Miglioramento dell'efficienza energetica della lavorazione ad alta pressione
Il trattamento ad alta pressione (HPP) è un metodo di conservazione degli alimenti non termico che garantisce la sicurezza microbica e prolunga la durata di conservazione mantenendo la qualità degli alimenti, sebbene le sue inefficienze energetiche dovute all'aria e ai gas intrappolati rappresentino una sfida operativa per un'implementazione sostenibile. Il degassamento a ultrasuoni del liquido e degli alimenti liquidi che trasmettono pressione riduce la comprimibilità, minimizzando le perdite di energia e migliorando l'efficienza complessiva del processo HPP.
Trattamento ad alta pressione (HPP): Sfide per l'efficienza energetica
Il trattamento ad alta pressione (HPP) è una delle principali tecniche di conservazione alimentare non termica, che offre una combinazione di inattivazione microbica e mantenimento della qualità per prodotti alimentari liquidi e solidi. La tecnologia HPP consente di raggiungere la sicurezza alimentare e di prolungare la durata di conservazione senza compromettere le proprietà sensoriali o nutrizionali degli alimenti, in linea con la crescente preferenza dei consumatori per i prodotti minimamente lavorati. Tuttavia, il fabbisogno energetico dell'HPP pone notevoli problemi operativi, soprattutto a causa delle inefficienze introdotte dall'aria e dal gas intrappolati nel processo. Affrontare queste sfide è fondamentale per liberare il suo pieno potenziale per una produzione alimentare sostenibile.
Panoramica: HPP e le sue sfide energetiche
| Definizione di HPP | Sfide | soluzione |
|---|---|---|
| Un metodo di conservazione degli alimenti non termico che garantisce la sicurezza microbica e prolunga la durata di conservazione, mantenendo la qualità degli alimenti. | inefficienze energetiche dovute all'aria e al gas intrappolati, con conseguente aumento dei costi operativi. | Il degasaggio a ultrasuoni riduce la comprimibilità, minimizzando le perdite di energia e migliorando l'efficienza dell'HPP. |
La soluzione: Degassificazione a ultrasuoni dei liquidi HPP
Il degasaggio a ultrasuoni offre una soluzione efficace per migliorare l'efficienza energetica del processo di lavorazione ad alta pressione (HPP), rimuovendo l'aria e il gas intrappolati sia dal liquido che trasmette la pressione sia dai prodotti alimentari liquidi. Applicando gli ultrasuoni di potenza, la cavitazione ultrasonica favorisce la rapida coalescenza e il rilascio delle bolle di gas, riducendo la comprimibilità e minimizzando le perdite di energia durante la compressione. Questa ottimizzazione non solo riduce i costi operativi, ma migliora anche la stabilità del processo, rendendo l'HPP più sostenibile ed efficace per la conservazione degli alimenti.
Degassificazione ad ultrasuoni dell'acqua
Come funziona l'HPP
Il trattamento ad alta pressione (HPP) funziona sottoponendo i prodotti alimentari, tipicamente in confezioni flessibili e impermeabili, a pressioni estremamente elevate, fino a 6.000 bar (600 MPa). Il processo avviene in un recipiente ad alta pressione riempito d'acqua e con una sequenza semplice:
- Caricamento: I prodotti confezionati vengono collocati in cesti di plastica e trasportati nel recipiente ad alta pressione.
- Pressurizzazione: L'acqua viene riempita nel serbatoio e funge da mezzo di trasmissione della pressione. Il sistema viene quindi pressurizzato fino al livello desiderato, in genere mantenuto per alcuni minuti.
- Effetto isostatico: La pressione viene applicata in modo uniforme e istantaneo al prodotto, indipendentemente dalle sue dimensioni, forma o composizione. Questa pressione isostatica inattiva i microrganismi di origine alimentare e gli enzimi di deterioramento senza schiacciare o deformare il prodotto.
- Depressurizzazione e scarico: Il serbatoio viene depressurizzato, l'acqua viene scaricata e i prodotti trattati vengono convogliati all'esterno, pronti per il consumo o per un'ulteriore lavorazione.
Trattamento ad alta pressione (HPP)
© Balakrishna et al., 2020
Il metodo HPP garantisce la sicurezza degli alimenti, preservandone il gusto, la consistenza e il contenuto di nutrienti. Tuttavia, questo processo richiede un notevole apporto di energia, un fattore influenzato da diverse inefficienze operative.
Le sfide dell'elevato consumo energetico negli impianti di cogenerazione
Uno dei principali svantaggi dell'HPP è l'elevato consumo di energia. La natura ad alta intensità energetica del processo deriva da:
- Pressurizzazione dell'acqua (liquido di accoppiamento): L'acqua utilizzata per trasmettere la pressione isostatica richiede una notevole energia per comprimere e mantenere la pressione target.
- Aria e gas intrappolati nel liquido di accoppiamento: Le bolle d'aria presenti nell'acqua riducono l'efficienza della trasmissione della pressione, aumentando il fabbisogno energetico. Queste bolle si comprimono durante la pressurizzazione, assorbendo energia che altrimenti potrebbe essere utilizzata per trattare il prodotto alimentare.
- Gas nei prodotti confezionati: Anche l'aria o il gas intrappolati negli alimenti confezionati (ad esempio, nei prodotti in scatola o semisolidi) contribuiscono alla perdita di energia. La compressione delle sacche di gas interne richiede ulteriore energia e può interferire con l'uniformità della pressione.
- Perdite di energia termica: Sebbene l'HPP sia considerato un processo non termico, una parte dell'energia viene dissipata sotto forma di calore a causa della compressione dell'acqua e dell'attrito delle apparecchiature. Ciò aumenta i costi operativi e i requisiti di raffreddamento.
