收密度測量信號。利用控制器系統(tǒng)識別在淀粉基料供給材料中檢測出的偏差，并且對氣體流速進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ{(diào)節(jié)，以補(bǔ)償并消除該偏差，否則如果在上游不對氣體流速作立即的校正動作，那么該偏差預(yù)期會出現(xiàn)在產(chǎn)品密度中。利用控制器系統(tǒng)也識別在產(chǎn)品材料中所檢測到的偏差，并且該系統(tǒng)根據(jù)需要自動地對氣體流速控制器實(shí)施適當(dāng)?shù)男Ｕ{(diào)節(jié)，以消除該偏差。
在工藝運(yùn)行期間，淀粉基料供給材料的密度以0.2％任意的發(fā)生變化。在對產(chǎn)品密度造成影響之前，控制器通過對氣體供給速度進(jìn)行相應(yīng)降低而對淀粉基料密度的增加進(jìn)行自動地響應(yīng)，并且相反地，在對產(chǎn)品密度造成影響之前，控制器通過對氣體供給速度進(jìn)行相應(yīng)降低而對淀粉基料密度的減少進(jìn)行自動地響應(yīng)。針對每個事件全部的記錄產(chǎn)品密度。獲得圖8中所描繪的結(jié)果。
如圖8中所示，前饋控制是可行的，因?yàn)樽詣涌刂破飨到y(tǒng)能夠響應(yīng)于淀粉基料密度的偏差，對空氣流速進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭討B(tài)校正，從而使產(chǎn)品密度可基本保持一致。
雖然通過特定參考具體工藝和產(chǎn)品實(shí)施方案對本發(fā)明進(jìn)行了具體描述，但是可以理解的是，各種替換，修改和改裝均可基于本發(fā)明的公開內(nèi)容，并在如后面權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于在制備可食用充氣食品產(chǎn)品期間控制其密度達(dá)到預(yù)定水平的方法，其中獲得位于用于形成充氣食品產(chǎn)品的充氣氣體注入位置的充分下游位置處的充氣食品產(chǎn)品的產(chǎn)品密度測量結(jié)果，以便所述產(chǎn)品處于平衡狀態(tài)，并且對充氣氣體的注入速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中對所述調(diào)節(jié)進(jìn)行計(jì)算，從而減小所述預(yù)定的和所測得的產(chǎn)品密度之間的任何差異。
2.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中所述充氣氣體包括，具有比空氣在充氣食物產(chǎn)品中溶解度更低的溶解度的氣體材料。
3.如權(quán)利要求1中所述的方法，進(jìn)一步包括位于所述氣體注入位置和所述產(chǎn)品密度測量位置之間，并且與這兩者流體連通的剪切單元，其中在位于所述充氣氣體注入位置的充分下游位置處的充氣食品產(chǎn)品上獲得所述產(chǎn)品密度測量結(jié)果，以便當(dāng)對所述密度進(jìn)行測量時(shí)，所述產(chǎn)品達(dá)到平衡狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求3中所述的方法，進(jìn)一步包括所述剪切單元上游相應(yīng)位置處測量在所述充氣食品產(chǎn)品制備中使用的配方起始材料的密度，確定測得的所述配方起始材料的密度對預(yù)測的產(chǎn)品密度的影響，并對計(jì)算出的所述充氣氣體的注入速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以防止或減小由所述差異所導(dǎo)致的產(chǎn)品密度的變化。
5.如權(quán)利要求3中所述的方法，進(jìn)一步包括獲得位于用于形成所述充氣食品產(chǎn)品的剪切單元充分下游位置處的充氣食品產(chǎn)品的產(chǎn)品密度測量結(jié)果，以便所述產(chǎn)品處于平衡狀態(tài)，并且對在所述剪切單元上游位置處的充氣氣體的注入速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中對所述調(diào)節(jié)進(jìn)行計(jì)算，從而減小所述預(yù)定的和所測得的產(chǎn)品密度之間的任何差異。
