ふるい分けを改善する超音波ふるい振とう機 – ケーススタディ

微粉末の従来の機械式ふるい分けは、凝集体の急速な形成によって頻繁に妨げられます。凝集体の形成はデンプンの粘着性によって引き起こされることが多く、凝集体はふるい網を急速に目詰まりさせ、分離効率を大幅に低下させます。超音波ふるい振とう機は、高周波の機械振動を用いてふるい表面の目詰まりを継続的に解消することで、この重大な課題に対処します。
ここで紹介する研究の結果は、従来の方法と比較して分離効率が劇的に向上することを示しています。従来のふるい分けでは、最適な200–450 μmの範囲に入る材料の回収率が55%未満だったのに対し、超音波装置を用いると目的の画分の回収率が大幅に向上しました。特に、超音波振幅75%で10分間ふるい分けを行うと、トウモロコシ粉の83.79%を目標粒径範囲内の画分として分離することに成功しました。この結果は、超音波による目詰まり解消が、正確な粒径分布を確保するための非常に効果的で妥当な処理方法であることを証明しています。

超音波ふるい振とう機の使用が役立つ方々

• 品質管理・実験室研究： 粒径分析を行う科学者や技術者は、ふるい網の目詰まりに妨げられることなく、正確で再現性のある結果を得られます。
• 食品産業・加工業者： トウモロコシ粉、小麦粉、ライ麦粉などのデンプンを主成分とする材料を扱う産業では、粒径の均一化が役立ちます。これは、直接膨化押出成形品などの製品を最適化するために不可欠です。
• 製造現場： 押出成形や同様の工程を用いる施設では、粒径が均一であることで加工中の熱伝達が改善され、望ましい食感特性が確保されるため、最終製品の品質が向上します。

ケーススタディ：トウモロコシ粉のふるい分け中の網の目詰まりを解消する超音波ふるい振とう機

Brnčićら（2009）のケーススタディでは、ホエイタンパク質や大豆タンパク質を強化したスナックなどの直接膨化押出食品の製造に向け、トウモロコシ粉のふるい分けを改善するためにHielscherの超音波ふるい振とう機を使用することを評価しています。粒径は、原料の混合、熱伝達、膨化、最終製品の食感に影響するため、押出成形において極めて重要です。そのため研究者らは、この用途に適した範囲である200–450 μmのトウモロコシ粉粒子を分離することを目指しました。

従来のふるい分けを5分、10分、15分間で試験しました。トウモロコシ粉には粘着性のあるデンプンが含まれるため、粒子が衝突して凝集体を形成し、ふるい、特に450 μmの網を詰まらせました。目詰まりは開始後一分目または二分目に始まり、処理時間が長くなるにつれて悪化しました。その結果、目的の範囲に入る粉の割合は、5分後の55.58%から10分後の54.11%、15分後にはわずか49.37%に低下しました。

最大250 Wの定格出力で24 kHzで動作する超音波システムを用いて、試験を繰り返しました。各ふるい分け時間で、25%、50%、75%の三つの超音波振幅を評価しました。高周波の機械振動がふるいを伝わり、凝集体を崩壊させ、網の開口部を目詰まりのない状態に保ちました。

超音波で振動させたふるいでは、大幅な改善が得られました：

• 5分後には、利用可能な画分の割合が振幅とともに増加し、振幅75%で79.57%に達しました。
• 振幅75%で10分間処理した後、粉の83.79%が目標範囲内に入りました。従来のふるい分けでの54.11%と比較して、ほぼ30パーセントポイントの増加です。
• 振幅75%で15分間処理した後も、目標画分の割合は83.4%と同様に高い値を維持しました。超音波を用いない場合は、わずか49.37%でした。

最良の二つの結果は、経済的に成立する処理の基準として本研究で設定された75%を上回りました。

超音波ふるい振とう機を用いてトウモロコシ粉を10分間ふるい分けした結果
研究および図：©Brnčić et al., 2009.

したがって、超音波ふるい分けの主な利点は、ふるいの目詰まりを防ぎながら、適切な粒径の材料をより高く安定した収率で得られることです。また、ふるい分け能力を維持し、手作業や機械による清掃方法への依存を減らし、それに伴う網の損傷や製品汚染のリスクを抑えることもできます。

総合的に、本研究では、超音波振幅75%で10分間ふるい分けする条件が、試験した中で最も効率的な条件であると特定されています。得られた粉の画分は、濃縮タンパク質とのより均一な混合に役立ち、押出成形、膨化、製品の食感の一貫性をさらに高めることが期待されます。この方法は、他の粉末材料の粒径による分離にも適している可能性があります。

超音波ふるい振とう機を使用する理由は？

• ふるいの目詰まりの解消： トウモロコシ粉のような微細で粘着性のある粉末を従来の方法でふるい分けすると、デンプンの粘着性によって粒子が凝集し、網が急速に詰まることがよくあります。超音波振動はこれらの凝集体を継続的に崩壊させ、工程全体を通して網の開口部を目詰まりのない状態に保ちます。
• 収率と精度の大幅な向上： 目詰まりを防ぐことで、超音波ふるい分けは目的の粒子画分の回収率を大幅に向上させることができます。例えば、このケーススタディでは、目標画分（200–450 μm）の割合が、従来のふるい分けでの55%未満から、超音波を使用した場合の83%超へと増加しました。
• 後工程の最適化： 正確な粒径分布は、分析、品質管理、産業用途において極めて重要です。
• 微粒子に対する優れた性能： 従来の方法では、細かい網目（例えば450 μm以下）のふるいが急速に目詰まりし、うまく機能しないことがよくあります。超音波による目詰まり解消は、最も細かい網目でも有効に機能することを確保し、微粉末や懸濁液の高精度な分離を可能にします。
• 網の耐久性向上と清掃の削減： 機械式の目詰まり解消ディスクや手作業による介入は、効率が低く、繊細なふるい網を損傷する可能性があります。超音波ふるい振とう機は、ふるい網の摩耗や損傷を低減します。
• 時間とコストの効率： 超音波ふるい分けは、長時間実施しても回収率が低い従来のふるい分けと比較して、より短い時間でより高い収率を達成します。この効率の高さにより、人件費が削減され、実験室の処理能力が向上します。
• 幅広い産業での汎用性： トウモロコシ粉、小麦粉、ライ麦粉などの食品材料で実証されているこの技術は、さまざまな微粉末や液体中に懸濁した粒子に適用でき、製薬、化学、材料科学の研究に有用です。
• 再現性の向上： 超音波ふるい分けは、一貫して制御された目詰まり解消機構を提供することで、手作業によるふるい分けや機械的な打撃に伴うばらつきを減らし、より信頼性と再現性の高い分析結果をもたらします。

文献 / 参考文献

• 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).