Verbesserte Energieeffizienz der Hochdruckverarbeitung
Die Hochdruckverarbeitung (HPP) ist ein nicht-thermisches Verfahren zur Konservierung von Lebensmitteln, das die mikrobielle Sicherheit gewährleistet und die Haltbarkeit bei gleichbleibender Lebensmittelqualität verlängert. Die Ultraschallentgasung der druckübertragenden Flüssigkeit und der flüssigen Lebensmittel verringert die Kompressibilität, minimiert die Energieverluste und verbessert die Gesamteffizienz des HPP-Prozesses.
Hochdruckverfahren (HPP): Herausforderungen für die Energieeffizienz
Die Hochdruckverarbeitung (HPP) ist eines der führenden nicht-thermischen Verfahren zur Konservierung von Lebensmitteln und bietet eine Kombination aus mikrobieller Inaktivierung und Qualitätserhalt für flüssige und feste Lebensmittelprodukte. Die HPP-Technologie gewährleistet Lebensmittelsicherheit und verlängerte Haltbarkeit, ohne die sensorischen oder ernährungsphysiologischen Eigenschaften von Lebensmitteln zu beeinträchtigen, was der wachsenden Vorliebe der Verbraucher für minimal verarbeitete Produkte entgegenkommt. Der Energiebedarf von HPP stellt jedoch eine große Herausforderung für den Betrieb dar, insbesondere wegen der Ineffizienz, die durch eingeschlossene Luft und Gase im Prozess entsteht. Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist der Schlüssel zur Ausschöpfung des vollen Potenzials der HPP für eine nachhaltige Lebensmittelproduktion.
Überblick: HPP und seine energetischen Herausforderungen
| HPP-Definition | Herausforderungen | Lösung |
|---|---|---|
| Ein nicht-thermisches Verfahren zur Konservierung von Lebensmitteln, das die mikrobielle Sicherheit gewährleistet und die Haltbarkeit verlängert, während die Lebensmittelqualität erhalten bleibt. | Energieineffizienz aufgrund von Luft- und Gaseinschlüssen, die die Betriebskosten erhöhen. | Die Ultraschallentgasung reduziert die Kompressibilität, minimiert Energieverluste und verbessert die HPP-Effizienz. |
Die Lösung: Ultraschall-Entgasung von HPP-Flüssigkeiten
Die Ultraschallentgasung bietet eine effiziente Lösung zur Verbesserung der Energieeffizienz bei der Hochdruckverarbeitung (HPP), indem eingeschlossene Luft und Gase sowohl aus der druckübertragenden Flüssigkeit als auch aus den flüssigen Lebensmittelprodukten entfernt werden. Durch die Anwendung von Leistungsultraschall fördert die Ultraschallkavitation die schnelle Koaleszenz und Freisetzung von Gasblasen, wodurch die Kompressibilität verringert und Energieverluste während der Kompression minimiert werden. Diese Optimierung senkt nicht nur die Betriebskosten, sondern erhöht auch die Prozessstabilität und macht HPP nachhaltiger und effektiver für die Lebensmittelkonservierung.
Entgasung von Wasser mit Ultraschall
Wie HPP funktioniert
Bei der Hochdruckverarbeitung (HPP) werden Lebensmittel, in der Regel in flexiblen und wasserdichten Verpackungen, einem extrem hohen Druck von bis zu 6.000 bar (600 MPa) ausgesetzt. Der Prozess findet in einem mit Wasser gefüllten Hochdruckbehälter statt und ist ein unkomplizierter Ablauf:
- Laden: Die verpackten Produkte werden in Kunststoffkörbe gelegt und in den Hochdruckbehälter befördert.
- Druckbeaufschlagung: Wasser wird in den Behälter gefüllt, der als Druckübertragungsmedium dient. Das System wird dann auf den gewünschten Druck gebracht, der in der Regel einige Minuten lang aufrechterhalten wird.
- Isostatische Wirkung: Der Druck wird gleichmäßig und unmittelbar auf das Produkt ausgeübt, unabhängig von dessen Größe, Form oder Zusammensetzung. Dieser isostatische Druck inaktiviert lebensmittelbedingte Mikroorganismen und verderbliche Enzyme, ohne das Produkt zu zerdrücken oder zu deformieren.
