تحسين كفاءة الطاقة في المعالجة بالضغط العالي
المعالجة بالضغط العالي (HPP) هي طريقة غير حرارية لحفظ الأغذية تضمن السلامة الميكروبية وتطيل مدة الصلاحية مع الحفاظ على جودة الغذاء، إلا أن أوجه القصور في كفاءة الطاقة الناجمة عن الهواء والغاز المحتبسين تفرض تحديات تشغيلية أمام تطبيقها المستدام. وتقلل إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية من السائل الناقل للضغط والأغذية السائلة من قابلية الانضغاط، مما يحد من فقد الطاقة ويحسن الكفاءة الإجمالية لعملية HPP.
المعالجة بالضغط العالي (HPP): تحديات كفاءة الطاقة
المعالجة بالضغط العالي (HPP) هي إحدى التقنيات الرائدة غير الحرارية لحفظ الأغذية، إذ تجمع بين تعطيل الكائنات الحية الدقيقة والحفاظ على جودة المنتجات الغذائية السائلة والصلبة. وتحقق تقنية HPP سلامة الغذاء وإطالة مدة الصلاحية دون المساس بالخصائص الحسية أو الغذائية للغذاء، بما يتوافق مع تفضيل المستهلكين المتزايد للمنتجات التي خضعت لأدنى قدر من المعالجة. ومع ذلك، تفرض متطلبات الطاقة في HPP تحديات تشغيلية كبيرة، ولا سيما بسبب أوجه القصور في الكفاءة الناجمة عن الهواء والغاز المحتبسين أثناء العملية. وتُعد معالجة هذه التحديات أساسية للاستفادة من كامل إمكانات هذه التقنية في إنتاج الأغذية بصورة مستدامة.
نظرة عامة: HPP وتحديات الطاقة المرتبطة بها
| تعريف HPP | التحديات | الحل |
|---|---|---|
| طريقة غير حرارية لحفظ الأغذية تضمن السلامة الميكروبية وتطيل مدة الصلاحية مع الحفاظ على جودة الغذاء. | أوجه قصور في كفاءة الطاقة بسبب الهواء والغاز المحتبسين، مما يزيد تكاليف التشغيل. | تقلل إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية من قابلية الانضغاط، مما يحد من فقد الطاقة ويحسن كفاءة HPP. |
الحل: إزالة الغازات من سوائل HPP بالموجات فوق الصوتية
توفر إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية حلاً فعالاً لتعزيز كفاءة الطاقة في المعالجة بالضغط العالي (HPP) من خلال إزالة الهواء والغاز المحتبسين من كل من السائل الناقل للضغط والمنتجات الغذائية السائلة. وعند تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية القدرة، يعزز التجويف الناتج عنها اندماج فقاعات الغاز وتحررها بسرعة، مما يقلل قابلية الانضغاط ويحد من فقد الطاقة أثناء الانضغاط. ولا يقتصر هذا التحسين على خفض تكاليف التشغيل، بل يعزز أيضاً استقرار العملية، مما يجعل HPP أكثر استدامة وفعالية في حفظ الأغذية.
إزالة الغازات من الماء بالموجات فوق الصوتية
كيفية عمل HPP
تعمل المعالجة بالضغط العالي (HPP) من خلال تعريض المنتجات الغذائية، التي تكون عادةً في عبوات مرنة ومانعة لنفاذ الماء، لضغوط عالية للغاية تصل إلى 6,000 bar (600 MPa). وتُجرى العملية في وعاء ضغط عالٍ مملوء بالماء وفق تسلسل بسيط:
- التحميل: تُوضع المنتجات المعبأة في سلال بلاستيكية وتُنقل إلى داخل وعاء الضغط العالي.
- رفع الضغط: يُملأ الوعاء بالماء الذي يعمل بوصفه الوسط الناقل للضغط. ثم يُرفع ضغط النظام إلى المستوى المطلوب، ويُحافَظ عليه عادةً لبضع دقائق.
- التأثير متساوي الضغط: يُطبَّق الضغط بصورة موحدة وآنية على كامل المنتج، بصرف النظر عن حجمه أو شكله أو تركيبه. ويعطل هذا الضغط المتساوي الكائنات الحية الدقيقة المنقولة بالغذاء والإنزيمات المسببة للفساد دون سحق المنتج أو تشويهه.
- خفض الضغط والتفريغ: يُخفض ضغط الوعاء، ويُصرَّف الماء، وتُنقل المنتجات المعالجة إلى الخارج، جاهزةً للاستهلاك أو لمزيد من المعالجة.
