Повышение энергоэффективности обработки высоким давлением

Обработка высоким давлением (HPP) – это нетепловой метод консервирования пищевых продуктов, который обеспечивает микробиологическую безопасность и продлевает срок хранения, сохраняя качество продуктов. Однако неэффективное использование энергии из-за захваченного воздуха и газа создаёт эксплуатационные трудности при внедрении этой технологии в устойчивое производство. Ультразвуковая дегазация жидкости, передающей давление, и жидких пищевых продуктов снижает сжимаемость, минимизируя потери энергии и повышая общую эффективность процесса HPP.

Обработка высоким давлением (HPP): проблемы энергоэффективности

Обработка высоким давлением (HPP) – один из ведущих нетепловых методов консервирования пищевых продуктов, сочетающий инактивацию микроорганизмов с сохранением качества жидких и твёрдых пищевых продуктов. Технология HPP обеспечивает безопасность пищевых продуктов и продлевает срок хранения без ухудшения их органолептических свойств или пищевой ценности, отвечая растущему предпочтению потребителей в пользу продуктов с минимальной обработкой. Однако энергопотребление HPP создаёт значительные эксплуатационные трудности, особенно из-за неэффективности, обусловленной захваченным воздухом и газом в процессе. Решение этих проблем имеет ключевое значение для полной реализации потенциала технологии в устойчивом производстве пищевых продуктов.

Обзор: HPP и проблемы энергопотребления

Решение: ультразвуковая дегазация жидкостей для HPP

Ультразвуковая дегазация предлагает эффективное решение для повышения энергоэффективности обработки высоким давлением (HPP) путём удаления захваченного воздуха и газа как из жидкости, передающей давление, так и из жидких пищевых продуктов. При применении мощного ультразвука ультразвуковая кавитация способствует быстрому слиянию и выходу газовых пузырьков, снижая сжимаемость и минимизируя потери энергии при сжатии. Такая оптимизация не только снижает эксплуатационные расходы, но и повышает стабильность процесса, делая HPP более устойчивым и эффективным методом консервирования пищевых продуктов.
 

Ультразвуковая дегазация воды

Как работает HPP

При обработке высоким давлением (HPP) пищевые продукты, обычно в гибкой водонепроницаемой упаковке, подвергаются воздействию чрезвычайно высокого давления до 6 000 bar (600 MPa). Процесс проходит в заполненном водой сосуде высокого давления и включает простую последовательность этапов:

1. Загрузка: Упакованные продукты помещают в пластиковые корзины и подают в сосуд высокого давления.
2. Повышение давления: сосуд заполняют водой, которая служит средой для передачи давления. Затем давление в системе повышают до требуемого уровня, который обычно поддерживают в течение нескольких минут.
3. Изостатический эффект: Давление воздействует на весь продукт равномерно и мгновенно, независимо от его размера, формы или состава. Это изостатическое давление инактивирует микроорганизмы, передающиеся с пищей, и ферменты, вызывающие порчу, не раздавливая и не деформируя продукт.
4. Сброс давления и выгрузка: Давление в сосуде сбрасывают, воду сливают, а обработанные продукты выгружают. Они готовы к употреблению или дальнейшей обработке.

Обработка высоким давлением (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

 
Метод HPP обеспечивает безопасность пищевых продуктов, сохраняя вкус, текстуру и содержание питательных веществ. Однако этот процесс требует значительных затрат энергии, на которые влияет ряд факторов эксплуатационной неэффективности.

Проблемы высокого энергопотребления при HPP

Один из основных недостатков HPP – высокое энергопотребление. Энергоёмкость процесса обусловлена следующими факторами:

• Повышение давления воды (жидкости, передающей давление): Для сжатия воды, используемой для передачи изостатического давления, и поддержания целевого давления требуется значительное количество энергии.
• Захваченный воздух и газ в жидкости, передающей давление: Пузырьки воздуха в воде снижают эффективность передачи давления, увеличивая потребность в энергии. Эти пузырьки сжимаются при повышении давления, поглощая энергию, которая иначе могла бы использоваться для обработки пищевого продукта.
• Газ в упакованных продуктах: Воздух или газ, захваченный внутри упакованных пищевых продуктов (например, консервированных или полутвёрдых), также способствует потерям энергии. Сжатие внутренних газовых полостей требует дополнительной энергии и может нарушать равномерность давления.
• Потери тепловой энергии: Хотя HPP считается нетепловым процессом, часть энергии рассеивается в виде тепла из-за сжатия воды и трения в оборудовании. Это увеличивает эксплуатационные расходы и потребность в охлаждении.

Влияние захваченного воздуха и газа на потребность HPP в энергии

Наличие воздуха и газа существенно влияет на эффективность HPP:

• Снижение эффективности передачи давления: Воздух и газ сжимаются легче, чем жидкости, поэтому для достижения того же давления внутри сосуда требуется дополнительная энергия.
• Увеличение времени обработки: Захваченный воздух и газ замедляют стабилизацию изостатического давления, увеличивая продолжительность циклов.
• Потери энергии: Сжатые газовые полости высвобождают энергию при сбросе давления. Эта энергия не может быть рекуперирована, что способствует общей неэффективности.

Эти эффекты особенно выражены при обработке пищевых продуктов с естественным высоким содержанием воздуха или в упаковке, удерживающей газ в свободном пространстве над продуктом, например консервированных продуктов или продуктов в вакуумной упаковке.

Стратегии решения проблем энергопотребления при HPP

Усилия по повышению энергоэффективности HPP направлены на уменьшение влияния воздуха и газа внутри системы:
Предварительная обработка – ультразвуковая дегазация:
Применение ультразвука для удаления растворённого воздуха и газа из жидкости, передающей давление, и пищевых продуктов может значительно снизить потери энергии. Ультразвуковая кавитация эффективно разрушает газовые пузырьки, позволяя газу выйти до повышения давления.
Кроме того, продукты могут затвердевать после ультразвуковой дегазации под вакуумом, особенно консервированные или герметично упакованные продукты.

Снижение содержания растворённого кислорода со временем при использовании ультразвукового аппарата UP400St с амплитудами 100 %, 80 %, 60 %, 40% и 20 %.
Исследование: ©Rognerud et al., 2020.

Обработка ультразвуком как альтернатива для устойчивого применения HPP

Гибридные системы HPP, сочетающие высокопроизводительную ультразвуковую обработку с мягким нагревом (термосоникация) или с повышенным давлением и мягким нагревом (манотермосоникация), представляют собой перспективные альтернативные технологии, обеспечивающие надёжную гомогенизацию и пастеризацию в мягких условиях и при низком энергопотреблении. Поскольку ультразвуковая пастеризация является поточным процессом, даже большие объёмы можно обрабатывать с высокой экономической эффективностью.
Узнайте больше об ультразвуковых аппаратах Hielscher для поточной пастеризации жидких пищевых продуктов!

Хотя HPP широко применяется для обработки пищевых продуктов, энергоёмкость этого метода, усугубляемая неэффективностью из-за захваченного воздуха и газа, создаёт серьёзную проблему. Внедряя такие стратегии, как ультразвуковая дегазация, пищевая промышленность может повысить устойчивость и экономическую эффективность HPP.
Hielscher Ultrasonics – надёжный партнёр в области технологических решений для оптимизации HPP, предлагающий передовую ультразвуковую технологию для повышения энергоэффективности и надёжности процесса. Кроме того, Hielscher предлагает инновационные решения для синергетической пастеризации пищевых продуктов с применением ультразвука, обеспечивающие высокое качество и безопасность пищевых продуктов.