- Druckentlastung und Entladung: Der Behälter wird drucklos gemacht, das Wasser wird abgelassen und die behandelten Produkte werden zum Verzehr oder zur Weiterverarbeitung herausgefördert.
Hochdruckverarbeitung (HPP)
Die HPP-Methode gewährleistet die Lebensmittelsicherheit und bewahrt gleichzeitig den Geschmack, die Textur und den Nährstoffgehalt. Dieses Verfahren erfordert jedoch einen erheblichen Energieaufwand, der durch verschiedene betriebliche Ineffizienzen beeinflusst wird.
Herausforderungen des hohen Energieverbrauchs in HPP
Einer der Hauptnachteile der HPP ist ihr hoher Energieverbrauch. Der energieintensive Charakter des Prozesses ergibt sich aus:
- Druckbeaufschlagung von Wasser (Kopplungsflüssigkeit): Das Wasser, das zur Übertragung des isostatischen Drucks verwendet wird, benötigt erhebliche Energie, um es zu komprimieren und den Zieldruck aufrechtzuerhalten.
- Eingeschlossene Luft und Gas in der Kupplungsflüssigkeit: Luftblasen im Wasser verringern die Effizienz der Druckübertragung und erhöhen den Energiebedarf. Diese Blasen werden während der Druckbeaufschlagung komprimiert und absorbieren Energie, die ansonsten für die Behandlung des Lebensmittels verwendet werden könnte.
- Gas in verpackten Produkten: Luft- oder Gaseinschlüsse in verpackten Lebensmitteln (z. B. in Konserven oder halbfesten Produkten) tragen ebenfalls zum Energieverlust bei. Die Komprimierung der inneren Gaseinschlüsse erfordert zusätzliche Energie und kann die Gleichmäßigkeit des Drucks beeinträchtigen.
- Thermische Energieverluste: Obwohl HPP als nicht-thermischer Prozess gilt, wird ein Teil der Energie aufgrund der Wasserkompression und der Reibung der Anlagen als Wärme abgeführt. Dies erhöht die Betriebskosten und den Kühlungsbedarf.
Ultraschall-Durchflusszelle zur Entgasung von Flüssigkeiten und Pasteurisierung von Lebensmitteln.
Auswirkungen von eingeschlossener Luft und Gas auf den Energiebedarf von HPP
Das Vorhandensein von Luft und Gas hat einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz von HPP:
- Reduzierte Druckübertragungseffizienz: Luft und Gas lassen sich leichter komprimieren als Flüssigkeiten, was bedeutet, dass zusätzliche Energie erforderlich ist, um den gleichen Druck im Behälter zu erreichen.
- Längere Bearbeitungszeiten: Eingeschlossene Luft und Gas verzögern die Stabilisierung des isostatischen Drucks und verlängern die Zyklusdauer.
- Energieverschwendung: Komprimierte Gastaschen setzen beim Druckabbau Energie frei, die nicht zurückgewonnen werden kann, was zur allgemeinen Ineffizienz beiträgt.
Diese Auswirkungen sind besonders ausgeprägt bei der Verarbeitung von Lebensmitteln, die von Natur aus einen hohen Luftgehalt haben, oder bei Verpackungen, in denen Gas im Kopfraum eingeschlossen ist, wie z. B. bei Konserven oder vakuumverpackten Produkten.
Strategien zur Bewältigung der Energieherausforderungen in HPP
Die Bemühungen zur Verbesserung der Energieeffizienz von Wasserkraftwerken konzentrieren sich auf die Verringerung des Einflusses von Luft und Gas innerhalb des Systems:
Vor-Behandlung – Entgasung mit Ultraschall:
Die Anwendung von Ultraschall zur Entfernung von gelöster Luft und Gas aus der Kopplungsflüssigkeit und den Lebensmitteln kann die Energieverschwendung erheblich reduzieren. Durch die Ultraschallkavitation werden Gasblasen effektiv zerstört, so dass sie vor der Druckbeaufschlagung entweichen können.
Außerdem können Produkte nach der Ultraschallentgasung unter Vakuum aushärten, insbesondere Konserven oder versiegelte Produkte.
