Энергоэффективность новейших технологий обработки

Рост мирового населения и изменение климата к 2030 году повысят потребности производства продуктов питания наполовину, энергопотребление — на 45 % и водопотребление — на 30 %. Данные по США говорят о том, что при правильном изменении технологий производства, обработки, транспортировки и потребления энергосбережение в пищевой цепочке может составить 50 %. В зависимости от типа производства, на обработку пищевых продуктов может уходить до трети используемой энергии. Около 68 % энергии расходуется при обогреве технологического оборудования и помещения, 16 % — при работе двигателей, 8 % — при электрическом нагреве, 6 % — при охлаждении, и оставшаяся часть — при работе компрессоров.

Существует несколько способов сэкономить энергию. На уровне перерабатывающего предприятия этого можно добиться при оптимизации и интеграции традиционных тепловых процессов и технологий. Чтобы минимизировать потери и повысить энергосбережение при переработке продуктов питания, потребуется применение новых нетепловых технологий либо технологий умеренного нагрева. К нетепловым методам относятся обработка высоким давлением (HPP) и импульсное электрическое поле (PEF). К технологиям умеренного нагрева относятся СВЧ-нагрев, омический нагрев. Также можно применять световые технологии.

Вышеуказанные процессы помогают снизить микробиологическую нагрузку либо без применения тепла, либо в режиме регулируемого нагрева, так как они обеспечивают более точный профиль нагрева по сравнению с традиционными методами.

Изучению альтернативных технологий посвящен ряд исследований, однако большинство из них сосредоточено на устранении микробов, увеличении срока годности, удержании питательных веществ и сохранении качества продовольственных продуктов. Но недавно был проведен подробный сравнительный анализ, рассматривающий основные принципы энергопреобразования, способы оценки и энергопотребление четырех альтернативных технологий: обработки высоким давлением (HPP), обработки импульсным электрическим полем (PEF), мембранной фильтрации (MF) и обработки ультрафиолетом (UV).

Для более точного энергоанализа и сравнения традиционных и альтернативных технологий можно использовать три уровня энергопотребления:

• посчитать внутреннюю энергию (выработку энергии);
• посчитать энергоемкость (затраты энергии, то есть потребляемую мощность);
• посчитать общий расход энергии (затраты электроэнергии, учитывая, что все технологии работают с использованием электричества).

Тепловая обработка обычно подра-зумевает передачу тепловой энергии. Для выработки пара используется ископаемое топливо. КПД не превышает 3 %. Применение различных режимов теплопередачи при обработке продовольственных продуктов зависит от типа продукта и упаковки.

Альтернативные технологии обработки устраняют необходимость использовать пар, потребность в котлах, паровых линиях и обычных теплообменниках. Кроме того, они гораздо более эффективны при преобразовании электрической энергии. Эти усовершенствованные методы позволяют использовать давление, механическую, электромагнитную, световую, электрическую и другие формы энергии, чтобы замедлить микробиологические процессы и биохимические реакции в продуктах питания.

Принцип обработки HPP основан на применении электроэнергии для запуска насоса, отвечающего за сжатие, которое необходимо для увеличения давления. Основная часть энергии потребляется при поднятии давления до достижения необходимого уровня, чаще всего — 600 МПа. В это время электроэнергия используется электрическим мотором для управления сосудом.

Механизм MF включает в себя прохождение жидкости через мембрану под воздействием электрических насосов. Требования к мощности насоса и его эффективность зависят от объемного расхода, типа жидкости, расстояния и силы трения.

При обработке PEF электроэнергия преобразуется в мощные импульсы посредством накопления электрического тока в конденсаторе, которые поступают в лоток для загрузки продуктов и далее в камеру обработки. Общая мощность систем PEF зависит от конденсатора, резистора, ограничивающего ток зарядки, и частоты повторения разрядника.

Источник излучения радиационной энергии в виде света (UV) состоит из газоразрядной лампы-вспышки, которая преобразует электричество в радиацию. Общий расход энергии UV-систем — это суммарные показатели энергии, потребляемой источниками ультрафиолета, системами охлаждения и процессами движения продукта.

При оценке удельной энергии высокотемпературной пастеризации (HTST), мембранной фильтрации MF и обработки ультрафиолетом UV исследователи обнаружили, что количество энергии, расходуемой при MF и UV, может быть в 1000–10 000 раз меньше, чем при HTST. Для уменьшения логарифма числа бактерий E.coli в яблочном соке в пять раз расход энергии при HTST был в пределах между 228 и 167 Дж/г, при мембранной фильтрации — между 381,0 и 0,3 Дж/г, а при обработке ультрафиолетом — между 12,6 и 0,02 Дж/г. Разница при PEF- и HPP-обработке по сравнению с HTST-обработкой небольшая: между 70–41 Дж/г и между 483 338Дж/г соответственно.

Ученые пришли к выводу, что традиционные, тепловые технологии хорошо поддаются оптимизации для воспроизводства значительной части энергии в теплообменниках. Учитывая новизну альтернативных технологий, подходы к их оптимизации еще не разработаны. Однако есть перспективы улучшить оборудование и системы с точки зрения энергоэффективности и энерговоспроизведения.