Poboljšana energetska efikasnost obrade visokim pritiskom

Obrada visokim pritiskom (HPP) je netermička metoda očuvanja hrane koja osigurava mikrobiološku sigurnost i produžava rok trajanja uz očuvanje kvalitete hrane, iako njena energetska neefikasnost zbog zarobljenog zraka i plina predstavlja operativne izazove za održivu primjenu. Ultrazvučno otplinjavanje tekućine za prijenos pritiska i tekućih namirnica smanjuje stišljivost, čime se minimiziraju gubici energije i poboljšava ukupna efikasnost procesa HPP.

Obrada visokim pritiskom (HPP): izazovi energetske efikasnosti

Obrada visokim pritiskom (HPP) jedna je od vodećih netermičkih tehnika očuvanja hrane, koja nudi kombinaciju mikrobne inaktivacije i očuvanja kvalitete za tekuće i čvrste prehrambene proizvode. Tehnologija HPP postiže sigurnost hrane i produžen rok trajanja bez narušavanja senzornih ili nutritivnih svojstava hrane, što je u skladu sa sve izraženijom sklonošću potrošača minimalno obrađenim proizvodima. Međutim, energetske potrebe HPP-a predstavljaju značajne operativne izazove, osobito zbog neefikasnosti koju uzrokuju zarobljeni zrak i plin u procesu. Rješavanje tih izazova ključno je za otključavanje punog potencijala HPP-a u održivoj proizvodnji hrane.

Pregled: HPP i njegovi energetski izazovi

Rješenje: ultrazvučno otplinjavanje tekućina u HPP-u

Ultrazvučno otplinjavanje nudi efikasno rješenje za povećanje energetske efikasnosti obrade visokim pritiskom (HPP) uklanjanjem zarobljenog zraka i plina i iz tekućine za prijenos pritiska i iz tekućih prehrambenih proizvoda. Primjenom snažnog ultrazvuka, ultrazvučna kavitacija potiče brzu koalescenciju i oslobađanje mjehurića plina, čime se smanjuje stišljivost i minimiziraju gubici energije tokom kompresije. Ova optimizacija ne samo da snižava operativne troškove nego i poboljšava stabilnost procesa, čineći HPP održivijim i efikasnijim za očuvanje hrane.

Ultrazvučno otplinjavanje vode

Kako funkcionira HPP

Obrada visokim pritiskom (HPP) funkcionira tako što se prehrambeni proizvodi, obično u fleksibilnoj i vodootpornoj ambalaži, izlažu izuzetno visokim pritiscima do 6.000 bar (600 MPa). Proces se odvija u posudi za visoki pritisak ispunjenoj vodom i slijedi jednostavan redoslijed:

1. Punjenje: Upakirani proizvodi stavljaju se u plastične korpe i transportuju u posudu za visoki pritisak.
2. Stvaranje pritiska: Voda se puni u posudu i djeluje kao medij za prijenos pritiska. Sistem se zatim dovodi na željeni pritisak, koji se obično održava nekoliko minuta.
3. Izostatski učinak: Pritisak se primjenjuje ravnomjerno i trenutno na cijeli proizvod, bez obzira na njegovu veličinu, oblik ili sastav. Taj izostatski pritisak inaktivira mikroorganizme koji se prenose hranom i enzime kvarenja bez gnječenja ili deformiranja proizvoda.
4. Smanjenje pritiska i pražnjenje: Pritisak u posudi se smanjuje, voda se ispušta, a obrađeni proizvodi se transportuju van, spremni za konzumaciju ili dalju obradu.

Obrada visokim pritiskom (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

Metoda HPP osigurava sigurnost hrane uz očuvanje okusa, teksture i sadržaja nutrijenata. Međutim, ovaj proces zahtijeva značajan unos energije, na što utječe nekoliko operativnih neefikasnosti.

