Izboljšana energetska učinkovitost visokotlačne obdelave
Visokotlačna obdelava (HPP) je netoplotna metoda konzerviranja hrane, ki zagotavlja mikrobno varnost in podaljšuje rok uporabnosti ob ohranjanju kakovosti hrane, čeprav njena energetska neučinkovitost zaradi ujetega zraka in plina predstavlja operativni izziv za trajnostno izvajanje. Ultrazvočno razplinjevanje tekočine in tekočih živil, ki prenašajo tlak, zmanjšuje stisljivost, zmanjšuje izgube energije in izboljšuje splošno učinkovitost procesa HE.
Visokotlačna obdelava (HE): izzivi energetske učinkovitosti
Visokotlačna obdelava (HPP) je ena vodilnih tehnik netermičnega konzerviranja hrane, ki ponuja kombinacijo mikrobne inaktivacije in ohranjanja kakovosti tekočih in trdnih živilskih izdelkov. Tehnologija HPP dosega varnost hrane in podaljšan rok uporabnosti, ne da bi pri tem ogrozila senzorične ali hranilne lastnosti živil, kar je v skladu z naraščajočimi željami potrošnikov po minimalno predelanih izdelkih. Vendar pa energetske potrebe HE predstavljajo velike operativne izzive, zlasti zaradi neučinkovitosti, ki jo uvajata zrak in plin v procesu. Reševanje teh izzivov je ključnega pomena za sprostitev njenega polnega potenciala za trajnostno proizvodnjo hrane.
Pregled: HE in njeni energetski izzivi
| Opredelitev HE | Izzivi | rešitev |
|---|---|---|
| Netermična metoda konzerviranja hrane, ki zagotavlja mikrobno varnost in podaljša rok uporabnosti ob ohranjanju kakovosti hrane. | Energetska neučinkovitost zaradi ujetega zraka in plina, kar povečuje operativne stroške. | Ultrazvočno razplinjevanje zmanjšuje stisljivost, zmanjšuje izgube energije in izboljšuje učinkovitost HE. |
Rešitev: ultrazvočno razplinjevanje tekočin HE
Ultrazvočno razplinjevanje ponuja učinkovito rešitev za povečanje energetske učinkovitosti visokotlačne obdelave (HPP) z odstranitvijo ujetega zraka in plina iz tekočih in tekočih živilskih izdelkov, ki prenašajo tlak. Z uporabo ultrazvoka ultrazvočne moči ultrazvočna kavitacija spodbuja hitro koalescenco in sproščanje plinskih mehurčkov, zmanjšuje stisljivost in zmanjšuje izgube energije med stiskanjem Ta optimizacija ne le znižuje operativne stroške, temveč tudi povečuje stabilnost procesa, zaradi česar je HPP bolj trajnostna in učinkovitejša za konzerviranje hrane.
Ultrazvočno razplinjevanje vode
Kako deluje HE
Visokotlačna obdelava (HPP) deluje tako, da živilske izdelke, običajno v fleksibilni in nepremočljivi embalaži, izpostavi izredno visokim tlakom do 6.000 barov (600 MPa). Postopek poteka v visokotlačni posodi, napolnjeni z vodo, in v preprostem zaporedju:
- Nakladanje: Pakirane izdelke položimo v plastične košare in prenesemo v visokotlačno posodo.
- Pritisk: Voda se napolni v posodo in deluje kot medij, ki prenaša tlak. Sistem se nato pod pritiskom doseže želeno raven, ki se običajno vzdržuje nekaj minut.
- Izostatični učinek: Pritisk se izvaja enakomerno in takoj po celotnem izdelku, ne glede na njegovo velikost, obliko ali sestavo. Ta izostatični tlak inaktivira mikroorganizme, ki se prenašajo s hrano, in encime za kvarjenje, ne da bi zdrobil ali deformiral izdelek.
- Zmanjšanje tlaka in razkladanje: Posoda je pod tlakom, voda se odvaja in obdelani izdelki se prenesejo ven, pripravljeni za porabo ali nadaljnjo predelavo.
