Повышенная энергоэффективность процессов под высоким давлением

Обработка под высоким давлением (HPP) — это метод нетермического хранения пищевых продуктов, который обеспечивает микробиологическую безопасность и продлевает срок годности при сохранении качества продуктов питания, хотя его энергетическая неэффективность из-за захваченного воздуха и газа создает эксплуатационные проблемы для устойчивого внедрения. Ультразвуковая дегазация передающей давление жидкости и жидких пищевых продуктов снижает сжимаемость, сводя к минимуму потери энергии и повышая общую эффективность процесса ГЭС.

Технологические процессы высокого давления (ГЭС): проблемы энергоэффективности

Обработка под высоким давлением (HPP) является одним из ведущих методов нетермического консервирования пищевых продуктов, обеспечивающим сочетание микробной инактивации и сохранения качества жидких и твердых пищевых продуктов. Технология HPP обеспечивает безопасность пищевых продуктов и увеличенный срок хранения без ущерба для органолептических или питательных свойств продуктов питания, что соответствует растущему потребительскому предпочтению продуктов с минимальной обработкой. Тем не менее, потребности ГЭС в энергии создают значительные эксплуатационные проблемы, в частности, из-за неэффективности, вызванной попаданием воздуха и газа в технологический процесс. Решение этих проблем является ключом к полному раскрытию ее потенциала для устойчивого производства продуктов питания.

Обзор: ГЭС и ее энергетические вызовы

Решение: ультразвуковая дегазация жидкостей ГЭС

Ультразвуковая дегазация представляет собой эффективное решение для повышения энергоэффективности процессов под высоким давлением (HPP) за счет удаления захваченного воздуха и газа как из жидкости, передающей давление, так и из жидких пищевых продуктов. Применяя силовой ультразвук, ультразвуковая кавитация способствует быстрому коалесценции и высвобождению пузырьков газа, снижая сжимаемость и сводя к минимуму потери энергии при сжатии. Такая оптимизация не только снижает эксплуатационные расходы, но и повышает стабильность процесса, делая ГЭС более экологичной и эффективной для консервирования пищевых продуктов.
 

Ультразвуковая дегазация воды

Как работает ГЭС

Технология обработки под высоким давлением (HPP) заключается в воздействии на пищевые продукты, как правило, в гибкой и водонепроницаемой упаковке, чрезвычайно высокого давления до 6 000 бар (600 МПа). Процесс происходит в наполненном водой сосуде высокого давления и происходит в простой последовательности:

1. Погрузка: Упакованные продукты помещаются в пластиковые корзины и транспортируются в сосуд высокого давления.
2. Наддув: Вода заполняется в сосуд, выступая в качестве среды, передающей давление. Затем в системе создается давление до желаемого уровня, который обычно поддерживается в течение нескольких минут.
3. Изостатический эффект: Давление равномерно и мгновенно прикладывается по всему продукту, независимо от его размера, формы или состава. Это изостатическое давление инактивирует пищевые микроорганизмы и ферменты порчи, не измельчая и не деформируя продукт.
4. Разгерметизация и разгрузка: В сосуде сбрасывается давление, вода сливается, а обработанные продукты вывозятся, готовые к употреблению или дальнейшей обработке.

Обработка под высоким давлением (HPP)
© Балакришна и др., 2020

 
Метод HPP обеспечивает безопасность пищевых продуктов при сохранении вкуса, текстуры и содержания питательных веществ. Однако этот процесс требует значительных затрат энергии, на что влияет ряд операционных неэффективности.

Проблемы высокого энергопотребления на ГЭС

Одним из основных недостатков ГЭС является ее высокое энергопотребление. Энергоемкий характер процесса обусловлен следующими факторами:

• Нагнетание воды под давлением (связующая жидкость): Вода, используемая для передачи изостатического давления, требует значительного количества энергии для сжатия и поддержания целевого давления.
• Захваченный воздух и газ в соединительной жидкости: Пузырьки воздуха в воде снижают эффективность передачи давления, увеличивая потребность в энергии. Эти пузырьки сжимаются во время нагнетания давления, поглощая энергию, которая в противном случае могла бы быть использована для обработки пищевого продукта.
• Газ в упакованных продуктах: Воздух или газы, содержащиеся в упакованных пищевых продуктах (например, в консервированных или полутвердых продуктах), также способствуют потере энергии. Сжатие внутренних газовых карманов требует дополнительной энергии и может нарушить однородность давления.
• Потери тепловой энергии: В то время как ГЭС считается нетепловым процессом, некоторая энергия рассеивается в виде тепла из-за сжатия воды и трения оборудования. Это увеличивает эксплуатационные расходы и требования к охлаждению.

Влияние захваченного воздуха и газа на спрос на энергию ГЭС

Наличие воздуха и газа существенно влияет на эффективность работы ГЭС:

• Сниженный КПД передачи давления: Воздух и газ сжимаются легче, чем жидкости, а это означает, что для достижения того же давления внутри резервуара требуется дополнительная энергия.
• Более длительное время обработки: Захваченный воздух и газ задерживают стабилизацию изостатического давления, увеличивая продолжительность цикла.
• Потери энергии: При сбросе давления в карманах сжатого газа выделяется энергия, которая не может быть восстановлена, что приводит к общей неэффективности.

Эти эффекты особенно ярко проявляются при обработке пищевых продуктов с естественным высоким содержанием воздуха или упаковки, в которой задерживаются газы свободного пространства, таких как консервированные или вакуумные продукты.

Стратегии решения энергетических проблем на ГЭС

Усилия по повышению энергоэффективности ГЭС направлены на снижение влияния воздуха и газа внутри системы:
Предварительная обработка – Ультразвуковая дегазация:
Применение ультразвука для удаления растворенного воздуха и газа из соединения жидкости и пищевых продуктов позволяет значительно сократить потери энергии. Ультразвуковая кавитация эффективно разрушает пузырьки газа, позволяя им выйти до создания давления.
Кроме того, после ультразвуковой дегазации под вакуумом могут схватываться продукты, особенно консервированные или запечатанные изделия.

Уменьшение количества растворенного кислорода со временем использование ультразвуковой UP400ST амплитудами 100 %, 80 %, 60 %, 40% и 20 %.
Исследование: ©Rognerud et al., 2020.

Ультразвуковая обработка как альтернатива устойчивым ГЭС

Гибридные системы HPP, сочетающие в себе высокоэффективный ультразвук с умеренным теплом (термосохимизация) или с повышенным давлением и умеренным теплом (метермозонирование), являются перспективными альтернативными методами, которые обеспечивают надежную гомогенизацию и пастеризацию в мягких условиях и при низком потреблении энергии. Поскольку ультразвуковая пастеризация является поточным процессом, даже большие объемы могут быть обработаны с высокой экономической эффективностью.
Узнайте больше о ультразвуковых аппаратах Hielscher для поточной пастеризации жидких пищевых продуктов!

Несмотря на то, что ГЭС широко используются в пищевой промышленности, их энергоемкий характер, усугубляемый неэффективностью из-за захваченного воздуха и газа, представляет собой критическую проблему. Интегрируя такие стратегии, как ультразвуковая дегазация, пищевая промышленность может повысить экологичность и экономическую эффективность ГЭС.
Компания Hielscher Ultrasonics является надежным партнером в области технологических решений по оптимизации ГЭС, предлагая передовые ультразвуковые технологии для повышения энергоэффективности и надежности процессов. Кроме того, Hielscher предлагает инновационные решения для синергетической пастеризации пищевых продуктов с помощью ультразвука, обеспечивая высокое качество и безопасность пищевых продуктов.