بهبود بهره‌وری انرژی در فرآوری با فشار بالا
فرآوری با فشار بالا (HPP) روشی غیرحرارتی برای نگهداری مواد غذایی است که ضمن حفظ کیفیت غذا، ایمنی میکروبی را تضمین می‌کند و ماندگاری را افزایش می‌دهد؛ بااین‌حال، ناکارآمدی آن در مصرف انرژی ناشی از هوا و گاز محبوس، اجرای پایدار این روش را با چالش‌های عملیاتی روبه‌رو می‌کند. گاززدایی فراصوتیِ مایع انتقال‌دهندهٔ فشار و مواد غذایی مایع، تراکم‌پذیری را کاهش می‌دهد و با به حداقل رساندن اتلاف انرژی، بازده کلی فرایند HPP را بهبود می‌بخشد.
فرآوری با فشار بالا (HPP): چالش‌های بهره‌وری انرژی
فرآوری با فشار بالا (HPP) یکی از روش‌های پیشرو در نگهداری غیرحرارتی مواد غذایی است که غیرفعال‌سازی میکروبی را با حفظ کیفیت محصولات غذایی مایع و جامد ترکیب می‌کند. فناوری HPP بدون لطمه زدن به ویژگی‌های حسی یا تغذیه‌ای غذا، ایمنی غذایی و افزایش ماندگاری را فراهم می‌کند و با تمایل روزافزون مصرف‌کنندگان به محصولات با حداقل فرآوری همسو است. بااین‌حال، نیاز انرژی HPP چالش‌های عملیاتی قابل‌توجهی ایجاد می‌کند؛ به‌ویژه به‌دلیل ناکارآمدی ناشی از هوا و گاز محبوس در فرایند. رفع این چالش‌ها کلید بهره‌گیری از تمام ظرفیت این فناوری برای تولید پایدار مواد غذایی است.
مروری بر HPP و چالش‌های انرژی آن
| تعریف HPP | چالش‌ها | راهکار |
|---|---|---|
| روشی غیرحرارتی برای نگهداری مواد غذایی که ضمن حفظ کیفیت غذا، ایمنی میکروبی را تضمین می‌کند و ماندگاری را افزایش می‌دهد. | ناکارآمدی در مصرف انرژی ناشی از هوا و گاز محبوس که هزینه‌های عملیاتی را افزایش می‌دهد. | گاززدایی فراصوتی تراکم‌پذیری را کاهش می‌دهد و با به حداقل رساندن اتلاف انرژی، بازده HPP را بهبود می‌بخشد. |
راهکار: گاززدایی فراصوتی مایعات HPP
گاززدایی فراصوتی با حذف هوا و گاز محبوس از مایع انتقال‌دهندهٔ فشار و محصولات غذایی مایع، راهکاری کارآمد برای افزایش بهره‌وری انرژی در فرآوری با فشار بالا (HPP) ارائه می‌کند. با اعمال فراصوت پرتوان، کاویتاسیون فراصوتی به هم‌پیوستن سریع حباب‌های گاز و خروج آن‌ها کمک می‌کند و بدین‌ترتیب تراکم‌پذیری را کاهش می‌دهد و اتلاف انرژی هنگام فشرده‌سازی را به حداقل می‌رساند. این بهینه‌سازی نه‌تنها هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهد، بلکه پایداری فرایند را نیز افزایش می‌دهد و HPP را برای نگهداری مواد غذایی پایدارتر و مؤثرتر می‌سازد.
گاززدایی فراصوتی آب
نحوهٔ عملکرد HPP
فرآوری با فشار بالا (HPP) با قرار دادن محصولات غذایی، معمولاً در بسته‌بندی‌های انعطاف‌پذیر و نفوذناپذیر در برابر آب، تحت فشارهای بسیار بالا تا 6٬000 bar (600 MPa) انجام می‌شود. این فرایند در مخزنی پرفشار و پر از آب، طی مراحل سادهٔ زیر صورت می‌گیرد:
- بارگیری: محصولات بسته‌بندی‌شده در سبدهای پلاستیکی قرار می‌گیرند و به داخل مخزن پرفشار منتقل می‌شوند.
- اعمال فشار: مخزن با آب پر می‌شود که نقش محیط انتقال‌دهندهٔ فشار را دارد. سپس فشار سامانه تا سطح موردنظر افزایش می‌یابد و معمولاً برای چند دقیقه در همان سطح نگه داشته می‌شود.
- اثر ایزواستاتیک: فشار بدون توجه به اندازه، شکل یا ترکیب محصول، به‌صورت یکنواخت و آنی در سراسر آن اعمال می‌شود. این فشار ایزواستاتیک، میکروارگانیسم‌های منتقله از غذا و آنزیم‌های عامل فساد را بدون خرد کردن یا تغییر شکل محصول غیرفعال می‌کند.