Visokotlačna obdelava (HE)
© Balakrishna et al., 2020
Metoda HE zagotavlja varnost hrane, hkrati pa ohranja okus, teksturo in vsebnost hranil. Vendar pa ta proces zahteva znaten vnos energije, dejavnik, na katerega vpliva več operativnih neučinkovitosti.
Izzivi visoke porabe energije v HE
Ena od glavnih pomanjkljivosti HE je visoka poraba energije. Energetsko intenzivna narava procesa izhaja iz:
- Pritisk vode (spojna tekočina): Voda, ki se uporablja za prenos izostatičnega tlaka, potrebuje veliko energije za stiskanje in vzdrževanje ciljnega tlaka.
- Ujet zrak in plin v spojni tekočini: Zračni mehurčki v vodi zmanjšujejo učinkovitost prenosa tlaka in povečujejo energetske potrebe. Ti mehurčki se med pritiskom stisnejo in absorbirajo energijo, ki bi jo sicer lahko uporabili za obdelavo živilskega proizvoda.
- Plin v pakiranih izdelkih: Zrak ali plin, ujet v pakiranih živilih (npr. v konzerviranih ali poltrdnih izdelkih), podobno prispevata k izgubi energije. Stiskanje notranjih plinskih žepov zahteva dodatno energijo in lahko vpliva na enakomernost tlaka.
- Izgube toplotne energije: Medtem ko se HE šteje za netoplotni proces, se nekaj energije razprši kot toplota zaradi stiskanja vode in trenja opreme. To povečuje operativne stroške in zahteve po hlajenju.
Ultrazvočna pretočna celica za razplinjevanje tekočin in pasterizacijo hrane.
Vplivi ujetega zraka in plina na povpraševanje po energiji HE
Prisotnost zraka in plina pomembno vpliva na učinkovitost HE:
- Zmanjšana učinkovitost prenosa tlaka: Zrak in plin se stisneta lažje kot tekočine, kar pomeni, da je za doseganje enakega tlaka v posodi potrebna dodatna energija.
- Daljši časi obdelave: Ujeti zrak in plin upočasnita stabilizacijo izostatičnega tlaka, kar podaljša trajanje cikla.
- Odpadna energija: Žepi stisnjenega plina sproščajo energijo ob zmanjšanju tlaka, ki je ni mogoče obnoviti, kar prispeva k splošni neučinkovitosti.
Ti učinki so še posebej izraziti pri predelavi živilskih izdelkov z naravno visoko vsebnostjo zraka ali embalaže, ki ujame plin v prahu, kot so konzervirani ali vakuumsko pakirani predmeti.
Strategije za reševanje energetskih izzivov v HE
Prizadevanja za izboljšanje energetske učinkovitosti HE se osredotočajo na zmanjšanje vpliva zraka in plina v sistemu:
Predhodna obdelava – Ultrazvočno razplinjevanje:
Uporaba ultrazvoka za odstranjevanje raztopljenega zraka in plina iz spojne tekočine in živilskih izdelkov lahko znatno zmanjša izgubo energije. Ultrazvočna kavitacija učinkovito moti plinske mehurčke in jim omogoča, da pobegnejo pred pritiskom.
Poleg tega se lahko izdelki nastavijo po ultrazvočnem razplinjevanju pod vakuumom, zlasti konzervirani ali zaprti predmeti.
Zmanjšanje raztopljenega kisika s časom uporaba sonikatorja UP400ST pri amplitudah 100 %, 80 %, 60 %, 40 % in 20 %.
Študija: ©Rognerud et al., 2020.
Sonication kot alternativa za trajnostno HE
Hibridni sistemi HE, ki združujejo visoko zmogljiv ultrazvok z blago toploto (termosonication) ali s povišanim tlakom in blago toploto (manotermosonication), so obetavne alternativne tehnike, ki zagotavljajo zanesljivo homogenizacijo in pasterizacijo v blagih pogojih in pri nizki porabi energije. Ker je ultrazvočna pasterizacija inline proces, se lahko tudi velike količine obdelujejo z visoko stroškovno učinkovitostjo.
