Покращена енергоефективність обробки високим тиском

Обробка високим тиском (HPP) – це нетермічний метод консервації харчових продуктів, який забезпечує мікробну безпеку та подовжує термін придатності, зберігаючи якість продуктів, хоча його енергонеефективність через захоплене повітря та гази створює експлуатаційні труднощі для сталого впровадження. Ультразвукове дегазування рідини, що передає тиск, і рідких харчових продуктів зменшує стисливість, мінімізуючи втрати енергії та покращуючи загальну ефективність процесу HPP.

Обробка високим тиском (HPP): проблеми енергоефективності

Обробка високим тиском (HPP) є одним із провідних нетермічних методів консервації харчових продуктів, що поєднує інактивацію мікроорганізмів та збереження якості рідких і твердих харчових продуктів. Технологія HPP досягає безпеки харчових продуктів і подовженого терміну придатності без погіршення сенсорних або поживних властивостей їжі, відповідаючи зростаючим перевагам споживачів щодо мінімально оброблених продуктів. Однак енерговимоги HPP створюють значні експлуатаційні труднощі, особливо через неефективність, спричинену захопленим повітрям та газами в процесі. Вирішення цих проблем є ключем до розкриття її повного потенціалу для сталого виробництва харчових продуктів.

Огляд: HPP та її енергетичні проблеми

Рішення: ультразвукове дегазування рідин для HPP

Ультразвукове дегазування пропонує ефективне рішення для підвищення енергоефективності обробки високим тиском (HPP) шляхом видалення захопленого повітря та газів як із рідини, що передає тиск, так і з рідких харчових продуктів. Застосовуючи потужний ультразвук, ультразвукова кавітація сприяє швидкому злиттю та вивільненню газових бульбашок, зменшуючи стисливість та мінімізуючи втрати енергії під час стиснення. Ця оптимізація не лише знижує експлуатаційні витрати, а й підвищує стабільність процесу, роблячи HPP більш стійким та ефективним для консервації харчових продуктів.

Ультразвукове дегазування води

Як працює HPP

Обробка високим тиском (HPP) працює шляхом піддання харчових продуктів, зазвичай у гнучкій та водонепроникній упаковці, надзвичайно високому тиску до 6 000 bar (600 MPa). Процес відбувається у заповненому водою резервуарі високого тиску та має просту послідовність:

1. Завантаження: Упаковані продукти поміщають у пластикові кошики та подають у резервуар високого тиску.
2. Стиснення: Резервуар заповнюють водою, яка діє як середовище, що передає тиск. Потім систему стискають до бажаного рівня, який зазвичай підтримують протягом кількох хвилин.
3. Ізостатичний ефект: Тиск прикладається рівномірно та миттєво по всьому продукту, незалежно від його розміру, форми чи складу. Цей ізостатичний тиск інактивує мікроорганізми та ферменти псування, що містяться в їжі, без подрібнення чи деформації продукту.
4. Скидання тиску та розвантаження: Резервуар скидає тиск, воду зливають, а оброблені продукти виводять, готові для споживання або подальшої обробки.

Обробка високим тиском (HPP)
© Balakrishna et al., 2020

Метод HPP забезпечує безпеку харчових продуктів, зберігаючи смак, текстуру та вміст поживних речовин. Однак цей процес вимагає значних енерговитрат, на які впливає кілька експлуатаційних неефективностей.

Проблеми високого енергоспоживання в HPP

Одним із основних недоліків HPP є її високе енергоспоживання. Енергоємність процесу виникає через:

• Стиснення води (зв’язувальна рідина): Вода, що використовується для передачі ізостатичного тиску, вимагає значної енергії для стиснення та підтримки цільового тиску.
• Захоплене повітря та гази у зв’язувальній рідині: Бульбашки повітря у воді зменшують ефективність передачі тиску, збільшуючи енерговимоги. Ці бульбашки стискаються під час стиснення, поглинаючи енергію, яка інакше могла б бути використана для обробки харчового продукту.
• Газ у упакованих продуктах: Повітря або газ, захоплений у упакованих харчових продуктах (наприклад, у консервах або напівтвердих продуктах), аналогічно сприяє втратам енергії. Стиснення внутрішніх газових кишень вимагає додаткової енергії та може порушувати рівномірність тиску.
• Теплові втрати енергії: Хоча HPP вважається нетермічним процесом, частина енергії розсіюється у вигляді тепла через стиснення води та тертя обладнання. Це збільшує експлуатаційні витрати та потреби в охолодженні.

Вплив захопленого повітря та газів на енерговимоги HPP

Наявність повітря та газів суттєво впливає на ефективність HPP:

• Знижена ефективність передачі тиску: Повітря та гази стискаються легше, ніж рідини, а це означає, що для досягнення того самого тиску в резервуарі потрібна додаткова енергія.
• Триваліші часи обробки: Захоплене повітря та гази затримують стабілізацію ізостатичного тиску, подовжуючи тривалість циклів.
• Втрати енергії: Стиснуті газові кишені вивільняють енергію при скиданні тиску, яку неможливо відновити, що сприяє загальній неефективності.

Ці ефекти особливо помітні при обробці харчових продуктів із природно високим вмістом повітря або упаковки, що захоплює газ у вільному просторі, наприклад, консервованих або вакуумно упакованих товарів.

Стратегії вирішення енергетичних проблем у HPP

Зусилля щодо покращення енергоефективності HPP зосереджені на зменшенні впливу повітря та газів у системі:
Попередня обробка – ультразвукове дегазування:
Застосування ультразвуку для видалення розчиненого повітря та газів із зв’язувальної рідини та харчових продуктів може значно зменшити втрати енергії. Ультразвукова кавітація ефективно руйнує газові бульбашки, дозволяючи їм вийти до стиснення.
Крім того, продукти можуть затвердіти після ультразвукового дегазування під вакуумом, особливо консервовані або герметично упаковані товари.

Зменшення розчиненого кисню з часом використовуючи соникатор UP400ST при амплітудах 100 %, 80 %, 60 %, 40% та 20 %.
Дослідження: ©Rognerud et al., 2020.

Ультразвукова обробка як альтернатива для стійкої HPP

Гібридні системи HPP, що поєднують високоефективний ультразвук із м’яким нагріванням (термосонікація) або з підвищеним тиском і м’яким нагріванням (манотермосонікація), є перспективними альтернативними технологіями, які забезпечують надійну гомогенізацію та пастеризацію в м’яких умовах та при низькому енергоспоживанні. Оскільки ультразвукова пастеризація є потоковим процесом, навіть великі обсяги можна обробляти з високою економічною ефективністю.
Дізнайтеся більше про соникатори Hielscher для потокової пастеризації рідких харчових продуктів!

Хоча HPP широко використовується для переробки харчових продуктів, її енергоємність, посилена неефективністю через захоплене повітря та гази, створює критичну проблему. Інтегруючи стратегії, такі як ультразвукове дегазування, харчова промисловість може підвищити стійкість та економічну ефективність HPP.
Hielscher Ultrasonics є надійним партнером для процесних рішень в оптимізації HPP, пропонуючи передові ультразвукові технології для покращення енергоефективності та надійності процесу. Крім того, Hielscher надає інноваційні рішення для синергічної ультразвукової пастеризації харчових продуктів, забезпечуючи високоякісні та безпечні харчові продукти.