- کاهش فشار و تخلیه: فشار مخزن کاهش می‌یابد، آب تخلیه می‌شود و محصولات فرآوری‌شده، آمادهٔ مصرف یا فرآوری بیشتر، از مخزن خارج می‌شوند.
فرآوری با فشار بالا (HPP)
© Balakrishna et al., 2020
روش HPP ضمن حفظ طعم، بافت و محتوای مواد مغذی، ایمنی غذا را تضمین می‌کند. بااین‌حال، این فرایند به ورودی انرژی قابل‌توجهی نیاز دارد که میزان آن تحت‌تأثیر چندین عامل ناکارآمدی عملیاتی قرار می‌گیرد.
چالش‌های مصرف بالای انرژی در HPP
یکی از معایب اصلی HPP مصرف بالای انرژی آن است. انرژی‌بَر بودن این فرایند از عوامل زیر ناشی می‌شود:
- اعمال فشار به آب (مایع واسط انتقال فشار): فشرده‌سازی آبی که برای انتقال فشار ایزواستاتیک استفاده می‌شود و حفظ فشار هدف، به انرژی قابل‌توجهی نیاز دارد.
- هوا و گاز محبوس در مایع واسط انتقال فشار: حباب‌های هوا در آب، بازده انتقال فشار را کاهش می‌دهند و نیاز انرژی را افزایش می‌دهند. این حباب‌ها هنگام اعمال فشار فشرده می‌شوند و انرژی‌ای را جذب می‌کنند که در غیر این صورت می‌توانست برای فرآوری محصول غذایی استفاده شود.
- گاز در محصولات بسته‌بندی‌شده: هوا یا گاز محبوس در مواد غذایی بسته‌بندی‌شده، برای مثال در محصولات کنسروی یا نیمه‌جامد، به همین ترتیب در اتلاف انرژی نقش دارد. فشرده‌سازی حفره‌های گاز داخلی به انرژی اضافی نیاز دارد و می‌تواند یکنواختی فشار را مختل کند.
- اتلاف انرژی حرارتی: اگرچه HPP فرایندی غیرحرارتی محسوب می‌شود، بخشی از انرژی بر اثر فشرده‌سازی آب و اصطکاک تجهیزات به‌صورت گرما تلف می‌شود. این امر هزینه‌های عملیاتی و نیاز به سرمایش را افزایش می‌دهد.
سلول جریان فراصوتی برای گاززدایی مایعات و پاستوریزاسیون مواد غذایی.
تأثیر هوا و گاز محبوس بر نیاز انرژی HPP
وجود هوا و گاز تأثیر قابل‌توجهی بر بازده HPP دارد:
- کاهش بازده انتقال فشار: هوا و گاز آسان‌تر از مایعات فشرده می‌شوند؛ بنابراین، دستیابی به همان فشار در مخزن به انرژی اضافی نیاز دارد.
- طولانی‌تر شدن زمان فرآوری: هوا و گاز محبوس، تثبیت فشار ایزواستاتیک را به تأخیر می‌اندازند و مدت چرخه‌ها را افزایش می‌دهند.
- هدررفت انرژی: حفره‌های گاز فشرده هنگام کاهش فشار، انرژی آزاد می‌کنند که قابل بازیابی نیست و به ناکارآمدی کلی فرایند می‌افزاید.
این اثرات به‌ویژه هنگام فرآوری محصولات غذایی با مقدار طبیعی بالای هوا یا بسته‌بندی‌هایی که گاز فضای بالای محصول را محبوس می‌کنند، مانند محصولات کنسروی یا بسته‌بندی‌شده تحت خلأ، بارزتر هستند.
راهبردهای رفع چالش‌های انرژی در HPP
تلاش‌ها برای بهبود بهره‌وری انرژی HPP بر کاهش تأثیر هوا و گاز درون سامانه متمرکز است:
پیش‌تیمار – گاززدایی فراصوتی:
استفاده از فراصوت برای حذف هوا و گاز محلول از مایع واسط انتقال فشار و محصولات غذایی می‌تواند هدررفت انرژی را به‌طور چشمگیری کاهش دهد. کاویتاسیون فراصوتی حباب‌های گاز را به‌طور مؤثر از هم می‌پاشد و امکان خروج آن‌ها را پیش از اعمال فشار فراهم می‌کند.
علاوه‌براین، محصولات، به‌ویژه انواع کنسروی یا درزبندی‌شده، می‌توانند پس از گاززدایی فراصوتی تحت خلأ به حالت پایدار برسند.
کاهش اکسیژن محلول با گذشت زمان با استفاده از سونیکاتور UP400ST در دامنه‌های 100 %، 80 %، 60 %، 40% و 20 %.
