Ultraschall-Siebmaschine für ein verbessertes Sieben – Eine Fallstudie

Das herkömmliche mechanische Sieben von Feinpulvern wird häufig durch die rasche Bildung von Agglomeraten behindert – oft durch die Klebrigkeit der Stärke verursacht – die das Siebgewebe schnell verstopfen und die Trennleistung drastisch verringern. Der Ultraschall-Siebschüttler bewältigt diese entscheidende Herausforderung, indem er hochfrequente mechanische Schwingungen einsetzt, um die Sieboberfläche kontinuierlich von Ablagerungen zu befreien.
Die Ergebnisse der hier vorgestellten Studie zeigen eine dramatische Verbesserung der Trennleistung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden; während beim traditionellen Sieben weniger als 55 % des Materials im optimalen Bereich von 200–450 μm gewonnen wurden, verbesserte die Ultraschallanlage die Ausbeute der gewünschten Fraktion erheblich. Besonders bemerkenswert ist, dass ein 10-minütiger Siebzyklus bei einer Ultraschallamplitude von 75 % erfolgreich 83,79 % des Maismehls innerhalb des Zielgrößenbereichs isolierte, was beweist, dass das Ultraschall-Entblindungsverfahren ein hochwirksames und gerechtfertigtes Verarbeitungsverfahren zur Gewährleistung einer präzisen Partikelgrößenverteilung ist.

Wer profitiert vom Einsatz eines Ultraschall-Siebschüttlers?

• Qualitätskontrolle & Laborforschung: Wissenschaftler und Techniker, die Partikelgrößenanalysen durchführen, erzielen genaue, reproduzierbare Ergebnisse, ohne dass es zu einer Verstopfung der Siebe kommt.
• Lebensmittelindustrie & Prozessoren: Branchen, die mit stärkehaltigen Rohstoffen wie Mais-, Weizen- und Roggenmehl arbeiten, profitieren von einer gleichmäßigen Partikelgröße, die für die Optimierung von Produkten wie direkt expandierten Extrudaten unerlässlich ist.
• Produktionsabläufe: Anlagen, die Extrusion oder ähnliche Verfahren einsetzen, verbessern die Qualität ihrer Endprodukte, da einheitliche Partikelgrößen eine bessere Wärmeübertragung und die gewünschten Textureigenschaften während der Verarbeitung gewährleisten.

Fallstudie: Ultraschall-Siebschüttler zum Entstopfen von Sieben beim Sieben von Maismehl

Die Fallstudie von Brnčić und Kollegen (2009) untersucht den Einsatz des Hielscher-Ultraschall-Siebschüttlers zur Verbesserung des Siebens von Maismehl für die Herstellung von direkt expandierten Extrudaten, darunter Snacks, die mit Molke- oder Sojaproteinen angereichert sind. Die Partikelgröße ist bei der Extrusion von entscheidender Bedeutung, da sie das Vermischen der Zutaten, die Wärmeübertragung, die Expansion und die Textur des Endprodukts beeinflusst. Die Forscher hatten daher das Ziel, Maismehlpartikel mit einer Größe zwischen 200 und 450 μm zu isolieren. – der empfohlene Bereich für diese Anwendung.

Das herkömmliche Sieben wurde über 5, 10 und 15 Minuten getestet. Da Maismehl klebrige Stärke enthält, stießen die Partikel zusammen und bildeten Agglomerate, die das Sieb verstopften, insbesondere die 450-μm-Maschenweite. Die Verstopfung setzte bereits in der ersten oder zweiten Minute ein und verschlimmerte sich mit zunehmender Verarbeitungsdauer. Infolgedessen sank der Anteil des Mehls im gewünschten Bereich von 55,58 % nach 5 Minuten auf 54,11 % nach 10 Minuten und auf nur noch 49,37 % nach 15 Minuten.

Die Versuche wurden mit einem Ultraschallsystem mit einer Nennleistung von bis zu 250 W und einer Betriebsfrequenz von 24 kHz wiederholt. Drei Ultraschallamplituden – 25 %, 50 % und 75 % – wurden bei jeder Siebdauer ausgewertet. Die hochfrequenten mechanischen Schwingungen drangen durch das Sieb, zerbrachen Agglomerate und hielten die Maschenöffnungen frei.

Ultraschallgesiebte Siebe führten zu einer erheblichen Verbesserung:

• Nach 5 Minuten stieg der nutzbare Anteil mit zunehmender Amplitude an und erreichte bei einer Amplitude von 75 % einen Wert von 79,57 %.
• Nach 10 Minuten bei einer Amplitude von 75 % lagen 83,79 % des Mehls innerhalb des Zielbereichs, verglichen mit 54,11 % beim herkömmlichen Sieben. – ein Zuwachs von fast 30 Prozentpunkten.
• Nach 15 Minuten bei einer Amplitude von 75 % blieb der Zielanteil mit 83,4 % ähnlich hoch, während er ohne Ultraschall nur 49,37 % betrug.