Izazovi visoke potrošnje energije u HPP-u

Jedan od glavnih nedostataka HPP-a je njegova visoka potrošnja energije. Energetska intenzivnost procesa proizlazi iz sljedećeg:

• Stvaranje pritiska u vodi (sprežna tekućina): Za kompresiju vode koja se koristi za prijenos izostatskog pritiska i za održavanje ciljnog pritiska potrebna je znatna energija.
• Zarobljeni zrak i plin u sprežnoj tekućini: Mjehurići zraka u vodi smanjuju efikasnost prijenosa pritiska i povećavaju potrebu za energijom. Ti se mjehurići tokom stvaranja pritiska komprimiraju i apsorbiraju energiju koja bi se inače mogla iskoristiti za obradu prehrambenog proizvoda.
• Plin u upakiranim proizvodima: Zrak ili plin zarobljen u upakiranoj hrani (npr. u konzerviranim ili polučvrstim proizvodima) na sličan način doprinosi gubitku energije. Kompresija unutarnjih džepova plina zahtijeva dodatnu energiju i može ometati ujednačenost pritiska.
• Gubici toplinske energije: Iako se HPP smatra netermičkim procesom, dio energije se zbog kompresije vode i trenja opreme rasipa u obliku topline. To povećava operativne troškove i zahtjeve za hlađenjem.

Utjecaj zarobljenog zraka i plina na energetske potrebe HPP-a

Prisutnost zraka i plina značajno utječe na efikasnost HPP-a:

• Smanjena efikasnost prijenosa pritiska: Zrak i plin se lakše komprimiraju od tekućina, što znači da je za postizanje istog pritiska u posudi potrebna dodatna energija.
• Duže vrijeme obrade: Zarobljeni zrak i plin odgađaju stabilizaciju izostatskog pritiska, čime se produžava trajanje ciklusa.
• Gubitak energije: Komprimirani džepovi plina oslobađaju energiju pri smanjenju pritiska, koja se ne može povratiti, što doprinosi ukupnoj neefikasnosti.

Ovi učinci su osobito izraženi pri obradi prehrambenih proizvoda s prirodno visokim sadržajem zraka ili ambalaže koja zarobljava plin u gornjem prostoru, kao što su konzervirani proizvodi ili proizvodi pakirani u vakuumu.

Strategije za rješavanje energetskih izazova u HPP-u

Nastojanja da se poboljša energetska efikasnost HPP-a usmjerena su na smanjenje utjecaja zraka i plina u sistemu:
Prethodna obrada – ultrazvučno otplinjavanje:
Primjena ultrazvuka za uklanjanje otopljenog zraka i plina iz sprežne tekućine i prehrambenih proizvoda može značajno smanjiti gubitak energije. Ultrazvučna kavitacija efikasno razbija mjehuriće plina, omogućavajući im da pobjegnu prije stvaranja pritiska.
Osim toga, proizvodi mogu očvrsnuti nakon ultrazvučnog otplinjavanja pod vakuumom, osobito konzervirani ili zatvoreni proizvodi.

Smanjenje otopljenog kisika tokom vremena korištenjem sonikatora UP400ST pri amplitudama od 100 %, 80 %, 60 %, 40% i 20 %.
Studija: ©Rognerud et al., 2020.

Sonikacija kao alternativa za održivi HPP

Hibridni HPP sistemi koji kombiniraju visokoučinkoviti ultrazvuk s blagom toplinom (termosonikacija) ili s povišenim pritiskom i blagom toplinom (manotermosonikacija) obećavajuće su alternativne tehnike koje osiguravaju pouzdanu homogenizaciju i pasterizaciju u blagim uvjetima i uz nisku potrošnju energije. Budući da je ultrazvučna pasterizacija inline proces, čak i veliki volumeni mogu se obrađivati uz visoku isplativost.
Saznajte više o Hielscher sonikatorima za inline pasterizaciju tekućih namirnica!

Iako se HPP široko koristi u preradi hrane, njegova energetska intenzivnost, pojačana neefikasnošću zbog zarobljenog zraka i plina, predstavlja ozbiljan izazov. Integriranjem strategija poput ultrazvučnog otplinjavanja, prehrambena industrija može poboljšati održivost i isplativost HPP-a.
Hielscher Ultrasonics je pouzdan partner za procesna rješenja u optimizaciji HPP-a i nudi naprednu ultrazvučnu tehnologiju za poboljšanje energetske efikasnosti i pouzdanosti procesa. Osim toga, Hielscher pruža inovativna rješenja za sinergijsku pasterizaciju hrane uz pomoć ultrazvuka, osiguravajući visokokvalitetne i sigurne prehrambene proizvode.