Poboljšana energetska učinkovitost visokotlačne obrade
Visokotlačna obrada (HPP) metoda je netermalnog konzerviranja hrane koja osigurava mikrobnu sigurnost i produljuje vijek trajanja uz održavanje kvalitete hrane, iako njezina energetska neučinkovitost zbog zarobljenog zraka i plina predstavlja operativne izazove za održivu primjenu. Ultrazvučno otplinjavanje tekućine koja prenosi tlak i tekuće hrane smanjuje kompresibilnost, minimizirajući gubitke energije i poboljšavajući ukupnu učinkovitost HPP procesa.
Visokotlačna obrada (HPP): Izazovi energetske učinkovitosti
Visokotlačna obrada (HPP) jedna je od vodećih netermalnih tehnika konzerviranja hrane, koja nudi kombinaciju inaktivacije mikroba i zadržavanja kvalitete za tekuće i krute prehrambene proizvode. HPP tehnologija postiže sigurnost hrane i produljuje rok trajanja bez ugrožavanja senzorskih ili nutritivnih svojstava hrane, usklađujući se s rastućim preferencijama potrošača za minimalno prerađenim proizvodima. Međutim, energetski zahtjevi HE predstavljaju značajne operativne izazove, posebno zbog neučinkovitosti koju unose zrak i plin zarobljeni unutar procesa. Rješavanje ovih izazova ključno je za otključavanje njegovog punog potencijala za održivu proizvodnju hrane.
Pregled: HE i njezini energetski izazovi
| HE Definicija | Izazovi | riješenje |
|---|---|---|
| Netermički način čuvanja hrane koji osigurava mikrobnu sigurnost i produljuje rok trajanja uz zadržavanje kvalitete hrane. | Energetska neučinkovitost zbog zarobljenog zraka i plina, povećavajući operativne troškove. | Ultrazvučno otplinjavanje smanjuje kompresibilnost, smanjujući gubitke energije i poboljšavajući učinkovitost HE. |
Rješenje: Ultrazvučno otplinjavanje HPP tekućina
Ultrazvučno otplinjavanje nudi učinkovito rješenje za povećanje energetske učinkovitosti visokotlačne obrade (HPP) uklanjanjem zarobljenog zraka i plina iz tekućine koja prenosi tlak i tekućih prehrambenih proizvoda. Primjenom snažnog ultrazvuka, ultrazvučna kavitacija potiče brzo spajanje i oslobađanje mjehurića plina, smanjujući kompresibilnost i minimizirajući gubitke energije tijekom kompresije. Ova optimizacija ne samo da smanjuje operativne troškove, već također povećava stabilnost procesa, čineći HPP održivijim i učinkovitijim za očuvanje hrane.
Ultrazvučno otplinjavanje vode
Kako HE radi
Visokotlačna obrada (HPP) funkcionira podvrgavanjem prehrambenih proizvoda, obično u fleksibilnoj i vodootpornoj ambalaži, ekstremno visokim pritiscima do 6000 bara (600 MPa). Proces se odvija u visokotlačnoj posudi ispunjenoj vodom i jednostavnim slijedom:
- Učitavanje: Zapakirani proizvodi se stavljaju u plastične košare i prenose u visokotlačnu posudu.
- Tlak: Voda se puni u posudu, djelujući kao medij za prijenos tlaka. Sustav se zatim podiže pod tlakom do željene razine, obično nekoliko minuta.
- Izostatski učinak: Pritisak se primjenjuje ravnomjerno i trenutno na proizvod, bez obzira na njegovu veličinu, oblik ili sastav. Ovaj izostatski tlak deaktivira mikroorganizme koji se prenose hranom i enzime kvarenja bez drobljenja ili deformiranja proizvoda.
- Depresurizacija i istovar: Posuda se dekompresira, voda se ispušta, a tretirani proizvodi se transportiraju, spremni za potrošnju ili daljnju obradu.
Visokotlačna obrada (HPP)
© Balakrishna i dr., 2020
HPP metoda osigurava sigurnost hrane uz očuvanje okusa, teksture i sadržaja hranjivih tvari. Međutim, ovaj proces zahtijeva značajan unos energije, faktor na koji utječe nekoliko operativnih neučinkovitosti.
Izazovi velike potrošnje energije u HE
Jedan od primarnih nedostataka HE je velika potrošnja energije. Energetski intenzivna priroda procesa proizlazi iz:
- Tlak vode (tekućina za spajanje): Voda koja se koristi za prijenos izostatičkog tlaka zahtijeva značajnu energiju za komprimiranje i održavanje ciljanog tlaka.
- Zrak i plin zarobljeni u tekućini za spajanje: Mjehurići zraka u vodi smanjuju učinkovitost prijenosa tlaka, povećavajući energetske potrebe. Ovi se mjehurići sabijaju tijekom pritiska, apsorbirajući energiju koja bi se inače mogla koristiti za obradu prehrambenog proizvoda.
- Plin u pakiranim proizvodima: Zrak ili plin zarobljeni unutar zapakirane hrane (npr. u konzerviranim ili polukrutim proizvodima) na sličan način doprinose gubitku energije. Kompresija unutarnjih plinskih džepova zahtijeva dodatnu energiju i može ometati jednolikost tlaka.
- Gubici toplinske energije: Dok se HE smatra netoplinskim procesom, dio energije se rasipa kao toplina zbog kompresije vode i trenja opreme. To povećava operativne troškove i potrebe za hlađenjem.