Die beiden besten Ergebnisse lagen über dem in der Studie festgelegten Richtwert von 75 % für eine wirtschaftlich tragfähige Aufbereitung.

Ergebnisse des Siebens von Maismehl mit dem Ultraschall-Siebschüttler nach 10 Minuten
Studie und Grafik: ©Brnčić et al., 2009.

Der Hauptvorteil des Ultraschallsiebens liegt daher darin, dass es ein Verstopfen der Siebe verhindert und gleichzeitig eine größere und gleichmäßigere Ausbeute an Material der richtigen Korngröße gewährleistet. Zudem kann es die Siebleistung aufrechterhalten, die Abhängigkeit von manuellen oder mechanischen Reinigungsmethoden verringern und die damit verbundenen Risiken von Siebschäden und Produktverunreinigungen begrenzen.

Insgesamt ermittelt die Studie, dass ein 10-minütiges Sieben bei einer Ultraschallamplitude von 75 % die effizienteste der getesteten Bedingungen darstellt. Die so gewonnene Mehlfraktion ermöglicht eine gleichmäßigere Vermischung mit Eiweißkonzentraten und dürfte zu einer konsistenteren Extrusion, Expansion und Produkttextur beitragen. Das Verfahren könnte sich auch für die Trennung anderer pulverförmiger Materialien nach Partikelgröße eignen.

Warum sollte ich einen Ultraschall-Siebschüttler verwenden?

• Vermeidung von Siebverstopfungen: Das herkömmliche Sieben von feinen, klebrigen Pulvern (wie Maismehl) führt häufig zu einer schnellen Verstopfung der Siebmaschen aufgrund von Partikelagglomeraten, die durch die Klebrigkeit der Stärke verursacht werden. Ultraschallschwingungen zersetzen diese Agglomerate kontinuierlich und halten so die Siebmaschenöffnungen während des gesamten Prozesses frei.
• Deutliche Steigerung von Ertrag und Genauigkeit: Durch die Vermeidung von Verstopfungen kann das Ultraschallsieben die Ausbeute der gewünschten Partikelfraktion drastisch verbessern. In der Fallstudie stieg beispielsweise der Anteil der Zielfraktion (200–450 μm) von unter 55 % beim herkömmlichen Sieben auf über 83 % beim Ultraschallsieben.
• Optimierung der nachgelagerten Verarbeitung: Eine genaue Partikelgrößenverteilung ist für Analysen, die Qualitätskontrolle und industrielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung.
• Hervorragende Leistung bei feinen Partikeln: Herkömmliche Verfahren versagen häufig bei feinen Maschenweiten (z. B. 450 μm oder kleiner), da es schnell zu Verstopfungen kommt. Die Ultraschall-Entstopfung sorgt dafür, dass selbst feinste Maschenweiten ihre Wirksamkeit behalten, und ermöglicht so eine hochpräzise Trennung von feinen Pulvern und Suspensionen.
• Verbesserte Haltbarkeit des Netzes, weniger Reinigungsaufwand: Mechanische Entstopfungsscheiben oder manuelle Eingriffe können ineffizient sein und empfindliche Siebgewebe möglicherweise beschädigen. Ultraschall-Siebmaschinen verringern den Verschleiß der Siebgewebe.
• Zeit- und Kosteneffizienz: Das Ultraschallsieben erzielt in kürzerer Zeit höhere Ausbeuten im Vergleich zu den längeren Siebzeiten herkömmlicher Verfahren, die geringere Rückgewinnungsraten liefern. Diese Effizienz senkt die Arbeitskosten und erhöht den Durchsatz im Labor.
• Branchenübergreifende Vielseitigkeit: Die Technologie wurde zwar anhand von Lebensmitteln wie Mais-, Weizen- und Roggenmehl demonstriert, lässt sich jedoch auf verschiedene feine Pulver und in Flüssigkeiten suspendierte Partikel anwenden, was sie für die Forschung in den Bereichen Pharmazie, Chemie und Materialwissenschaften wertvoll macht.
• Verbesserte Reproduzierbarkeit: Durch die Bereitstellung eines einheitlichen und kontrollierten Mechanismus zur Aufhebung der Verblindung reduziert das Ultraschallsieben die mit dem manuellen Sieben oder dem mechanischen Abklopfen verbundenen Schwankungen, was zu zuverlässigeren und besser reproduzierbaren Analyseergebnissen führt.

Literatur / Literaturhinweise