Lepsza wydajność energetyczna przetwarzania wysokociśnieniowego

Przetwarzanie wysokociśnieniowe (HPP) to nietermiczna metoda konserwacji żywności, która zapewnia bezpieczeństwo mikrobiologiczne i wydłuża okres przydatności do spożycia przy jednoczesnym zachowaniu jakości żywności, choć jej nieefektywność energetyczna spowodowana uwięzionym powietrzem i gazem stanowi wyzwanie operacyjne dla zrównoważonego wdrożenia. Ultradźwiękowe odgazowanie cieczy przenoszącej ciśnienie i płynnej żywności zmniejsza ściśliwość, minimalizując straty energii i poprawiając ogólną wydajność procesu HPP.

Przetwarzanie wysokociśnieniowe (HPP): Wyzwania związane z efektywnością energetyczną

Przetwarzanie wysokociśnieniowe (HPP) jest jedną z wiodących nietermicznych technik konserwacji żywności, oferującą połączenie inaktywacji drobnoustrojów i zachowania jakości płynnych i stałych produktów spożywczych. Technologia HPP zapewnia bezpieczeństwo żywności i wydłuża okres przydatności do spożycia bez uszczerbku dla właściwości sensorycznych lub odżywczych żywności, dostosowując się do rosnących preferencji konsumentów w zakresie minimalnie przetworzonych produktów. Jednak zapotrzebowanie na energię HPP stanowi poważne wyzwanie operacyjne, szczególnie ze względu na nieefektywność wprowadzaną przez uwięzione powietrze i gaz w procesie. Sprostanie tym wyzwaniom jest kluczem do uwolnienia pełnego potencjału zrównoważonej produkcji żywności.

Przegląd: HPP i jej wyzwania energetyczne

Rozwiązanie: Ultradźwiękowe odgazowanie cieczy HPP

Odgazowywanie ultradźwiękowe oferuje skuteczne rozwiązanie zwiększające efektywność energetyczną przetwarzania wysokociśnieniowego (HPP) poprzez usuwanie uwięzionego powietrza i gazu zarówno z cieczy przenoszącej ciśnienie, jak i płynnych produktów spożywczych. Poprzez zastosowanie ultradźwięków mocy, kawitacja ultradźwiękowa sprzyja szybkiej koalescencji i uwalnianiu pęcherzyków gazu, zmniejszając ściśliwość i minimalizując straty energii podczas kompresji. Ta optymalizacja nie tylko obniża koszty operacyjne, ale także zwiększa stabilność procesu, dzięki czemu HPP jest bardziej zrównoważony i skuteczny w konserwacji żywności.
 

Ultradźwiękowe odgazowanie wody

Jak działa HPP

Przetwarzanie wysokociśnieniowe (HPP) polega na poddawaniu produktów spożywczych, zazwyczaj w elastycznych i wodoodpornych opakowaniach, ekstremalnie wysokiemu ciśnieniu do 6000 barów (600 MPa). Proces odbywa się w wypełnionym wodą zbiorniku wysokociśnieniowym i ma prostą sekwencję:

1. Ładowanie: Zapakowane produkty są umieszczane w plastikowych koszach i przenoszone do zbiornika wysokociśnieniowego.
2. Zwiększanie ciśnienia: Woda jest wlewana do zbiornika, działając jako medium przenoszące ciśnienie. System jest następnie pod ciśnieniem do pożądanego poziomu, zazwyczaj utrzymywanego przez kilka minut.
3. Efekt izostatyczny: Nacisk jest wywierany równomiernie i natychmiastowo na produkt, niezależnie od jego rozmiaru, kształtu lub składu. To izostatyczne ciśnienie dezaktywuje mikroorganizmy przenoszone przez żywność i enzymy powodujące psucie się bez zgniatania lub deformowania produktu.
4. Rozhermetyzowanie i rozładowanie: Zbiornik jest pozbawiony ciśnienia, woda jest odprowadzana, a oczyszczone produkty są transportowane na zewnątrz, gotowe do spożycia lub dalszego przetwarzania.

Przetwarzanie wysokociśnieniowe (HPP)
© Balakrishna i in., 2020

 
Metoda HPP zapewnia bezpieczeństwo żywności przy jednoczesnym zachowaniu smaku, tekstury i zawartości składników odżywczych. Proces ten wymaga jednak znacznego nakładu energii, na co wpływ ma kilka nieefektywności operacyjnych.

