Ultraschall-Siebschüttler für eine verbesserte Siebung – eine Fallstudie
Die herkömmliche mechanische Siebung feiner Pulver wird häufig durch die schnelle Bildung von Agglomeraten beeinträchtigt – oft verursacht durch die Klebrigkeit der Stärke –, die das Siebgewebe rasch zusetzen und die Trenneffizienz drastisch verringern. Der Ultraschall-Siebschüttler begegnet dieser zentralen Herausforderung mit hochfrequenten mechanischen Schwingungen, die die Sieboberfläche kontinuierlich von Verstopfungen befreien.
Die Ergebnisse der hier vorgestellten Studie zeigen eine deutliche Verbesserung der Trenneffizienz gegenüber herkömmlichen Methoden: Während bei der herkömmlichen Siebung weniger als 55% des Materials im optimalen Größenbereich von 200–450 μm gewonnen wurden, erhöhte der Ultraschallaufbau die Ausbeute der gewünschten Fraktion erheblich. Besonders hervorzuheben ist, dass ein Siebzyklus von 10 Minuten bei einer Ultraschallamplitude von 75% erfolgreich 83,79% des Maismehls im Zielgrößenbereich abtrennte. Dies belegt, dass das Freihalten der Siebe durch Ultraschall eine hochwirksame und gerechtfertigte Verarbeitungsmethode ist, um eine präzise Partikelgrößenverteilung sicherzustellen.
Wer profitiert vom Einsatz eines Ultraschall-Siebschüttlers?
- Qualitätskontrolle und Laborforschung: Wissenschaftler und Techniker, die Partikelgrößenanalysen durchführen, erhalten genaue, reproduzierbare Ergebnisse ohne Beeinträchtigung durch zugesetztes Siebgewebe.
- Lebensmittelindustrie und Verarbeitungsbetriebe: Branchen, die stärkehaltige Materialien wie Mais-, Weizen- und Roggenmehl verarbeiten, profitieren von einer gleichmäßigen Partikelgröße, die für die Optimierung von Produkten wie direkt expandierten Extrudaten unerlässlich ist.
- Produktionsbetriebe: Betriebe, die Extrusion oder ähnliche Verfahren einsetzen, verbessern die Qualität ihrer Endprodukte, da gleichmäßige Partikelgrößen während der Verarbeitung eine bessere Wärmeübertragung und die gewünschten Textureigenschaften gewährleisten.
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Ultraschall-Siebschüttler mit Siebturm
Fallstudie: Ultraschall-Siebschüttler zum Freihalten der Siebe bei der Maismehlsiebung
Die Fallstudie von Brnčić und Kollegen (2009) untersucht den Einsatz des Ultraschall-Siebschüttlers von Hielscher zur Verbesserung der Maismehlsiebung für die Herstellung direkt expandierter extrudierter Lebensmittel, darunter mit Molken- oder Sojaproteinen angereicherte Snacks. Die Partikelgröße ist bei der Extrusion entscheidend, da sie die Mischung der Zutaten, die Wärmeübertragung, die Expansion und die Textur des Endprodukts beeinflusst. Die Forscher wollten daher Maismehlpartikel zwischen 200 und 450 μm abtrennen – dem bevorzugten Größenbereich für diese Anwendung.
Die herkömmliche Siebung 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 das Siebgewebe mit einer Maschenweite von 450 μm. Die Verstopfung begann innerhalb der ersten oder zweiten Minute und verschlimmerte sich mit zunehmender Verarbeitungsdauer. Infolgedessen sank der Mehlanteil im gewünschten Größenbereich von 55,58% nach 5 Minuten auf 54,11% nach 10 Minuten und auf nur 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. Für jede Siebdauer wurden drei Ultraschallamplituden – 25%, 50% und 75% – untersucht. Die hochfrequenten mechanischen Schwingungen durchliefen das Sieb, lösten Agglomerate auf und hielten die Maschenöffnungen frei.
Durch Ultraschall in Schwingung versetzte Siebe bewirkten eine erhebliche Verbesserung:
- Nach 5 Minuten nahm die nutzbare Fraktion mit steigender Amplitude zu und erreichte bei 75% Amplitude einen Anteil von 79,57%.
- Nach 10 Minuten bei 75% Amplitude lagen 83,79% des Mehls im Zielgrößenbereich, verglichen mit 54,11% bei herkömmlicher Siebung – ein Zuwachs von fast 30 Prozentpunkten.
- Nach 15 Minuten bei 75% Amplitude blieb die Zielfraktion mit 83,4% ähnlich hoch, verglichen mit nur 49,37% ohne Ultraschall.
Die beiden besten Ergebnisse übertrafen den in der Studie festgelegten Richtwert von 75% für eine wirtschaftlich tragfähige Verarbeitung.
Ergebnisse der Maismehlsiebung mit dem Ultraschall-Siebschüttler nach 10 Minuten
Studie und Grafik: ©Brnčić et al., 2009.
