Poprawa efektywności energetycznej obróbki wysokociśnieniowej

Obróbka wysokociśnieniowa (HPP) to nietermiczna metoda utrwalania żywności, która zapewnia bezpieczeństwo mikrobiologiczne i wydłuża okres przydatności do spożycia, zachowując jakość żywności. Jednak nieefektywne wykorzystanie energii spowodowane uwięzionym powietrzem i gazem stwarza wyzwania operacyjne dla jej zrównoważonego wdrażania. Ultradźwiękowe odgazowanie cieczy przenoszącej ciśnienie oraz płynnej żywności zmniejsza ściśliwość, minimalizując straty energii i poprawiając ogólną efektywność procesu HPP.

Obróbka wysokociśnieniowa (HPP): wyzwania związane z efektywnością energetyczną

Obróbka wysokociśnieniowa (HPP) jest jedną z wiodących nietermicznych technik utrwalania żywności, łączącą inaktywację drobnoustrojów z zachowaniem jakości płynnych i stałych produktów spożywczych. Technologia HPP zapewnia bezpieczeństwo żywności i wydłuża okres przydatności do spożycia bez pogarszania jej właściwości sensorycznych ani odżywczych, odpowiadając na rosnące preferencje konsumentów dotyczące produktów minimalnie przetworzonych. Jednak zapotrzebowanie HPP na energię stwarza istotne wyzwania operacyjne, szczególnie ze względu na nieefektywność powodowaną przez powietrze i gaz uwięzione w trakcie procesu. Rozwiązanie tych problemów ma kluczowe znaczenie dla wykorzystania pełnego potencjału tej technologii w zrównoważonej produkcji żywności.

Przegląd: HPP i związane z nim wyzwania energetyczne

Rozwiązanie: ultradźwiękowe odgazowanie cieczy stosowanych w HPP

Ultradźwiękowe odgazowanie stanowi skuteczne rozwiązanie zwiększające efektywność energetyczną obróbki wysokociśnieniowej (HPP) dzięki usuwaniu uwięzionego powietrza i gazu zarówno z cieczy przenoszącej ciśnienie, jak i z płynnych produktów spożywczych. Zastosowanie ultradźwięków dużej mocy wywołuje kawitację ultradźwiękową, która sprzyja szybkiej koalescencji i uwalnianiu pęcherzyków gazu, zmniejszając ściśliwość i minimalizując straty energii podczas sprężania. Ta optymalizacja nie tylko obniża koszty operacyjne, lecz także zwiększa stabilność procesu, dzięki czemu HPP staje się bardziej zrównoważoną i skuteczniejszą metodą utrwalania żywności.
 

Ultradźwiękowe odgazowanie wody

Jak działa HPP

Obróbka wysokociśnieniowa (HPP) polega na poddawaniu produktów spożywczych, zwykle w elastycznych i wodoszczelnych opakowaniach, działaniu niezwykle wysokiego ciśnienia, sięgającego 6 000 bar (600 MPa). Proces przebiega w zbiorniku wysokociśnieniowym wypełnionym wodą i obejmuje prostą sekwencję etapów:

1. Załadunek: Zapakowane produkty umieszcza się w plastikowych koszach i transportuje do zbiornika wysokociśnieniowego.
2. Zwiększanie ciśnienia: Zbiornik napełnia się wodą, która pełni funkcję medium przenoszącego ciśnienie. Następnie ciśnienie w układzie zwiększa się do żądanego poziomu, zwykle utrzymywanego przez kilka minut.
3. Efekt izostatyczny: Ciśnienie działa równomiernie i natychmiastowo w całej objętości produktu, niezależnie od jego wielkości, kształtu czy składu. To ciśnienie izostatyczne inaktywuje drobnoustroje przenoszone przez żywność oraz enzymy powodujące jej psucie, nie zgniatając ani nie odkształcając produktu.
4. Obniżanie ciśnienia i rozładunek: Ciśnienie w zbiorniku zostaje obniżone, woda jest odprowadzana, a poddane obróbce produkty są transportowane na zewnątrz, gotowe do spożycia lub dalszego przetwarzania.

Obróbka wysokociśnieniowa (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

 
Metoda HPP zapewnia bezpieczeństwo żywności przy zachowaniu smaku, tekstury i zawartości składników odżywczych. Proces ten wymaga jednak znacznych nakładów energii, na które wpływa szereg czynników obniżających efektywność operacyjną.

