Verbesserte Energieeffizienz der Hochdruckbehandlung
Die Hochdruckbehandlung (HPP) ist ein nichtthermisches Verfahren zur Lebensmittelkonservierung, das die mikrobiologische Sicherheit gewährleistet und die Haltbarkeit verlängert, während die Lebensmittelqualität erhalten bleibt. Energieineffizienzen durch eingeschlossene Luft und Gase stellen jedoch betriebliche Herausforderungen für eine nachhaltige Umsetzung dar. Die Ultraschallentgasung der druckübertragenden Flüssigkeit und flüssiger Lebensmittel verringert die Kompressibilität, minimiert dadurch Energieverluste und verbessert die Gesamteffizienz des HPP-Prozesses.
Hochdruckbehandlung (HPP): Herausforderungen bei der Energieeffizienz
Die Hochdruckbehandlung (HPP) gehört zu den führenden nichtthermischen Verfahren zur Lebensmittelkonservierung und verbindet die Inaktivierung von Mikroorganismen mit dem Qualitätserhalt bei flüssigen und festen Lebensmitteln. Die HPP-Technologie gewährleistet Lebensmittelsicherheit und verlängerte Haltbarkeit, ohne die sensorischen Eigenschaften oder den Nährwert der Lebensmittel zu beeinträchtigen. Damit entspricht sie der wachsenden Vorliebe der Verbraucher für minimal verarbeitete Produkte. Der Energiebedarf von HPP stellt jedoch erhebliche betriebliche Herausforderungen dar, insbesondere aufgrund von Ineffizienzen durch eingeschlossene Luft und Gase im Prozess. Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist entscheidend, um das volle Potenzial des Verfahrens für eine nachhaltige Lebensmittelproduktion auszuschöpfen.
Überblick: HPP und die Herausforderungen beim Energiebedarf
| Definition von HPP | Herausforderungen | Lösung |
|---|---|---|
| Ein nichtthermisches Verfahren zur Lebensmittelkonservierung, das die mikrobiologische Sicherheit gewährleistet und die Haltbarkeit verlängert, während die Lebensmittelqualität erhalten bleibt. | Energieineffizienzen durch eingeschlossene Luft und Gase, die die Betriebskosten erhöhen. | Die Ultraschallentgasung verringert die Kompressibilität, minimiert dadurch Energieverluste und verbessert die HPP-Effizienz. |
Die Lösung: Ultraschallentgasung von HPP-Flüssigkeiten
Die Ultraschallentgasung bietet eine effiziente Lösung zur Steigerung der Energieeffizienz der Hochdruckbehandlung (HPP), indem sie eingeschlossene Luft und Gase sowohl aus der druckübertragenden Flüssigkeit als auch aus flüssigen Lebensmitteln entfernt. Beim Einsatz von Leistungsultraschall fördert die Ultraschallkavitation das schnelle Zusammenfließen und Freisetzen von Gasblasen. Dadurch wird die Kompressibilität verringert und Energieverluste während der Kompression werden minimiert. Diese Optimierung senkt nicht nur die Betriebskosten, sondern erhöht auch die Prozessstabilität und macht HPP für die Lebensmittelkonservierung nachhaltiger und wirksamer.
Ultraschallentgasung von Wasser
So funktioniert HPP
Bei der Hochdruckbehandlung (HPP) werden Lebensmittel, üblicherweise in flexiblen und wasserdichten Verpackungen, extrem hohen Drücken von bis zu 6.000 bar (600 MPa) ausgesetzt. Der Prozess findet in einem wassergefüllten Hochdruckbehälter statt und folgt einem einfachen Ablauf:
- Beladen: Die verpackten Produkte werden in Kunststoffkörbe gelegt und in den Hochdruckbehälter transportiert.
- Druckaufbau: Der Behälter wird mit Wasser gefüllt, das als druckübertragendes Medium dient. Anschließend wird im System der gewünschte Druck aufgebaut und üblicherweise einige Minuten lang gehalten.
- Isostatische Wirkung: Der Druck wirkt gleichmäßig und unmittelbar auf das gesamte Produkt, unabhängig von dessen Größe, Form oder Zusammensetzung. Dieser isostatische Druck inaktiviert lebensmittelübertragene Mikroorganismen und verderbsfördernde Enzyme, ohne das Produkt zu zerdrücken oder zu verformen.
- Druckabbau und Entladen: Der Druck im Behälter wird abgebaut, das Wasser wird abgelassen und die behandelten Produkte werden herausbefördert. Sie sind anschließend bereit für den Verzehr oder die Weiterverarbeitung.
