Подобрена енергийна ефективност на обработката под високо налягане

Обработката под високо налягане (HPP) е нетермичен метод за консервиране на храни, който осигурява микробиологична безопасност и удължава срока на годност, като запазва качеството на храните, въпреки че енергийната неефективност, дължаща се на задържани въздух и газ, създава оперативни предизвикателства пред устойчивото му прилагане. Ултразвуковото дегазиране на течността за предаване на налягането и на течните храни намалява свиваемостта, като свежда до минимум енергийните загуби и подобрява общата ефективност на процеса HPP.

Обработка под високо налягане (HPP): предизвикателства пред енергийната ефективност

Обработката под високо налягане (HPP) е една от водещите нетермични технологии за консервиране на храни, която съчетава инактивиране на микроорганизмите и запазване на качеството на течни и твърди хранителни продукти. Технологията HPP осигурява безопасност на храните и удължен срок на годност, без да влошава техните органолептични или хранителни свойства, в съответствие с нарастващото предпочитание на потребителите към минимално обработени продукти. Енергийните потребности на HPP обаче създават значителни оперативни предизвикателства, особено поради неефективността, причинена от задържани въздух и газ в процеса. Преодоляването на тези предизвикателства е ключово за разгръщането на пълния потенциал на технологията за устойчиво производство на храни.

Общ преглед: HPP и свързаните с нея енергийни предизвикателства

Решението: ултразвуково дегазиране на течностите при HPP

Ултразвуковото дегазиране предлага ефективно решение за повишаване на енергийната ефективност на обработката под високо налягане (HPP) чрез отстраняване на задържаните въздух и газ както от течността за предаване на налягането, така и от течните хранителни продукти. При прилагане на мощен ултразвук ултразвуковата кавитация подпомага бързото сливане и отделяне на газовите мехурчета, като намалява свиваемостта и свежда до минимум енергийните загуби при компресия. Тази оптимизация не само намалява оперативните разходи, но и подобрява стабилността на процеса, като прави HPP по-устойчива и по-ефективна за консервиране на храни.
 

Ултразвуково дегазиране на вода

Как работи HPP

Обработката под високо налягане (HPP) се извършва чрез подлагане на хранителни продукти, обикновено в гъвкави и водонепропускливи опаковки, на изключително високи налягания до 6 000 bar (600 MPa). Процесът протича в съд за високо налягане, напълнен с вода, и следва проста последователност:

1. Зареждане: Опакованите продукти се поставят в пластмасови кошници и се транспортират в съда за високо налягане.
2. Повишаване на налягането: Съдът се напълва с вода, която служи като среда за предаване на налягането. След това налягането в системата се повишава до желаното ниво, което обикновено се поддържа в продължение на няколко минути.
3. Изостатичен ефект: Налягането се прилага равномерно и мигновено върху целия продукт, независимо от неговия размер, форма или състав. Това изостатично налягане инактивира микроорганизмите, пренасяни чрез храните, и ензимите, причиняващи разваляне, без да смачква или деформира продукта.
4. Понижаване на налягането и разтоварване: Налягането в съда се понижава, водата се източва и обработените продукти се извеждат, готови за консумация или допълнителна обработка.

Обработка под високо налягане (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

 
Методът HPP осигурява безопасност на храните, като запазва вкуса, текстурата и съдържанието на хранителни вещества. Този процес обаче изисква значително количество енергия, върху което влияят няколко източника на оперативна неефективност.

Предизвикателства, свързани с високото потребление на енергия при HPP

Един от основните недостатъци на HPP е високото потребление на енергия. Енергоемкият характер на процеса се дължи на:

• Повишаване на налягането на водата (течност за предаване на налягането): Водата, използвана за предаване на изостатичното налягане, изисква значително количество енергия за компресиране и поддържане на целевото налягане.
• Задържани въздух и газ в течността за предаване на налягането: Въздушните мехурчета във водата намаляват ефективността на предаването на налягането и увеличават енергийните потребности. Тези мехурчета се свиват при повишаване на налягането, като поглъщат енергия, която иначе би могла да се използва за обработка на хранителния продукт.
• Газ в опакованите продукти: Въздухът или газът, задържан в опакованите храни (напр. в консервирани или полутвърди продукти), също допринася за енергийните загуби. Компресирането на вътрешните газови джобове изисква допълнителна енергия и може да наруши равномерността на налягането.
• Загуби на топлинна енергия: Въпреки че HPP се счита за нетермичен процес, част от енергията се разсейва като топлина поради компресирането на водата и триенето в оборудването. Това увеличава оперативните разходи и потребностите от охлаждане.

Въздействие на задържаните въздух и газ върху енергийните потребности на HPP

Наличието на въздух и газ оказва значително влияние върху ефективността на HPP:

• Намалена ефективност на предаването на налягането: Въздухът и газът се компресират по-лесно от течностите, което означава, че е необходима допълнителна енергия за постигане на същото налягане в съда.
• По-дълго време за обработка: Задържаните въздух и газ забавят стабилизирането на изостатичното налягане, като удължават продължителността на циклите.
• Разхищение на енергия: Компресираните газови джобове освобождават енергия при понижаване на налягането, която не може да бъде възстановена, като допринасят за общата неефективност.

Тези ефекти са особено изразени при обработка на хранителни продукти с естествено високо съдържание на въздух или с опаковки, които задържат газ в свободното пространство над продукта, като консервирани или вакуумно опаковани продукти.

Стратегии за преодоляване на енергийните предизвикателства при HPP

Усилията за подобряване на енергийната ефективност на HPP са насочени към намаляване на влиянието на въздуха и газа в системата:
Предварителна обработка – ултразвуково дегазиране:
Прилагането на ултразвук за отстраняване на разтворените въздух и газ от течността за предаване на налягането и от хранителните продукти може значително да намали разхищението на енергия. Ултразвуковата кавитация ефективно разрушава газовите мехурчета, като им позволява да се отделят преди повишаването на налягането.
Освен това продуктите могат да се втвърдят след ултразвуково дегазиране под вакуум, особено консервираните или херметично затворените продукти.

Намаляване на разтворения кислород с времето при използване на ултразвуковия апарат UP400St при амплитуди 100 %, 80 %, 60 %, 40% и 20 %.
Изследване: ©Rognerud et al., 2020.

Ултразвуковата обработка като алтернатива за устойчива HPP

Хибридните системи HPP, които съчетават високоефективен ултразвук с умерено нагряване (термосоникация) или с повишено налягане и умерено нагряване (манотермосоникация), представляват обещаващи алтернативни технологии, осигуряващи надеждна хомогенизация и пастьоризация при щадящи условия и ниско потребление на енергия. Тъй като ултразвуковата пастьоризация е проточен процес, дори големи обеми могат да се обработват с висока икономическа ефективност.
Научете повече за ултразвуковите апарати на Hielscher за проточна пастьоризация на течни храни!

Въпреки че HPP се използва широко за обработка на храни, нейният енергоемък характер, допълнително утежнен от неефективността, причинена от задържани въздух и газ, представлява критично предизвикателство. Чрез интегриране на стратегии като ултразвуково дегазиране хранителната промишленост може да подобри устойчивостта и икономическата ефективност на HPP.
Hielscher Ultrasonics е надеждният партньор за технологични решения за оптимизиране на HPP, предлагащ усъвършенствана ултразвукова технология за подобряване на енергийната ефективност и надеждността на процеса. Освен това Hielscher предлага иновативни решения за синергична пастьоризация на храни с помощта на ултразвук, осигуряващи висококачествени и безопасни хранителни продукти.