Wyzwania związane z wysokim zużyciem energii w HPP

Jedną z głównych wad HPP jest wysokie zużycie energii. Energochłonność tego procesu wynika z:

• Sprężania wody (cieczy sprzęgającej): Sprężanie wody wykorzystywanej do przenoszenia ciśnienia izostatycznego i utrzymywanie docelowego ciśnienia wymagają znacznych nakładów energii.
• Powietrza i gazu uwięzionych w cieczy sprzęgającej: Pęcherzyki powietrza w wodzie zmniejszają efektywność przenoszenia ciśnienia, zwiększając zapotrzebowanie na energię. Pęcherzyki te ulegają sprężaniu podczas zwiększania ciśnienia, pochłaniając energię, która w przeciwnym razie mogłaby zostać wykorzystana do obróbki produktu spożywczego.
• Gazu w zapakowanych produktach: Powietrze lub gaz uwięzione w zapakowanej żywności (np. w produktach konserwowanych w puszkach lub produktach półstałych) również przyczyniają się do strat energii. Sprężanie wewnętrznych kieszeni gazowych wymaga dodatkowej energii i może zakłócać równomierność ciśnienia.
• Strat energii cieplnej: Chociaż HPP uznaje się za proces nietermiczny, część energii rozprasza się w postaci ciepła wskutek sprężania wody i tarcia w urządzeniach. Zwiększa to koszty operacyjne i zapotrzebowanie na chłodzenie.

Wpływ uwięzionego powietrza i gazu na zapotrzebowanie HPP na energię

Obecność powietrza i gazu znacząco wpływa na efektywność HPP:

• Zmniejszona efektywność przenoszenia ciśnienia: Powietrze i gaz ulegają sprężaniu łatwiej niż ciecze, co oznacza, że osiągnięcie tego samego ciśnienia w zbiorniku wymaga dodatkowej energii.
• Dłuższy czas obróbki: Uwięzione powietrze i gaz opóźniają stabilizację ciśnienia izostatycznego, wydłużając czas trwania cykli.
• Marnowanie energii: Sprężone kieszenie gazowe uwalniają podczas obniżania ciśnienia energię, której nie można odzyskać, co przyczynia się do ogólnej nieefektywności.

Efekty te są szczególnie wyraźne podczas obróbki produktów spożywczych o naturalnie wysokiej zawartości powietrza lub produktów w opakowaniach zatrzymujących gaz w wolnej przestrzeni nad produktem, takich jak produkty konserwowane w puszkach lub pakowane próżniowo.

Strategie rozwiązywania problemów energetycznych w HPP

Działania mające na celu poprawę efektywności energetycznej HPP koncentrują się na ograniczeniu wpływu powietrza i gazu w układzie:
Obróbka wstępna – odgazowanie ultradźwiękowe:
Zastosowanie ultradźwięków do usuwania rozpuszczonego powietrza i gazu z cieczy sprzęgającej oraz produktów spożywczych może znacząco ograniczyć marnowanie energii. Kawitacja ultradźwiękowa skutecznie rozbija pęcherzyki gazu, umożliwiając jego uwolnienie przed zwiększeniem ciśnienia.
Ponadto produkty mogą twardnieć po ultradźwiękowym odgazowaniu w warunkach próżni, szczególnie produkty konserwowane w puszkach lub szczelnie zamknięte.

Spadek zawartości rozpuszczonego tlenu w czasie przy użyciu sonikatora UP400ST przy amplitudach 100 %, 80 %, 60 %, 40% i 20 %.
Badanie: ©Rognerud et al., 2020.

Sonikacja jako alternatywa dla zrównoważonej obróbki HPP

Hybrydowe systemy HPP łączące ultradźwięki o wysokiej wydajności z łagodnym ogrzewaniem (termosonikacja) lub z podwyższonym ciśnieniem i łagodnym ogrzewaniem (manotermosonikacja) stanowią obiecujące techniki alternatywne, zapewniające niezawodną homogenizację i pasteryzację w łagodnych warunkach oraz przy niskim zużyciu energii. Ponieważ pasteryzacja ultradźwiękowa jest procesem przepływowym, nawet duże objętości można przetwarzać przy wysokiej efektywności kosztowej.
Dowiedz się więcej o sonikatorach Hielscher do przepływowej pasteryzacji płynnej żywności!

Chociaż HPP jest szeroko stosowane w przetwarzaniu żywności, energochłonność tego procesu, dodatkowo zwiększana przez nieefektywność wynikającą z uwięzionego powietrza i gazu, stanowi kluczowe wyzwanie. Wdrażając strategie takie jak odgazowanie ultradźwiękowe, przemysł spożywczy może zwiększyć zrównoważony charakter i efektywność kosztową HPP.
Hielscher Ultrasonics jest zaufanym partnerem w zakresie rozwiązań procesowych służących optymalizacji HPP, oferującym zaawansowaną technologię ultradźwiękową poprawiającą efektywność energetyczną i niezawodność procesu. Ponadto Hielscher dostarcza innowacyjne rozwiązania do synergistycznej pasteryzacji żywności wspomaganej ultradźwiękami, zapewniające wysoką jakość i bezpieczeństwo produktów spożywczych.