Wyzwania związane z wysokim zużyciem energii w HPP

Jedną z głównych wad HPP jest wysokie zużycie energii. Energochłonny charakter procesu wynika z:

• Zwiększenie ciśnienia wody (płynu sprzęgającego): Woda używana do przenoszenia ciśnienia izostatycznego wymaga znacznej energii do sprężenia i utrzymania ciśnienia docelowego.
• Uwięzione powietrze i gaz w cieczy sprzęgającej: Pęcherzyki powietrza w wodzie zmniejszają wydajność przenoszenia ciśnienia, zwiększając zapotrzebowanie na energię. Pęcherzyki te sprężają się podczas zwiększania ciśnienia, pochłaniając energię, która w przeciwnym razie mogłaby zostać wykorzystana do obróbki produktu spożywczego.
• Gaz w produktach pakowanych: Powietrze lub gaz uwięziony w zapakowanej żywności (np. w puszkach lub produktach półstałych) również przyczynia się do strat energii. Kompresja wewnętrznych kieszeni gazowych wymaga dodatkowej energii i może zakłócać równomierność ciśnienia.
• Straty energii cieplnej: Chociaż HPP jest uważany za proces nietermiczny, część energii rozprasza się w postaci ciepła z powodu sprężania wody i tarcia sprzętu. Zwiększa to koszty operacyjne i wymagania dotyczące chłodzenia.

Wpływ uwięzionego powietrza i gazu na zapotrzebowanie HPP na energię

Obecność powietrza i gazu znacząco wpływa na wydajność HPP:

• Wydajność transmisji przy obniżonym ciśnieniu: Powietrze i gaz sprężają się łatwiej niż ciecze, co oznacza, że do osiągnięcia tego samego ciśnienia w zbiorniku wymagana jest dodatkowa energia.
• Dłuższy czas przetwarzania: Uwięzione powietrze i gaz opóźniają stabilizację ciśnienia izostatycznego, wydłużając czas trwania cyklu.
• Odpady energetyczne: Kieszenie sprężonego gazu uwalniają energię podczas obniżania ciśnienia, której nie można odzyskać, co przyczynia się do ogólnej nieefektywności.

Efekty te są szczególnie widoczne podczas przetwarzania produktów spożywczych o naturalnie wysokiej zawartości powietrza lub opakowań, które zatrzymują gaz w przestrzeni nadpowierzchniowej, takich jak produkty w puszkach lub pakowane próżniowo.

Strategie radzenia sobie z wyzwaniami energetycznymi w HPP

Wysiłki mające na celu poprawę efektywności energetycznej HPP koncentrują się na zmniejszeniu wpływu powietrza i gazu w systemie:
Obróbka wstępna – Odgazowywanie ultradźwiękowe:
Zastosowanie ultradźwięków do usuwania rozpuszczonego powietrza i gazu z cieczy sprzęgającej i produktów spożywczych może znacznie zmniejszyć straty energii. Kawitacja ultradźwiękowa skutecznie rozbija pęcherzyki gazu, umożliwiając ich ucieczkę przed zwiększeniem ciśnienia.
Dodatkowo, produkty mogą wiązać się po ultradźwiękowym odgazowaniu w próżni, szczególnie produkty w puszkach lub zapieczętowane.

Spadek rozpuszczonego tlenu wraz z upływem czasu przy użyciu sonikatora UP400ST przy amplitudach 100%, 80%, 60%, 40% i 20%..
Badanie: ©Rognerud et al., 2020.

Sonikacja jako alternatywa dla zrównoważonych HPP

Hybrydowe systemy HPP łączące wysokowydajne ultradźwięki z łagodnym ciepłem (termosonizacja) lub z podwyższonym ciśnieniem i łagodnym ciepłem (manotermosonizacja) są obiecującymi alternatywnymi technikami, które zapewniają niezawodną homogenizację i pasteryzację w łagodnych warunkach i przy niskim zużyciu energii. Ponieważ pasteryzacja ultradźwiękowa jest procesem inline, nawet duże ilości mogą być przetwarzane z wysoką efektywnością kosztową.
Dowiedz się więcej o sonikatorach Hielscher do pasteryzacji płynnej żywności w linii produkcyjnej!

Podczas gdy HPP jest szeroko stosowany w przetwórstwie żywności, jego energochłonny charakter, spotęgowany nieefektywnością uwięzionego powietrza i gazu, stanowi krytyczne wyzwanie. Poprzez integrację strategii takich jak odgazowanie ultradźwiękowe, przemysł spożywczy może zwiększyć zrównoważony rozwój i opłacalność HPP.
Hielscher Ultrasonics jest zaufanym partnerem w zakresie rozwiązań procesowych w optymalizacji HPP, oferując zaawansowaną technologię ultradźwiękową w celu poprawy efektywności energetycznej i niezawodności procesu. Dodatkowo, Hielscher dostarcza innowacyjne rozwiązania dla synergicznej pasteryzacji żywności wspomaganej ultradźwiękami, zapewniając wysokiej jakości i bezpieczne produkty spożywcze.