การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานของการแปรรูปด้วยความดันสูง

การแปรรูปด้วยความดันสูง (HPP) เป็นวิธีถนอมอาหารโดยไม่ใช้ความร้อนที่รับประกันความปลอดภัยด้านจุลินทรีย์และยืดอายุการเก็บรักษา พร้อมคงคุณภาพของอาหารไว้ อย่างไรก็ตาม การใช้พลังงานที่ไม่มีประสิทธิภาพเนื่องจากอากาศและก๊าซที่ถูกกักอยู่ก่อให้เกิดความท้าทายในการดำเนินงานเพื่อการใช้งานอย่างยั่งยืน การไล่ก๊าซออกจากของเหลวส่งผ่านความดันและอาหารเหลวด้วยคลื่นอัลตราโซนิกช่วยลดความสามารถในการถูกอัดตัว ลดการสูญเสียพลังงานให้เหลือน้อยที่สุด และเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของกระบวนการ HPP

การแปรรูปด้วยความดันสูง (HPP): ความท้าทายด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

การแปรรูปด้วยความดันสูง (HPP) เป็นหนึ่งในเทคนิคชั้นนำสำหรับการถนอมอาหารโดยไม่ใช้ความร้อน ซึ่งผสานการทำให้จุลินทรีย์หมดฤทธิ์เข้ากับการคงคุณภาพของผลิตภัณฑ์อาหารทั้งชนิดเหลวและชนิดแข็ง เทคโนโลยี HPP ทำให้อาหารปลอดภัยและมีอายุการเก็บรักษายาวนานขึ้นโดยไม่ลดทอนคุณสมบัติทางประสาทสัมผัสหรือคุณค่าทางโภชนาการของอาหาร สอดคล้องกับความนิยมของผู้บริโภคที่เพิ่มขึ้นต่อผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการแปรรูปน้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม ความต้องการพลังงานของ HPP ก่อให้เกิดความท้าทายอย่างมากในการดำเนินงาน โดยเฉพาะจากการขาดประสิทธิภาพที่เกิดจากอากาศและก๊าซที่ถูกกักอยู่ภายในกระบวนการ การแก้ไขความท้าทายเหล่านี้เป็นกุญแจสำคัญในการใช้ศักยภาพอย่างเต็มที่ของเทคโนโลยีนี้เพื่อการผลิตอาหารอย่างยั่งยืน

ภาพรวม: HPP และความท้าทายด้านพลังงาน

แนวทางแก้ไข: การไล่ก๊าซออกจากของเหลวใน HPP ด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

การไล่ก๊าซด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเป็นแนวทางแก้ไขที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานของการแปรรูปด้วยความดันสูง (HPP) โดยกำจัดอากาศและก๊าซที่ถูกกักอยู่ทั้งในของเหลวส่งผ่านความดันและผลิตภัณฑ์อาหารเหลว เมื่อใช้คลื่นอัลตราโซนิกกำลังสูง คาวิเทชันจากคลื่นอัลตราโซนิกจะส่งเสริมให้ฟองก๊าซรวมตัวและถูกปลดปล่อยอย่างรวดเร็ว ช่วยลดความสามารถในการถูกอัดตัวและลดการสูญเสียพลังงานระหว่างการอัดให้เหลือน้อยที่สุด การปรับกระบวนการให้เหมาะสมนี้ไม่เพียงลดต้นทุนการดำเนินงาน แต่ยังเพิ่มเสถียรภาพของกระบวนการ ทำให้ HPP มีความยั่งยืนและมีประสิทธิผลมากขึ้นในการถนอมอาหาร
 

การไล่ก๊าซออกจากน้ำด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

หลักการทำงานของ HPP

การแปรรูปด้วยความดันสูง (HPP) ทำงานโดยให้ผลิตภัณฑ์อาหาร ซึ่งโดยทั่วไปบรรจุอยู่ในบรรจุภัณฑ์ที่ยืดหยุ่นและกันน้ำ ได้รับความดันสูงมากถึง 6,000 bar (600 MPa) กระบวนการนี้เกิดขึ้นในภาชนะรับความดันสูงที่เติมน้ำไว้ และมีลำดับขั้นตอนที่ตรงไปตรงมา:

1. การนำผลิตภัณฑ์เข้า: ผลิตภัณฑ์ที่บรรจุแล้วจะถูกใส่ในตะกร้าพลาสติกและลำเลียงเข้าสู่ภาชนะรับความดันสูง
2. การเพิ่มความดัน: เติมน้ำลงในภาชนะเพื่อทำหน้าที่เป็นตัวกลางส่งผ่านความดัน จากนั้นเพิ่มความดันในระบบจนถึงระดับที่ต้องการ ซึ่งโดยทั่วไปจะคงไว้เป็นเวลาสองสามนาที
3. ผลของความดันเท่ากันทุกทิศทาง: ความดันจะถูกส่งไปทั่วผลิตภัณฑ์อย่างสม่ำเสมอและทันที โดยไม่ขึ้นกับขนาด รูปร่าง หรือองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ ความดันที่เท่ากันทุกทิศทางนี้ทำให้จุลินทรีย์ที่มากับอาหารและเอนไซม์ที่ทำให้อาหารเสื่อมเสียหมดฤทธิ์ โดยไม่บดอัดหรือทำให้ผลิตภัณฑ์เสียรูป
4. การลดความดันและนำผลิตภัณฑ์ออก: ลดความดันในภาชนะ ระบายน้ำออก และลำเลียงผลิตภัณฑ์ที่ผ่านกระบวนการแล้วออกมา พร้อมสำหรับการบริโภคหรือการแปรรูปต่อไป

การแปรรูปด้วยความดันสูง (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

 
วิธี HPP รับประกันความปลอดภัยของอาหาร พร้อมคงรสชาติ เนื้อสัมผัส และปริมาณสารอาหารไว้ อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ต้องใช้พลังงานป้อนเข้าในปริมาณมาก ซึ่งเป็นปัจจัยที่ได้รับอิทธิพลจากการขาดประสิทธิภาพในการดำเนินงานหลายประการ

ความท้าทายจากการใช้พลังงานสูงใน HPP

ข้อเสียหลักประการหนึ่งของ HPP คือการใช้พลังงานสูง กระบวนการนี้ต้องใช้พลังงานมากเนื่องจาก:

• การเพิ่มความดันของน้ำ (ของเหลวส่งผ่านความดัน): น้ำที่ใช้ส่งผ่านความดันเท่ากันทุกทิศทางต้องใช้พลังงานมากในการอัดและรักษาความดันเป้าหมาย
• อากาศและก๊าซที่ถูกกักอยู่ในของเหลวส่งผ่านความดัน: ฟองอากาศในน้ำลดประสิทธิภาพการส่งผ่านความดัน ทำให้ความต้องการพลังงานเพิ่มขึ้น ฟองเหล่านี้ถูกอัดระหว่างการเพิ่มความดัน โดยดูดซับพลังงานที่อาจนำไปใช้แปรรูปผลิตภัณฑ์อาหารได้หากไม่มีฟองเหล่านี้
• ก๊าซในผลิตภัณฑ์ที่บรรจุแล้ว: อากาศหรือก๊าซที่ถูกกักอยู่ในอาหารที่บรรจุแล้ว (เช่น ในผลิตภัณฑ์กระป๋องหรือผลิตภัณฑ์กึ่งแข็ง) มีส่วนทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานเช่นกัน การอัดกระเปาะก๊าซภายในต้องใช้พลังงานเพิ่มเติม และอาจรบกวนความสม่ำเสมอของความดัน
• การสูญเสียพลังงานความร้อน: แม้ HPP จะถือเป็นกระบวนการที่ไม่ใช้ความร้อน แต่พลังงานบางส่วนจะสูญเสียไปในรูปความร้อนจากการอัดน้ำและแรงเสียดทานของอุปกรณ์ ทำให้ต้นทุนการดำเนินงานและความต้องการในการระบายความร้อนเพิ่มขึ้น

ผลกระทบของอากาศและก๊าซที่ถูกกักอยู่ต่อความต้องการพลังงานของ HPP

การมีอากาศและก๊าซอยู่ส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของ HPP:

• ประสิทธิภาพการส่งผ่านความดันลดลง: อากาศและก๊าซถูกอัดตัวได้ง่ายกว่าของเหลว จึงต้องใช้พลังงานเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ความดันระดับเดียวกันภายในภาชนะ
• ระยะเวลาแปรรูปนานขึ้น: อากาศและก๊าซที่ถูกกักอยู่ทำให้ความดันเท่ากันทุกทิศทางเข้าสู่ภาวะคงที่ช้าลง ส่งผลให้ระยะเวลาของรอบกระบวนการยาวนานขึ้น
• การสูญเปล่าของพลังงาน: กระเปาะก๊าซที่ถูกอัดจะปลดปล่อยพลังงานเมื่อลดความดัน ซึ่งไม่สามารถนำกลับมาใช้ได้ จึงมีส่วนทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมลดลง

