Miglioramento dell’efficienza energetica del trattamento ad alta pressione
Il trattamento ad alta pressione (HPP) è un metodo non termico di conservazione degli alimenti che garantisce la sicurezza microbiologica e prolunga la durata di conservazione mantenendo la qualità degli alimenti, sebbene le sue inefficienze energetiche dovute ad aria e gas intrappolati comportino difficoltà operative per un’implementazione sostenibile. Il degasaggio a ultrasuoni del liquido di trasmissione della pressione e degli alimenti liquidi riduce la comprimibilità, minimizzando le perdite di energia e migliorando l’efficienza complessiva del processo HPP.
Trattamento ad alta pressione (HPP): le sfide dell’efficienza energetica
Il trattamento ad alta pressione (HPP) è una delle principali tecniche non termiche di conservazione degli alimenti e offre una combinazione di inattivazione microbica e mantenimento della qualità per prodotti alimentari liquidi e solidi. La tecnologia HPP garantisce la sicurezza alimentare e una maggiore durata di conservazione senza compromettere le proprietà sensoriali o nutrizionali degli alimenti, in linea con la crescente preferenza dei consumatori per prodotti sottoposti a lavorazioni minime. Tuttavia, il fabbisogno energetico dell’HPP comporta notevoli difficoltà operative, soprattutto a causa delle inefficienze introdotte dall’aria e dai gas intrappolati nel processo. Affrontare queste sfide è fondamentale per sfruttarne appieno il potenziale nella produzione alimentare sostenibile.
Panoramica: l’HPP e le sue sfide energetiche
| Definizione di HPP | Sfide | Soluzione |
|---|---|---|
| Un metodo non termico di conservazione degli alimenti che garantisce la sicurezza microbiologica e prolunga la durata di conservazione mantenendo la qualità degli alimenti. | Inefficienze energetiche dovute ad aria e gas intrappolati, che aumentano i costi operativi. | Il degasaggio a ultrasuoni riduce la comprimibilità, minimizzando le perdite di energia e migliorando l’efficienza dell’HPP. |
La soluzione: degasaggio a ultrasuoni dei liquidi per HPP
Il degasaggio a ultrasuoni offre una soluzione efficiente per migliorare l’efficienza energetica del trattamento ad alta pressione (HPP), rimuovendo l’aria e i gas intrappolati sia nel liquido di trasmissione della pressione sia nei prodotti alimentari liquidi. Applicando 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.
Degasaggio a ultrasuoni dell’acqua
Come funziona l’HPP
Il trattamento ad alta pressione (HPP) funziona sottoponendo i prodotti alimentari, generalmente 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 segue una semplice sequenza:
- Caricamento: I prodotti confezionati vengono collocati in cestelli di plastica e trasportati all’interno del recipiente ad alta pressione.
- Pressurizzazione: il recipiente viene riempito d’acqua, che funge da mezzo di trasmissione della pressione. Il sistema viene quindi pressurizzato al livello desiderato, generalmente mantenuto per alcuni minuti.
- Effetto isostatico: La pressione viene applicata uniformemente e istantaneamente all’intero prodotto, indipendentemente dalle sue dimensioni, dalla sua forma o dalla sua composizione. Questa pressione isostatica inattiva i microrganismi trasmessi dagli alimenti e gli enzimi responsabili del deterioramento senza schiacciare o deformare il prodotto.
- Depressurizzazione e scaricamento: Il recipiente viene depressurizzato, l’acqua viene scaricata e i prodotti trattati vengono trasportati all’esterno, pronti per il consumo o per ulteriori lavorazioni.
Trattamento ad alta pressione (HPP)
© Balakrishna et al., 2020
Il metodo HPP garantisce la sicurezza alimentare preservando il gusto, la consistenza e il contenuto di nutrienti. Tuttavia, questo processo richiede un notevole apporto energetico, un fattore influenzato da diverse inefficienze operative.
Le sfide dell’elevato consumo energetico nell’HPP
Uno dei principali svantaggi dell’HPP è il suo elevato consumo energetico. La natura energivora del processo deriva da:
- Pressurizzazione dell’acqua (liquido di accoppiamento): L’acqua utilizzata per trasmettere la pressione isostatica richiede una notevole quantità di energia per essere compressa e mantenere la pressione desiderata.
- Aria e gas intrappolati nel liquido di accoppiamento: Le bolle d’aria presenti nell’acqua riducono l’efficienza di trasmissione della pressione, aumentando il fabbisogno energetico. Queste bolle si comprimono durante la pressurizzazione, assorbendo energia che potrebbe altrimenti essere utilizzata per trattare il prodotto alimentare.
- Gas nei prodotti confezionati: L’aria o i gas intrappolati negli alimenti confezionati (ad esempio, nei prodotti in scatola o semisolidi) contribuiscono analogamente alla perdita di energia. La compressione delle sacche di gas interne richiede energia aggiuntiva e può interferire con l’uniformità della pressione.
