Setacciatore a ultrasuoni per una migliore setacciatura – Un caso di studio
La setacciatura meccanica tradizionale delle polveri fini è spesso ostacolata dalla rapida formazione di agglomerati – frequentemente causata dall’adesività dell’amido – che ostruiscono rapidamente le maglie del setaccio e riducono drasticamente l’efficienza di separazione. Il setacciatore a ultrasuoni affronta questa criticità impiegando vibrazioni meccaniche ad alta frequenza per liberare continuamente la superficie del setaccio dalle ostruzioni.
I risultati dello studio qui presentato mostrano un netto miglioramento dell’efficienza di separazione rispetto ai metodi convenzionali; mentre la setacciatura tradizionale ha consentito di ottenere meno del 55% del materiale nell’intervallo ottimale di 200–450 μm, la configurazione a ultrasuoni ha migliorato significativamente il recupero della frazione desiderata. In particolare, un ciclo di setacciatura di 10 minuti con un’ampiezza ultrasonica del 75% ha isolato con successo l’83,79% della farina di mais nell’intervallo granulometrico previsto, dimostrando che la disostruzione mediante ultrasuoni è un metodo di trattamento altamente efficace e giustificato per garantire una distribuzione granulometrica precisa.
Chi trae vantaggio dall’uso di un setacciatore a ultrasuoni
- Controllo qualità e ricerca di laboratorio: Gli scienziati e i tecnici che eseguono analisi granulometriche ottengono risultati accurati e riproducibili senza interferenze dovute all’ostruzione delle maglie.
- Industria alimentare e aziende di trasformazione: Le industrie che lavorano materiali a base di amido, come le farine di mais, frumento e segale, beneficiano di una granulometria uniforme, essenziale per ottimizzare prodotti come gli estrusi a espansione diretta.
- Attività produttive: Gli impianti che utilizzano l’estrusione o processi simili migliorano la qualità dei prodotti finali, poiché dimensioni uniformi delle particelle garantiscono un migliore trasferimento di calore e le proprietà strutturali desiderate durante la lavorazione.
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Setacciatore a ultrasuoni con torre di setacciatura
Caso di studio: setacciatore a ultrasuoni per la disostruzione delle maglie durante la setacciatura della farina di mais
Il caso di studio di Brnčić e colleghi (2009) valuta l’uso del setacciatore a ultrasuoni Hielscher per migliorare la setacciatura della farina di mais destinata alla produzione di alimenti estrusi a espansione diretta, inclusi snack arricchiti con proteine del siero di latte o della soia. La dimensione delle particelle è fondamentale nell’estrusione perché influenza la miscelazione degli ingredienti, il trasferimento di calore, l’espansione e la struttura del prodotto finale. I ricercatori miravano quindi a isolare particelle di farina di mais comprese tra 200 e 450 μm – l’intervallo preferito per questa applicazione.
La setacciatura convenzionale è stata testata per 5, 10 e 15 minuti. Poiché la farina di mais contiene amido adesivo, le particelle entravano in collisione e formavano agglomerati che ostruivano il setaccio, in particolare le maglie da 450 μm. L’ostruzione iniziava entro il primo o il secondo minuto e peggiorava con l’aumentare della durata del trattamento. Di conseguenza, la percentuale di farina nell’intervallo desiderato scendeva dal 55,58% dopo 5 minuti al 54,11% dopo 10 minuti e ad appena il 49,37% dopo 15 minuti.
Le prove sono state ripetute utilizzando un sistema a ultrasuoni con una potenza nominale fino a 250 W e una frequenza operativa di 24 kHz. Per ciascuna durata di setacciatura sono state valutate tre ampiezze ultrasoniche – 25%, 50% e 75%. Le vibrazioni meccaniche ad alta frequenza attraversavano il setaccio, disgregavano gli agglomerati e mantenevano libere le aperture delle maglie.
I setacci sottoposti a vibrazioni ultrasoniche hanno prodotto un miglioramento sostanziale:
- Dopo 5 minuti, la frazione utilizzabile aumentava con l’ampiezza, raggiungendo il 79,57% con un’ampiezza del 75%.
- Dopo 10 minuti con un’ampiezza del 75%, l’83,79% della farina rientrava nell’intervallo previsto, rispetto al 54,11% ottenuto con la setacciatura convenzionale – un incremento di quasi 30 punti percentuali.