المعالجة بالضغط العالي (HPP)
© Balakrishna et al., 2020
تضمن طريقة HPP سلامة الغذاء مع الحفاظ على المذاق والقوام والمحتوى الغذائي. ومع ذلك، تتطلب هذه العملية إمداداً كبيراً بالطاقة، ويتأثر هذا المتطلب بعدة أوجه قصور في الكفاءة التشغيلية.
تحديات الاستهلاك المرتفع للطاقة في HPP
يُعد استهلاك الطاقة المرتفع أحد العيوب الرئيسية في HPP. وتنبع طبيعة العملية كثيفة الاستهلاك للطاقة من:
- رفع ضغط الماء (سائل الاقتران): يتطلب الماء المستخدم لنقل الضغط المتساوي طاقة كبيرة لضغطه والحفاظ على الضغط المستهدف.
- الهواء والغاز المحتبسان في سائل الاقتران: تقلل فقاعات الهواء داخل الماء من كفاءة نقل الضغط، مما يزيد متطلبات الطاقة. وتنضغط هذه الفقاعات أثناء رفع الضغط، فتمتص طاقة كان يمكن استخدامها لمعالجة المنتج الغذائي.
- الغاز في المنتجات المعبأة: يسهم الهواء أو الغاز المحتبس داخل الأغذية المعبأة (مثل المنتجات المعلبة أو شبه الصلبة) أيضاً في فقد الطاقة. ويتطلب انضغاط الجيوب الغازية الداخلية طاقة إضافية، وقد يخل بتجانس الضغط.
- فقد الطاقة الحرارية: على الرغم من أن HPP تُعد عملية غير حرارية، فإن بعض الطاقة يتبدد على هيئة حرارة بسبب انضغاط الماء واحتكاك المعدات. ويزيد ذلك تكاليف التشغيل ومتطلبات التبريد.
خلية التدفق بالموجات فوق الصوتية لإزالة الغازات من السوائل وبسترة الأغذية.
تأثيرات الهواء والغاز المحتبسين على احتياجات HPP من الطاقة
يؤثر وجود الهواء والغاز تأثيراً كبيراً في كفاءة HPP:
- انخفاض كفاءة نقل الضغط: ينضغط الهواء والغاز بسهولة أكبر من السوائل، مما يعني الحاجة إلى طاقة إضافية لتحقيق الضغط نفسه داخل الوعاء.
- زيادة أوقات المعالجة: يؤخر الهواء والغاز المحتبسان استقرار الضغط المتساوي، مما يطيل مدة الدورات.
- هدر الطاقة: تطلق الجيوب الغازية المضغوطة طاقة عند خفض الضغط، ولا يمكن استرداد هذه الطاقة، مما يسهم في القصور العام في الكفاءة.
تكون هذه التأثيرات ملحوظة بوجه خاص عند معالجة منتجات غذائية ذات محتوى مرتفع طبيعياً من الهواء أو استخدام عبوات تحتبس الغاز في الحيز العلوي، مثل المنتجات المعلبة أو المعبأة تحت التفريغ.
استراتيجيات معالجة تحديات الطاقة في HPP
تركز الجهود الرامية إلى تحسين كفاءة الطاقة في HPP على تقليل تأثير الهواء والغاز داخل النظام:
المعالجة المسبقة – إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية:
يمكن أن يؤدي تطبيق الموجات فوق الصوتية لإزالة الهواء والغاز المذابين من سائل الاقتران والمنتجات الغذائية إلى تقليل هدر الطاقة بدرجة كبيرة. ويعمل التجويف الناتج عن الموجات فوق الصوتية على تفكيك فقاعات الغاز بفعالية، مما يسمح لها بالخروج قبل رفع الضغط.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتصلب المنتجات بعد إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية تحت التفريغ، ولا سيما المنتجات المعلبة أو محكمة الإغلاق.
انخفاض الأكسجين المذاب مع مرور الوقت باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UP400ST بسعات اهتزاز قدرها 100 % و80 % و60 % و40% و20 %.
الدراسة: ©Rognerud et al., 2020.
المعالجة بالموجات فوق الصوتية بوصفها بديلاً لتحقيق الاستدامة في HPP
تُعد أنظمة HPP الهجينة التي تجمع بين الموجات فوق الصوتية عالية الأداء والحرارة المعتدلة (المعالجة الحرارية بالموجات فوق الصوتية)، أو بين الموجات فوق الصوتية والضغط المرتفع والحرارة المعتدلة (المعالجة بالموجات فوق الصوتية بمساعدة الضغط والحرارة)، تقنيات بديلة واعدة توفر تجانساً وبسترة موثوقين في ظروف معتدلة وباستهلاك منخفض للطاقة. ونظراً إلى أن البسترة بالموجات فوق الصوتية عملية تُجرى ضمن خط المعالجة، يمكن معالجة حتى الأحجام الكبيرة بكفاءة عالية من حيث التكلفة.