Hochdruckbehandlung (HPP)
© Balakrishna et al., 2020
Das HPP-Verfahren gewährleistet die Lebensmittelsicherheit und erhält dabei Geschmack, Textur und Nährstoffgehalt. Dieser Prozess erfordert jedoch einen erheblichen Energieeinsatz, dessen Höhe durch mehrere betriebliche Ineffizienzen beeinflusst wird.
Herausforderungen durch den hohen Energieverbrauch bei HPP
Einer der wesentlichen Nachteile von HPP ist der hohe Energieverbrauch. Der energieintensive Charakter des Verfahrens ergibt sich aus folgenden Faktoren:
- Druckbeaufschlagung des Wassers (Koppelflüssigkeit): Die Kompression des Wassers, das zur Übertragung des isostatischen Drucks verwendet wird, und das Aufrechterhalten des Zieldrucks erfordern erhebliche Energie.
- Eingeschlossene Luft und Gase in der Koppelflüssigkeit: Luftblasen im Wasser verringern die Effizienz der Druckübertragung und erhöhen dadurch den Energiebedarf. Diese Blasen werden beim Druckaufbau komprimiert und nehmen dabei Energie auf, die andernfalls zur Behandlung des Lebensmittels genutzt werden könnte.
- Gas in verpackten Produkten: In verpackten Lebensmitteln eingeschlossene Luft oder Gase (z. B. in Konserven oder halbfesten Produkten) tragen ebenfalls zu Energieverlusten bei. Die Kompression innerer Gaseinschlüsse erfordert zusätzliche Energie und kann die Gleichmäßigkeit des Drucks beeinträchtigen.
- Thermische Energieverluste: Obwohl HPP als nichtthermisches Verfahren gilt, wird ein Teil der Energie durch die Kompression des Wassers und die Reibung in der Anlage als Wärme abgegeben. Dies erhöht die Betriebskosten und den Kühlbedarf.
Ultraschall-Durchflusszelle zur Entgasung von Flüssigkeiten und zur Pasteurisierung von Lebensmitteln.
Auswirkungen eingeschlossener Luft und Gase auf den HPP-Energiebedarf
Das Vorhandensein von Luft und Gasen beeinflusst die Effizienz von HPP erheblich:
- Verringerte Effizienz der Druckübertragung: Luft und Gase lassen sich leichter komprimieren als Flüssigkeiten. Daher ist zusätzliche Energie erforderlich, um im Behälter denselben Druck zu erreichen.
- Längere Verarbeitungszeiten: Eingeschlossene Luft und Gase verzögern die Stabilisierung des isostatischen Drucks und verlängern dadurch die Zyklusdauer.
- Energieverschwendung: Komprimierte Gaseinschlüsse setzen beim Druckabbau Energie frei, die nicht zurückgewonnen werden kann. Dies trägt zur Gesamtineffizienz bei.
Diese Effekte sind besonders ausgeprägt bei der Verarbeitung von Lebensmitteln mit einem von Natur aus hohen Luftgehalt oder bei Verpackungen, die Gas im Kopfraum einschließen, beispielsweise bei Konserven oder vakuumverpackten Produkten.
Strategien zur Bewältigung der Herausforderungen beim Energiebedarf von HPP
Die Bemühungen zur Verbesserung der Energieeffizienz von HPP konzentrieren sich darauf, den Einfluss von Luft und Gasen im System zu verringern:
Vorbehandlung – Ultraschallentgasung:
Der Einsatz von Ultraschall zur Entfernung gelöster Luft und Gase aus der Koppelflüssigkeit und den Lebensmitteln kann die Energieverschwendung erheblich verringern. Ultraschallkavitation bricht Gasblasen wirksam auf, sodass sie vor dem Druckaufbau entweichen können.
Außerdem können Produkte nach der unter Vakuum durchgeführten Ultraschallentgasung aushärten, insbesondere Konserven oder versiegelte Produkte.
Abnahme des gelösten Sauerstoffs im Zeitverlauf bei Verwendung des Ultraschallgeräts UP400ST mit Amplituden von 100 %, 80 %, 60 %, 40% und 20 %.
Studie: ©Rognerud et al., 2020.
