Vibrovaglio a ultrasuoni per una setacciatura ottimizzata – Un caso di studio

La setacciatura meccanica tradizionale delle polveri fini è spesso ostacolata dalla rapida formazione di agglomerati – spesso causata dalla viscosità dell'amido – che intasano rapidamente le maglie del setaccio e riducono drasticamente l'efficienza di separazione. Il setacciatore a ultrasuoni risolve questa sfida critica utilizzando vibrazioni meccaniche ad alta frequenza per liberare continuamente la superficie del setaccio.
I risultati dello studio qui presentato evidenziano un notevole miglioramento dell’efficienza di separazione rispetto ai metodi convenzionali; mentre la setacciatura tradizionale consentiva di ottenere meno del 55% del materiale nell’intervallo ottimale di 200–450 μm, il sistema 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 permesso di isolare con successo l’83,79% della farina di mais all’interno dell’intervallo granulometrico desiderato, dimostrando che la setacciatura ultrasonica è un metodo di lavorazione altamente efficace e giustificato per garantire una distribuzione granulometrica precisa.

Chi trae vantaggio dall'uso di un setacciatore a ultrasuoni

• Controllo qualità & Ricerca di laboratorio: Gli scienziati e i tecnici che effettuano analisi granulometriche ottengono risultati accurati e riproducibili senza l'interferenza causata dall'ostruzione delle maglie.
• industria alimentare & Processori: I settori che utilizzano materie prime a base di amido, come la farina di mais, di frumento e di segale, traggono vantaggio da una granulometria uniforme, essenziale per ottimizzare prodotti quali gli estrusi espansi direttamente.
• Operazioni di produzione: Gli impianti che utilizzano l'estrusione o processi simili migliorano la qualità dei loro prodotti finali, poiché le dimensioni uniformi delle particelle garantiscono un migliore trasferimento di calore e le proprietà di consistenza desiderate durante la lavorazione.

Caso di studio: setacciatore a ultrasuoni per la rimozione dei residui dai setacci durante la setacciatura della farina di mais

Il caso di studio di Brnčić e colleghi (2009) valuta l’uso del setacciatore ultrasonico Hielscher per migliorare la setacciatura della farina di mais nella produzione di alimenti estrusi a espansione diretta, tra cui snack arricchiti con proteine del siero di latte o della soia. La granulometria è fondamentale nell’estrusione poiché influisce sulla miscelazione degli ingredienti, sul trasferimento di calore, sull’espansione e sulla consistenza del prodotto finale. I ricercatori hanno quindi mirato a isolare le particelle di farina di mais comprese tra 200 e 450 μm – l'intervallo consigliato per questa applicazione.

La setacciatura convenzionale è stata testata per 5, 10 e 15 minuti. Poiché la farina di mais contiene amido viscoso, le particelle si sono urtate formando agglomerati che hanno ostruito il setaccio, in particolare la maglia da 450 μm. L’intasamento è iniziato già nel primo o nel secondo minuto ed è peggiorato con il protrarsi del processo. Di conseguenza, la percentuale di farina rientrante nell’intervallo desiderato è scesa dal 55,58% dopo 5 minuti al 54,11% dopo 10 minuti e solo al 49,37% dopo 15 minuti.

Le prove sono state ripetute utilizzando un sistema a ultrasuoni con potenza nominale fino a 250 W e operante a 24 kHz. Tre ampiezze ultrasoniche – 25%, 50% e 75% – sono stati valutati in corrispondenza di ciascuna durata della vagliatura. Le vibrazioni meccaniche ad alta frequenza, trasmesse attraverso il setaccio, hanno frantumato gli agglomerati e mantenuto libere le aperture delle maglie.

