מנפה רטט אולטראסוניק לשיפור תהליך הסינון – מחקר מקרה

הסינון המכני המסורתי של אבקות עדינות נפגע לעתים קרובות מהיווצרות מהירה של גושים – הנובעת לעתים קרובות מדביקות העמילן – אשר סותמים במהירות את רשת המסננת ומפחיתים באופן דרסטי את יעילות ההפרדה. מנערת המסננת האולטראסונית מתמודדת עם אתגר קריטי זה באמצעות שימוש בתנודות מכניות בתדר גבוה, המנקה באופן רציף את משטח המסננת.
תוצאות המחקר המוצג כאן מגלות שיפור דרמטי ביעילות ההפרדה בהשוואה לשיטות המקובלות; בעוד שהסינון המסורתי הניב פחות מ-55% מהחומר בטווח האופטימלי של 200–450 מיקרומטר, מערכת האולטראסאונד שיפרה באופן משמעותי את השבת החלק הרצוי. ראוי לציין במיוחד כי מחזור סינון בן 10 דקות בעוצמת אולטראסאונד של 75% הצליח לבודד 83.79% מקמח התירס בטווח הגודל היעד, מה שמוכיח כי הסרת החסימה האולטראסונית היא שיטת עיבוד יעילה ביותר ומוצדקת להבטחת התפלגות מדויקת של גודל החלקיקים.

מי נהנה מהשימוש במנפה רטט אולטראסונית

• בקרת איכות & מחקר מעבדה: מדענים וטכנאים המבצעים ניתוח גודל חלקיקים משיגים תוצאות מדויקות וניתנות לשחזור, ללא הפרעה הנובעת מסתימת הרשת.
• תעשיית המזון & מעבדים: תעשיות העוסקות בחומרים על בסיס עמילן, כגון קמח תירס, חיטה ושיפון, נהנות מגודל חלקיקים אחיד, המהווה תנאי הכרחי לייעול מוצרים כגון מוצרי אקסטרוזיה מורחבים ישירות.
• פעילות ייצור: מפעלים המשתמשים בתהליכי אקסטרוזיה או בתהליכים דומים משפרים את איכות המוצרים הסופיים שלהם, שכן גודל חלקיקים אחיד מבטיח העברת חום טובה יותר ותכונות מרקם רצויות במהלך העיבוד.

מחקר מקרה: מנערת מסננים אולטראסונית להסרת משקעים ממסננים במהלך סינון קמח תירס

מחקר המקרה של Brnčić ועמיתיו (2009) בוחן את השימוש במנפה האולטראסונית של Hielscher לשיפור תהליך הסינון של קמח תירס לייצור מזונות מוחצבים בהתרחבות ישירה, לרבות חטיפים מועשרים בחלבוון מי גבינה או בחלבוני סויה. גודל החלקיקים הוא גורם מכריע בתהליך האקסטרוזיה, שכן הוא משפיע על ערבוב המרכיבים, העברת החום, ההתרחבות ומרקם המוצר הסופי. לפיכך, החוקרים ביקשו לבודד חלקיקי קמח תירס בגודל שבין 200 ל-450 מיקרומטר – הטווח המועדף ליישום זה.

הסינון הקונבנציונלי נבדק במשך 5, 10 ו-15 דקות. מכיוון שקמח תירס מכיל עמילן דביק, החלקיקים התנגשו זה בזה ויצרו גושים שחסמו את המסננת, במיוחד את הרשת בגודל 450 מיקרומטר. הסתימה החלה כבר בדקה הראשונה או השנייה והחמירה ככל שהתהליך התארך. כתוצאה מכך, שיעור הקמח בטווח הרצוי ירד מ-55.58% לאחר 5 דקות ל-54.11% לאחר 10 דקות, ול-49.37% בלבד לאחר 15 דקות.

הניסויים חוזרו באמצעות מערכת אולטראסונית בעלת הספק מרבי של 250 וואט הפועלת בתדר של 24 קילוהרץ. שלוש אמפליטודות אולטראסוניות – 25%, 50% ו-75% – נבדקו בכל משך סינון. התנודות המכניות בתדר גבוה עברו דרך המסננת, פיזרו את הגושים ושמרו על פתחי הרשת נקיים.

מסננים המופעלים באמצעות רטט אולטראסוני הניבו שיפור משמעותי:

• לאחר 5 דקות, החלק הניתן לשימוש גדל עם העלייה במשרעת, והגיע ל-79.57% במשרעת של 75%.
• לאחר 10 דקות בעוצמה של 75%, 83.79% מהקמח נכלל בטווח היעד, לעומת 54.11% בשיטת הסינון המסורתית – עלייה של כמעט 30 נקודות אחוז.
• לאחר 15 דקות בעוצמה של 75%, שיעור היעד נותר גבוה באותה מידה ועמד על 83.4%, לעומת 49.37% בלבד ללא אולטרסאונד.