Ultraschallbehandlung als Alternative für nachhaltige HPP
Hybride HPP-Systeme, die Hochleistungsultraschall mit milder Erwärmung (Thermosonikation) oder mit erhöhtem Druck und milder Erwärmung (Manothermosonikation) kombinieren, sind vielversprechende alternative Verfahren. Sie ermöglichen eine zuverlässige Homogenisierung und Pasteurisierung unter milden Bedingungen und bei geringem Energieverbrauch. Da die Ultraschallpasteurisierung ein Inline-Prozess ist, können auch große Volumina mit hoher Kosteneffizienz verarbeitet werden.
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Obwohl HPP in der Lebensmittelverarbeitung weit verbreitet ist, stellt der energieintensive Charakter des Verfahrens eine entscheidende Herausforderung dar, die durch Ineffizienzen aufgrund eingeschlossener Luft und Gase verschärft wird. Durch die Integration von Strategien wie der Ultraschallentgasung kann die Lebensmittelindustrie die Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit von HPP verbessern.
Hielscher Ultrasonics ist der bewährte Partner für Prozesslösungen zur HPP-Optimierung und bietet fortschrittliche Ultraschalltechnologie zur Verbesserung der Energieeffizienz und Prozesszuverlässigkeit. Darüber hinaus bietet Hielscher innovative Lösungen für die synergistische ultraschallunterstützte Lebensmittelpasteurisierung, die hochwertige und sichere Lebensmittel gewährleisten.
Literatur / Quellen
- Rognerud, Maren; Solemslie, Bjørn; Islam, Md Hujjatul; Pollet, Bruno (2020): How to Avoid Total Dissolved Gas Supersaturation in Water from Hydropower Plants by Employing Ultrasound. Journal of Physics: Conference Series 2020.
- Oner M.E. (2020): The effect of high pressure processing or thermosonication in combination with nisin on microbial inactivation and quality of green juice. Journal of Food Processing and Preservation 2020; 44:e14830.
- Evelyn, Filipa V.M. Silva (2016): High pressure processing pretreatment enhanced the thermosonication inactivation of Alicyclobacillus acidoterrestris spores in orange juice. Food Control, Volume 62, 2016. 365-372.
- Balakrishna, Akash Kaushal, Md Abdul Wazed, Mohammed Farid (2020): A Review on the Effect of High Pressure Processing (HPP) on Gelatinization and Infusion of Nutrients. Molecules 25 (10), 2020. 2369.
Häufig gestellte Fragen
Was ist die Entgasung druckübertragender Flüssigkeiten?
Entgasung bezeichnet die Entfernung gelöster und eingeschlossener Gase aus der bei der Hochdruckbehandlung (HPP) verwendeten Flüssigkeit, um die Energieeffizienz und Prozessstabilität zu verbessern. Durch die Beseitigung kompressibler Gase verringert die Entgasung Druckverluste, verbessert die gleichmäßige Druckverteilung und minimiert kavitationsbedingten Verschleiß in HPP-Systemen.
Was ist die Hochdruckbehandlung (HPP)?
HPP ist ein nichtthermisches Verfahren zur Lebensmittelkonservierung, das hydrostatische Drücke von bis zu 600 MPa nutzt, um Mikroorganismen zu inaktivieren und dabei die sensorischen Eigenschaften und den Nährwert zu erhalten. Es verlängert die Haltbarkeit, gewährleistet die Lebensmittelsicherheit und erhält bioaktive Verbindungen ohne den Einsatz von Wärme. Dadurch eignet es sich für frische und minimal verarbeitete Lebensmittel.
Welche Probleme treten beim Einsatz der Hochdruckbehandlung (HPP) auf?
Zu den wesentlichen Herausforderungen von HPP zählen der hohe Energieverbrauch, Prozessineffizienzen durch eingeschlossene Luft in druckübertragenden Flüssigkeiten und hohe Anlagenkosten. Darüber hinaus wirkt HPP zwar gegen die meisten vegetativen Krankheitserreger, inaktiviert jedoch bakterielle Sporen nicht ohne zusätzliche Hürden wie eine milde Erwärmung (druckunterstützte thermische Behandlung, PATP).
Was ist der Unterschied zwischen Pasteurisierung und HPP?
Die Pasteurisierung ist ein thermisches Verfahren, das Mikroorganismen durch Wärme (üblicherweise 60–85°C) inaktiviert und dabei möglicherweise die Textur und Nährstoffzusammensetzung der Lebensmittel verändert. HPP hingegen ist ein nichtthermisches Verfahren, das die Inaktivierung von Mikroorganismen durch Druck erreicht. Dabei bleiben der ursprüngliche Geschmack, die Textur und die Nährstoffe der Lebensmittel erhalten, während ihre Haltbarkeit verlängert wird.
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