Ultrazvučna protočna ćelija za otplinjavanje tekućina i pasterizaciju hrane.
Utjecaj zarobljenog zraka i plina na potražnju energije za HE
Prisutnost zraka i plina značajno utječe na učinkovitost HE:
- Učinkovitost prijenosa smanjenog tlaka: Zrak i plin lakše se komprimiraju nego tekućine, što znači da je potrebna dodatna energija za postizanje istog tlaka unutar posude.
- Dulje vrijeme obrade: Zarobljeni zrak i plin odgađaju stabilizaciju izostatičkog tlaka, produžujući trajanje ciklusa.
- Rasipanje energije: Komprimirani plinski džepovi oslobađaju energiju nakon pada tlaka, koja se ne može povratiti, što pridonosi ukupnoj neučinkovitosti.
Ti su učinci posebno izraženi pri obradi prehrambenih proizvoda s prirodno visokim udjelom zraka ili pakiranja koja zadržavaju plinove u prostoru, poput konzerviranih ili vakumiranih proizvoda.
Strategije za rješavanje energetskih izazova u HE
Napori za poboljšanje energetske učinkovitosti HE usmjereni su na smanjenje utjecaja zraka i plina unutar sustava:
Prethodni tretman – Ultrazvučno otplinjavanje:
Primjena ultrazvuka za uklanjanje otopljenog zraka i plina iz tekućine za spajanje i prehrambenih proizvoda može značajno smanjiti gubitak energije. Ultrazvučna kavitacija učinkovito ometa mjehuriće plina, dopuštajući im da izađu prije pritiska.
Osim toga, proizvodi se mogu stvrdnuti nakon ultrazvučnog otplinjavanja pod vakuumom, osobito konzervirani ili zatvoreni predmeti.
Smanjenje otopljenog kisika s vremenom pomoću sonikatora UP400ST pri amplitudama od 100 %, 80 %, 60 %, 40 % i 20 %.
Studija: ©Rognerud et al., 2020.
Sonikacija kao alternativa za održive HE
Hibridni HPP sustavi koji kombiniraju visokoučinkoviti ultrazvuk s blagom toplinom (thermosonication) ili s povišenim tlakom i blagom toplinom (manothermosonication) su obećavajuće alternativne tehnike koje pružaju pouzdanu homogenizaciju i pasterizaciju pod blagim uvjetima i uz nisku potrošnju energije. Budući da je ultrazvučna pasterizacija inline proces, čak i velike količine mogu se obraditi uz visoku isplativost.
Saznajte više o Hielscher sonikatorima za inline pasterizaciju tekuće hrane!
Dok se HPP naširoko koristi za preradu hrane, njegova energetski intenzivna priroda, složena neučinkovitošću zbog zarobljenog zraka i plina, predstavlja kritičan izazov. Integriranjem strategija kao što je ultrazvučno otplinjavanje, prehrambena industrija može poboljšati održivost i isplativost HE.
Hielscher Ultrasonics je pouzdani partner za procesna rješenja u optimizaciji HE, koji nudi naprednu ultrazvučnu tehnologiju za poboljšanje energetske učinkovitosti i pouzdanosti procesa. Uz to, Hielscher nudi inovativna rješenja za sinergističku pasterizaciju hrane potpomognutu ultrazvukom, čime se osiguravaju visokokvalitetni i sigurni prehrambeni proizvodi.
Literatura / Reference
- 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.
Često postavljana pitanja
Što je otplinjavanje tekućina koje prenose tlak?
Otplinjavanje je uklanjanje otopljenih i zarobljenih plinova iz tekućine koja se koristi u visokotlačnoj obradi (HPP) radi poboljšanja energetske učinkovitosti i stabilnosti procesa. Uklanjanjem kompresibilnih plinova, otplinjavanje smanjuje gubitak tlaka, poboljšava ravnomjernu distribuciju tlaka i smanjuje habanje povezano s kavitacijom u sustavima HE.
Što je visokotlačna obrada u HE?
HPP je netermalna metoda konzerviranja hrane koja primjenjuje hidrostatske tlakove do 600 MPa za inaktivaciju mikroorganizama uz očuvanje senzorskih i nutritivnih kvaliteta. Produžuje rok trajanja, osigurava sigurnost hrane i zadržava bioaktivne spojeve bez korištenja topline, što ga čini pogodnim za svježu i minimalno prerađenu hranu.
Koji je problem s korištenjem HE za obradu pod visokim pritiskom?
Primarni izazovi HE uključuju veliku potrošnju energije, neučinkovitost procesa zbog zarobljenog zraka u tekućinama koje prenose tlak i visoke troškove opreme. Osim toga, iako je učinkovit protiv većine vegetativnih patogena, HPP ne inaktivira bakterijske spore bez dodatnih prepreka kao što je blago zagrijavanje (termalna obrada potpomognuta tlakom, PATP).
Koja je razlika između pasterizacije i HPP-a?
Pasterizacija je toplinski proces koji deaktivira mikroorganizme toplinom (obično 60–85°C), potencijalno mijenjajući teksturu hrane i nutritivni sastav. HPP je, nasuprot tome, netermalna metoda koja postiže inaktivaciju mikroba pritiskom, čuvajući izvorni okus, teksturu i hranjive sastojke hrane uz produljenje roka trajanja.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.