Poboljšana energetska učinkovitost obrade visokim tlakom

Obrada visokim tlakom (HPP) netoplinska je metoda konzerviranja hrane koja osigurava mikrobiološku sigurnost i produljuje rok trajanja uz očuvanje kvalitete hrane, iako energetska neučinkovitost zbog zarobljenog zraka i plina predstavlja operativne izazove za njezinu održivu primjenu. Ultrazvučno otplinjavanje tekućine za prijenos tlaka i tekuće hrane smanjuje stlačivost, čime se smanjuju gubici energije i poboljšava ukupna učinkovitost postupka HPP-a.

Obrada visokim tlakom (HPP): izazovi energetske učinkovitosti

Obrada visokim tlakom (HPP) jedna je od vodećih netoplinskih tehnika konzerviranja hrane koja omogućuje kombinaciju inaktivacije mikroorganizama i očuvanja kvalitete tekućih i krutih prehrambenih proizvoda. Tehnologija HPP-a osigurava sigurnost hrane i produljen rok trajanja bez narušavanja senzorskih ili nutritivnih svojstava hrane, u skladu sa sve izraženijom sklonošću potrošača minimalno prerađenim proizvodima. Međutim, energetski zahtjevi HPP-a predstavljaju znatne operativne izazove, posebno zbog neučinkovitosti uzrokovanih zrakom i plinom zarobljenima u procesu. Rješavanje tih izazova ključno je za ostvarivanje punog potencijala ove tehnologije u održivoj proizvodnji hrane.

Pregled: HPP i njegovi energetski izazovi

Rješenje: ultrazvučno otplinjavanje tekućina za HPP

Ultrazvučno otplinjavanje pruža učinkovito rješenje za povećanje energetske učinkovitosti obrade visokim tlakom (HPP) uklanjanjem zarobljenog zraka i plina iz tekućine za prijenos tlaka i iz tekućih prehrambenih proizvoda. Pri primjeni ultrazvuka velike snage ultrazvučna kavitacija potiče brzo spajanje i oslobađanje mjehurića plina, čime se smanjuju stlačivost i gubici energije tijekom kompresije. Ova optimizacija ne samo da smanjuje operativne troškove nego i povećava stabilnost procesa, čineći HPP održivijim i učinkovitijim za konzerviranje hrane.
 

Ultrazvučno otplinjavanje vode

Kako funkcionira HPP

Obrada visokim tlakom (HPP) temelji se na izlaganju prehrambenih proizvoda, obično u savitljivoj i vodonepropusnoj ambalaži, iznimno visokim tlakovima do 6.000 bar (600 MPa). Postupak se odvija u visokotlačnoj posudi ispunjenoj vodom, jednostavnim redoslijedom:

1. Punjenje: Zapakirani proizvodi stavljaju se u plastične košare i transportiraju u visokotlačnu posudu.
2. Podizanje tlaka: posuda se puni vodom koja služi kao medij za prijenos tlaka. Tlak u sustavu zatim se podiže na željenu razinu, koja se obično održava nekoliko minuta.
3. Izostatski učinak: Tlak djeluje ravnomjerno i trenutačno na cijeli proizvod, neovisno o njegovoj veličini, obliku ili sastavu. Taj izostatski tlak inaktivira mikroorganizme koji se prenose hranom i enzime koji uzrokuju kvarenje, bez gnječenja ili deformiranja proizvoda.
4. Snižavanje tlaka i pražnjenje: Tlak u posudi se snižava, voda se ispušta, a obrađeni proizvodi transportiraju se van, spremni za konzumaciju ili daljnju preradu.

Obrada visokim tlakom (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

 
Metoda HPP-a osigurava sigurnost hrane uz očuvanje okusa, teksture i sadržaja hranjivih tvari. Međutim, ovaj postupak zahtijeva znatan unos energije, na koji utječe nekoliko operativnih neučinkovitosti.

