Verbeterde energie-efficiëntie van hogedrukverwerking

Hogedrukverwerking (HPP) is een niet-thermische methode voor voedselconservering die de microbiële veiligheid waarborgt en de houdbaarheid verlengt met behoud van de voedselkwaliteit. Energie-inefficiënties door ingesloten lucht en gas vormen echter operationele uitdagingen voor een duurzame toepassing. Ultrasone ontgassing van de drukoverdragende vloeistof en vloeibare voedingsmiddelen vermindert de samendrukbaarheid, waardoor energieverliezen worden geminimaliseerd en de algehele efficiëntie van het HPP-proces wordt verbeterd.

Hogedrukverwerking (HPP): uitdagingen op het gebied van energie-efficiëntie

Hogedrukverwerking (HPP) is een van de toonaangevende niet-thermische technieken voor voedselconservering en biedt een combinatie van microbiële inactivatie en kwaliteitsbehoud voor vloeibare en vaste voedingsmiddelen. De HPP-technologie zorgt voor voedselveiligheid en een langere houdbaarheid zonder afbreuk te doen aan de sensorische of nutritionele eigenschappen van voedingsmiddelen. Dit sluit aan bij de groeiende voorkeur van consumenten voor minimaal verwerkte producten. De energiebehoefte van HPP brengt echter aanzienlijke operationele uitdagingen met zich mee, met name door inefficiënties die ontstaan door ingesloten lucht en gas in het proces. Het aanpakken van deze uitdagingen is essentieel om het volledige potentieel van HPP voor duurzame voedselproductie te benutten.

Overzicht: HPP en de bijbehorende energie-uitdagingen

De oplossing: ultrasone ontgassing van HPP-vloeistoffen

Ultrasone ontgassing biedt een efficiënte oplossing om de energie-efficiëntie van hogedrukverwerking (HPP) te verhogen door ingesloten lucht en gas uit zowel de drukoverdragende vloeistof als vloeibare voedingsmiddelen te verwijderen. Bij toepassing van ultrageluid met hoog vermogen bevordert ultrasone cavitatie het snelle samenvloeien en vrijkomen van gasbellen, waardoor de samendrukbaarheid afneemt en energieverliezen tijdens compressie worden geminimaliseerd. Deze optimalisatie verlaagt niet alleen de operationele kosten, maar verbetert ook de processtabiliteit, waardoor HPP duurzamer en effectiever wordt voor voedselconservering.
 

Ultrasone ontgassing van water

Hoe HPP werkt

Hogedrukverwerking (HPP) werkt door voedingsmiddelen, doorgaans in flexibele en waterdichte verpakkingen, bloot te stellen aan extreem hoge drukken tot 6.000 bar (600 MPa). Het proces vindt plaats in een met water gevuld hogedrukvat en verloopt in een eenvoudige volgorde:

1. Laden: Verpakte producten worden in kunststof manden geplaatst en naar het hogedrukvat getransporteerd.
2. Drukopbouw: Het vat wordt gevuld met water, dat als drukoverdragend medium dient. Vervolgens wordt het systeem op het gewenste drukniveau gebracht, dat doorgaans enkele minuten wordt gehandhaafd.
3. Isostatisch effect: De druk wordt gelijkmatig en onmiddellijk over het gehele product uitgeoefend, ongeacht de grootte, vorm of samenstelling ervan. Deze isostatische druk inactiveert micro-organismen die via voedsel worden overgedragen en enzymen die bederf veroorzaken, zonder het product te pletten of te vervormen.
4. Drukontlasting en lossen: De druk in het vat wordt afgelaten, het water wordt afgevoerd en de behandelde producten worden naar buiten getransporteerd, klaar voor consumptie of verdere verwerking.

Hogedrukverwerking (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

 
De HPP-methode waarborgt de voedselveiligheid met behoud van smaak, textuur en het gehalte aan voedingsstoffen. Dit proces vereist echter een aanzienlijke energietoevoer, die door verschillende operationele inefficiënties wordt beïnvloed.