ผลกระทบเหล่านี้เด่นชัดเป็นพิเศษเมื่อแปรรูปผลิตภัณฑ์อาหารที่มีปริมาณอากาศสูงตามธรรมชาติ หรือใช้บรรจุภัณฑ์ที่กักก๊าซไว้ในช่องว่างเหนือผลิตภัณฑ์ เช่น ผลิตภัณฑ์กระป๋องหรือผลิตภัณฑ์ที่บรรจุแบบสุญญากาศ

กลยุทธ์เพื่อแก้ไขความท้าทายด้านพลังงานใน HPP

ความพยายามในการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานของ HPP มุ่งเน้นการลดอิทธิพลของอากาศและก๊าซภายในระบบ:
การปรับสภาพเบื้องต้น – การไล่ก๊าซด้วยคลื่นอัลตราโซนิก:
การใช้คลื่นอัลตราโซนิกเพื่อกำจัดอากาศและก๊าซที่ละลายอยู่ในของเหลวส่งผ่านความดันและผลิตภัณฑ์อาหารสามารถลดการสูญเปล่าของพลังงานได้อย่างมาก คาวิเทชันจากคลื่นอัลตราโซนิกทำให้ฟองก๊าซแตกตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยให้ก๊าซหลุดออกก่อนการเพิ่มความดัน
นอกจากนี้ ผลิตภัณฑ์สามารถแข็งตัวได้หลังการไล่ก๊าซด้วยคลื่นอัลตราโซนิกภายใต้สุญญากาศ โดยเฉพาะผลิตภัณฑ์กระป๋องหรือผลิตภัณฑ์ที่ปิดผนึก

การลดลงของออกซิเจนที่ละลายอยู่ตามเวลา โดยใช้เครื่องอัลตราโซนิก UP400ST ที่แอมพลิจูด 100 %, 80 %, 60 %, 40% และ 20 %.
การศึกษา: ©Rognerud et al., 2020.

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกเป็นทางเลือกสำหรับ HPP ที่ยั่งยืน

ระบบ HPP แบบผสมผสานที่รวมคลื่นอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงเข้ากับความร้อนระดับอ่อน (เทอร์โมโซนิเคชัน) หรือเข้ากับความดันที่เพิ่มขึ้นและความร้อนระดับอ่อน (มาโนเทอร์โมโซนิเคชัน) เป็นเทคนิคทางเลือกที่มีแนวโน้มดี ซึ่งทำให้เป็นเนื้อเดียวกันและพาสเจอไรซ์ได้อย่างเชื่อถือได้ภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรงและใช้พลังงานต่ำ เนื่องจากการพาสเจอไรซ์ด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเป็นกระบวนการแบบอินไลน์ จึงสามารถแปรรูปได้แม้ในปริมาณมากโดยมีความคุ้มค่าด้านต้นทุนสูง
เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher สำหรับการพาสเจอไรซ์อาหารเหลวแบบอินไลน์!

แม้ HPP จะใช้กันอย่างแพร่หลายในการแปรรูปอาหาร แต่ลักษณะที่ต้องใช้พลังงานสูงของกระบวนการ ประกอบกับการขาดประสิทธิภาพจากอากาศและก๊าซที่ถูกกักอยู่ ก่อให้เกิดความท้าทายที่สำคัญอย่างยิ่ง การนำกลยุทธ์ต่าง ๆ เช่น การไล่ก๊าซด้วยคลื่นอัลตราโซนิกมาใช้ร่วมกันช่วยให้อุตสาหกรรมอาหารเพิ่มความยั่งยืนและความคุ้มค่าด้านต้นทุนของ HPP ได้
Hielscher Ultrasonics เป็นพันธมิตรที่ได้รับความไว้วางใจสำหรับโซลูชันกระบวนการเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของ HPP โดยนำเสนอเทคโนโลยีอัลตราโซนิกขั้นสูงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานและความเชื่อถือได้ของกระบวนการ นอกจากนี้ Hielscher ยังนำเสนอโซลูชันที่เป็นนวัตกรรมสำหรับการพาสเจอไรซ์อาหารแบบเสริมฤทธิ์ร่วมกันโดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วย เพื่อรับประกันผลิตภัณฑ์อาหารคุณภาพสูงและปลอดภัย