- Dopo 15 minuti con un’ampiezza del 75%, la frazione desiderata rimaneva su livelli analogamente elevati, pari all’83,4%, rispetto ad appena il 49,37% senza ultrasuoni.
I due risultati migliori hanno superato la soglia di riferimento del 75% stabilita nello studio per un trattamento economicamente sostenibile.
Risultati della setacciatura della farina di mais con il setacciatore a ultrasuoni dopo 10 minuti
Studio e grafico: ©Brnčić et al., 2009.
Il principale vantaggio della setacciatura a ultrasuoni è quindi la capacità di prevenire l’ostruzione del setaccio, fornendo al contempo una resa maggiore e più costante di materiale con la granulometria corretta. Può inoltre mantenere la capacità di setacciatura, ridurre il ricorso a metodi di pulizia manuali o meccanici e limitare i relativi rischi di danneggiamento delle maglie e contaminazione del prodotto.
Nel complesso, lo studio identifica 10 minuti di setacciatura con un’ampiezza ultrasonica del 75% come la condizione più efficiente tra quelle testate. La frazione di farina ottenuta favorisce una miscelazione più uniforme con i concentrati proteici e dovrebbe promuovere una maggiore uniformità nell’estrusione, nell’espansione e nella struttura del prodotto. Il metodo potrebbe essere adatto anche alla separazione granulometrica di altri materiali in polvere.
Perché utilizzare un setacciatore a ultrasuoni?
- Eliminazione dell’ostruzione del setaccio: La setacciatura convenzionale di polveri fini e adesive (come la farina di mais) provoca spesso una rapida ostruzione delle maglie dovuta all’agglomerazione delle particelle causata dall’adesività dell’amido. Le vibrazioni ultrasoniche disgregano continuamente questi agglomerati, mantenendo libere le aperture delle maglie durante l’intero processo.
- Aumento significativo della resa e dell’accuratezza: Prevenendo l’ostruzione, la setacciatura a ultrasuoni può migliorare drasticamente il recupero della frazione granulometrica desiderata. Ad esempio, nel caso di studio, la frazione prevista (200–450 μm) è aumentata da meno del 55% con la setacciatura tradizionale a oltre l’83% con l’uso degli ultrasuoni.
- Ottimizzazione dei processi a valle: Una distribuzione granulometrica precisa è fondamentale per l’analisi, il controllo qualità e le applicazioni industriali.
- Prestazioni superiori con le particelle fini: I metodi tradizionali spesso risultano inefficaci con maglie fini (ad esempio, da 450 μm o inferiori) a causa della rapida ostruzione. La disostruzione mediante ultrasuoni garantisce che anche le maglie più fini rimangano efficaci, consentendo una separazione ad alta precisione di polveri fini e sospensioni.
- Maggiore durata delle maglie, minore necessità di pulizia: I dischi meccanici di disostruzione o gli interventi manuali possono essere inefficienti e potenzialmente dannosi per le delicate maglie dei setacci. I setacciatori a ultrasuoni riducono l’usura delle maglie.
- Efficienza in termini di tempi e costi: La setacciatura a ultrasuoni raggiunge rese maggiori in tempi più brevi rispetto ai tempi prolungati della setacciatura tradizionale, che offre tassi di recupero inferiori. Questa efficienza riduce i costi di manodopera e aumenta la capacità di trattamento dei campioni in laboratorio.
- Versatilità in diversi settori: Sebbene sia stata dimostrata con materiali alimentari come le farine di mais, frumento e segale, la tecnologia è applicabile a varie polveri fini e particelle sospese in liquidi, risultando utile per la ricerca farmaceutica, chimica e nel campo della scienza dei materiali.
- Maggiore riproducibilità: Fornendo un meccanismo di disostruzione costante e controllato, la setacciatura a ultrasuoni riduce la variabilità associata alla setacciatura manuale o alla percussione meccanica, producendo risultati analitici più affidabili e ripetibili.
Domande frequenti: setacciatura a ultrasuoni dei materiali alimentari
Qual è il principale vantaggio dell’uso di un setacciatore a ultrasuoni per polveri fini come la farina?
