Ultraääniseularavistin tehostaa seulontaa – tapaustutkimus

Hienojakoisten jauheiden perinteistä mekaanista seulontaa haittaa usein agglomeraattien nopea muodostuminen – usein tärkkelyksen tahmeuden vuoksi – sillä ne tukkivat nopeasti seulaverkon ja heikentävät erotustehokkuutta huomattavasti. Ultraääniseularavistin vastaa tähän kriittiseen haasteeseen käyttämällä suurtaajuista mekaanista värähtelyä, joka pitää seulan pinnan jatkuvasti vapaana tukoksista.
Tässä esitetyn tutkimuksen tulokset osoittavat erotustehokkuuden parantuneen merkittävästi perinteisiin menetelmiin verrattuna: perinteisellä seulonnalla alle 55 % materiaalista saatiin optimaaliselle 200–450 μm:n kokoalueelle, kun taas ultraäänilaitteisto paransi huomattavasti halutun jakeen talteenottoa. Erityisen merkittävää on, että 10 minuutin seulontajakso 75 %:n ultraääniamplitudilla erotti onnistuneesti 83,79 % maissijauhosta tavoitellulle kokoalueelle. Tämä osoittaa, että tukosten poistaminen ultraäänellä on erittäin tehokas ja perusteltu käsittelymenetelmä tarkan hiukkaskokojakauman varmistamiseksi.

Ketkä hyötyvät ultraääniseularavistimen käytöstä

• Laadunvalvonta ja laboratoriotutkimus: Hiukkaskokoanalyysejä tekevät tutkijat ja teknikot saavat tarkkoja, toistettavia tuloksia ilman seulaverkon tukkeutumisen aiheuttamia häiriöitä.
• Elintarviketeollisuus ja elintarvikkeiden jalostajat: Tärkkelyspohjaisia materiaaleja, kuten maissi-, vehnä- ja ruisjauhoa, käsittelevät teollisuudenalat hyötyvät tasaisesta hiukkaskoosta, joka on välttämätön esimerkiksi suoraan paisutettujen ekstrudaattien kaltaisten tuotteiden optimoinnissa.
• Tuotantotoiminta: Ekstruusiota tai vastaavia prosesseja käyttävät tuotantolaitokset parantavat lopputuotteidensa laatua, sillä tasainen hiukkaskoko varmistaa paremman lämmönsiirron ja halutut rakenneominaisuudet käsittelyn aikana.

Tapaustutkimus: ultraääniseularavistin seulojen tukosten poistamiseen maissijauhon seulonnan aikana

Brnčićin ja hänen kollegoidensa tapaustutkimuksessa (2009) arvioidaan Hielscherin ultraääniseularavistimen käyttöä maissijauhon seulonnan tehostamiseen valmistettaessa suoraan paisutettuja ekstrudoituja elintarvikkeita, kuten hera- tai soijaproteiineilla rikastettuja välipalatuotteita. Hiukkaskoko on ekstruusiossa ratkaiseva, koska se vaikuttaa ainesosien sekoittumiseen, lämmönsiirtoon, paisumiseen ja lopputuotteen rakenteeseen. Tutkijat pyrkivät siksi erottamaan maissijauhohiukkaset, joiden koko oli 200–450 μm – tähän käyttötarkoitukseen suositeltu kokoalue.

Perinteistä seulontaa testattiin 5, 10 ja 15 minuutin ajan. Koska maissijauho sisältää tahmeaa tärkkelystä, hiukkaset törmäsivät toisiinsa ja muodostivat agglomeraatteja, jotka tukkivat seulan, erityisesti 450 μm:n seulaverkon. Tukkeutuminen alkoi ensimmäisen tai toisen minuutin aikana ja paheni käsittelyn jatkuessa. Tämän seurauksena halutulle kokoalueelle sijoittuvan jauhon osuus laski 5 minuutin jälkeen mitatusta 55,58 %:sta 54,11 %:iin 10 minuutin jälkeen ja vain 49,37 %:iin 15 minuutin jälkeen.

Kokeet toistettiin ultraäänijärjestelmällä, jonka nimellisteho oli enintään 250 W ja toimintataajuus 24 kHz. Kullakin seulonta-ajalla arvioitiin kolmea ultraääniamplitudia – 25 %, 50 % ja 75 %. Suurtaajuinen mekaaninen värähtely välittyi seulan läpi, hajotti agglomeraatteja ja piti seulaverkon aukot avoimina.

Ultraäänellä värähtelevät seulat paransivat tuloksia huomattavasti:

• 5 minuutin jälkeen käyttökelpoisen jakeen osuus kasvoi amplitudin kasvaessa ja saavutti 79,57 % amplitudin ollessa 75 %.
• 10 minuutin jälkeen 75 %:n amplitudilla 83,79 % jauhosta sijoittui tavoitellulle kokoalueelle, kun perinteisellä seulonnalla vastaava osuus oli 54,11 % – parannus oli lähes 30 prosenttiyksikköä.
• 15 minuutin jälkeen 75 %:n amplitudilla tavoitellun jakeen osuus pysyi vastaavasti suurena, 83,4 %:ssa, kun ilman ultraääntä osuus oli vain 49,37 %.

