Förbättrad energieffektivitet vid högtrycksbehandling

Högtrycksbehandling (HPP) är en icke-termisk metod för konservering av livsmedel som säkerställer mikrobiell säkerhet och förlänger hållbarheten samtidigt som livsmedelskvaliteten bibehålls, även om dess energiineffektivitet på grund av instängd luft och gas utgör operativa utmaningar för hållbar implementering. Ultraljudsavgasning av trycköverförande vätska och flytande livsmedel minskar kompressibiliteten, minimerar energiförlusterna och förbättrar den totala effektiviteten i HPP-processen.

Högtrycksbehandling (HPP): Utmaningar när det gäller energieffektivitet

Högtrycksbehandling (HPP) är en av de ledande teknikerna för konservering av icke-termiska livsmedel, som erbjuder en kombination av mikrobiell inaktivering och kvalitetsbevarande för flytande och fasta livsmedelsprodukter. HPP-tekniken uppnår livsmedelssäkerhet och förlängd hållbarhet utan att kompromissa med matens sensoriska eller näringsmässiga egenskaper, i linje med den växande konsumentpreferensen för minimalt bearbetade produkter. HPP:s energibehov innebär dock betydande operativa utmaningar, särskilt på grund av ineffektivitet som introduceras av instängd luft och gas i processen. Att ta itu med dessa utmaningar är avgörande för att frigöra dess fulla potential för hållbar livsmedelsproduktion.

Översikt: HPP och dess energiutmaningar

Lösningen: Ultraljudsavgasning av HPP-vätskor

Ultraljudsavgasning erbjuder en effektiv lösning för att förbättra energieffektiviteten hos högtrycksbehandling (HPP) genom att avlägsna instängd luft och gas från både den trycköverförande vätskan och flytande livsmedelsprodukter. Genom att applicera kraftultraljud främjar ultraljudskavitation snabb sammansmältning och frisättning av gasbubblor, vilket minskar kompressibiliteten och minimerar energiförlusterna under kompressionen. Denna optimering sänker inte bara driftskostnaderna utan förbättrar också processtabiliteten, vilket gör HPP mer hållbart och effektivt för konservering av livsmedel.
 

Ultraljud avgasning av vatten

Hur HPP fungerar

Högtrycksbehandling (HPP) fungerar genom att utsätta livsmedelsprodukter, vanligtvis i flexibla och vattentäta förpackningar, för extremt höga tryck på upp till 6 000 bar (600 MPa). Processen sker i ett vattenfyllt högtryckskärl och en enkel sekvens:

1. Lastning: Förpackade produkter placeras i plastkorgar och transporteras in i högtryckskärlet.
2. Trycksättning: Vatten fylls i kärlet och fungerar som det trycköverförande mediet. Systemet trycksätts sedan till önskad nivå, som vanligtvis upprätthålls i några minuter.
3. Isostatisk effekt: Trycket appliceras jämnt och omedelbart över hela produkten, oavsett dess storlek, form eller sammansättning. Detta isostatiska tryck inaktiverar livsmedelsburna mikroorganismer och nedbrytningsenzymer utan att krossa eller deformera produkten.
4. Tryckavlastning och avlastning: Kärlet tryckavlastas, vatten dräneras och de behandlade produkterna transporteras ut, redo för konsumtion eller vidare bearbetning.

Bearbetning under högt tryck (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

 
HPP-metoden säkerställer livsmedelssäkerhet samtidigt som smak, konsistens och näringsinnehåll bevaras. Denna process kräver dock betydande energitillförsel, en faktor som påverkas av flera operativa ineffektiviteter.

