Korkeapainekäsittelyn parannettu energiatehokkuus

Korkeapainekäsittely (HPP) on elintarvikkeiden ei-terminen säilöntämenetelmä, joka varmistaa mikrobiologisen turvallisuuden ja pidentää säilyvyysaikaa säilyttäen samalla elintarvikkeiden laadun. Prosessiin jääneen ilman ja kaasun aiheuttama energiatehottomuus tuo kuitenkin toiminnallisia haasteita menetelmän kestävälle käytölle. Kaasunpoisto ultraäänellä painetta välittävästä nesteestä ja nestemäisistä elintarvikkeista vähentää kokoonpuristuvuutta, minimoi energiahäviöitä ja parantaa HPP-prosessin kokonaistehokkuutta.

Korkeapainekäsittely (HPP): energiatehokkuuden haasteet

Korkeapainekäsittely (HPP) on yksi johtavista elintarvikkeiden ei-termisistä säilöntämenetelmistä. Se yhdistää mikrobien inaktivoinnin ja laadun säilyttämisen nestemäisissä ja kiinteissä elintarvikkeissa. HPP-teknologia varmistaa elintarviketurvallisuuden ja pidentää säilyvyysaikaa heikentämättä elintarvikkeiden aistinvaraisia tai ravitsemuksellisia ominaisuuksia, mikä vastaa kuluttajien kasvavaa mieltymystä mahdollisimman vähän käsiteltyihin tuotteisiin. HPP:n energiantarve aiheuttaa kuitenkin merkittäviä toiminnallisia haasteita erityisesti prosessiin jääneen ilman ja kaasun aiheuttaman tehottomuuden vuoksi. Näiden haasteiden ratkaiseminen on keskeistä, jotta menetelmän koko potentiaali kestävässä elintarviketuotannossa voidaan hyödyntää.

Yleiskatsaus: HPP ja sen energiahaasteet

Ratkaisu: kaasunpoisto ultraäänellä HPP-nesteistä

Kaasunpoisto ultraäänellä tarjoaa tehokkaan ratkaisun korkeapainekäsittelyn (HPP) energiatehokkuuden parantamiseen poistamalla sekä painetta välittävään nesteeseen että nestemäisiin elintarvikkeisiin jäänyttä ilmaa ja kaasua. Tehoultraäänen synnyttämä ultraäänikavitaatio edistää kaasukuplien nopeaa yhdistymistä ja vapautumista, vähentää kokoonpuristuvuutta ja minimoi energiahäviöitä puristuksen aikana. Tämä optimointi alentaa käyttökustannuksia ja parantaa myös prosessin vakautta, mikä tekee HPP:stä kestävämmän ja tehokkaamman elintarvikkeiden säilöntämenetelmän.
 

Kaasunpoisto vedestä ultraäänellä

Miten HPP toimii

Korkeapainekäsittelyssä (HPP) elintarvikkeet, jotka on tavallisesti pakattu joustaviin ja vedenpitäviin pakkauksiin, altistetaan erittäin korkeille, jopa 6 000 bar (600 MPa) suuruisille paineille. Prosessi tapahtuu vedellä täytetyssä korkeapaineastiassa ja etenee yksinkertaisessa järjestyksessä:

1. Lastaus: Pakatut tuotteet asetetaan muovikoreihin ja siirretään korkeapaineastiaan.
2. Paineistus: Astia täytetään vedellä, joka toimii painetta välittävänä aineena. Järjestelmä paineistetaan sitten halutulle tasolle, jota ylläpidetään tavallisesti muutaman minuutin ajan.
3. Isostaattinen vaikutus: Paine kohdistuu tuotteeseen tasaisesti ja välittömästi sen koosta, muodosta tai koostumuksesta riippumatta. Tämä isostaattinen paine inaktivoi elintarvikevälitteiset mikro-organismit ja pilaantumista aiheuttavat entsyymit murskaamatta tuotetta tai muuttamatta sen muotoa.
4. Paineen poisto ja purku: Astian paine poistetaan, vesi tyhjennetään ja käsitellyt tuotteet siirretään ulos valmiina kulutukseen tai jatkokäsittelyyn.

Korkeapainekäsittely (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

 
HPP-menetelmä varmistaa elintarviketurvallisuuden säilyttäen samalla maun, rakenteen ja ravintoainepitoisuuden. Prosessi vaatii kuitenkin huomattavasti energiaa, ja tähän tarpeeseen vaikuttavat useat toiminnalliset tehottomuustekijät.