پژوهش: ©Rognerud et al., 2020.
فراصوت‌دهی به‌عنوان راهکاری جایگزین برای HPP پایدار
سامانه‌های ترکیبی HPP که فراصوت با عملکرد بالا را با گرمای ملایم (ترموسونیکاسیون) یا با فشار بالا و گرمای ملایم (مانوترموسونیکاسیون) ترکیب می‌کنند، روش‌های جایگزین نویدبخشی هستند که همگن‌سازی و پاستوریزاسیون قابل‌اعتماد را در شرایط ملایم و با مصرف انرژی پایین فراهم می‌کنند. ازآنجاکه پاستوریزاسیون فراصوتی فرایندی درون‌خطی است، حتی حجم‌های زیاد را نیز می‌توان با صرفهٔ اقتصادی بالا فرآوری کرد.
دربارهٔ سونیکاتورهای Hielscher برای پاستوریزاسیون درون‌خطی مواد غذایی مایع بیشتر بدانید!
اگرچه HPP به‌طور گسترده برای فرآوری مواد غذایی استفاده می‌شود، ماهیت انرژی‌بَر آن، همراه با ناکارآمدی‌های ناشی از هوا و گاز محبوس، چالشی اساسی ایجاد می‌کند. صنعت غذا با به‌کارگیری راهبردهایی مانند گاززدایی فراصوتی می‌تواند پایداری و صرفهٔ اقتصادی HPP را افزایش دهد.
Hielscher Ultrasonics با ارائهٔ فناوری پیشرفتهٔ فراصوت برای بهبود بهره‌وری انرژی و قابلیت اطمینان فرایند، شریکی قابل‌اعتماد در ارائهٔ راهکارهای فرایندی برای بهینه‌سازی HPP است. علاوه‌براین، Hielscher راهکارهای نوآورانه‌ای برای پاستوریزاسیون هم‌افزای مواد غذایی به کمک فراصوت ارائه می‌کند که کیفیت بالا و ایمنی محصولات غذایی را تضمین می‌کنند.
منابع علمی / مراجع
- 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.
پرسش‌های متداول
گاززدایی مایعات انتقال‌دهندهٔ فشار چیست؟
گاززدایی به معنای حذف گازهای محلول و محبوس از مایع مورد استفاده در فرآوری با فشار بالا (HPP) برای بهبود بهره‌وری انرژی و پایداری فرایند است. گاززدایی با حذف گازهای تراکم‌پذیر، افت فشار را کاهش می‌دهد، توزیع یکنواخت فشار را بهبود می‌بخشد و سایش ناشی از کاویتاسیون در سامانه‌های HPP را به حداقل می‌رساند.
تیمار فرآوری با فشار بالا یا HPP چیست؟
HPP روشی غیرحرارتی برای نگهداری مواد غذایی است که با اعمال فشارهای هیدرواستاتیک تا 600 MPa، میکروارگانیسم‌ها را غیرفعال می‌کند و درعین‌حال ویژگی‌های حسی و تغذیه‌ای را حفظ می‌کند. این روش بدون استفاده از گرما، ماندگاری را افزایش می‌دهد، ایمنی غذا را تضمین می‌کند و ترکیبات زیست‌فعال را حفظ می‌کند؛ ازاین‌رو برای مواد غذایی تازه و با حداقل فرآوری مناسب است.
استفاده از فرآوری با فشار بالا یا HPP چه مشکلی دارد؟
چالش‌های اصلی HPP شامل مصرف بالای انرژی، ناکارآمدی فرایند به‌دلیل هوای محبوس در مایعات انتقال‌دهندهٔ فشار و هزینهٔ بالای تجهیزات است. علاوه‌براین، اگرچه HPP در برابر بیشتر عوامل بیماری‌زا در حالت رویشی مؤثر است، بدون موانع کنترلی اضافی مانند گرمادهی ملایم (فرآوری حرارتی به کمک فشار، PATP)، اسپورهای باکتریایی را غیرفعال نمی‌کند.
تفاوت پاستوریزاسیون و HPP چیست؟
پاستوریزاسیون فرایندی حرارتی است که میکروارگانیسم‌ها را با گرما (معمولاً 60–85°C) غیرفعال می‌کند و ممکن است بافت و ترکیب تغذیه‌ای غذا را تغییر دهد. در مقابل، HPP روشی غیرحرارتی است که غیرفعال‌سازی میکروبی را از طریق فشار انجام می‌دهد و ضمن افزایش ماندگاری، طعم، بافت و مواد مغذی اولیهٔ غذا را حفظ می‌کند.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس‌های مختلف، از آزمایشگاهی تا صنعتی، تولید می‌کند.