Utmaningar med hög energiförbrukning i HPP

En av de främsta nackdelarna med HPP är dess höga energiförbrukning. Processens energiintensiva karaktär beror på följande:

• Trycksättning av vatten (kopplingsvätska): Vattnet som används för att överföra isostatiskt tryck kräver betydande energi för att komprimera och upprätthålla måltrycket.
• Instängd luft och gas i kopplingsvätskan: Luftbubblor i vattnet minskar trycköverföringseffektiviteten, vilket ökar energibehovet. Dessa bubblor komprimeras under trycksättning och absorberar energi som annars skulle kunna användas för att behandla livsmedelsprodukten.
• Gas i förpackade produkter: Luft eller gas som är instängd i förpackade livsmedel (t.ex. i konserverade eller halvfasta produkter) bidrar på liknande sätt till energiförlust. Komprimeringen av invändiga gasfickor kräver extra energi och kan störa tryckjämnheten.
• Förluster av termisk energi: Även om HPP anses vara en icke-termisk process, försvinner en del energi som värme på grund av vattenkompression och friktion i utrustningen. Detta ökar driftskostnaderna och kylbehovet.

Effekter av instängd luft och gas på HPP:s energibehov

Närvaron av luft och gas har en betydande inverkan på HPP:s effektivitet:

• Minskad trycköverföringseffektivitet: Luft och gas komprimeras lättare än vätskor, vilket innebär att ytterligare energi krävs för att uppnå samma tryck i kärlet.
• Längre handläggningstider: Instängd luft och gas fördröjer stabiliseringen av isostatiskt tryck, vilket förlänger cykelns varaktighet.
• Energislöseri: Komprimerade gasfickor frigör energi vid tryckavlastning, som inte kan återvinnas, vilket bidrar till total ineffektivitet.

Dessa effekter är särskilt uttalade vid bearbetning av livsmedelsprodukter med naturligt högt luftinnehåll eller förpackningar som fångar upp gas, t.ex. konserverade eller vakuumförpackade föremål.

Strategier för att ta itu med energiutmaningar i HPP

Insatser för att förbättra energieffektiviteten hos HPP fokuserar på att minska påverkan av luft och gas i systemet:
Förbehandling – Avgasning med ultraljud:
Appliceringen av ultraljud för att avlägsna upplöst luft och gas från kopplingsvätskan och livsmedelsprodukter kan avsevärt minska energislöseriet. Ultraljudskavitation stör effektivt gasbubblor, vilket gör att de kan fly före trycksättning.
Dessutom kan produkter stelna efter ultraljudsavgasning under vakuum, särskilt konserverade eller förseglade föremål.

Minskning av upplöst syre med tiden Använda Sonicator UP400ST vid amplituder på 100 %, 80 %, 60 %, 40 % och 20 %.
Studie: ©Rognerud et al., 2020.

Ultraljudsbehandling som ett alternativ till hållbar HPP

Hybrid HPP-system som kombinerar högpresterande ultraljud med mild värme (termosonikering) eller med förhöjt tryck och mild värme (manotermosonikering) är lovande alternativa tekniker som ger tillförlitlig homogenisering och pastörisering under milda förhållanden och vid låg energiförbrukning. Eftersom ultraljudspastörisering är en inline-process kan även stora volymer bearbetas med hög kostnadseffektivitet.
Lär dig mer om Hielscher ultraljudsapparater för inline pastörisering av flytande livsmedel!

HPP används i stor utsträckning för livsmedelsbearbetning, men dess energiintensiva natur, i kombination med ineffektivitet från instängd luft och gas, utgör en kritisk utmaning. Genom att integrera strategier som ultraljudsavgasning kan livsmedelsindustrin förbättra hållbarheten och kostnadseffektiviteten för HPP.
Hielscher Ultrasonics är den pålitliga partnern för processlösningar inom HPP-optimering och erbjuder avancerad ultraljudsteknik för att förbättra energieffektiviteten och processäkerheten. Dessutom tillhandahåller Hielscher innovativa lösningar för synergistisk ultraljudsassisterad livsmedelspastörisering, vilket säkerställer högkvalitativa och säkra livsmedelsprodukter.