Kaksi parasta tulosta ylittivät tutkimuksessa käytetyn 75 %:n vertailurajan taloudellisesti kannattavalle käsittelylle.

Maissijauhon ultraääniseularavistimella tehdyn seulonnan tulokset 10 minuutin jälkeen
Tutkimus ja kuvaaja: ©Brnčić ym., 2009.

Ultraääniseulonnan tärkein etu on siten sen kyky estää seulan tukkeutuminen ja samalla tuottaa suurempi ja tasaisempi saanto oikeankokoista materiaalia. Se voi myös ylläpitää seulontakapasiteettia, vähentää riippuvuutta manuaalisista tai mekaanisista puhdistusmenetelmistä sekä pienentää niihin liittyviä seulaverkon vaurioitumisen ja tuotteen kontaminoitumisen riskejä.

Tutkimuksessa tehokkaimmaksi testatuksi käsittelyolosuhteeksi todetaan kokonaisuutena 10 minuutin seulonta 75 %:n ultraääniamplitudilla. Saatu jauhojae edistää tasaisempaa sekoittumista proteiinikonsentraattien kanssa, ja sen pitäisi edistää tasaisempaa ekstruusiota, paisumista ja tuotteen rakennetta. Menetelmä saattaa soveltua myös muiden jauhemaisten materiaalien erotteluun hiukkaskoon perusteella.

Miksi minun kannattaa käyttää ultraääniseularavistinta?

• Seulan tukkeutumisen poistaminen: Hienojakoisten, tahmeiden jauheiden, kuten maissijauhon, perinteinen seulonta johtaa usein seulaverkon nopeaan tukkeutumiseen, koska tärkkelyksen tahmeus aiheuttaa hiukkasten agglomeroitumista. Ultraäänivärähtely hajottaa näitä agglomeraatteja jatkuvasti ja pitää seulaverkon aukot avoimina koko prosessin ajan.
• Saannon ja tarkkuuden merkittävä paraneminen: Estämällä tukkeutumista ultraääniseulonta voi parantaa huomattavasti halutun hiukkasjakeen talteenottoa. Esimerkiksi tapaustutkimuksessa tavoitellun jakeen (200–450 μm) osuus kasvoi perinteisen seulonnan alle 55 %:sta yli 83 %:iin ultraääntä käytettäessä.
• Jatkokäsittelyn optimointi: Tarkka hiukkaskokojakauma on ratkaiseva analyysien, laadunvalvonnan ja teollisten sovellusten kannalta.
• Ylivertainen suorituskyky hienojakoisilla hiukkasilla: Perinteiset menetelmät epäonnistuvat usein hienosilmäisillä seulaverkoilla, joiden aukkokoko on esimerkiksi 450 μm tai pienempi, nopean tukkeutumisen vuoksi. Tukosten poistaminen ultraäänellä varmistaa, että hienosilmäisimmätkin seulaverkot pysyvät tehokkaina, mikä mahdollistaa hienojakoisten jauheiden ja suspensioiden erittäin tarkan erottelun.
• Seulaverkon parempi kestävyys ja vähäisempi puhdistustarve: Mekaaniset tukostenpoistokiekot tai manuaaliset toimenpiteet voivat olla tehottomia ja mahdollisesti vahingoittaa herkkiä seulaverkkoja. Ultraääniseularavistin vähentää seulaverkon kulumista.
• Ajan ja kustannusten säästö: Ultraääniseulonnalla saavutetaan suurempia saantoja lyhyemmässä ajassa verrattuna pitkiin perinteisiin seulonta-aikoihin, joilla talteenottoaste jää pienemmäksi. Tämä tehokkuus vähentää työvoimakustannuksia ja lisää laboratorion näytteenkäsittelykapasiteettia.
• Monipuolisuus eri teollisuudenaloilla: Vaikka teknologiaa on havainnollistettu elintarvikemateriaaleilla, kuten maissi-, vehnä- ja ruisjauholla, se soveltuu erilaisiin hienojakoisiin jauheisiin ja nesteisiin suspendoituneisiin hiukkasiin. Siksi se on hyödyllinen lääkealan, kemian ja materiaalitieteen tutkimuksessa.
• Parempi toistettavuus: Tasaisen ja hallitun tukostenpoistomekanismin ansiosta ultraääniseulonta vähentää käsin tehtävään seulontaan tai mekaaniseen naputteluun liittyvää vaihtelua ja tuottaa siten luotettavampia ja toistettavampia analyysituloksia.

Kirjallisuus / Lähteet

• 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).