- Perdite di energia termica: Sebbene l’HPP sia considerato un processo non termico, parte dell’energia si dissipa sotto forma di calore a causa della compressione dell’acqua e dell’attrito nelle apparecchiature. Ciò aumenta i costi operativi e le esigenze di raffreddamento.
Cella di flusso a ultrasuoni per il degasaggio dei liquidi e la pastorizzazione degli alimenti.
Effetti dell’aria e dei gas intrappolati sul fabbisogno energetico dell’HPP
La presenza di aria e gas influisce notevolmente sull’efficienza dell’HPP:
- Riduzione dell’efficienza di trasmissione della pressione: L’aria e i gas si comprimono più facilmente dei liquidi, il che significa che è necessaria energia aggiuntiva per raggiungere la stessa pressione all’interno del recipiente.
- Tempi di trattamento più lunghi: L’aria e i gas intrappolati ritardano la stabilizzazione della pressione isostatica, prolungando la durata dei cicli.
- Spreco di energia: Le sacche di gas compresso rilasciano energia durante la depressurizzazione; tale energia non può essere recuperata e contribuisce all’inefficienza complessiva.
Questi effetti sono particolarmente pronunciati durante il trattamento di prodotti alimentari con un contenuto d’aria naturalmente elevato o con confezioni che intrappolano gas nello spazio di testa, come i prodotti in scatola o confezionati sottovuoto.
Strategie per affrontare le sfide energetiche nell’HPP
Gli sforzi per migliorare l’efficienza energetica dell’HPP si concentrano sulla riduzione dell’influenza dell’aria e dei gas all’interno del sistema:
Pretrattamento – degasaggio a ultrasuoni:
L’applicazione degli ultrasuoni per rimuovere l’aria e i gas disciolti dal liquido di accoppiamento e dai prodotti alimentari può ridurre significativamente lo spreco di energia. La cavitazione ultrasonica disgrega efficacemente le bolle di gas, consentendo loro di fuoriuscire prima della pressurizzazione.
Inoltre, i prodotti possono indurirsi dopo il degasaggio a ultrasuoni sottovuoto, in particolare i prodotti in scatola o sigillati.
Diminuzione dell’ossigeno disciolto nel tempo utilizzando il sonicatore UP400ST ad 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 ultrasuoni ad alte prestazioni con un riscaldamento moderato (termosonicazione) oppure con una pressione elevata e un riscaldamento moderato (manotermosonicazione) sono tecniche alternative promettenti che garantiscono un’omogeneizzazione e una pastorizzazione affidabili in condizioni blande e con un basso consumo energetico. Poiché la pastorizzazione a ultrasuoni è un processo in linea, anche grandi volumi possono essere trattati con un’elevata efficienza economica.
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Sebbene l’HPP sia ampiamente utilizzato per il trattamento degli alimenti, la sua natura energivora, aggravata dalle inefficienze dovute all’aria e ai gas intrappolati, rappresenta una sfida critica. Integrando strategie come il degasaggio a ultrasuoni, l’industria alimentare può migliorare la sostenibilità e la convenienza economica dell’HPP.
Hielscher Ultrasonics è il partner di fiducia per le soluzioni di processo volte all’ottimizzazione dell’HPP e offre una tecnologia ultrasonica avanzata per migliorare l’efficienza energetica e l’affidabilità del processo. Inoltre, Hielscher fornisce soluzioni innovative per la pastorizzazione sinergica degli alimenti 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 trattamento ad alta pressione (HPP), per migliorare l’efficienza energetica e la stabilità del processo. Eliminando i gas comprimibili, il degasaggio riduce la perdita di pressione, migliora la distribuzione uniforme della pressione e minimizza l’usura dovuta alla cavitazione nei sistemi HPP.
Che cos’è il trattamento ad alta pressione HPP?
L’HPP è un metodo non termico di conservazione degli alimenti 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 preserva i composti bioattivi senza utilizzare calore, risultando adatto agli alimenti freschi e sottoposti a lavorazioni minime.
Quali sono i problemi nell’utilizzo del trattamento ad alta pressione HPP?
Le principali sfide dell’HPP includono un elevato consumo energetico, inefficienze di processo dovute all’aria intrappolata nei liquidi di trasmissione della pressione ed elevati costi delle apparecchiature. Inoltre, pur essendo efficace contro la maggior parte dei patogeni in forma vegetativa, l’HPP non inattiva le spore batteriche senza ulteriori fattori di controllo, come un riscaldamento moderato (trattamento termico assistito dalla pressione, PATP).
Qual è la differenza tra pastorizzazione e HPP?
La pastorizzazione è un processo termico che inattiva i microrganismi mediante il calore (generalmente 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 mediante la pressione, preservando il gusto, la consistenza e i nutrienti originali degli alimenti e prolungandone la durata di conservazione.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni, dalle dimensioni da laboratorio a quelle industriali.