שתי התוצאות הטובות ביותר עלו על רף ה-75% שנקבע במחקר כמדד לעיבוד כלכלי בר-קיימא.

תוצאות סינון קמח תירס באמצעות מנפת הרטט האולטראסונית לאחר 10 דקות
מחקר ותרשים: ©Brnčić et al., 2009.

היתרון העיקרי של סינון קולי הוא, אם כן, היכולת למנוע סתימת המסננת, תוך השגת תפוקה גדולה יותר ואחידה יותר של חומר בגודל הנכון. שיטה זו מאפשרת גם לשמור על קיבולת הסינון, להפחית את התלות בשיטות ניקוי ידניות או מכניות, ולהגביל את הסיכונים הנלווים של נזק לרשת וזיהום המוצר.

בסך הכל, המחקר קובע כי סינון בן 10 דקות בעוצמת אולטרה-סאונד של 75% הוא התנאי היעיל ביותר שנבדק. חלק הקמח המתקבל מאפשר ערבוב אחיד יותר עם תרכיזי חלבון, וצפוי לתרום לאקסטרוזיה, התרחבות ומרקם מוצר עקביים יותר. השיטה עשויה להתאים גם להפרדה לפי גודל חלקיקים של חומרים אבוקיים אחרים.

מדוע כדאי לי להשתמש במנפה רטט אולטראסוני?

• מניעת סתימת המסננת: סינון קונבנציונלי של אבקות עדינות ודביקות (כגון קמח תירס) מוביל לעיתים קרובות לחסימה מהירה של הרשת עקב התלכדות חלקיקים הנגרמת מדביקות העמילן. תנודות אולטראסוניות מפרקות באופן רציף את הגושים הללו, ובכך שומרות על פתחי הרשת פנויים לאורך כל התהליך.
• עלייה משמעותית בתפוקה ובדיוק: על ידי מניעת סתימות, סינון באמצעות אולטרסאונד יכול לשפר באופן משמעותי את שיעור ההשבה של חלקיקי הגודל הרצויים. לדוגמה, במחקר המקרה, שיעור החלקיקים הרצויים (200–450 μm) עלה מפחות מ-55% בסינון מסורתי ליותר מ-83% בשימוש באולטרסאונד.
• אופטימיזציה של תהליכי העיבוד בהמשך: התפלגות מדויקת של גודל החלקיקים היא גורם מכריע בניתוח, בבקרת איכות וביישומים תעשייתיים.
• ביצועים מעולים עם חלקיקים עדינים: שיטות מסורתיות נכשלות לעתים קרובות עם רשתות בעלות חורים עדינים (למשל, 450 מיקרומטר או פחות) בשל סתימה מהירה. ניקוי רשתות באמצעות אולטרסאונד מבטיח שגם הרשתות העדינות ביותר יישארו יעילות, ומאפשר הפרדה מדויקת ביותר של אבקות עדינות ותמיסות.
• עמידות משופרת של הרשת, צורך מופחת בניקוי: דיסקי ניקוי מכניים או התערבות ידנית עלולים להיות לא יעילים ואף לגרום נזק לרשתות המסננים העדינות. מנערת מסננים אולטראסונית מפחיתה את הבלאי של רשת המסנן.
• יעילות מבחינת זמן ועלות: סינון אולטראסוני משיג תפוקות גבוהות יותר בפרקי זמן קצרים יותר, בהשוואה לזמני הסינון המסורתיים הממושכים, המניבים שיעורי התאוששות נמוכים יותר. יעילות זו מפחיתה את עלויות כוח האדם ומגדילה את תפוקת המעבדה.
• רב-תכליתיות במגוון ענפים: אמנם הטכנולוגיה הודגמה באמצעות חומרי מזון כגון תירס, חיטה וקמח שיפון, אך היא ישימה גם לאבקות עדינות שונות ולחלקיקים המרחפים בנוזלים, מה שהופך אותה לבעלת ערך רב למחקר בתחומי התרופות, הכימיה ומדעי החומרים.
• שיפור בשחזור התוצאות: באמצעות מנגנון הסרת עיוורון עקבי ומבוקר, הסינון האולטראסוני מפחית את השונות הכרוכה בסינון ידני או בניעור מכני, מה שמוביל לתוצאות אנליטיות אמינות וניתנות לשחזור יותר.

ספרות / מקורות