高圧処理のエネルギー効率向上

高圧処理（HPP）は、食品の品質を維持しながら微生物の安全性を確保し、保存期間を延長する非加熱食品保存法であるが、巻き込まれた空気やガスによるエネルギー効率の悪さが、持続可能な実施に向けた運用上の課題となっている。圧力を伝える液体や液体食品を超音波で脱気することにより圧縮性が低下し、エネルギー損失を最小限に抑え、HPPプロセスの全体的な効率を改善することができる。

高圧加工（HPP）：エネルギー効率の課題

高圧処理(HPP)は、非加熱食品保存技術の代表的なものの一つであり、液体および固形食品の微生物不活性化と品質保持の組み合わせを提供する。HPP技術は、食品の官能特性や栄養特性を損なうことなく、食品の安全性と保存期間の延長を実現し、最小限の加工を施した製品を求める消費者の嗜好に合致している。しかし、HPPのエネルギー需要は、特にプロセス内の空気やガスの巻き込みによる非効率のために、運転上の大きな課題となる。こうした課題に対処することが、持続可能な食品生産の可能性を最大限に引き出す鍵である。

概要HPPとそのエネルギー問題

ソリューションHPP液体の超音波脱気

超音波ガス抜きは、高圧処理（HPP）のエネルギー効率を向上させる効率的なソリューションで、圧力伝達液体と液体食品の両方から、閉じ込められた空気やガスを除去します。超音波キャビテーションは、気泡の急速な合体と放出を促し、圧縮性を低下させ、圧縮時のエネルギー損失を最小限に抑えます。この最適化は、運転コストを下げるだけでなく、プロセスの安定性を高め、HPPをより持続可能で効果的な食品保存にする。
 

水の超音波脱気

HPPの仕組み

高圧処理（HPP）は、一般的に柔軟で防水性のある包装に入った食品を、最高6,000バール（600MPa）の超高圧にかけることで機能する。この工程は、水で満たされた高圧容器内で行われ、簡単な手順で行われる：

1. ローディング： 包装された製品はプラスチックのバスケットに入れられ、高圧容器に運ばれる。
2. 加圧：水が容器に満たされ、圧力伝達媒体として機能する。その後、システムは所望のレベルまで加圧され、通常は数分間維持される。
3. アイソスタティック効果： 圧力は、製品の大きさ、形状、組成に関係なく、製品全体に均一かつ瞬時に加えられます。この静水圧は、製品を押しつぶしたり変形させたりすることなく、食品を媒介する微生物や腐敗酵素を不活性化します。
4. 減圧と荷降ろし： 容器は減圧され、水は排出され、処理された製品は、消費またはさらなる処理の準備が整った状態で、コンベアで搬出される。

高圧処理（HPP）
Balakrishna et al, 2020

 
HPP法は、味、食感、栄養分を保ちながら食品の安全性を確保する。しかし、このプロセスには多大なエネルギー投入が必要であり、その要因はいくつかの操作上の非効率性に影響される。

HPPにおける高エネルギー消費の課題

HPPの主な欠点のひとつは、エネルギー消費が大きいことである。このプロセスのエネルギー集約的な性質は、以下から生じている：

• 水（カップリング液）の加圧： 等圧伝送に使用される水は、圧縮して目標圧力を維持するために大きなエネルギーを必要とする。
• カップリング液に封じ込められた空気とガス： 水中の気泡は圧力伝達効率を低下させ、必要なエネルギーを増加させる。これらの気泡は加圧時に圧縮され、食品を処理するために使われるはずのエネルギーを吸収してしまう。
• パッケージ製品に含まれるガス： 包装食品（例えば、缶詰または半固形製品）内に閉じ込められた空気またはガスも同様にエネルギー損失の一因となる。内部ガスポケットの圧縮は、さらなるエネルギーを必要とし、圧力の均一性を妨げる可能性がある。
• 熱エネルギー損失： HPPは非熱的プロセスと考えられているが、水の圧縮や機器の摩擦により、一部のエネルギーは熱として放散する。このため、運転コストと冷却の必要性が増大する。

巻き込まれた空気とガスがHPPのエネルギー需要に与える影響

空気やガスの存在は、HPPの効率に大きく影響する：

• 減圧トランスミッションの効率： 空気やガスは液体よりも圧縮されやすいため、容器内で同じ圧力を得るためにはさらなるエネルギーが必要となる。
• 処理時間が長い： 封じ込められた空気とガスは、等方圧の安定化を遅らせ、サイクル時間を長くする。
• エネルギーの浪費： 圧縮ガスポケットは減圧時にエネルギーを放出するが、これは回収できず、全体的な非効率の一因となる。

これらの影響は、缶詰や真空パックのような、もともと空気含有量の多い食品や、ヘッドスペースガスを閉じ込める包装を加工する場合に特に顕著である。

HPPにおけるエネルギー問題への対応策

HPPのエネルギー効率を向上させる努力は、システム内の空気とガスの影響を減らすことに重点を置いている：
前処理 – 超音波脱気：
カップリング液や食品から溶存空気やガスを除去するために超音波を応用することで、エネルギーの無駄を大幅に削減することができる。超音波キャビテーションは気泡を効果的に破壊し、加圧前に気泡を逃がす。
さらに、特に缶詰や密封されたものなど、真空下で超音波脱気した後に製品が固まることがある。

時間の経過に伴う溶存酸素の減少 ソニケーターUP400STを使用し、100％、80％、60％、40％、20％の振幅で測定。.
研究：©Rognerud et al, 2020.

持続可能なHPPの代替手段としての超音波処理

高性能超音波とマイルドな熱（サーモソニケーション）、または高圧とマイルドな熱（マノーサーモソニケーション）を組み合わせたハイブリッドHPPシステムは、マイルドな条件と低いエネルギー消費で、信頼性の高い均質化と低温殺菌を実現する有望な代替技術です。超音波殺菌はインラインプロセスであるため、大容量でも高いコスト効率で処理することができます。
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HPPは食品加工に広く使用されているが、そのエネルギー集約的な性質に加え、巻き込まれた空気やガスによる非効率性が大きな課題となっている。超音波脱気などの戦略を統合することで、食品産業はHPPの持続可能性と費用対効果を高めることができる。
Hielscher Ultrasonics社は、HPP最適化におけるプロセスソリューションの信頼できるパートナーであり、エネルギー効率とプロセスの信頼性を向上させる高度な超音波技術を提供しています。さらにHielscherは、相乗的な超音波アシスト食品低温殺菌のための革新的なソリューションを提供し、高品質で安全な食品を保証します。