Il vantaggio principale è la prevenzione dell’«accecamento del setaccio» (ostruzione). Le polveri fini, soprattutto quelle ricche di amido come la farina di mais, tendono a formare agglomerati a causa dell’adesività e delle collisioni tra particelle. Questi agglomerati ostruiscono rapidamente le maglie del setaccio, riducendo l’efficienza di separazione. La setacciatura a ultrasuoni utilizza vibrazioni ad alta frequenza per disgregare questi agglomerati in tempo reale, mantenendo libere le aperture delle maglie e garantendo una distribuzione granulometrica accurata.
Come funziona il sistema di disostruzione a ultrasuoni?
Il sistema utilizza un trasduttore a ultrasuoni montato su un anello vuoto posto tra il setaccio inferiore e la base del dispositivo. Un generatore di potenza converte gli impulsi elettrici in un segnale meccanico ad alta energia. Questo segnale penetra nella superficie del setaccio, disgregando gli agglomerati e «disostruendo» continuamente le maglie durante il processo di setacciatura.
Perché una granulometria precisa è importante per la lavorazione mediante estrusione?
La dimensione delle particelle influisce direttamente sulla qualità del prodotto finale. Per gli estrusi a espansione diretta, le particelle più grandi hanno una minore superficie di contatto con il cilindro dell’estrusore, causando uno scarso trasferimento di calore e una lavorazione non uniforme. Al contrario, le particelle di dimensioni adeguate garantiscono un riscaldamento uniforme e migliori proprietà strutturali. Generalmente, si raggiunge una soglia di redditività quando almeno il 75% delle particelle della materia prima rientra nell’intervallo granulometrico desiderato.
Come si confronta la setacciatura a ultrasuoni con la setacciatura meccanica tradizionale?
La setacciatura tradizionale senza ultrasuoni provoca spesso una rapida ostruzione del setaccio. Nello studio di Brnčić et al. (2009), i setacci si ostruivano completamente entro i primi uno o due minuti, con il setaccio da 450 μm maggiormente interessato. I metodi tradizionali consentivano di ottenere meno del 55% del materiale nell’intervallo granulometrico ottimale, anche dopo tempi di setacciatura prolungati. La setacciatura a ultrasuoni ha migliorato significativamente questo risultato, consentendo il recupero di oltre l’83% della frazione desiderata.
L’uso della setacciatura a ultrasuoni in laboratorio offre vantaggi operativi?
Sì. I setacciatori a ultrasuoni accelerano significativamente i flussi di lavoro di setacciatura, migliorano l’efficienza di setacciatura e riducono l’usura delle delicate maglie dei setacci.
In che modo la setacciatura a ultrasuoni migliora l’accuratezza dell’analisi granulometrica rispetto ai metodi tradizionali?
La setacciatura tradizionale delle polveri fini provoca spesso l’«accecamento» o l’ostruzione del setaccio a causa della formazione di agglomerati, che possono alterare i risultati. La setacciatura a ultrasuoni risolve questo problema utilizzando un segnale meccanico ad alta frequenza generato da un trasduttore montato sulla base del setaccio. Questa energia penetra nella superficie delle maglie per disgregare gli agglomerati in tempo reale, mantenendo le maglie libere e garantendo una separazione accurata
Quali sono le impostazioni ottimali della setacciatura a ultrasuoni per ottenere i migliori risultati di separazione?
La ricerca indica che sia la durata della setacciatura sia l’ampiezza ultrasonica sono fattori fondamentali. Per materiali come la farina di mais, una durata di setacciatura di 10 minuti combinata con un’ampiezza ultrasonica del 75% è risultata altamente efficace. Questa impostazione specifica ha isolato con successo l’83,79% del materiale nell’intervallo granulometrico desiderato (200–450 μm), superando significativamente le prestazioni dei metodi di setacciatura tradizionali. (cfr. Brnčić et al., 2009)
Perché una separazione granulometrica precisa è importante per i processi industriali a valle come l’estrusione?
La dimensione delle particelle influisce direttamente sulla qualità del prodotto finale. Le particelle più grandi hanno una minore superficie di contatto con il cilindro dell’estrusore, causando uno scarso trasferimento di calore e una lavorazione non uniforme. Al contrario, le particelle di dimensioni adeguate garantiscono un riscaldamento uniforme e un migliore contatto con i componenti interni dell’estrusore, producendo proprietà strutturali superiori nell’estruso finale.
Bibliografia / Riferimenti
- 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).
Il setacciatore a ultrasuoni Hielscher migliora la setacciatura delle polveri secche e umide
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni con dimensioni che spaziano dalla scala di laboratorio alla scala industriale.