Förbättrad energieffektivitet vid högtrycksbehandling

Högtrycksbehandling (HPP) är en icke-termisk metod för livsmedelskonservering som säkerställer mikrobiell säkerhet och förlänger hållbarheten samtidigt som livsmedelskvaliteten bibehålls, även om energiförluster på grund av instängd luft och gas medför driftsmässiga utmaningar för en hållbar tillämpning. Ultraljudsavgasning av den trycköverförande vätskan och flytande livsmedel minskar kompressibiliteten, vilket minimerar energiförlusterna och förbättrar HPP-processens totala effektivitet.

Högtrycksbehandling (HPP): utmaningar för energieffektiviteten

Högtrycksbehandling (HPP) är en av de ledande icke-termiska teknikerna för livsmedelskonservering och erbjuder en kombination av mikrobiell inaktivering och bibehållen kvalitet för flytande och fasta livsmedelsprodukter. HPP-tekniken ger livsmedelssäkerhet och förlängd hållbarhet utan att försämra livsmedlens sensoriska eller näringsmässiga egenskaper, vilket ligger i linje med konsumenternas ökande preferens för minimalt bearbetade produkter. Energibehovet vid HPP medför dock betydande driftsmässiga utmaningar, särskilt på grund av ineffektivitet som orsakas av instängd luft och gas i processen. Att hantera dessa utmaningar är avgörande för att förverkliga teknikens fulla potential för hållbar livsmedelsproduktion.

Översikt: HPP och dess energiutmaningar

Lösningen: ultraljudsavgasning av HPP-vätskor

Ultraljudsavgasning erbjuder en effektiv lösning för att förbättra energieffektiviteten vid högtrycksbehandling (HPP) genom att avlägsna instängd luft och gas från både den trycköverförande vätskan och flytande livsmedelsprodukter. Vid användning av högeffektsultraljud främjar ultraljudskavitation snabb sammansmältning och frigörelse av gasbubblor, vilket minskar kompressibiliteten och minimerar energiförlusterna under kompressionen. Denna optimering sänker inte bara driftskostnaderna utan förbättrar även processstabiliteten, vilket gör HPP mer hållbar och effektiv för livsmedelskonservering.
 

Ultraljudsavgasning av vatten

Så fungerar HPP

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

1. Inlastning: Förpackade produkter placeras i plastkorgar och transporteras in i högtryckskärlet.
2. Trycksättning: Kärlet fylls med vatten som fungerar som trycköverförande medium. Systemet trycksätts sedan till önskad nivå, som vanligtvis bibehålls i några minuter.
3. Isostatisk effekt: Trycket appliceras jämnt och momentant över hela produkten, oavsett dess storlek, form eller sammansättning. Detta isostatiska tryck inaktiverar livsmedelsburna mikroorganismer och enzymer som orsakar förskämning utan att krossa eller deformera produkten.
4. Tryckavlastning och utlastning: Trycket i kärlet avlastas, vattnet tappas av och de behandlade produkterna transporteras ut, redo för konsumtion eller vidare bearbetning.

Högtrycksbehandling (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

 
HPP-metoden säkerställer livsmedelssäkerheten samtidigt som smak, textur och näringsinnehåll bevaras. Denna process kräver dock betydande energitillförsel, vilket påverkas av flera driftsmässiga ineffektiviteter.

Utmaningar med hög energiförbrukning vid HPP

En av de främsta nackdelarna med HPP är den höga energiförbrukningen. Processens energiintensiva karaktär beror på:

• Trycksättning av vatten (kopplingsvätska): Vattnet som används för att överföra isostatiskt tryck kräver betydande energi för att komprimeras och bibehålla måltrycket.
• Instängd luft och gas i kopplingsvätskan: Luftbubblor i vattnet minskar trycköverföringens effektivitet, vilket ökar energibehovet. Dessa bubblor komprimeras under trycksättningen 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 energiförluster. Kompressionen av inre gasfickor kräver ytterligare energi och kan störa tryckets jämnhet.
• Termiska energiförluster: Även om HPP betraktas som en icke-termisk process avges en del energi som värme på grund av vattnets kompression och friktion i utrustningen. Detta ökar driftskostnaderna och kylbehovet.

Inverkan av instängd luft och gas på energibehovet vid HPP

Förekomsten av luft och gas påverkar effektiviteten vid HPP avsevärt:

• Minskad effektivitet vid trycköverföring: Luft och gas komprimeras lättare än vätskor, vilket innebär att ytterligare energi krävs för att uppnå samma tryck i kärlet.
• Längre behandlingstider: Instängd luft och gas fördröjer stabiliseringen av det isostatiska trycket, vilket förlänger cykeltiderna.
• Energislöseri: Komprimerade gasfickor frigör energi vid tryckavlastning som inte kan återvinnas, vilket bidrar till den totala ineffektiviteten.

Dessa effekter är särskilt uttalade vid behandling av livsmedelsprodukter med naturligt högt luftinnehåll eller förpackningar som stänger in gas i utrymmet ovanför produkten, såsom konserverade eller vakuumförpackade varor.

Strategier för att hantera energiutmaningar vid HPP

Insatserna för att förbättra energieffektiviteten vid HPP fokuserar på att minska luftens och gasens inverkan i systemet:
Förbehandling – ultraljudsavgasning:
Användning av ultraljud för att avlägsna löst luft och gas från kopplingsvätskan och livsmedelsprodukter kan avsevärt minska energislöseriet. Ultraljudskavitation bryter effektivt sönder gasbubblor så att gasen kan avgå före trycksättningen.
Dessutom kan produkter stelna efter ultraljudsavgasning under vakuum, särskilt konserverade eller förseglade produkter.

Minskning av löst syre över tid med ultraljudsapparaten UP400ST vid amplituder på 100 %, 80 %, 60 %, 40% och 20 %.
Studie: ©Rognerud et al., 2020.

Ultraljudsbehandling som alternativ för hållbar HPP

Hybrida 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 skonsamma förhållanden och med låg energiförbrukning. Eftersom ultraljudspastörisering är en inlineprocess kan även stora volymer behandlas med hög kostnadseffektivitet.
Läs mer om Hielschers ultraljudsapparater för inlinepastörisering av flytande livsmedel!

Även om HPP används i stor utsträckning för livsmedelsbearbetning innebär processens energiintensiva karaktär, som förstärks av ineffektivitet på grund av instängd luft och gas, en avgörande utmaning. Genom att integrera strategier som ultraljudsavgasning kan livsmedelsindustrin förbättra hållbarheten och kostnadseffektiviteten vid HPP.
Hielscher Ultrasonics är den pålitliga partnern för processlösningar inom HPP-optimering och erbjuder avancerad ultraljudsteknik för att förbättra energieffektiviteten och processens tillförlitlighet. Dessutom tillhandahåller Hielscher innovativa lösningar för synergistisk ultraljudsassisterad livsmedelspastörisering som säkerställer högkvalitativa och säkra livsmedelsprodukter.