Preberite več o Hielscher sonikatorjih za inline pasterizacijo tekočih živil!
Medtem ko se HE pogosto uporablja za predelavo hrane, njena energetsko intenzivna narava, skupaj z neučinkovitostjo zaradi ujetega zraka in plina, predstavlja kritičen izziv. Z vključevanjem strategij, kot je ultrazvočno razplinjevanje, lahko živilska industrija poveča trajnost in stroškovno učinkovitost HE.
Hielscher Ultrasonics je zaupanja vreden partner za procesne rešitve pri optimizaciji HPP, ki ponuja napredno ultrazvočno tehnologijo za izboljšanje energetske učinkovitosti in zanesljivosti procesov. Poleg tega Hielscher ponuja inovativne rešitve za sinergistično ultrazvočno pasterizacijo hrane, ki zagotavlja visoko kakovostne in varne živilske izdelke.
Literatura / Reference
- Rognerud, Maren; Solemslie, Bjørn; Islam, Md Hujjatul; Pollet, Bruno (2020): How to Avoid Total Dissolved Gas Supersaturation in Water from Hydropower Plants by Employing Ultrasound. Journal of Physics: Conference Series 2020.
- Oner M.E. (2020): The effect of high pressure processing or thermosonication in combination with nisin on microbial inactivation and quality of green juice. Journal of Food Processing and Preservation 2020; 44:e14830.
- Evelyn, Filipa V.M. Silva (2016): High pressure processing pretreatment enhanced the thermosonication inactivation of Alicyclobacillus acidoterrestris spores in orange juice. Food Control, Volume 62, 2016. 365-372.
- Balakrishna, Akash Kaushal, Md Abdul Wazed, Mohammed Farid (2020): A Review on the Effect of High Pressure Processing (HPP) on Gelatinization and Infusion of Nutrients. Molecules 25 (10), 2020. 2369.
Pogosto zastavljena vprašanja
Kaj je razplinjevanje tekočin, ki prenašajo tlak?
Razplinjevanje je odstranjevanje raztopljenih in ujetih plinov iz tekočine, ki se uporablja pri visokotlačni obdelavi (HPP), da se izboljša energetska učinkovitost in stabilnost procesa. Z odpravo stisljivih plinov razplinjevanje zmanjša izgubo tlaka, izboljša enakomerno porazdelitev tlaka in zmanjša obrabo, povezano s kavitacijo, v sistemih HE.
Kaj je visokotlačna obdelava HPP?
HE je netermična metoda konzerviranja hrane, ki uporablja hidrostatični tlak do 600 MPa za inaktivacijo mikroorganizmov, hkrati pa ohranja senzorične in hranilne lastnosti. Podaljšuje rok uporabnosti, zagotavlja varnost hrane in ohranja bioaktivne spojine brez uporabe toplote, zaradi česar je primeren za svežo in minimalno predelano hrano.
Kakšna je težava z uporabo visokotlačne obdelave HE?
Glavni izzivi HE vključujejo visoko porabo energije, neučinkovitost procesov zaradi ujetega zraka v tekočinah, ki prenašajo tlak, in visoke stroške opreme. Poleg tega, čeprav je učinkovit proti večini vegetativnih patogenov, HPP ne inaktivira bakterijskih spor brez dodatnih ovir, kot je blago segrevanje (toplotna obdelava s pomočjo tlaka, PATP).
Kakšna je razlika med pasterizacijo in HE?
Pasterizacija je toplotni proces, ki inaktivira mikroorganizme s toploto (običajno 60–85 ° C), kar lahko spremeni teksturo hrane in hranilno sestavo. V nasprotju s tem je HPP netoplotna metoda, ki doseže mikrobno inaktivacijo s pritiskom, ohrani prvotni okus, teksturo in hranila hrane, hkrati pa podaljša rok uporabnosti.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.