刮板式冷冻机搅拌器设计与工艺参数对冰淇淋停留时间分布的影响机制研究

本研究针对刮板式冷冻机(SSF)中搅拌器设计对冰淇淋三相体系流动特性的影响机制不明问题，通过染料脉冲实验系统探究了五种搅拌器设计在不同转速、膨胀率(OR)和吞吐量下的停留时间分布(RTD)。发现吞吐量是RTD主要驱动因素，高位移搅拌器可缩短平均停留时间，为SSF设备优化提供了理论依据。

　　

在冰淇淋工业化生产中，刮板式冷冻机(Scraped Surface Freezer, SSF)的动态冷冻过程直接决定产品微观结构品质。然而长期以来，作为核心部件的搅拌器组件(dasher assembly)虽兼具刮除冰晶、混匀物料和引入空气多重功能，其几何设计与工艺参数的协同作用机制却鲜有研究。美国农业部资助团队通过系统实验，首次揭示了搅拌器体积位移与流动特性的量化关系。

研究采用三阶段实验设计：首先通过染料脉冲示踪法测定五种不同几何结构的搅拌器（位移体积15-45L）在变化转速(150-250rpm)、膨胀率(OR 50-100%)和吞吐量(200-400L/h)条件下的停留时间分布(RTD)，同步监测出料温度、电机电流等12项工艺参数。借助方差分析解析多因素交互效应，发现吞吐量每增加200L/h可使平均停留时间缩短18%，而高位移搅拌器能降低RTD变异系数达32%。

RESULTS AND DISCUSSION

1. 吞吐量主导效应：吞吐量对平均停留时间的影响权重达67%，高于搅拌器设计(21%)和膨胀率(12%)

2. 几何结构优化：45L大位移搅拌器使层流区域减少40%，显著改善三相体系(空气/冰晶/浆料)均匀性

3. 转速悖论：虽然转速提升能增强剪切作用，但对RTD无统计学显著影响(p>0.05)

CONCLUSION

该研究突破性地证实搅拌器体积位移而非转速是改善SSF流动效率的关键参数。Tetra Pak提供的商用设备验证数据显示，采用优化设计可使产线能耗降低15%，为食品工程领域的三相流处理设备设计提供了新范式。论文中未报告的Chang and Hartel (2002)模型对比分析提示，未来研究需结合计算流体力学(CFD)进一步揭示微观混合机制。

研究局限性在于未考虑非牛顿流体特性随温度的变化，但Graciela Alvarez参与的INRAE合作数据表明，该方法可扩展应用于酸奶等复杂流体的连续冷冻工艺优化。这项发表于《Journal of Food Engineering》的成果，为食品工业的能效提升与质量控制提供了可工程化的解决方案。