Verbeterde energie-efficiëntie van hogedrukverwerking

Hogedrukverwerking (HPP) is een niet-thermische voedselconserveringsmethode die microbiële veiligheid garandeert en de houdbaarheid verlengt met behoud van voedselkwaliteit. De energie-inefficiëntie als gevolg van ingesloten lucht en gas vormt echter een operationele uitdaging voor duurzame implementatie. Ultrasoon ontgassen van de onder druk staande vloeistof en vloeibare voedingsmiddelen vermindert de samendrukbaarheid, waardoor energieverliezen worden geminimaliseerd en de algehele efficiëntie van het HPP-proces wordt verbeterd.

Hogedrukverwerking (HPP): Uitdagingen voor energie-efficiëntie

Hogedrukverwerking (HPP) is een van de toonaangevende niet-thermische conserveringstechnieken voor voedingsmiddelen en biedt een combinatie van microbiële inactivatie en kwaliteitsbehoud voor vloeibare en vaste voedingsmiddelen. De HPP-technologie bereikt voedselveiligheid en verlengde houdbaarheid zonder de sensorische of voedingseigenschappen van voedsel aan te tasten, wat aansluit bij de groeiende voorkeur van consumenten voor minimaal bewerkte producten. De energiebehoefte van HPP brengt echter aanzienlijke operationele uitdagingen met zich mee, met name vanwege de inefficiëntie die wordt veroorzaakt door ingesloten lucht en gas in het proces. Het aanpakken van deze uitdagingen is de sleutel tot het ontsluiten van het volledige potentieel voor duurzame voedselproductie.

Overzicht: HPP en zijn energie-uitdagingen

De oplossing: Ultrasoon ontgassen van HPP-vloeistoffen

Ultrasoon ontgassen biedt een efficiënte oplossing om de energie-efficiëntie van hogedrukverwerking (HPP) te verbeteren door ingesloten lucht en gas te verwijderen uit zowel de drukoverbrengende vloeistof als vloeibare voedingsmiddelen. Door ultrageluid toe te passen, bevordert ultrasone cavitatie de snelle coalescentie en het vrijkomen van gasbellen, waardoor de samendrukbaarheid wordt verminderd en energieverliezen tijdens compressie worden geminimaliseerd. Deze optimalisatie verlaagt niet alleen de operationele kosten, maar verbetert ook de stabiliteit van het proces, waardoor HPP duurzamer en effectiever wordt voor het conserveren van voedsel.
 

Ultrasoon ontgassen van water

Hoe HPP werkt

Bij hogedrukverwerking (HPP) worden voedingsmiddelen, meestal in flexibele en waterdichte verpakkingen, blootgesteld aan extreem hoge drukken tot 6.000 bar (600 MPa). Het proces vindt plaats in een met water gevuld hogedrukvat en in een eenvoudige volgorde:

1. Laden: Verpakte producten worden in plastic manden geplaatst en in het hogedrukvat getransporteerd.
2. Drukopbouw: Er wordt water in het vat gevuld, dat fungeert als drukoverbrengend medium. Vervolgens wordt het systeem onder druk gebracht tot het gewenste niveau, dat meestal enkele minuten wordt gehandhaafd.
3. Isostatisch effect: De druk wordt gelijkmatig en ogenblikkelijk op het product uitgeoefend, ongeacht de grootte, vorm of samenstelling. Deze isostatische druk inactiveert door voedsel overgedragen micro-organismen en bederfveroorzakende enzymen zonder het product te pletten of te vervormen.
4. Drukloos maken en lossen: Het vat wordt drukloos gemaakt, het water wordt afgevoerd en de behandelde producten worden afgevoerd, klaar voor consumptie of verdere verwerking.

Verwerking onder hoge druk (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

 
De HPP-methode garandeert voedselveiligheid met behoud van smaak, textuur en voedingsstoffen. Dit proces vereist echter een aanzienlijke energie-input, een factor die wordt beïnvloed door verschillende operationele inefficiënties.

