Vyšší energetická účinnost vysokotlakého zpracování

Vysokotlaké zpracování (HPP) je netermická metoda konzervace potravin, která zajišťuje mikrobiální bezpečnost a prodlužuje trvanlivost při zachování kvality potravin, avšak jeho energetická neefektivnost způsobená zachyceným vzduchem a plynem představuje provozní výzvy pro udržitelné zavedení. Ultrazvukové odplynění kapaliny přenášející tlak a tekutých potravin snižuje stlačitelnost, minimalizuje energetické ztráty a zlepšuje celkovou účinnost procesu HPP.

Vysokotlaké zpracování (HPP): výzvy v oblasti energetické účinnosti

Vysokotlaké zpracování (HPP) patří mezi přední netermické techniky konzervace potravin a nabízí kombinaci mikrobiální inaktivace a zachování kvality u tekutých i pevných potravinářských produktů. Technologie HPP dosahuje bezpečnosti potravin a prodloužené trvanlivosti, aniž by narušila senzorické nebo nutriční vlastnosti potravin, což odpovídá rostoucí preferenci spotřebitelů pro minimálně zpracované produkty. Energetické nároky HPP však představují značné provozní výzvy, zejména kvůli neefektivitě způsobené zachyceným vzduchem a plynem v procesu. Řešení těchto výzev je klíčem k plnému využití potenciálu HPP pro udržitelnou výrobu potravin.

Přehled: HPP a jeho energetické výzvy

Řešení: ultrazvukové odplynění kapalin pro HPP

Ultrazvukové odplynění nabízí účinné řešení pro zvýšení energetické účinnosti vysokotlakého zpracování (HPP) tím, že odstraňuje zachycený vzduch a plyn jak z kapaliny přenášející tlak, tak z tekutých potravinářských produktů. Při aplikaci výkonového ultrazvuku podporuje ultrazvuková kavitace rychlou koalescenci a uvolňování plynových bublin, čímž snižuje stlačitelnost a minimalizuje energetické ztráty během komprese. Tato optimalizace nejen snižuje provozní náklady, ale také zvyšuje stabilitu procesu, díky čemuž je HPP udržitelnější a efektivnější pro konzervaci potravin.

Ultrazvukové odplynění vody

Jak HPP funguje

Vysokotlaké zpracování (HPP) spočívá v tom, že se potravinářské produkty, obvykle v pružném a vodotěsném obalu, vystaví extrémně vysokým tlakům až 6 000 bar (600 MPa). Proces probíhá ve vodou naplněné vysokotlaké nádobě v jednoduchém sledu kroků:

1. Plnění: Balené produkty se umístí do plastových košů a dopraví do vysokotlaké nádoby.
2. Natlakování: Do nádoby se napustí voda, která slouží jako médium přenášející tlak. Systém se poté natlakuje na požadovanou úroveň, která se obvykle udržuje několik minut.
3. Izostatický účinek: Tlak působí na produkt rovnoměrně a okamžitě bez ohledu na jeho velikost, tvar nebo složení. Tento izostatický tlak inaktivuje mikroorganismy přenášené potravinami a enzymy způsobující kažení, aniž by produkt rozdrtil nebo deformoval.
4. Odtlakování a vykládka: Nádoba se odtlakuje, voda se vypustí a ošetřené produkty se dopraví ven, připravené ke konzumaci nebo dalšímu zpracování.

Vysokotlaké zpracování (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

Metoda HPP zajišťuje bezpečnost potravin a zároveň zachovává chuť, texturu a obsah živin. Tento proces však vyžaduje značný energetický vstup, což je faktor ovlivněný několika provozními neefektivnostmi.