Izazovi velike potrošnje energije pri HPP-u

Jedan od glavnih nedostataka HPP-a jest velika potrošnja energije. Energetska intenzivnost postupka proizlazi iz:

• Podizanja tlaka vode (tekućine za prijenos tlaka): Voda koja se koristi za prijenos izostatskog tlaka zahtijeva znatnu energiju za kompresiju i održavanje ciljnog tlaka.
• Zarobljenog zraka i plina u tekućini za prijenos tlaka: Mjehurići zraka u vodi smanjuju učinkovitost prijenosa tlaka i povećavaju energetske zahtjeve. Ti se mjehurići komprimiraju tijekom podizanja tlaka i apsorbiraju energiju koja bi se inače mogla upotrijebiti za obradu prehrambenog proizvoda.
• Plina u zapakiranim proizvodima: Zrak ili plin zarobljen u zapakiranoj hrani (npr. u konzerviranim ili polukrutim proizvodima) također pridonosi gubitku energije. Kompresija unutarnjih plinskih džepova zahtijeva dodatnu energiju i može narušiti ravnomjernost tlaka.
• Gubitaka toplinske energije: Iako se HPP smatra netoplinskim postupkom, dio energije rasipa se u obliku topline zbog kompresije vode i trenja u opremi. To povećava operativne troškove i potrebe za hlađenjem.

Utjecaji zarobljenog zraka i plina na energetske potrebe HPP-a

Prisutnost zraka i plina znatno utječe na učinkovitost HPP-a:

• Smanjena učinkovitost prijenosa tlaka: Zrak i plin lakše se komprimiraju od tekućina, što znači da je za postizanje istog tlaka u posudi potrebna dodatna energija.
• Dulje vrijeme obrade: Zarobljeni zrak i plin usporavaju stabilizaciju izostatskog tlaka i produljuju trajanje ciklusa.
• Rasipanje energije: Komprimirani plinski džepovi pri snižavanju tlaka oslobađaju energiju koja se ne može povratiti, čime pridonose ukupnoj neučinkovitosti.

Ti su učinci posebno izraženi pri obradi prehrambenih proizvoda s prirodno visokim udjelom zraka ili u ambalaži koja zadržava plin u slobodnom prostoru iznad proizvoda, poput konzerviranih ili vakuumski pakiranih proizvoda.

Strategije za rješavanje energetskih izazova pri HPP-u

Nastojanja za poboljšanje energetske učinkovitosti HPP-a usmjerena su na smanjenje utjecaja zraka i plina unutar sustava:
Predobrada – ultrazvučno otplinjavanje:
Primjena ultrazvuka za uklanjanje otopljenog zraka i plina iz tekućine za prijenos tlaka i prehrambenih proizvoda može znatno smanjiti rasipanje energije. Ultrazvučna kavitacija učinkovito razara mjehuriće plina, omogućujući njegovo oslobađanje prije podizanja tlaka.
Osim toga, proizvodi mogu očvrsnuti nakon ultrazvučnog otplinjavanja pod vakuumom, posebno konzervirani ili nepropusno zatvoreni proizvodi.

Smanjenje koncentracije otopljenog kisika tijekom vremena primjenom sonikatora UP400ST pri amplitudama od 100 %, 80 %, 60 %, 40% i 20 %.
Studija: ©Rognerud et al., 2020.

Sonikacija kao alternativa za održivi HPP

Hibridni sustavi HPP-a koji kombiniraju ultrazvuk visokih performansi s blagim zagrijavanjem (termosonikacija) ili s povišenim tlakom i blagim zagrijavanjem (manotermosonikacija) obećavajuće su alternativne tehnike koje omogućuju pouzdanu homogenizaciju i pasterizaciju u blagim uvjetima i uz malu potrošnju energije. Budući da je ultrazvučna pasterizacija protočni postupak, čak se i velike količine mogu obraditi uz visoku troškovnu učinkovitost.
Saznajte više o Hielscher sonikatorima za protočnu pasterizaciju tekuće hrane!

Iako se HPP široko primjenjuje u preradi hrane, njegova energetska intenzivnost, dodatno povećana neučinkovitostima zbog zarobljenog zraka i plina, predstavlja ključan izazov. Uvođenjem strategija poput ultrazvučnog otplinjavanja prehrambena industrija može poboljšati održivost i troškovnu učinkovitost HPP-a.
Hielscher Ultrasonics pouzdan je partner za procesna rješenja u optimizaciji HPP-a te nudi naprednu ultrazvučnu tehnologiju za poboljšanje energetske učinkovitosti i pouzdanosti procesa. Osim toga, Hielscher pruža inovativna rješenja za sinergijsku pasterizaciju hrane potpomognutu ultrazvukom, osiguravajući visokokvalitetne i sigurne prehrambene proizvode.