Vylepšená energetická účinnost vysokotlakého zpracování

Vysokotlaké zpracování (HPP) je netepelná metoda konzervace potravin, která zajišťuje mikrobiální bezpečnost a prodlužuje trvanlivost při zachování kvality potravin, ačkoli její energetická neúčinnost způsobená zachyceným vzduchem a plynem představuje provozní výzvy pro udržitelnou implementaci. Ultrazvukové odplyňování kapalných a kapalných potravin přenášejících tlak snižuje stlačitelnost, minimalizuje energetické ztráty a zlepšuje celkovou účinnost procesu HPP.

Vysokotlaké zpracování (HPP): Výzvy v oblasti energetické účinnosti

Vysokotlaké zpracování (HPP) je jednou z předních netepelných technik konzervace potravin, která nabízí kombinaci mikrobiální inaktivace a zachování kvality pro tekuté a pevné potravinářské výrobky. Technologie HPP dosahuje bezpečnosti potravin a prodloužené trvanlivosti, aniž by byly ohroženy senzorické nebo nutriční vlastnosti potravin, což je v souladu s rostoucími preferencemi spotřebitelů pro minimálně zpracované produkty. Energetické požadavky vodních elektráren však představují významné provozní výzvy, zejména kvůli neefektivitě způsobené vzduchem a plynem zachyceným v procesu. Řešení těchto výzev je klíčem k uvolnění jejího plného potenciálu pro udržitelnou produkci potravin.

Přehled: Vodní elektrárna a její energetické výzvy

Řešení: Ultrazvukové odplyňování kapalin HPP

Ultrazvukové odplyňování nabízí účinné řešení pro zvýšení energetické účinnosti vysokotlakého zpracování (HPP) odstraněním zachyceného vzduchu a plynu z kapalných i kapalných potravinářských výrobků přenášejících tlak. Použitím výkonového ultrazvuku podporuje ultrazvuková kavitace rychlou koalescenci a uvolňování plynových bublin, 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 odplyňování vody

Jak HPP funguje

Vysokotlaké zpracování (HPP) funguje tak, že potravinářské výrobky, obvykle ve flexibilních a vodotěsných obalech, jsou vystaveny extrémně vysokým tlakům až 6 000 barů (600 MPa). Proces probíhá ve vysokotlaké nádobě naplněné vodou a má přímočarý sled:

1. Nakládka: Balené výrobky jsou ukládány do plastových košů a dopravovány do vysokotlaké nádoby.
2. Tlakování: Voda se plní do nádoby a působí jako médium přenášející tlak. Systém je poté natlakován na požadovanou úroveň, obvykle udržován po dobu několika minut.
3. Izostatický účinek: Tlak je aplikován rovnoměrně a okamžitě na celý produkt, bez ohledu na jeho velikost, tvar nebo složení. Tento izostatický tlak inaktivuje mikroorganismy přenášené potravou a kažení enzymů, aniž by došlo k rozdrcení nebo deformaci produktu.
4. Odtlakování a vykládka: Nádoba je odtlakována, voda je vypuštěna a upravené produkty jsou dopraveny ven, připraveny ke spotřebě nebo dalšímu zpracování.

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

 
Metoda HPP zajišťuje bezpečnost potravin při zachování chuti, textury a obsahu živin. Tento proces však vyžaduje značný energetický vstup, což je faktor ovlivněný několika provozními neefektivitami.