Výzvy spojené s vysokou spotřebou energie při HPP

Jednou z hlavních nevýhod HPP je jeho vysoká spotřeba energie. Energetická náročnost procesu vyplývá z následujících faktorů:

• Natlakování vody (vazební kapaliny): Voda používaná k přenosu izostatického tlaku vyžaduje značné množství energie ke stlačení a k udržení cílového tlaku.
• Zachycený vzduch a plyn ve vazební kapalině: Vzduchové bubliny ve vodě snižují účinnost přenosu tlaku, a tím zvyšují energetické nároky. Tyto bubliny se během natlakování stlačují a pohlcují energii, kterou by jinak bylo možné využít k ošetření potravinářského produktu.
• Plyn v balených produktech: Vzduch nebo plyn zachycený v balených potravinách (např. v konzervovaných nebo polotuhých produktech) obdobně přispívá ke ztrátám energie. Stlačení vnitřních plynových kapes vyžaduje dodatečnou energii a může narušit rovnoměrnost tlaku.
• Tepelné ztráty energie: Přestože je HPP považováno za netermický proces, část energie se rozptyluje jako teplo v důsledku stlačování vody a tření v zařízení. To zvyšuje provozní náklady a nároky na chlazení.

Vliv zachyceného vzduchu a plynu na energetickou náročnost HPP

Přítomnost vzduchu a plynu významně ovlivňuje účinnost HPP:

• Snížená účinnost přenosu tlaku: Vzduch a plyn se stlačují snadněji než kapaliny, což znamená, že k dosažení stejného tlaku v nádobě je zapotřebí dodatečná energie.
• Delší doba zpracování: Zachycený vzduch a plyn zpožďují stabilizaci izostatického tlaku a prodlužují trvání cyklu.
• Plýtvání energií: Stlačené plynové kapsy uvolňují při odtlakování energii, kterou nelze získat zpět, což přispívá k celkové neefektivitě.

Tyto účinky jsou obzvláště výrazné při zpracování potravinářských produktů s přirozeně vysokým obsahem vzduchu nebo v obalech zadržujících plyn v prostoru nad produktem, jako jsou konzervované nebo vakuově balené výrobky.

Strategie řešení energetických výzev při HPP

Snahy o zlepšení energetické účinnosti HPP se zaměřují na snížení vlivu vzduchu a plynu v systému:
Předúprava – ultrazvukové odplynění:
Použití ultrazvuku k odstranění rozpuštěného vzduchu a plynu z vazební kapaliny a potravinářských produktů může významně snížit plýtvání energií. Ultrazvuková kavitace účinně narušuje plynové bubliny, takže mohou uniknout před natlakováním.
Kromě toho mohou produkty po ultrazvukovém odplynění ve vakuu ztuhnout, zejména konzervované nebo uzavřené výrobky.

Pokles rozpuštěného kyslíku v čase při použití sonikátoru UP400ST s amplitudami 100 %, 80 %, 60 %, 40% a 20 %.
Studie: ©Rognerud et al., 2020.

Sonikace jako alternativa pro udržitelné HPP

Hybridní systémy HPP kombinující vysoce výkonný ultrazvuk s mírným zahřátím (termosonikace) nebo se zvýšeným tlakem a mírným zahřátím (manotermosonikace) jsou slibné alternativní techniky, které zajišťují spolehlivou homogenizaci a pasteraci za mírných podmínek a při nízké spotřebě energie. Protože ultrazvuková pasterace je inline proces, lze i velké objemy zpracovávat s vysokou nákladovou efektivitou.
Zjistěte více o sonikátorech Hielscher pro inline pasteraci tekutých potravin!

Přestože je HPP široce využíváno ve zpracování potravin, jeho energetická náročnost, umocněná neefektivností způsobenou zachyceným vzduchem a plynem, představuje zásadní výzvu. Začleněním strategií, jako je ultrazvukové odplynění, může potravinářský průmysl zvýšit udržitelnost a nákladovou efektivitu HPP.
Hielscher Ultrasonics je důvěryhodným partnerem pro procesní řešení v oblasti optimalizace HPP a nabízí pokročilou ultrazvukovou technologii pro zlepšení energetické účinnosti a spolehlivosti procesu. Hielscher navíc poskytuje inovativní řešení pro synergickou ultrazvukem podporovanou pasteraci potravin, která zajišťují vysoce kvalitní a bezpečné potravinářské produkty.