Uitdagingen van hoog energieverbruik in HPP

Een van de belangrijkste nadelen van HPP is het hoge energieverbruik. De energie-intensieve aard van het proces komt voort uit:

• Onder druk zetten van water (koppelingsvloeistof): Het water dat wordt gebruikt om isostatische druk over te brengen, heeft veel energie nodig om samen te drukken en de doeldruk te handhaven.
• Ingesloten lucht en gas in de koppelingsvloeistof: Luchtbellen in het water verminderen de efficiëntie van de drukoverdracht, waardoor er meer energie nodig is. Deze luchtbellen worden samengeperst tijdens het onder druk brengen, waardoor energie wordt geabsorbeerd die anders gebruikt zou kunnen worden om het voedselproduct te behandelen.
• Gas in verpakte producten: Ook lucht of gas in verpakte voedingsmiddelen (bijvoorbeeld in ingeblikte of halfvaste producten) draagt bij aan energieverlies. De compressie van interne gaszakken vereist extra energie en kan de drukuniformiteit verstoren.
• Thermische energieverliezen: Hoewel HPP beschouwd wordt als een niet-thermisch proces, gaat er toch wat energie verloren in de vorm van warmte door watercompressie en wrijving van de apparatuur. Dit verhoogt de operationele kosten en koelingsvereisten.

Invloed van ingesloten lucht en gas op de energievraag van HPP

De aanwezigheid van lucht en gas heeft een aanzienlijke invloed op de efficiëntie van HPP:

• Transmissie-efficiëntie onder verlaagde druk: Lucht en gas worden gemakkelijker samengeperst dan vloeistoffen, wat betekent dat er meer energie nodig is om dezelfde druk in het vat te bereiken.
• Langere verwerkingstijden: Ingesloten lucht en gas vertragen de stabilisatie van de isostatische druk, waardoor cycli langer duren.
• Energieverspilling: Bij samengeperst gas komt energie vrij bij drukverlaging die niet kan worden teruggewonnen, wat bijdraagt aan de algehele inefficiëntie.

Deze effecten zijn vooral uitgesproken bij het verwerken van voedingsmiddelen met een van nature hoog luchtgehalte of verpakkingen die gas vasthouden, zoals ingeblikte of vacuümverpakte producten.

Strategieën om energie-uitdagingen in HPP aan te pakken

Inspanningen om de energie-efficiëntie van HPP te verbeteren richten zich op het verminderen van de invloed van lucht en gas binnen het systeem:
Voorbehandeling – Ultrasoon ontgassen:
De toepassing van ultrasone trillingen om opgeloste lucht en gas te verwijderen uit de koppelingsvloeistof en voedingsmiddelen kan energieverspilling aanzienlijk verminderen. Ultrasone cavitatie verstoort gasbellen effectief, waardoor ze kunnen ontsnappen voordat ze onder druk worden gezet.
Bovendien kunnen producten na ultrasone ontgassing onder vacuüm uitharden, met name producten in blik of gesealde producten.

Afname van opgeloste zuurstof met de tijd met de sonicator UP400ST bij amplitudes van 100%, 80%, 60%, 40% en 20%..
Studie: ©Rognerud et al., 2020.

Sonificatie als alternatief voor duurzame HPP

Hybride HPP-systemen die ultrageluid met hoge prestaties combineren met milde hitte (thermosonicatie) of met verhoogde druk en milde hitte (manothermosonicatie) zijn veelbelovende alternatieve technieken die zorgen voor betrouwbare homogenisatie en pasteurisatie onder milde omstandigheden en met een laag energieverbruik. Omdat ultrasone pasteurisatie een inline proces is, kunnen zelfs grote volumes met een hoge kostenefficiëntie worden verwerkt.
Meer informatie over Hielscher sonicators voor inline pasteurisatie van vloeibaar voedsel!

HPP wordt op grote schaal gebruikt voor voedselverwerking, maar de energie-intensieve aard ervan, verergerd door inefficiënties door ingesloten lucht en gas, vormt een kritieke uitdaging. Door strategieën zoals ultrasoon ontgassen te integreren, kan de voedingsindustrie de duurzaamheid en kosteneffectiviteit van HPP verbeteren.
Hielscher Ultrasonics is de vertrouwde partner voor procesoplossingen in HPP-optimalisatie en biedt geavanceerde ultrasone technologie om de energie-efficiëntie en procesbetrouwbaarheid te verbeteren. Daarnaast biedt Hielscher innovatieve oplossingen voor synergetische ultrasone voedselpasteurisatie, waardoor hoogwaardige en veilige voedselproducten worden gegarandeerd.