6.在連續(xù)制備食品期間用于控制食品密度使其達(dá)到預(yù)定水平的方法，其包括a)預(yù)先選擇產(chǎn)品密度設(shè)定點(diǎn)；b)制備可食用基礎(chǔ)分散體；c)將以一種氣體流速引入的氣體與所述可食用基礎(chǔ)分散體相結(jié)合，從而提供氣體/可食用基礎(chǔ)分散體結(jié)合物；d)在混合單元中對所述氣體/可食用基礎(chǔ)分散體結(jié)合物進(jìn)行有效地混合，從而將氣泡分布到所述可食用基礎(chǔ)分散體中，形成充氣分散體產(chǎn)品；e)在可流動的條件下，將所述充氣分散體產(chǎn)品從所述剪切單元處輸出到通道中；f)在充分遠(yuǎn)離所述混合單元的位置處測量所述通道中的所述分散體產(chǎn)品的產(chǎn)品密度，以便在執(zhí)行所述測量的位置處所述產(chǎn)品處于平衡狀態(tài)；g)將所測得的產(chǎn)品密度與所述產(chǎn)品密度設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較，以確定在兩者之間是否出現(xiàn)了偏差；h)對于在g)中所確定的偏差，響應(yīng)于所測得的密度對氣體供給速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，數(shù)量上與對所述充氣分散體產(chǎn)品密度的改變相關(guān)聯(lián)，以便使其與所述預(yù)先選擇的產(chǎn)品密度設(shè)定點(diǎn)相符合；i)按順序至少重復(fù)步驟f)，g)和h)一次。
7.如權(quán)利要求6中所述的方法，其中所述密度測量發(fā)生在所述通道中的這樣一個位置處，其中所述分散體產(chǎn)品處于所述通道外大氣壓力的+1pisg范圍內(nèi)的壓力條件下。
8.如權(quán)利要求7中所述的方法，進(jìn)一步包括通道，其包括第一部分，所述部分將所述混合單元與第一存貯容器流體連接，以及第二部分，所述部分將所述第一存貯容器與供給充填機(jī)的第二存貯罐流體連接，其中所述密度測量發(fā)生在所述通道的第二部分中。
9.如權(quán)利要求8中所述的方法，其中利用密度計(jì)進(jìn)行所述密度測量。
10.如權(quán)利要求8中所述的方法，其中密度計(jì)用于與控制器進(jìn)行通信，其中所述密度計(jì)向所述控制器輸出測量信號，所述信號表示平衡的所測得的密度大小，所述控制器對測量結(jié)果進(jìn)行調(diào)節(jié)并產(chǎn)生預(yù)測的已調(diào)節(jié)的密度，并且所述控制器將從所述密度計(jì)接收到的、已調(diào)節(jié)的測量結(jié)果信號與所述產(chǎn)品密度設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較，并將指令信號輸出給用于將氣體供給速度調(diào)節(jié)預(yù)定量的氣體控制閥，從而使在所測得的、已調(diào)節(jié)的產(chǎn)品密度和所述產(chǎn)品密度設(shè)定點(diǎn)之間所探測到的偏差最小化，同時(shí)計(jì)算出所述配方供給材料在密度上的變化量。
11.如權(quán)利要求6中所述的方法，其中所述氣體包括具有比空氣在所述分散體產(chǎn)品中溶解度更低的溶解度的氣體材料。
12.如權(quán)利要求6中所述的方法，其中所述氣體包括具有比空氣在所述分散體產(chǎn)品中溶解度更高的溶解度的氣體材料。
13.如權(quán)利要求6中所述的方法，其中所述氣體選自氮?dú)猓?，空氣和它們的混合氣體。
14.如權(quán)利要求5中所述的方法，其中所述氣體包括氮?dú)狻?br> 15.如權(quán)利要求5中所述的方法，其中基礎(chǔ)分散體包括包含植物油，雞蛋，酸化劑，甜味劑，和水的混合物，并且進(jìn)一步包括在所述混合單元中將淀粉成分與所述基礎(chǔ)分散體相結(jié)合。
16.如權(quán)利要求15中所述的方法，其中所述充氣分散體產(chǎn)品包括充氣的水包油乳液。
17.如權(quán)利要求16中所述的方法，其中所述乳液選自蛋黃醬，色拉調(diào)料，干酪，巧克力，奶油干酪，和奶油夾心。
18.在連續(xù)制備食品期間用于控制食品密度使其達(dá)到預(yù)定水平的方法，其包括a)預(yù)先選擇產(chǎn)品密度設(shè)定點(diǎn)；b)制備可食用基礎(chǔ)分散體；c)測量可食用基礎(chǔ)分散體密度；d)將以一種氣體流速引入的氣體與所述可食用基礎(chǔ)分散體相結(jié)合，從而提供氣體/可食用基礎(chǔ)分散體結(jié)合物；e)在剪切單元中對所述氣體/可食用基礎(chǔ)分散體結(jié)合物進(jìn)行有效地混合，從而將氣泡分布到所述可食用基礎(chǔ)分散體中，形成充氣分散體產(chǎn)品；f)在可流動的條件下，將所述充氣分散體產(chǎn)品從所述混合單元輸出到通道中；g)在充分遠(yuǎn)離所述混合單元的位置處測量通道中的所述充氣分散體產(chǎn)品的過程中產(chǎn)品密度，以便在進(jìn)行所述測量的位置處所述產(chǎn)品處于平衡狀態(tài)；h)對充氣分散體產(chǎn)品進(jìn)行包裝；i)對已包裝的充氣分散體產(chǎn)品的產(chǎn)品密度進(jìn)行測量；j)將所測得的已包裝的產(chǎn)品密度與所測得的過程中產(chǎn)品密度進(