Forbedret energieffektivitet ved højtryksbehandling

Højtryksbehandling (HPP) er en ikke-termisk metode til fødevarekonservering, som sikrer mikrobiologisk sikkerhed og forlænger holdbarheden, samtidig med at fødevarekvaliteten bevares. Energiineffektiviteten som følge af indesluttet luft og gas giver dog driftsmæssige udfordringer for en bæredygtig anvendelse. Ultralydsafgasning af den trykoverførende væske og flydende fødevarer reducerer kompressibiliteten, minimerer energitab og forbedrer HPP-processens samlede effektivitet.

Højtryksbehandling (HPP): Udfordringer med energieffektiviteten

Højtryksbehandling (HPP) er en af de førende ikke-termiske teknikker til fødevarekonservering og kombinerer mikrobiel inaktivering med bevarelse af kvaliteten i flydende og faste fødevarer. HPP-teknologien sikrer fødevaresikkerhed og forlænget holdbarhed uden at forringe fødevarernes sensoriske eller ernæringsmæssige egenskaber, hvilket stemmer overens med forbrugernes voksende præference for minimalt forarbejdede produkter. HPP’s energibehov medfører dog betydelige driftsmæssige udfordringer, især på grund af ineffektivitet forårsaget af indesluttet luft og gas i processen. At håndtere disse udfordringer er afgørende for at udnytte teknologiens fulde potentiale for bæredygtig fødevareproduktion.

Oversigt: HPP og udfordringerne med energiforbruget

Løsningen: Ultralydsafgasning af HPP-væsker

Ultralydsafgasning er en effektiv løsning til at forbedre energieffektiviteten ved højtryksbehandling (HPP) ved at fjerne indesluttet luft og gas fra både den trykoverførende væske og flydende fødevarer. Ved anvendelse af højeffektultralyd fremmer ultralydskavitation hurtig koalescens og frigivelse af gasbobler, hvilket reducerer kompressibiliteten og minimerer energitab under kompression. Denne optimering sænker ikke blot driftsomkostningerne, men forbedrer også processtabiliteten og gør HPP mere bæredygtig og effektiv til fødevarekonservering.
 

Ultralydsafgasning af vand

Sådan fungerer HPP

Højtryksbehandling (HPP) fungerer ved at udsætte fødevarer, typisk i fleksibel og vandtæt emballage, for ekstremt høje tryk på op til 6.000 bar (600 MPa). Processen foregår i en vandfyldt højtryksbeholder og følger en enkel rækkefølge:

1. Indlæsning: Emballerede produkter placeres i plastkurve og transporteres ind i højtryksbeholderen.
2. Tryksætning: Beholderen fyldes med vand, der fungerer som det trykoverførende medium. Systemet tryksættes derefter til det ønskede niveau, som typisk opretholdes i nogle få minutter.
3. Isostatisk virkning: Trykket påføres ensartet og øjeblikkeligt i hele produktet, uanset dets størrelse, form eller sammensætning. Dette isostatiske tryk inaktiverer fødevarebårne mikroorganismer og enzymer, der forårsager fordærv, uden at knuse eller deformere produktet.
4. Trykaflastning og udlæsning: Trykket i beholderen aflastes, vandet tømmes ud, og de behandlede produkter transporteres ud, klar til indtagelse eller videre forarbejdning.

Højtryksbehandling (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

 
HPP-metoden sikrer fødevaresikkerhed, samtidig med at smag, tekstur og næringsstofindhold bevares. Denne proces kræver dog et betydeligt energitilførsel, hvis omfang påvirkes af flere driftsmæssige ineffektiviteter.

Udfordringer ved højt energiforbrug i HPP

En af de væsentligste ulemper ved HPP er det høje energiforbrug. Processens energiintensive karakter skyldes:

• Tryksætning af vand (trykoverførende væske): Det kræver betydelig energi at komprimere det vand, der bruges til at overføre isostatisk tryk, og opretholde det ønskede tryk.
• Indesluttet luft og gas i den trykoverførende væske: Luftbobler i vandet reducerer effektiviteten af trykoverførslen og øger energibehovet. Disse bobler komprimeres under tryksætningen og absorberer energi, som ellers kunne bruges til at behandle fødevaren.
• Gas i emballerede produkter: Luft eller gas, der er indesluttet i emballerede fødevarer (f.eks. i konserves eller halvfaste produkter), bidrager tilsvarende til energitab. Kompressionen af indvendige gaslommer kræver yderligere energi og kan påvirke trykkets ensartethed.
• Termiske energitab: Selvom HPP betragtes som en ikke-termisk proces, går noget energi tabt som varme på grund af kompressionen af vandet og friktion i udstyret. Dette øger driftsomkostningerne og kølebehovet.

Indvirkning af indesluttet luft og gas på HPP’s energibehov

Tilstedeværelsen af luft og gas påvirker HPP’s effektivitet betydeligt:

• Reduceret effektivitet af trykoverførslen: Luft og gas komprimeres lettere end væsker, hvilket betyder, at der kræves yderligere energi for at opnå det samme tryk i beholderen.
• Længere behandlingstider: Indesluttet luft og gas forsinker stabiliseringen af det isostatiske tryk og forlænger cyklustiderne.
• Energispild: Komprimerede gaslommer frigiver energi ved trykaflastning. Denne energi kan ikke genvindes, hvilket bidrager til den samlede ineffektivitet.

Disse virkninger er særligt udtalte ved behandling af fødevarer med et naturligt højt luftindhold eller emballage, der indeslutter gas i det frie rum over produktet, såsom konserves eller vakuumpakkede varer.

Strategier til at håndtere energiudfordringer i HPP

Indsatsen for at forbedre HPP’s energieffektivitet fokuserer på at reducere påvirkningen fra luft og gas i systemet:
Forbehandling – ultralydsafgasning:
Anvendelse af ultralyd til at fjerne opløst luft og gas fra den trykoverførende væske og fødevarerne kan reducere energispild betydeligt. Ultralydskavitation bryder effektivt gasbobler op, så de kan slippe ud før tryksætningen.
Desuden kan produkter blive faste efter ultralydsafgasning under vakuum, især konserves eller forseglede produkter.

Fald i indholdet af opløst ilt over tid ved brug af sonikatoren UP400ST ved amplituder på 100 %, 80 %, 60 %, 40% og 20 %.
Undersøgelse: ©Rognerud et al., 2020.

Sonikering som alternativ til bæredygtig HPP

Hybride HPP-systemer, der kombinerer højtydende ultralyd med mild varme (termosonikering) eller med forhøjet tryk og mild varme (manotermosonikering), er lovende alternative teknikker, som giver pålidelig homogenisering og pasteurisering under milde betingelser og med lavt energiforbrug. Da ultralydspasteurisering er en inlineproces, kan selv store volumener behandles med høj omkostningseffektivitet.
Læs mere om sonikatorer fra Hielscher til inlinepasteurisering af flydende fødevarer!

Selvom HPP anvendes bredt til fødevareforarbejdning, udgør processens energiintensive karakter, som forværres af ineffektivitet som følge af indesluttet luft og gas, en kritisk udfordring. Ved at integrere strategier såsom ultralydsafgasning kan fødevareindustrien forbedre HPP’s bæredygtighed og omkostningseffektivitet.
Hielscher Ultrasonics er den betroede partner inden for procesløsninger til optimering af HPP og tilbyder avanceret ultralydsteknologi til at forbedre energieffektiviteten og procespålideligheden. Derudover tilbyder Hielscher innovative løsninger til synergistisk ultralydsassisteret fødevarepasteurisering, som sikrer sikre fødevarer af høj kvalitet.