Výzvy spojené s vysokou spotřebou energie ve vodních elektrárnách

Jednou z hlavních nevýhod vodní elektrárny je její vysoká spotřeba energie. Energetická náročnost tohoto procesu vyplývá z:

• Natlakování vody (spojovací kapalina): Voda použitá k přenosu izostatického tlaku vyžaduje značnou energii ke stlačení a udržení cílového tlaku.
• Vzduch a plyn zachycený ve vazební kapalině: Vzduchové bubliny ve vodě snižují účinnost přenosu tlaku a zvyšují energetické nároky. Tyto bubliny se během tlakování stlačují a absorbují energii, která by jinak mohla být použita k ošetření potravinářského produktu.
• Plyn v balených produktech: Vzduch nebo plyn zachycený v balených potravinách (např. v konzervovaných nebo polotuhých výrobcích) podobně přispívá ke ztrátám energie. Komprese vnitřních plynových kapes vyžaduje dodatečnou energii a může narušovat rovnoměrnost tlaku.
• Ztráty tepelné energie: Zatímco HPP je považována za netepelný proces, část energie se rozptýlí jako teplo v důsledku stlačení vody a tření zařízení. To zvyšuje provozní náklady a požadavky na chlazení.

Dopady zachyceného vzduchu a plynu na energetickou poptávku vodních elektráren

Přítomnost vzduchu a plynu významně ovlivňuje účinnost vodní elektrárny:

• Snížená účinnost přenosu tlaku: Vzduch a plyn se stlačují snadněji než kapaliny, což znamená, že k dosažení stejného tlaku v nádobě je zapotřebí další energie.
• Delší doba zpracování: Zachycený vzduch a plyn zpomalují stabilizaci izostatického tlaku a prodlužují dobu trvání cyklu.
• Plýtvání energií: Kapsy na stlačený plyn uvolňují při odtlakování energii, kterou nelze rekuperovat, což přispívá k celkové neúčinnosti.

Tyto účinky jsou zvláště výrazné při zpracování potravinářských výrobků s přirozeně vysokým obsahem vzduchu nebo obalů, které zachycují plyn v horním prostoru, jako jsou konzervované nebo vakuově balené předměty.

Strategie pro řešení energetických výzev ve vodních elektrárnách

Snahy o zlepšení energetické účinnosti vodních elektráren se zaměřují na snížení vlivu vzduchu a plynu v systému:
Předběžná úprava – Ultrazvukové odplyňování:
Použití ultrazvuku k odstranění rozpuštěného vzduchu a plynu ze spojovací kapaliny a potravinářských výrobků může výrazně snížit plýtvání energií. Ultrazvuková kavitace účinně narušuje plynové bubliny a umožňuje jim uniknout před natlakováním.
Kromě toho mohou produkty tuhnout po ultrazvukovém odplynění ve vakuu, zejména konzervované nebo uzavřené předměty.

Pokles rozpuštěného kyslíku s časem pomocí sonicator UP400ST při amplitudách 100 %, 80 %, 60 %, 40 % a 20 %.
Studie: ©Rognerud et al., 2020.

Sonikace jako alternativa pro udržitelnou HPP

Hybridní systémy HPP kombinující vysoce výkonný ultrazvuk s mírným teplem (termosonikace) nebo se zvýšeným tlakem a mírným teplem (manotermosonikace) jsou slibnými alternativními technikami, které poskytují spolehlivou homogenizaci a pasterizaci za mírných podmínek a při nízké spotřebě energie. Vzhledem k tomu, že ultrazvuková pasterizace je inline proces, lze zpracovávat i velké objemy s vysokou efektivitou nákladů.
Zjistěte více o Hielscher sonikátorech pro inline pasterizaci tekutých potravin!

I když je HPP široce používána pro zpracování potravin, její energeticky náročná povaha, umocněná neefektivitou zachyceného vzduchu a plynu, představuje kritickou výzvu. Integrací strategií, jako je ultrazvukové odplyňování, může potravinářský průmysl zvýšit udržitelnost a nákladovou efektivitu HPP.
Hielscher Ultrasonics je důvěryhodným partnerem pro procesní řešení v optimalizaci HPP, který nabízí pokročilou ultrazvukovou technologii pro zlepšení energetické účinnosti a spolehlivosti procesu. Hielscher navíc poskytuje inovativní řešení pro synergickou ultrazvukem asistovanou pasterizaci potravin, která zajišťuje vysoce kvalitní a bezpečné potravinářské výrobky.