I setacci a vibrazione ultrasonica hanno determinato un notevole miglioramento:

• Dopo 5 minuti, la frazione utilizzabile è aumentata con l'aumentare dell'ampiezza, raggiungendo il 79,57% a un'ampiezza del 75%.
• Dopo 10 minuti al 75% di ampiezza, l'83,79% della farina rientrava nell'intervallo previsto, rispetto al 54,11% ottenuto con la setacciatura convenzionale – un aumento di quasi 30 punti percentuali.
• Dopo 15 minuti al 75% di ampiezza, la frazione target è rimasta altrettanto elevata, all’83,4%, rispetto al solo 49,37% registrato in assenza di ultrasuoni.

I due migliori risultati hanno superato la soglia del 75% fissata dallo studio come parametro di riferimento per una lavorazione 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 vantaggio principale della vagliatura a ultrasuoni è quindi la sua capacità di impedire l’intasamento dei setacci, garantendo al contempo una resa maggiore e più costante di materiale della granulometria corretta. Consente inoltre di mantenere la capacità di vagliatura, ridurre la dipendenza dai metodi di pulizia manuali o meccanici e limitare i rischi associati al danneggiamento delle maglie e alla contaminazione del prodotto.

Nel complesso, lo studio individua nella setacciatura di 10 minuti con un’ampiezza ultrasonica del 75% la condizione più efficiente tra quelle testate. La frazione di farina così ottenuta favorisce una miscelazione più uniforme con i concentrati proteici e dovrebbe garantire un processo di estrusione, espansione e consistenza del prodotto più omogenei. Il metodo potrebbe inoltre essere adatto alla separazione in base alla granulometria di altri materiali in polvere.

Perché dovrei utilizzare un setacciatore a ultrasuoni?

• Eliminazione dell'intasamento del setaccio: La setacciatura tradizionale di polveri fini e appiccicose (come la farina di mais) comporta spesso un rapido intasamento delle maglie a causa dell’agglomerazione delle particelle provocata dalla viscosità dell’amido. Le vibrazioni ultrasoniche rompono continuamente questi agglomerati, mantenendo libere le aperture delle maglie per tutta la durata del processo.
• Aumento significativo della resa e della precisione: Prevenendo l’intasamento, la vagliatura a ultrasuoni può migliorare notevolmente il recupero della frazione granulometrica desiderata. Ad esempio, nel caso di studio, la frazione target (200–450 μm) è passata da meno del 55% con la vagliatura tradizionale a oltre l’83% utilizzando gli ultrasuoni.
• Ottimizzazione delle fasi di lavorazione a valle: Una distribuzione granulometrica precisa è fondamentale per le analisi, il controllo qualità e le applicazioni industriali.
• Prestazioni eccellenti con particelle fini: I metodi tradizionali spesso risultano inefficaci con maglie fini (ad esempio, 450 μm o inferiori) a causa del rapido intasamento. La pulizia a ultrasuoni garantisce che anche le maglie più fini mantengano la loro efficacia, consentendo una separazione ad alta precisione di polveri fini e sospensioni.
• Maggiore durata della rete, minore necessità di pulizia: I dischi meccanici per la pulizia dei setacci o l'intervento manuale possono risultare inefficienti e potenzialmente dannosi per le delicate maglie dei setacci. Gli agitatori a ultrasuoni riducono l'usura delle maglie dei setacci.
• Efficienza in termini di tempo e costi: La vagliatura a ultrasuoni consente di ottenere rese più elevate in tempi più brevi rispetto ai lunghi tempi di vagliatura tradizionali, che comportano tassi di recupero inferiori. Questa efficienza riduce i costi di manodopera e aumenta la produttività del laboratorio.
• Versatilità in tutti i settori: Sebbene sia stata testata con materie prime alimentari quali la farina di mais, di frumento e di segale, questa tecnologia è applicabile a varie polveri fini e particelle sospese in liquidi, rendendola preziosa per la ricerca nei settori farmaceutico, chimico e delle scienze dei materiali.
• Maggiore riproducibilità: Grazie a un meccanismo di rimozione del cieco coerente e controllato, la vagliatura a ultrasuoni riduce la variabilità associata alla vagliatura manuale o alla percussione meccanica, garantendo risultati analitici più affidabili e ripetibili.

Letteratura / Riferimenti