Der Hauptvorteil der Ultraschallsiebung liegt daher darin, Siebverstopfungen zu verhindern und gleichzeitig eine höhere und gleichmäßigere Ausbeute an Material im richtigen Partikelgrößenbereich zu erzielen. Sie kann zudem die Siebkapazität aufrechterhalten, die Abhängigkeit von manuellen oder mechanischen Reinigungsmethoden verringern und die damit verbundenen Risiken einer Beschädigung des Siebgewebes und einer Produktverunreinigung begrenzen.
Insgesamt identifiziert die Studie eine Siebdauer von 10 Minuten bei einer Ultraschallamplitude von 75% als die effizienteste der getesteten Bedingungen. Die resultierende Mehlfraktion ermöglicht eine gleichmäßigere Mischung mit Proteinkonzentraten und sollte eine gleichmäßigere Extrusion, Expansion und Produkttextur fördern. Die Methode könnte sich auch zur Trennung anderer pulverförmiger Materialien nach Partikelgröße eignen.
Warum sollte ich einen Ultraschall-Siebschüttler verwenden?
- Vermeidung von Siebverstopfungen: Die herkömmliche Siebung feiner, klebriger Pulver wie Maismehl führt häufig zu einer schnellen Verstopfung des Siebgewebes, da die Klebrigkeit der Stärke eine Agglomeration der Partikel verursacht. Ultraschallschwingungen lösen diese Agglomerate kontinuierlich auf und halten die Maschenöffnungen während des gesamten Prozesses frei.
- Deutliche Steigerung von Ausbeute und Genauigkeit: Indem die Ultraschallsiebung Verstopfungen verhindert, kann sie die Ausbeute der gewünschten Partikelfraktion drastisch verbessern. In der Fallstudie stieg beispielsweise der Anteil der Zielfraktion (200–450 μm) von unter 55% bei herkömmlicher Siebung auf über 83% bei Verwendung von Ultraschall.
- Optimierung nachgelagerter Verarbeitungsschritte: Eine präzise Partikelgrößenverteilung ist für Analytik, Qualitätskontrolle und industrielle Anwendungen entscheidend.
- Überlegene Leistung bei feinen Partikeln: Herkömmliche Methoden versagen bei feinen Siebgeweben (z. B. 450 μm oder kleiner) häufig aufgrund schneller Verstopfung. Das Freihalten durch Ultraschall gewährleistet, dass selbst feinste Siebgewebe wirksam bleiben und eine hochpräzise Trennung feiner Pulver und Suspensionen ermöglichen.
- Längere Haltbarkeit des Siebgewebes, weniger Reinigung: Mechanische Siebreinigungsscheiben oder manuelle Eingriffe können ineffizient sein und empfindliches Siebgewebe möglicherweise beschädigen. Ultraschall-Siebschüttler verringern den Verschleiß des Siebgewebes.
- Zeit- und Kosteneffizienz: Die Ultraschallsiebung erzielt höhere Ausbeuten in kürzerer Zeit als eine verlängerte herkömmliche Siebung, bei der die Ausbeute geringer ausfällt. Diese Effizienz senkt die Arbeitskosten und erhöht den Probendurchsatz im Labor.
- Branchenübergreifende Vielseitigkeit: Obwohl die Technologie anhand von Lebensmittelmaterialien wie Mais-, Weizen- und Roggenmehl demonstriert wurde, lässt sie sich auf verschiedene feine Pulver und in Flüssigkeiten suspendierte Partikel anwenden. Dadurch ist sie für die pharmazeutische, chemische und materialwissenschaftliche Forschung wertvoll.
- Verbesserte Reproduzierbarkeit: Durch einen gleichmäßigen und kontrollierten Mechanismus zum Freihalten der Siebe verringert die Ultraschallsiebung die mit manueller Siebung oder mechanischem Klopfen verbundene Variabilität und führt zu zuverlässigeren und besser reproduzierbaren Analyseergebnissen.
Häufig gestellte Fragen: Ultraschallsiebung von Lebensmittelmaterialien
Was ist der Hauptvorteil eines Ultraschall-Siebschüttlers für feine Pulver wie Mehl?
Der wichtigste Vorteil ist die Vermeidung des „Zusetzens der Siebe“ (Verstopfung). Feine Pulver, insbesondere solche mit hohem Stärkegehalt wie Maismehl, neigen aufgrund ihrer Klebrigkeit und durch Partikelkollisionen zur Bildung von Agglomeraten. Diese Agglomerate verstopfen das Siebgewebe schnell und verringern die Trenneffizienz. Die Ultraschallsiebung nutzt hochfrequente Schwingungen, um diese Agglomerate in Echtzeit aufzulösen, die Maschenöffnungen freizuhalten und eine genaue Partikelgrößenverteilung sicherzustellen.
Wie funktioniert das Ultraschallsystem zum Freihalten der Siebe?
Das System verwendet einen Ultraschallwandler, der an einem leeren Ring montiert ist, der zwischen dem untersten Sieb und der Gerätebasis eingesetzt wird. Ein Leistungsgenerator wandelt elektrische Impulse in ein energiereiches mechanisches Signal um. Dieses Signal durchdringt die Sieboberfläche, löst Agglomerate auf und befreit das Siebgewebe während des Siebprozesses kontinuierlich von Verstopfungen.
