Zlepšená energetická účinnosť vysokotlakového spracovania

Vysokotlakové spracovanie (HPP) je netepelná metóda konzervovania potravín, ktorá zaisťuje mikrobiologickú bezpečnosť a predlžuje trvanlivosť pri zachovaní kvality potravín, hoci energetické neefektívnosti spôsobené zachyteným vzduchom a plynom predstavujú prevádzkové výzvy pre jej udržateľné zavedenie. Ultrazvukové odplynenie kvapaliny prenášajúcej tlak a kvapalných potravín znižuje stlačiteľnosť, čím minimalizuje energetické straty a zlepšuje celkovú účinnosť procesu HPP.

Vysokotlakové spracovanie (HPP): výzvy v oblasti energetickej účinnosti

Vysokotlakové spracovanie (HPP) je jednou z popredných netepelných techník konzervovania potravín, ktorá ponúka kombináciu inaktivácie mikroorganizmov a zachovania kvality kvapalných aj tuhých potravinových výrobkov. Technológia HPP zaisťuje bezpečnosť potravín a predĺženú trvanlivosť bez zhoršenia senzorických alebo výživových vlastností potravín, čím zodpovedá rastúcemu záujmu spotrebiteľov o minimálne spracované výrobky. Energetické nároky HPP však predstavujú významné prevádzkové výzvy, najmä v dôsledku neefektívností spôsobených vzduchom a plynom zachytenými v procese. Riešenie týchto výziev je kľúčom k plnému využitiu potenciálu tejto technológie pre udržateľnú výrobu potravín.

Prehľad: HPP a jeho energetické výzvy

Riešenie: ultrazvukové odplynenie kvapalín pri HPP

Ultrazvukové odplynenie ponúka účinné riešenie na zvýšenie energetickej účinnosti vysokotlakového spracovania (HPP) odstránením zachyteného vzduchu a plynu z kvapaliny prenášajúcej tlak aj z kvapalných potravinových výrobkov. Pri použití výkonového ultrazvuku podporuje ultrazvuková kavitácia rýchle spájanie a uvoľňovanie plynových bublín, čím znižuje stlačiteľnosť a minimalizuje energetické straty počas stláčania. Táto optimalizácia nielen znižuje prevádzkové náklady, ale aj zvyšuje stabilitu procesu, vďaka čomu je HPP udržateľnejšie a účinnejšie pri konzervovaní potravín.
 

Ultrazvukové odplynenie vody

Ako funguje HPP

Vysokotlakové spracovanie (HPP) funguje tak, že potravinové výrobky, zvyčajne v pružných a vodotesných obaloch, vystavuje extrémne vysokým tlakom až do 6 000 bar (600 MPa). Proces prebieha vo vysokotlakovej nádobe naplnenej vodou v jednoduchom slede krokov:

1. Nakladanie: Zabalené výrobky sa ukladajú do plastových košov a dopravujú do vysokotlakovej nádoby.
2. Tlakovanie: Nádoba sa naplní vodou, ktorá slúži ako médium prenášajúce tlak. Systém sa potom natlakuje na požadovanú úroveň, ktorá sa zvyčajne udržiava niekoľko minút.
3. Izostatický účinok: Tlak pôsobí rovnomerne a okamžite na celý výrobok bez ohľadu na jeho veľkosť, tvar alebo zloženie. Tento izostatický tlak inaktivuje mikroorganizmy prenášané potravinami a enzýmy spôsobujúce kazenie bez rozdrvenia alebo deformácie výrobku.
4. Odtlakovanie a vykladanie: Nádoba sa odtlakuje, voda sa vypustí a ošetrené výrobky sa dopravia von, pripravené na konzumáciu alebo ďalšie spracovanie.

Vysokotlakové spracovanie (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

 
Metóda HPP zaisťuje bezpečnosť potravín pri zachovaní chuti, textúry a obsahu živín. Tento proces však vyžaduje značný prísun energie, ktorého veľkosť ovplyvňuje viacero prevádzkových neefektívností.