Abnahme des gelösten Sauerstoffs mit der Zeit mit dem Sonicator UP400ST bei Amplituden von 100 %, 80 %, 60 %, 40 % und 20 %.
Sonikation als Alternative für nachhaltige HPP
Hybride HPP-Systeme, die Hochleistungs-Ultraschall mit milder Hitze (Thermosonication) oder mit erhöhtem Druck und milder Hitze (Manothermosonication) kombinieren, sind vielversprechende alternative Techniken, die eine zuverlässige Homogenisierung und Pasteurisierung unter milden Bedingungen und bei geringem Energieverbrauch ermöglichen. Da es sich bei der Ultraschallpasteurisierung um ein Inline-Verfahren handelt, können auch große Mengen mit hoher Kosteneffizienz verarbeitet werden.
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HPP ist in der Lebensmittelverarbeitung zwar weit verbreitet, doch ihr energieintensiver Charakter, der durch Ineffizienzen aufgrund von Luft- und Gaseinschlüssen noch verstärkt wird, stellt eine kritische Herausforderung dar. Durch die Integration von Strategien wie der Ultraschallentgasung kann die Lebensmittelindustrie die Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz von HPP verbessern.
Hielscher Ultrasonics ist der verlässliche Partner für Prozesslösungen zur HPP-Optimierung und bietet fortschrittliche Ultraschalltechnologie zur Verbesserung der Energieeffizienz und Prozesssicherheit. Darüber hinaus bietet Hielscher Ultrasonics innovative Lösungen für die synergetische ultraschallgestützte Pasteurisierung von Lebensmitteln und gewährleistet so qualitativ hochwertige und sichere Lebensmittel.
Literatur? Literaturhinweise
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- 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 von Druckübertragungsflüssigkeiten?
Unter Entgasung versteht man die Entfernung von gelösten und eingeschlossenen Gasen aus der bei der Hochdruckverarbeitung (HPP) verwendeten Flüssigkeit, um die Energieeffizienz und Prozessstabilität zu verbessern. Durch die Beseitigung komprimierbarer Gase reduziert die Entgasung den Druckverlust, verbessert die gleichmäßige Druckverteilung und minimiert den kavitationsbedingten Verschleiß in HPP-Systemen.
Was ist eine Hochdruckbehandlung (HPP)?
HPP ist eine nicht-thermische Methode zur Konservierung von Lebensmitteln, bei der hydrostatischer Druck von bis zu 600 MPa angewendet wird, um Mikroorganismen zu inaktivieren und gleichzeitig die sensorischen und ernährungsphysiologischen Eigenschaften zu erhalten. Es verlängert die Haltbarkeit, gewährleistet die Lebensmittelsicherheit und bewahrt bioaktive Verbindungen ohne Hitzeeinwirkung, so dass es sich für frische und minimal verarbeitete Lebensmittel eignet.
Was ist das Problem bei der Verwendung von Hochdruckverfahren (HPP)?
Zu den größten Herausforderungen der HPP gehören der hohe Energieverbrauch, die Ineffizienz des Prozesses aufgrund von Lufteinschlüssen in druckübertragenden Flüssigkeiten und die hohen Gerätekosten. Darüber hinaus ist HPP zwar wirksam gegen die meisten vegetativen Krankheitserreger, inaktiviert aber bakterielle Sporen nicht ohne zusätzliche Hürden, wie z. B. eine leichte Erhitzung (druckunterstützte thermische Verarbeitung, PATP).
Was ist der Unterschied zwischen Pasteurisierung und HPP?
Die Pasteurisierung ist ein thermischer Prozess, bei dem Mikroorganismen durch Hitze (typischerweise 60–85 °C) inaktiviert werden, wodurch sich die Textur und die Nährstoffzusammensetzung von Lebensmitteln verändern können. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei HPP um ein nicht-thermisches Verfahren, das eine mikrobielle Inaktivierung durch Druck erreicht, wodurch der ursprüngliche Geschmack, die Textur und die Nährstoffe des Lebensmittels erhalten bleiben und gleichzeitig die Haltbarkeit verlängert wird.
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