jìn)行比較，以確定模型偏移量；k)利用所述模型偏移量對過程中產(chǎn)品密度設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)；l)由已調(diào)節(jié)的過程中密度，計(jì)算過程中產(chǎn)品密度的預(yù)測水平；m)響應(yīng)于在l)中所確定的預(yù)測的過程中密度和所述配方供給材料密度，對所述氣體供給速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，數(shù)量上與對所述充氣分散體產(chǎn)品密度的改變相關(guān)聯(lián)，以便使其與所述預(yù)先選擇的密度設(shè)定點(diǎn)相符合；n)按順序至少重復(fù)步驟g)到m)一次。
19.一種用于執(zhí)行權(quán)利要求18中所述的方法的系統(tǒng)，其包括a)可食用基礎(chǔ)分散體進(jìn)料管線，其用于與剪切單元流體連通；b)氣體控制閥，其用于以可控制的氣體供給速率將加壓氣體與在所述基礎(chǔ)分散體進(jìn)料管線中的所述基礎(chǔ)分散體相結(jié)合，以形成氣體/可食用基礎(chǔ)分散體結(jié)合物；c)剪切單元，其可操作用來對所述氣體/可食用基礎(chǔ)分散體結(jié)合物進(jìn)行有效地混合，從而將氣泡分布到所述可食用基礎(chǔ)分散體中，形成充氣分散體產(chǎn)品；d)通道，其用于以可流動的條件來接收由所述剪切單元輸出的充氣分散體產(chǎn)品；e)密度計(jì)，其用于對在所述通道中的所述分散體產(chǎn)品的密度進(jìn)行測量，并可操作地安裝在所述通道中、所輸出的充氣分散體產(chǎn)品處于平衡條件的位置處；和f)控制器，其用于i)存儲預(yù)先選擇的產(chǎn)品密度設(shè)定點(diǎn)值，ii)接收由所述密度計(jì)所檢測出的密度測量結(jié)果信號，iii)將由所述密度測量結(jié)果信號所確定的密度測量結(jié)果與所述預(yù)先選擇的產(chǎn)品密度設(shè)定點(diǎn)值進(jìn)行比較，以確定出在兩者之間是否出現(xiàn)偏差，iv)對于在iii)中所確定的偏差，響應(yīng)于所測得的密度，對氣體供給速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，數(shù)量上與對所述充氣分散體產(chǎn)品密度的改變相關(guān)聯(lián)，以便使其與所述預(yù)先選擇的產(chǎn)品密度設(shè)定點(diǎn)相符合；和v)按順序至少重復(fù)步驟ii)，iii)和iv)一次。
20.如權(quán)利要求19中所述的系統(tǒng)，其中所述通道包括第一部分以及第二部分，第一部分將所述剪切單元與第一存貯容器流體連接，第二部分將所述第一存貯容器與供給充填機(jī)的第二貯罐流體連接，其中所述密度計(jì)設(shè)置在所述第二通道處，并且進(jìn)一步包括附加密度計(jì)，其用于對在與所述剪切單元流體連通的成分進(jìn)料管線中的其他成分的密度進(jìn)行測量，并將表示所述其他成分的所測得的密度大小的測量結(jié)果信號輸出給所述控制器，所述控制器可操作地利用已調(diào)節(jié)的過程中產(chǎn)品密度對來自于所述附加密度計(jì)的所述測量結(jié)果信號進(jìn)行處理，以向所述氣體控制閥輸出指令信號，用于將所述氣體供給速率調(diào)節(jié)到預(yù)定水平，以便補(bǔ)償在所述充氣分散體產(chǎn)品密度中所預(yù)測的任何偏差。
全文摘要
在制備可食用充氣食品產(chǎn)品期間用于控制密度使其達(dá)到預(yù)定水平的方法和系統(tǒng)。對在位于用于形成充氣材料的剪切單元的充分下游，以便產(chǎn)品處于平衡狀態(tài)的位置處的充氣產(chǎn)品進(jìn)行密度測量。從而，可對位于剪切單元上游位置處的充氣氣體注入速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，計(jì)算該調(diào)節(jié)從而可以以精確、可靠的方式減小在預(yù)定的和所測得的產(chǎn)品密度之間的任何差異。并且，可以利用減小溶解度的注入氣體，以便可使產(chǎn)品密度更快地達(dá)到平衡。還對在配方起始材料密度中的上游干擾進(jìn)行監(jiān)測，并通過對氣體流速進(jìn)行的調(diào)節(jié)來抵消之，從而幫助保持預(yù)期的產(chǎn)品密度。
文檔編號G01N9/00GK1795758SQ200510074200
公開日2006年7月5日 申請日期2005年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月29日
發(fā)明者W·H·施維梅, J·B·托平卡, B·B·哈特里普 申請人:卡夫食品集團(tuán)公司