Výzvy spojené s vysokou spotrebou energie pri HPP

Jednou z hlavných nevýhod HPP je vysoká spotreba energie. Energetická náročnosť procesu vyplýva z nasledujúcich faktorov:

• Tlakovanie vody (kvapaliny prenášajúcej tlak): Voda používaná na prenos izostatického tlaku vyžaduje značné množstvo energie na stlačenie a udržanie cieľového tlaku.
• Zachytený vzduch a plyn v kvapaline prenášajúcej tlak: Vzduchové bubliny vo vode znižujú účinnosť prenosu tlaku, čím zvyšujú energetické nároky. Tieto bubliny sa počas tlakovania stláčajú a pohlcujú energiu, ktorá by sa inak mohla využiť na ošetrenie potravinového výrobku.
• Plyn v zabalených výrobkoch: Vzduch alebo plyn zachytený v zabalených potravinách (napr. v konzervovaných alebo polotuhých výrobkoch) podobne prispieva k energetickým stratám. Stláčanie vnútorných plynových vreciek vyžaduje dodatočnú energiu a môže narúšať rovnomernosť tlaku.
• Tepelné energetické straty: Hoci sa HPP považuje za netepelný proces, časť energie sa v dôsledku stláčania vody a trenia v zariadení rozptýli vo forme tepla. Tým sa zvyšujú prevádzkové náklady a nároky na chladenie.

Vplyv zachyteného vzduchu a plynu na energetické nároky HPP

Prítomnosť vzduchu a plynu významne ovplyvňuje účinnosť HPP:

• Znížená účinnosť prenosu tlaku: Vzduch a plyn sa stláčajú ľahšie než kvapaliny, čo znamená, že na dosiahnutie rovnakého tlaku v nádobe je potrebná dodatočná energia.
• Dlhšie časy spracovania: Zachytený vzduch a plyn oneskorujú stabilizáciu izostatického tlaku, čím predlžujú trvanie cyklov.
• Plytvanie energiou: Stlačené plynové vrecká pri odtlakovaní uvoľňujú energiu, ktorú nemožno spätne získať, čím prispievajú k celkovej neefektívnosti.

Tieto účinky sú obzvlášť výrazné pri spracovaní potravinových výrobkov s prirodzene vysokým obsahom vzduchu alebo v obaloch, ktoré zachytávajú plyn v priestore nad výrobkom, napríklad pri konzervovaných alebo vákuovo balených výrobkoch.

Stratégie riešenia energetických výziev pri HPP

Úsilie o zlepšenie energetickej účinnosti HPP sa zameriava na zníženie vplyvu vzduchu a plynu v systéme:
Predúprava – ultrazvukové odplynenie:
Použitie ultrazvuku na odstránenie rozpusteného vzduchu a plynu z kvapaliny prenášajúcej tlak a z potravinových výrobkov môže výrazne znížiť plytvanie energiou. Ultrazvuková kavitácia účinne narúša plynové bubliny a umožňuje im uniknúť pred tlakovaním.
Okrem toho môžu výrobky po ultrazvukovom odplynení vo vákuu stuhnúť, najmä konzervované alebo hermeticky uzavreté výrobky.

Pokles obsahu rozpusteného kyslíka v čase pri použití sonikátora UP400ST pri amplitúdach 100 %, 80 %, 60 %, 40% a 20 %.
Štúdia: ©Rognerud et al., 2020.

Sonikácia ako alternatíva pre udržateľné HPP

Hybridné systémy HPP kombinujúce vysokovýkonný ultrazvuk s miernym ohrevom (termosonikácia) alebo so zvýšeným tlakom a miernym ohrevom (manotermosonikácia) sú sľubné alternatívne techniky, ktoré poskytujú spoľahlivú homogenizáciu a pasterizáciu za miernych podmienok a pri nízkej spotrebe energie. Keďže ultrazvuková pasterizácia prebieha priamo v prietoku, aj veľké objemy možno spracovať s vysokou nákladovou efektívnosťou.
Zistite viac o sonikátoroch Hielscher na pasterizáciu kvapalných potravín priamo v prietoku!

Hoci sa HPP široko využíva na spracovanie potravín, jeho energetická náročnosť, znásobená neefektívnosťami spôsobenými zachyteným vzduchom a plynom, predstavuje zásadnú výzvu. Zavedením stratégií, ako je ultrazvukové odplynenie, môže potravinársky priemysel zvýšiť udržateľnosť a nákladovú efektívnosť HPP.
Hielscher Ultrasonics je dôveryhodným partnerom pre procesné riešenia pri optimalizácii HPP a ponúka pokročilú ultrazvukovú technológiu na zlepšenie energetickej účinnosti a spoľahlivosti procesu. Hielscher navyše poskytuje inovatívne riešenia pre synergickú pasterizáciu potravín s podporou ultrazvuku, ktoré zaisťujú vysokokvalitné a bezpečné potravinové výrobky.