ふるい分け性能を向上させる超音波式ふるい振とう機 – 事例研究

微細粉末の従来の機械的ふるい分けでは、凝集塊が急速に形成されることがしばしば障害となる – 多くの場合、でんぷんのべたつきが原因である – これにより、ふるいの目詰まりが急速に進み、分離効率が大幅に低下してしまいます。超音波ふるい振とう機は、高周波の機械的振動を利用してふるい表面の目詰まりを継続的に除去することで、この重大な課題に対処します。
本研究の結果は、従来の方法と比較して分離効率が劇的に向上した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の範囲にある材料の回収率が55%未満にとどまっていましたが、超音波装置を使用することで、目的の粒子サイズの回収率が大幅に向上しました。 特に注目すべきは、超音波振幅75％での10分間のふるい分けサイクルにより、対象粒子径範囲内のトウモロコシ粉の83.79％を分離することに成功したことであり、これは、超音波による目詰まり解消が、正確な粒子径分布を確保するための極めて効果的かつ妥当な処理方法であることを証明している。

超音波式ふるい振とう機の使用によって、どのようなメリットが得られるか

• 品質管理 & 実験室での研究： 粒子径分析を行う科学者や技術者は、メッシュの目詰まりによる影響を受けることなく、正確で再現性の高い結果を得ることができます。
• 食品産業 & プロセッサ： トウモロコシ、小麦、ライ麦粉などのデンプン系原料を扱う業界では、粒子径の一貫性が重要視されており、これはダイレクトエクスパンデッド押出成形品などの製品を最適化するために不可欠です。
• 製造業務： 押出成形や類似の工程を採用する施設では、粒子径が均一であることで、加工時の熱伝達が向上し、望ましい食感特性が得られるため、最終製品の品質が向上します。

事例紹介：トウモロコシ粉のふるい分けにおけるスクリーンの目詰まり除去用超音波ふるい振とう機

Brnčićら（2009）によるケーススタディでは、ホエイや大豆タンパク質を添加したスナック菓子など、直接膨張式押出食品の製造に向けたトウモロコシ粉のふるい分けを改善するために、Hielscher社製の超音波ふるい振とう機を用いた評価が行われている。 押出成形において粒子径は、原料の混合、熱伝達、膨張、および最終製品の食感に影響を与えるため、極めて重要である。そこで研究者らは、200～450 μmの範囲にあるトウモロコシ粉の粒子を分離することを目的とした。 – この用途における推奨範囲。

従来のふるい分けを、5分、10分、15分の各条件で試験した。トウモロコシ粉には粘着性のデンプンが含まれているため、粒子が衝突して凝集体を形成し、ふるい、特に450 μmのメッシュを詰まらせてしまった。 目詰まりは開始後1～2分以内に発生し始め、処理時間が長くなるにつれて悪化しました。その結果、所望の粒度範囲にある粉の割合は、5分後の55.58％から10分後には54.11％に低下し、15分後にはわずか49.37％となりました。

最大250 W、24 kHzで動作する超音波装置を用いて、試験を繰り返した。3つの超音波振幅 – 25％、50％、75％ – 各ふるい分け時間ごとに評価が行われた。高周波の機械的振動がふるいを通過し、凝集塊を分解して、メッシュの開口部を塞がないようにした。

超音波振動式ふるいを使用することで、大幅な改善が見られました：

• 5分後、利用可能率は振幅の増加に伴い上昇し、振幅75％の時点で79.57％に達した。
• 振幅75％で10分間処理した結果、小麦粉の83.79％が目標範囲内に収まったのに対し、従来のふるい分けでは54.11％にとどまった。 – 30パーセントポイント近くの上昇。
• 振幅75％で15分間処理した後、目標達成率は83.4％と依然として高い水準を維持したのに対し、超音波を使用しなかった場合はわずか49.37％にとどまった。

上位2つの結果は、本研究が経済的に実行可能な処理として定めた75％という基準値を上回った。

超音波式ふるい振とう機を用いてトウモロコシ粉を10分間ふるいにかけた結果
研究および図表：©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ぐと同時に、適正な粒径の材料をより多く、かつ安定した収率で得られる点にあります。また、ふるい分け能力を維持し、手作業や機械による洗浄への依存度を低減させ、メッシュの損傷や製品汚染といった関連リスクを抑制することも可能です。

全体として、本研究では、超音波振幅75％での10分間のふるい分けが、試験した条件の中で最も効率的であることが明らかになった。これにより得られる粉体分画は、タンパク質濃縮物とのより均一な混合を可能にし、押出成形、膨化、および製品の食感において、より一貫性のある結果をもたらすと期待される。また、この方法は、他の粉末材料の粒子径による分離にも適している可能性がある。

なぜ超音波式ふるい振とう機を使うべきなのでしょうか？

• 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高い粉末を従来の方法でふるい分けると、デンプンの粘着性によって粒子が凝集し、メッシュがすぐに目詰まりしてしまうことがよくあります。超音波振動により、これらの凝集体が継続的に分解されるため、工程全体を通じてメッシュの開口部が詰まることなく維持されます。
• 収量と精度の大幅な向上： 超音波ふるい分けは、目詰まりを防ぐことで、目的の粒子分画の回収率を劇的に向上させることができます。例えば、この事例研究では、対象分画（200～450 μm）の回収率が、従来のふるい分けでは55%未満であったのに対し、超音波を用いた場合は83%以上に増加しました。
• 後工程の最適化： 正確な粒子径分布は、分析、品質管理、および産業用途において極めて重要です。
• 微粒子による優れた性能： 従来の方法では、目開きが細かいメッシュ（例えば450 μm以下）の場合、目詰まりが急速に進行するため、しばしば効果が得られません。超音波による目詰まり除去により、最も目開きの細かいメッシュでもその性能を維持でき、微細な粉末や懸濁液を高精度に分離することが可能になります。
• メッシュの耐久性向上、洗浄回数の削減： 機械式の目詰まり除去ディスクや手作業による介入は、非効率的であるだけでなく、繊細なふるい網を損傷する恐れがあります。超音波式ふるい振とう機を使用することで、ふるい網の摩耗や損傷を軽減できます。
• 時間とコストの効率性： 超音波ふるい分けは、回収率が低く、処理時間が長い従来のふるい分けと比較して、より短時間でより高い収率を実現します。この効率性により、人件費が削減され、実験室の処理能力が向上します。
• 業界を問わず幅広い活用： この技術は、トウモロコシ、小麦、ライ麦粉などの食品原料を用いて実証されていますが、液体中に懸濁したさまざまな微粉末や微粒子にも適用可能であり、製薬、化学、材料科学の研究において有用です。
• 再現性の向上： 超音波ふるい分けは、一貫性があり管理された盲検解除メカニズムを提供することで、手作業によるふるい分けや機械的な叩き出しに伴うばらつきを低減し、より信頼性が高く再現性の高い分析結果をもたらします。

文献・参考文献