Izboljšana energijska učinkovitost visokotlačne obdelave

Visokotlačna obdelava (HPP) je netermična metoda konzerviranja živil, ki zagotavlja mikrobiološko varnost in podaljšuje rok uporabnosti ob ohranjanju kakovosti živil, vendar njena energijska neučinkovitost zaradi ujetega zraka in plina predstavlja operativne izzive za trajnostno izvajanje. Ultrazvočno razplinjevanje tekočine za prenos tlaka in tekočih živil zmanjšuje stisljivost, s čimer zmanjšuje energijske izgube in izboljšuje skupno učinkovitost postopka HPP.

Visokotlačna obdelava (HPP): izzivi energijske učinkovitosti

Visokotlačna obdelava (HPP) je ena vodilnih netermičnih tehnik konzerviranja živil, ki združuje inaktivacijo mikroorganizmov in ohranjanje kakovosti tekočih in trdnih živilskih izdelkov. Tehnologija HPP zagotavlja varnost živil in podaljšan rok uporabnosti brez poslabšanja senzoričnih ali prehranskih lastnosti živil, kar je skladno z vse večjo naklonjenostjo potrošnikov minimalno predelanim izdelkom. Vendar energijske potrebe HPP predstavljajo znatne operativne izzive, zlasti zaradi neučinkovitosti, ki jih med postopkom povzročata ujeti zrak in plin. Obravnavanje teh izzivov je ključno za izkoriščanje celotnega potenciala te tehnologije za trajnostno proizvodnjo živil.

Pregled: HPP in njeni energijski izzivi

Opredelitev HPP	Izzivi	Rešitev
Netermična metoda konzerviranja živil, ki zagotavlja mikrobiološko varnost in podaljšuje rok uporabnosti ob ohranjanju kakovosti živil.	Energijska neučinkovitost zaradi ujetega zraka in plina, ki povečuje obratovalne stroške.	Ultrazvočno razplinjevanje zmanjšuje stisljivost, s čimer zmanjšuje energijske izgube in izboljšuje učinkovitost HPP.

Rešitev: ultrazvočno razplinjevanje tekočin za HPP

Ultrazvočno razplinjevanje ponuja učinkovito rešitev za izboljšanje energijske učinkovitosti visokotlačne obdelave (HPP), saj odstranjuje ujeti zrak in plin tako iz tekočine za prenos tlaka kot iz tekočih živilskih izdelkov. Pri uporabi ultrazvoka visoke moči ultrazvočna kavitacija spodbuja hitro združevanje in sproščanje plinskih mehurčkov, s čimer zmanjšuje stisljivost in energijske izgube med stiskanjem. Ta optimizacija ne znižuje le obratovalnih stroškov, temveč tudi izboljšuje stabilnost postopka, zaradi česar je HPP bolj trajnostna in učinkovita metoda konzerviranja živil.

Ultrazvočno razplinjevanje vode

Kako deluje HPP

Visokotlačna obdelava (HPP) deluje tako, da živilske izdelke, običajno v prožni in vodotesni embalaži, izpostavi izjemno visokim tlakom do 6.000 bar (600 MPa). Postopek poteka v visokotlačni posodi, napolnjeni z vodo, po preprostem zaporedju:

Polnjenje: Pakirani izdelki se namestijo v plastične košare in transportirajo v visokotlačno posodo.
Vzpostavitev tlaka: Posoda se napolni z vodo, ki deluje kot medij za prenos tlaka. Nato se tlak v sistemu poveča na želeno raven, ki se običajno vzdržuje nekaj minut.
Izostatični učinek: Tlak deluje enakomerno in v trenutku po celotnem izdelku, ne glede na njegovo velikost, obliko ali sestavo. Ta izostatični tlak inaktivira mikroorganizme, ki se prenašajo z živili, in encime, ki povzročajo kvarjenje, ne da bi izdelek zdrobil ali deformiral.
Razbremenitev tlaka in praznjenje: Tlak v posodi se sprosti, voda se izpusti, obdelani izdelki pa se transportirajo iz posode, pripravljeni za uživanje ali nadaljnjo predelavo.