HPP:n suuren energiankulutuksen haasteet

Yksi HPP:n keskeisistä haitoista on sen suuri energiankulutus. Prosessin energiaintensiivisyys johtuu seuraavista tekijöistä:

• Veden (painetta välittävän nesteen) paineistus: Isostaattisen paineen välittämiseen käytettävän veden kokoon puristaminen ja tavoitepaineen ylläpitäminen vaativat huomattavasti energiaa.
• Painetta välittävään nesteeseen jäänyt ilma ja kaasu: Vedessä olevat ilmakuplat heikentävät paineensiirron tehokkuutta ja lisäävät energiantarvetta. Nämä kuplat puristuvat kokoon paineistuksen aikana ja sitovat energiaa, joka voitaisiin muuten käyttää elintarvikkeen käsittelyyn.
• Kaasu pakatuissa tuotteissa: Pakattuihin elintarvikkeisiin (esimerkiksi säilykkeisiin tai puolikiinteisiin tuotteisiin) jäänyt ilma tai kaasu lisää vastaavasti energiahäviöitä. Tuotteen sisäisten kaasutaskujen kokoon puristaminen vaatii lisäenergiaa ja voi häiritä paineen tasaista jakautumista.
• Lämpöenergiahäviöt: Vaikka HPP:tä pidetään ei-termisenä prosessina, osa energiasta haihtuu lämpönä veden kokoonpuristumisen ja laitteiston kitkan vuoksi. Tämä lisää käyttökustannuksia ja jäähdytystarvetta.

Nesteeseen ja tuotteisiin jääneen ilman ja kaasun vaikutukset HPP:n energiantarpeeseen

Ilman ja kaasun esiintyminen vaikuttaa merkittävästi HPP:n tehokkuuteen:

• Paineensiirron heikentynyt tehokkuus: Ilma ja kaasu puristuvat kokoon nesteitä helpommin, joten saman paineen saavuttaminen astiassa vaatii lisäenergiaa.
• Pidemmät käsittelyajat: Nesteeseen ja tuotteisiin jäänyt ilma ja kaasu viivästyttävät isostaattisen paineen vakiintumista ja pidentävät käsittelysyklejä.
• Energian hukka: Kokoon puristuneet kaasutaskut vapauttavat paineen poiston yhteydessä energiaa, jota ei voida ottaa talteen, mikä lisää kokonaistehottomuutta.

Nämä vaikutukset korostuvat erityisesti käsiteltäessä elintarvikkeita, joiden ilmapitoisuus on luonnostaan suuri, tai pakkauksia, joiden ylätilaan jää kaasua, kuten säilykkeitä tai tyhjiöpakattuja tuotteita.

Keinoja HPP:n energiahaasteiden ratkaisemiseen

HPP:n energiatehokkuuden parantamiseen tähtäävät toimet keskittyvät ilman ja kaasun vaikutuksen vähentämiseen järjestelmässä:
Esikäsittely – kaasunpoisto ultraäänellä:
Ultraäänen käyttö liuenneen ilman ja kaasun poistamiseen painetta välittävästä nesteestä ja elintarvikkeista voi vähentää merkittävästi energian hukkaa. Ultraäänikavitaatio hajottaa kaasukuplia tehokkaasti, jolloin kaasu pääsee poistumaan ennen paineistusta.
Lisäksi tuotteet, erityisesti säilykkeet tai suljetuissa pakkauksissa olevat tuotteet, voivat kovettua tyhjiössä tehdyn ultraäänikaasunpoiston jälkeen.

Liuenneen hapen määrän väheneminen ajan myötä käytettäessä ultraäänilaitetta UP400ST amplitudeilla 100 %, 80 %, 60 %, 40% ja 20 %.
Tutkimus: ©Rognerud et al., 2020.

Ultraäänikäsittely vaihtoehtona kestävälle HPP:lle

HPP-hybridijärjestelmät, joissa suuritehoinen ultraääni yhdistetään lievään lämmitykseen (termosonikaatio) tai korotettuun paineeseen ja lievään lämmitykseen (manotermosonikaatio), ovat lupaavia vaihtoehtoisia tekniikoita, jotka mahdollistavat luotettavan homogenoinnin ja pastöroinnin miedoissa olosuhteissa ja pienellä energiankulutuksella. Koska ultraäänipastörointi on jatkuvatoiminen prosessi, myös suuria määriä voidaan käsitellä erittäin kustannustehokkaasti.
Lue lisää valmistajan Hielscher ultraäänilaitteista nestemäisten elintarvikkeiden jatkuvatoimiseen pastörointiin!

Vaikka HPP:tä käytetään laajalti elintarvikkeiden käsittelyyn, sen energiaintensiivisyys on keskeinen haaste, jota nesteeseen ja tuotteisiin jääneen ilman ja kaasun aiheuttama tehottomuus pahentaa. Ottamalla käyttöön esimerkiksi kaasunpoiston ultraäänellä elintarviketeollisuus voi parantaa HPP:n kestävyyttä ja kustannustehokkuutta.
Hielscher Ultrasonics on luotettu kumppani HPP:n optimointiin tarkoitetuissa prosessiratkaisuissa ja tarjoaa edistynyttä ultraääniteknologiaa energiatehokkuuden ja prosessin luotettavuuden parantamiseen. Lisäksi Hielscher tarjoaa innovatiivisia ratkaisuja synergistiseen ultraääniavusteiseen elintarvikkeiden pastörointiin ja varmistaa näin laadukkaat ja turvalliset elintarvikkeet.