Uitdagingen door het hoge energieverbruik van HPP

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

• Het onder druk brengen van water (koppelvloeistof): Er is veel energie nodig om het water dat de isostatische druk overdraagt samen te drukken en de doeldruk te handhaven.
• Ingesloten lucht en gas in de koppelvloeistof: Luchtbellen in het water verminderen de efficiëntie van de drukoverdracht, waardoor de energiebehoefte toeneemt. Deze bellen worden tijdens de drukopbouw samengedrukt en absorberen energie die anders voor de behandeling van het voedingsmiddel zou kunnen worden gebruikt.
• Gas in verpakte producten: Lucht of gas dat in verpakte voedingsmiddelen is ingesloten (bijvoorbeeld in ingeblikte of halfvaste producten) draagt eveneens bij aan energieverlies. Het samendrukken van interne gasinsluitingen vereist extra energie en kan de gelijkmatigheid van de druk verstoren.
• Thermische energieverliezen: Hoewel HPP als een niet-thermisch proces wordt beschouwd, gaat een deel van de energie als warmte verloren door het samendrukken van water en wrijving in de apparatuur. Dit verhoogt de operationele kosten en de koelbehoefte.

Invloed van ingesloten lucht en gas op de energiebehoefte van HPP

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

• Verminderde efficiëntie van de drukoverdracht: Lucht en gas worden gemakkelijker samengedrukt dan vloeistoffen, waardoor extra 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 de cycli langer duren.
• Energieverspilling: Samengedrukte gasinsluitingen geven bij drukontlasting energie vrij die niet kan worden teruggewonnen, wat bijdraagt aan de algehele inefficiëntie.

Deze effecten zijn bijzonder uitgesproken bij de verwerking van voedingsmiddelen met een van nature hoog luchtgehalte of met een verpakking die gas in de vrije ruimte boven het product insluit, zoals ingeblikte of vacuümverpakte producten.

Strategieën om energie-uitdagingen bij HPP aan te pakken

Inspanningen om de energie-efficiëntie van HPP te verbeteren zijn gericht op het verminderen van de invloed van lucht en gas in het systeem:
Voorbehandeling – ultrasone ontgassing:
Het gebruik van ultrageluid om opgeloste lucht en gas uit de koppelvloeistof en voedingsmiddelen te verwijderen, kan energieverspilling aanzienlijk verminderen. Ultrasone cavitatie verstoort gasbellen effectief, zodat ze vóór de drukopbouw kunnen ontsnappen.
Bovendien kunnen producten na ultrasone ontgassing onder vacuüm hard worden, met name ingeblikte of afgesloten producten.

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

Sonicatie als alternatief voor duurzame HPP

Hybride HPP-systemen die ultrageluid met hoge prestaties combineren met milde warmte (thermosonicatie) of met verhoogde druk en milde warmte (manothermosonicatie), zijn veelbelovende alternatieve technieken die betrouwbare homogenisatie en pasteurisatie onder milde omstandigheden en bij een laag energieverbruik bieden. Aangezien ultrasone pasteurisatie een inlineproces is, kunnen zelfs grote volumes met een hoge kostenefficiëntie worden verwerkt.
Lees meer over sonicatoren van Hielscher voor inlinepasteurisatie van vloeibare voedingsmiddelen!

Hoewel HPP veel wordt gebruikt voor voedselverwerking, vormt het energie-intensieve karakter ervan, versterkt door inefficiënties als gevolg van ingesloten lucht en gas, een cruciale uitdaging. Door strategieën zoals ultrasone ontgassing te integreren, kan de voedingsindustrie de duurzaamheid en kosteneffectiviteit van HPP verbeteren.
Hielscher Ultrasonics is de vertrouwde partner voor procesoplossingen bij HPP-optimalisatie en biedt geavanceerde ultrasone technologie om de energie-efficiëntie en procesbetrouwbaarheid te verbeteren. Daarnaast biedt Hielscher innovatieve oplossingen voor synergistische, door ultrageluid ondersteunde voedselpasteurisatie, waarmee hoogwaardige en veilige voedingsmiddelen worden gewaarborgd.