Warum ist eine präzise Partikelgröße bei der Extrusion wichtig?
Die Partikelgröße beeinflusst die Qualität des Endprodukts unmittelbar. Bei direkt expandierten Extrudaten haben größere Partikel eine geringere Kontaktfläche mit dem Extruderzylinder, was zu schlechter Wärmeübertragung und ungleichmäßiger Verarbeitung führt. Dagegen gewährleisten Partikel im richtigen Größenbereich eine gleichmäßige Erwärmung und bessere Textureigenschaften. Im Allgemeinen wird die Wirtschaftlichkeitsschwelle erreicht, wenn mindestens 75% der Rohmaterialpartikel im gewünschten Größenbereich liegen.
Wie schneidet die Ultraschallsiebung im Vergleich zur herkömmlichen mechanischen Siebung ab?
Die herkömmliche Siebung ohne Ultraschall führt häufig zu einer schnellen Verstopfung der Siebe. In der Studie von Brnčić et al. (2009) waren die Siebe innerhalb der ersten ein bis zwei Minuten vollständig zugesetzt, wobei das Sieb mit einer Maschenweite von 450 μm am stärksten betroffen war. Herkömmliche Methoden lieferten selbst bei verlängerten Siebzeiten weniger als 55% des Materials im optimalen Größenbereich. Die Ultraschallsiebung verbesserte dies erheblich und ermöglichte die Gewinnung von über 83% der gewünschten Fraktion.
Bietet die Ultraschallsiebung betriebliche Vorteile im Labor?
Ja. Ultraschall-Siebschüttler beschleunigen die Siebabläufe erheblich, verbessern die Siebeffizienz und verringern den Verschleiß empfindlicher Siebgewebe.
Wie verbessert die Ultraschallsiebung die Genauigkeit der Partikelgrößenanalyse gegenüber herkömmlichen Methoden?
Die herkömmliche Siebung feiner Pulver führt aufgrund der Bildung von Agglomeraten häufig zum „Zusetzen“ oder Verstopfen der Siebe, was die Ergebnisse verfälschen kann. Die Ultraschallsiebung löst dieses Problem durch ein hochfrequentes mechanisches Signal, das von einem an der Siebbasis montierten Ultraschallwandler erzeugt wird. Diese Energie durchdringt die Oberfläche des Siebgewebes, um Agglomerate in Echtzeit aufzulösen, das Siebgewebe freizuhalten und eine genaue Trennung sicherzustellen.
Welche Einstellungen sind bei der Ultraschallsiebung optimal, um die besten Trennergebnisse zu erzielen?
Forschungsergebnisse zeigen, dass sowohl die Siebdauer als auch die Ultraschallamplitude entscheidende Faktoren sind. Bei Materialien wie Maismehl erwies sich eine Siebdauer von 10 Minuten in Kombination mit einer Ultraschallamplitude von 75% als hochwirksam. Mit dieser spezifischen Einstellung wurden erfolgreich 83,79% des Materials im gewünschten Partikelgrößenbereich (200–450 μm) abgetrennt, womit herkömmliche Siebmethoden deutlich übertroffen wurden. (vgl. Brnčić et al., 2009)
Warum ist eine präzise Trennung nach Partikelgröße für nachgelagerte industrielle Prozesse wie die Extrusion wichtig?
Die Partikelgröße beeinflusst die Qualität des Endprodukts unmittelbar. Größere Partikel haben eine geringere Kontaktfläche mit dem Extruderzylinder, was zu schlechter Wärmeübertragung und ungleichmäßiger Verarbeitung führt. Dagegen gewährleisten Partikel im richtigen Größenbereich eine gleichmäßige Erwärmung und einen besseren Kontakt mit den inneren Komponenten des Extruders, was zu überlegenen Textureigenschaften des fertigen Extrudats führt.
Literatur / Quellen
- FactSheet Ultrasonic Sieve Shaker UP200TS – Hielscher Ultrasonics
- FactSheet Ultraschall-Siebsystem UP200TS – Hielscher Ultrasonics – deutsch
- Brnčić, Mladen; Ines, Bradač; Tripalo, Branko; Ježek, Damir; Obradović, Valentina; Sven, Karlović; Bosiljkov, Tomislav (2009): Ultrasonically Improved Sieving of Food Materials for Manufacturing of Direct Expanded Extrudates. Agriculturae Conspectus Scientificus (ACS) 74, 2009.
- Xu R., Hong J., Morse C.L., Pike V.W. (2010): Synthesis, structure-affinity relationships, and radiolabeling of selective high-affinity 5-HT4 receptor ligands as prospective imaging probes for positron emission tomography. Journal of Medicinal Chemistry Oct 14;53(19), 2010. 7035-7047.
- An, Y., Kim, K., Lee, YJ. et al. (2026): Binding properties of sulfur to enable solvent-free fabrication of high-performance polymer-free sulfur-carbon positive electrodes. Nature Communications 17, 2360 (2026).
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