Visokotlačna obdelava prinaša znatne izzive zaradi izjemno visokih energijskih potreb, ki so posledica energijskih izgub med predelavo živil

Visokotlačna obdelava (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

Metoda HPP zagotavlja varnost živil ob ohranjanju okusa, teksture in vsebnosti hranil. Vendar ta postopek zahteva znaten vnos energije, na katerega vpliva več operativnih neučinkovitosti.

Izzivi visoke porabe energije pri HPP

Ena glavnih pomanjkljivosti HPP je visoka poraba energije. Energijska intenzivnost postopka izhaja iz:

Vzpostavitve tlaka v vodi (tekočini za prenos tlaka): Za stiskanje vode, ki se uporablja za prenos izostatičnega tlaka, in vzdrževanje ciljnega tlaka je potrebna znatna količina energije.
Ujetega zraka in plina v tekočini za prenos tlaka: Zračni mehurčki v vodi zmanjšujejo učinkovitost prenosa tlaka in povečujejo energijske potrebe. Ti mehurčki se med vzpostavljanjem tlaka stiskajo in absorbirajo energijo, ki bi se sicer lahko uporabila za obdelavo živilskega izdelka.
Plina v pakiranih izdelkih: Zrak ali plin, ujet v pakiranih živilih (npr. v konzerviranih ali poltrdnih izdelkih), podobno prispeva k energijskim izgubam. Stiskanje notranjih plinskih žepov zahteva dodatno energijo in lahko moti enakomernost tlaka.
Toplotnih energijskih izgub: Čeprav HPP velja za netermični postopek, se del energije zaradi stiskanja vode in trenja v opremi razprši kot toplota. To povečuje obratovalne stroške in potrebe po hlajenju.

Vplivi ujetega zraka in plina na energijske potrebe HPP

Prisotnost zraka in plina znatno vpliva na učinkovitost HPP:

Zmanjšana učinkovitost prenosa tlaka: Zrak in plin se lažje stiskata kot tekočine, zato je za doseganje enakega tlaka v posodi potrebna dodatna energija.
Daljši časi obdelave: Ujeti zrak in plin upočasnjujeta stabilizacijo izostatičnega tlaka in podaljšujeta trajanje ciklov.
Potratna poraba energije: Stisnjeni plinski žepi ob razbremenitvi tlaka sprostijo energijo, ki je ni mogoče ponovno pridobiti, kar prispeva k skupni neučinkovitosti.

Ti učinki so še posebej izraziti pri obdelavi živilskih izdelkov z naravno visoko vsebnostjo zraka ali v embalaži, ki zadržuje plin v praznem prostoru nad izdelkom, kot so konzervirani ali vakuumsko pakirani izdelki.

Strategije za obravnavanje energijskih izzivov pri HPP

Prizadevanja za izboljšanje energijske učinkovitosti HPP so usmerjena v zmanjševanje vpliva zraka in plina v sistemu:
Predobdelava – ultrazvočno razplinjevanje:
Uporaba ultrazvoka za odstranjevanje raztopljenega zraka in plina iz tekočine za prenos tlaka in živilskih izdelkov lahko znatno zmanjša potratno porabo energije. Ultrazvočna kavitacija učinkovito razbija plinske mehurčke in omogoča, da plin uide pred vzpostavitvijo tlaka.
Poleg tega se lahko izdelki po ultrazvočnem razplinjevanju pod vakuumom strdijo, zlasti konzervirani ali zatesnjeni izdelki.

Pokazalo se je, da je ultrazvočno razplinjevanje pri frekvenci 24kHz učinkovitejše od sonikacije pri višjih frekvencah. (prim. Rognerud et al. 2020)

Zmanjševanje količine raztopljenega kisika s časom z uporabo sonikatorja UP400ST pri amplitudah 100 %, 80 %, 60 %, 40% in 20 %.
Študija: ©Rognerud et al., 2020.