Cella a flusso ultrasonico per la degassificazione dei liquidi e la pastorizzazione degli alimenti.
Impatto dell'aria e del gas intrappolati sul fabbisogno energetico degli impianti di produzione di energia elettrica.
La presenza di aria e gas influisce significativamente sull'efficienza dell'HPP:
- Efficienza di trasmissione a pressione ridotta: L'aria e il gas si comprimono più facilmente dei liquidi, il che significa che è necessaria un'energia supplementare per ottenere la stessa pressione all'interno del serbatoio.
- Tempi di elaborazione più lunghi: L'aria e il gas intrappolati ritardano la stabilizzazione della pressione isostatica, prolungando la durata del ciclo.
- Spreco di energia: Le sacche di gas compresso rilasciano energia al momento della depressurizzazione, che non può essere recuperata, contribuendo all'inefficienza complessiva.
Questi effetti sono particolarmente pronunciati quando si lavorano prodotti alimentari con un contenuto d'aria naturalmente elevato o confezioni che trattengono il gas nello spazio di testa, come i prodotti in scatola o sottovuoto.
Strategie per affrontare le sfide energetiche negli HPP
Gli sforzi per migliorare l'efficienza energetica degli HPP si concentrano sulla riduzione dell'influenza di aria e gas all'interno del sistema:
Pre-trattamento – Degassificazione a ultrasuoni:
L'applicazione degli ultrasuoni per rimuovere l'aria e il gas disciolti dai liquidi di accoppiamento e dai prodotti alimentari può ridurre significativamente lo spreco di energia. La cavitazione a ultrasuoni distrugge efficacemente le bolle di gas, permettendone la fuoriuscita prima della pressurizzazione.
Inoltre, i prodotti possono solidificarsi dopo la degassificazione a ultrasuoni sotto vuoto, in particolare quelli in scatola o sigillati.
Diminuzione dell'ossigeno disciolto nel tempo utilizzando il sonicatore UP400ST con ampiezze del 100 %, 80 %, 60 %, 40 % e 20 %..
Studio: ©Rognerud et al., 2020.
La sonicazione come alternativa per un HPP sostenibile
I sistemi HPP ibridi che combinano gli ultrasuoni ad alte prestazioni con un calore leggero (termosonorizzazione) o con una pressione elevata e un calore leggero (manotermosonorizzazione) sono tecniche alternative promettenti che forniscono un'omogeneizzazione e una pastorizzazione affidabili in condizioni miti e a basso consumo energetico. Poiché la pastorizzazione a ultrasuoni è un processo in linea, è possibile trattare anche grandi volumi con un'elevata efficienza in termini di costi.
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Sebbene l'HPP sia ampiamente utilizzato per la lavorazione degli alimenti, la sua natura ad alta intensità energetica, aggravata dalle inefficienze dovute all'aria e ai gas intrappolati, rappresenta una sfida critica. Integrando strategie come la degassificazione a ultrasuoni, l'industria alimentare può migliorare la sostenibilità e l'efficacia dei costi dell'HPP.
Hielscher Ultrasonics è il partner di fiducia per le soluzioni di processo nell'ottimizzazione dell'HPP, offrendo una tecnologia a ultrasuoni avanzata per migliorare l'efficienza energetica e l'affidabilità del processo. Inoltre, Hielscher fornisce soluzioni innovative per la pastorizzazione alimentare sinergica assistita da ultrasuoni, garantendo prodotti alimentari sicuri e di alta qualità.
Letteratura / Riferimenti
- 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.
Domande frequenti
Che cos'è il degasaggio dei liquidi di trasmissione della pressione?
Il degasaggio consiste nella rimozione dei gas disciolti e intrappolati dal liquido utilizzato nel processo ad alta pressione (HPP) per migliorare l'efficienza energetica e la stabilità del processo. Eliminando i gas comprimibili, il degasaggio riduce le perdite di pressione, migliora la distribuzione uniforme della pressione e riduce al minimo l'usura dovuta alla cavitazione nei sistemi HPP.
Che cos'è il trattamento ad alta pressione HPP?
L'HPP è un metodo di conservazione degli alimenti non termico che applica pressioni idrostatiche fino a 600 MPa per inattivare i microrganismi preservando le qualità sensoriali e nutrizionali. Prolunga la durata di conservazione, garantisce la sicurezza alimentare e trattiene i composti bioattivi senza utilizzare il calore, rendendolo adatto agli alimenti freschi e a quelli minimamente lavorati.
Qual è il problema dell'utilizzo della lavorazione ad alta pressione HPP?
Le principali sfide dell'HPP comprendono l'elevato consumo energetico, le inefficienze del processo dovute all'aria intrappolata nei liquidi che trasmettono pressione e gli alti costi delle apparecchiature. Inoltre, pur essendo efficace contro la maggior parte degli agenti patogeni vegetativi, l'HPP non inattiva le spore batteriche senza ulteriori ostacoli, come un leggero riscaldamento (trattamento termico assistito da pressione, PATP).
Qual è la differenza tra pastorizzazione e HPP?
La pastorizzazione è un processo termico che inattiva i microrganismi attraverso il calore (in genere 60-85°C), alterando potenzialmente la consistenza e la composizione nutrizionale degli alimenti. L'HPP, invece, è un metodo non termico che ottiene l'inattivazione microbica attraverso la pressione, preservando il gusto, la consistenza e i nutrienti originali dell'alimento e prolungandone la durata di conservazione.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensioni industriali.