تعرّف على المزيد عن أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لبسترة الأغذية السائلة ضمن خط المعالجة!
على الرغم من الاستخدام الواسع لـHPP في معالجة الأغذية، فإن طبيعتها كثيفة الاستهلاك للطاقة، التي تتفاقم بفعل أوجه القصور في الكفاءة الناجمة عن الهواء والغاز المحتبسين، تفرض تحدياً حاسماً. ومن خلال دمج استراتيجيات مثل إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية، يمكن لصناعة الأغذية تعزيز استدامة HPP وفعاليتها من حيث التكلفة.
Hielscher Ultrasonics هي الشريك الموثوق لحلول العمليات في تحسين HPP، إذ توفر تقنية متقدمة للموجات فوق الصوتية لتحسين كفاءة الطاقة وموثوقية العملية. وبالإضافة إلى ذلك، تقدم Hielscher حلولاً مبتكرة لبسترة الأغذية بمساعدة الموجات فوق الصوتية بتأثير تآزري، بما يضمن منتجات غذائية عالية الجودة وآمنة.
الأدبيات / المراجع
- Rognerud, Maren; Solemslie, Bjørn; Islam, Md Hujjatul; Pollet, Bruno (2020): How to Avoid Total Dissolved Gas Supersaturation in Water from Hydropower Plants by Employing Ultrasound. Journal of Physics: Conference Series 2020.
- Oner M.E. (2020): The effect of high pressure processing or thermosonication in combination with nisin on microbial inactivation and quality of green juice. Journal of Food Processing and Preservation 2020; 44:e14830.
- Evelyn, Filipa V.M. Silva (2016): High pressure processing pretreatment enhanced the thermosonication inactivation of Alicyclobacillus acidoterrestris spores in orange juice. Food Control, Volume 62, 2016. 365-372.
- Balakrishna, Akash Kaushal, Md Abdul Wazed, Mohammed Farid (2020): A Review on the Effect of High Pressure Processing (HPP) on Gelatinization and Infusion of Nutrients. Molecules 25 (10), 2020. 2369.
الأسئلة الشائعة
ما المقصود بإزالة الغازات من السوائل الناقلة للضغط؟
إزالة الغازات هي إزالة الغازات المذابة والمحتبسة من السائل المستخدم في المعالجة بالضغط العالي (HPP) لتحسين كفاءة الطاقة واستقرار العملية. ومن خلال التخلص من الغازات القابلة للانضغاط، تقلل إزالة الغازات من فقد الضغط، وتعزز توزيعه بصورة موحدة، وتحد من التآكل المرتبط بالتجويف في أنظمة HPP.
ما هي المعالجة بالضغط العالي HPP؟
HPP هي طريقة غير حرارية لحفظ الأغذية تُطبِّق ضغوطاً هيدروستاتيكية تصل إلى 600 MPa لتعطيل الكائنات الحية الدقيقة مع الحفاظ على الخصائص الحسية والغذائية. وهي تطيل مدة الصلاحية، وتضمن سلامة الغذاء، وتحافظ على المركبات النشطة حيوياً دون استخدام الحرارة، مما يجعلها مناسبة للأغذية الطازجة والأغذية التي خضعت لأدنى قدر من المعالجة.
ما المشكلات المرتبطة باستخدام المعالجة بالضغط العالي HPP؟
تشمل التحديات الرئيسية في HPP الاستهلاك المرتفع للطاقة، وأوجه القصور في كفاءة العملية بسبب الهواء المحتبس في السوائل الناقلة للضغط، وارتفاع تكاليف المعدات. وبالإضافة إلى ذلك، على الرغم من فعالية HPP ضد معظم مسببات الأمراض في صورتها الخضرية، فإنها لا تعطل الأبواغ البكتيرية دون عوامل معالجة إضافية، مثل التسخين المعتدل (المعالجة الحرارية بمساعدة الضغط، PATP).
ما الفرق بين البسترة وHPP؟
البسترة عملية حرارية تعطل الكائنات الحية الدقيقة باستخدام الحرارة (عادةً 60–85°C)، وقد تغير قوام الغذاء وتركيبه الغذائي. أما HPP فهي طريقة غير حرارية تحقق تعطيل الكائنات الحية الدقيقة باستخدام الضغط، مع الحفاظ على المذاق الأصلي للغذاء وقوامه وعناصره الغذائية وإطالة مدة صلاحيته.
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء تتراوح أحجامها من الحجم المختبري إلى الحجم الصناعي.