Sonikacija kot alternativa za trajnostno HPP

Hibridni sistemi HPP, ki združujejo ultrazvok visoke zmogljivosti z blagim segrevanjem (termosonikacija) ali s povišanim tlakom in blagim segrevanjem (manotermosonikacija), so obetavne alternativne tehnike, ki zagotavljajo zanesljivo homogenizacijo in pasterizacijo pri blagih pogojih in nizki porabi energije. Ker je ultrazvočna pasterizacija pretočni postopek, je mogoče tudi velike prostornine obdelati z visoko stroškovno učinkovitostjo.
Izvedite več o sonikatorjih Hielscher za pretočno pasterizacijo tekočih živil!

Čeprav se HPP pogosto uporablja za predelavo živil, njena energijska intenzivnost, ki jo dodatno povečujejo neučinkovitosti zaradi ujetega zraka in plina, predstavlja kritičen izziv. Z vključevanjem strategij, kot je ultrazvočno razplinjevanje, lahko živilska industrija izboljša trajnostnost in stroškovno učinkovitost HPP.
Hielscher Ultrasonics je zaupanja vreden partner za procesne rešitve pri optimizaciji HPP, ki ponuja napredno ultrazvočno tehnologijo za izboljšanje energijske učinkovitosti in zanesljivosti postopka. Poleg tega Hielscher zagotavlja inovativne rešitve za sinergijsko pasterizacijo živil s pomočjo ultrazvoka, ki zagotavljajo kakovostne in varne živilske izdelke.

Ta videoposnetek prikazuje učinkovito razplinjevanje viskoznega olja (40cP). Ultrazvočna obdelava odstrani majhne plinske mehurčke, suspendirane v tekočini, in zmanjša vsebnost raztopljenega plina pod naravno ravnotežno raven.

Sorodne teme

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.

Pogosta vprašanja

Kaj je razplinjevanje tekočin za prenos tlaka?

Razplinjevanje je odstranjevanje raztopljenih in ujetih plinov iz tekočine, ki se uporablja pri visokotlačni obdelavi (HPP), za izboljšanje energijske učinkovitosti in stabilnosti postopka. Z odstranjevanjem stisljivih plinov razplinjevanje zmanjšuje izgube tlaka, izboljšuje enakomerno porazdelitev tlaka in zmanjšuje obrabo, povezano s kavitacijo, v sistemih HPP.

Kaj je visokotlačna obdelava HPP?

HPP je netermična metoda konzerviranja živil, ki uporablja hidrostatične tlake do 600 MPa za inaktivacijo mikroorganizmov ob ohranjanju senzoričnih in prehranskih lastnosti. Podaljšuje rok uporabnosti, zagotavlja varnost živil in ohranja bioaktivne spojine brez uporabe toplote, zato je primerna za sveža in minimalno predelana živila.

Kakšne so težave pri uporabi visokotlačne obdelave HPP?

Glavni izzivi HPP vključujejo visoko porabo energije, neučinkovitosti postopka zaradi ujetega zraka v tekočinah za prenos tlaka in visoke stroške opreme. Poleg tega HPP, čeprav je učinkovita proti večini vegetativnih oblik patogenih mikroorganizmov, ne inaktivira bakterijskih spor brez dodatnih ovir, kot je blago segrevanje (toplotna obdelava s pomočjo tlaka, PATP).

Kakšna je razlika med pasterizacijo in HPP?

Pasterizacija je toplotni postopek, ki inaktivira mikroorganizme s toploto (običajno 60–85°C), pri čemer lahko spremeni teksturo in prehransko sestavo živil. HPP pa je netermična metoda, ki doseže inaktivacijo mikroorganizmov s tlakom ter ohranja prvotni okus, teksturo in hranila živil ob podaljševanju roka uporabnosti.