Ultrazvukový preosievač na zlepšenie preosievania – prípadová štúdia

Tradičné mechanické preosievanie jemných práškov často sťažuje rýchla tvorba aglomerátov – často spôsobená lepivosťou škrobu – ktoré rýchlo upchávajú sitovú tkaninu a drasticky znižujú účinnosť separácie. Ultrazvukový preosievač rieši tento zásadný problém pomocou vysokofrekvenčných mechanických vibrácií, ktoré priebežne uvoľňujú upchaté otvory na povrchu sita.
Výsledky tu prezentovanej štúdie odhaľujú výrazné zlepšenie účinnosti separácie v porovnaní s konvenčnými metódami; zatiaľ čo tradičným preosievaním sa získalo menej ako 55% materiálu v optimálnom rozsahu 200–450 μm, ultrazvuková zostava výrazne zvýšila výťažnosť požadovanej frakcie. Predovšetkým sa počas 10-minútového cyklu preosievania pri 75% amplitúde ultrazvuku podarilo oddeliť 83,79% kukuričnej múky v cieľovom rozsahu veľkostí, čo dokazuje, že ultrazvukové uvoľňovanie upchatých otvorov sita je vysoko účinnou a opodstatnenou metódou spracovania na zabezpečenie presnej distribúcie veľkosti častíc.

Komu prináša používanie ultrazvukového preosievača výhody

• Kontrola kvality a laboratórny výskum: Vedci a technici vykonávajúci analýzu veľkosti častíc získavajú presné, reprodukovateľné výsledky bez rušivého vplyvu upchávania sitovej tkaniny.
• Potravinársky priemysel a spracovatelia: Odvetvia spracúvajúce materiály na báze škrobu, ako sú kukuričná, pšeničná a ražná múka, profitujú z rovnomernej veľkosti častíc, ktorá je nevyhnutná na optimalizáciu výrobkov, ako sú priamo expandované extrudáty.
• Výrobné prevádzky: Prevádzky využívajúce extrúziu alebo podobné procesy zlepšujú kvalitu svojich konečných výrobkov, pretože rovnomerná veľkosť častíc zabezpečuje lepší prenos tepla a požadované textúrne vlastnosti počas spracovania.

Prípadová štúdia: Ultrazvukový preosievač na uvoľňovanie upchatých otvorov sít pri preosievaní kukuričnej múky

Prípadová štúdia Brnčića a kolegov (2009) hodnotí použitie ultrazvukového preosievača Hielscher na zlepšenie preosievania kukuričnej múky pri výrobe priamo expandovaných extrudovaných potravín vrátane pochutín obohatených o srvátkové alebo sójové bielkoviny. Veľkosť častíc je pri extrúzii rozhodujúca, pretože ovplyvňuje miešanie zložiek, prenos tepla, expanziu a textúru konečného výrobku. Výskumníci sa preto zamerali na oddelenie častíc kukuričnej múky s veľkosťou od 200 do 450 μm – preferovaného rozsahu pre túto aplikáciu.

Konvenčné preosievanie sa testovalo počas 5, 10 a 15 minút. Keďže kukuričná múka obsahuje lepivý škrob, častice do seba narážali a vytvárali aglomeráty, ktoré upchávali sito, najmä sito s veľkosťou otvorov 450 μm. Upchávanie sa začalo počas prvej alebo druhej minúty a s dlhším spracovaním sa zhoršovalo. V dôsledku toho podiel múky v požadovanom rozsahu klesol z 55,58% po 5 minútach na 54,11% po 10 minútach a iba 49,37% po 15 minútach.

Pokusy sa zopakovali s použitím ultrazvukového systému s menovitým výkonom až 250 W, pracujúceho pri frekvencii 24 kHz. Pri každom čase preosievania sa vyhodnotili tri amplitúdy ultrazvuku – 25%, 50% a 75%. Vysokofrekvenčné mechanické vibrácie prechádzali sitom, rozrušovali aglomeráty a udržiavali otvory sitovej tkaniny priechodné.

Sitá rozkmitávané ultrazvukom priniesli podstatné zlepšenie:

• Po 5 minútach sa využiteľná frakcia zväčšovala s rastúcou amplitúdou a pri 75% amplitúde dosiahla 79,57%.
• Po 10 minútach pri 75% amplitúde sa 83,79% múky nachádzalo v cieľovom rozsahu v porovnaní s 54,11% pri konvenčnom preosievaní – čo predstavuje nárast o takmer 30 percentuálnych bodov.
• Po 15 minútach pri 75% amplitúde zostal podiel cieľovej frakcie podobne vysoký, na úrovni 83,4%, v porovnaní s iba 49,37% bez ultrazvuku.

Dva najlepšie výsledky prekročili 75% referenčnú hranicu stanovenú v štúdii pre ekonomicky rentabilné spracovanie.

Výsledky preosievania kukuričnej múky pomocou ultrazvukového preosievača po 10 minútach
Štúdia a graf: ©Brnčić et al., 2009.

Hlavnou výhodou ultrazvukového preosievania je teda jeho schopnosť zabrániť upchávaniu sita a zároveň zabezpečiť vyšší a stabilnejší výťažok materiálu so správnou veľkosťou častíc. Môže tiež zachovať kapacitu preosievania, znížiť závislosť od ručných alebo mechanických metód čistenia a obmedziť súvisiace riziká poškodenia sitovej tkaniny a kontaminácie produktu.

Celkovo štúdia označuje 10 minút preosievania pri 75% ultrazvukovej amplitúde za najúčinnejšie z testovaných podmienok. Výsledná frakcia múky podporuje rovnomernejšie miešanie s proteínovými koncentrátmi a mala by prispieť k rovnomernejšej extrúzii, expanzii a textúre produktu. Metóda môže byť vhodná aj na separáciu iných práškových materiálov podľa veľkosti častíc.

Prečo by som mal používať ultrazvukový preosievač?

• Odstránenie upchávania sita: Konvenčné preosievanie jemných, lepkavých práškov (ako je kukuričná múka) často vedie k rýchlemu upchatiu sitovej tkaniny v dôsledku aglomerácie častíc spôsobenej lepivosťou škrobu. Ultrazvukové vibrácie nepretržite rozrušujú tieto aglomeráty a udržiavajú oká sita priechodné počas celého procesu.
• Výrazné zvýšenie výťažku a presnosti: Zabránením upchávaniu môže ultrazvukové preosievanie výrazne zlepšiť získavanie požadovanej frakcie častíc. Napríklad v prípadovej štúdii sa podiel cieľovej frakcie (200–450 μm) zvýšil z menej ako 55% pri tradičnom preosievaní na viac ako 83% pri použití ultrazvuku.
• Optimalizácia následného spracovania: Presná distribúcia veľkosti častíc je zásadná pre analýzu, kontrolu kvality a priemyselné aplikácie.
• Vynikajúca účinnosť pri jemných časticiach: Tradičné metódy pri jemných sitách (napr. s veľkosťou ôk 450 μm alebo menšou) často zlyhávajú v dôsledku rýchleho upchávania. Ultrazvukové uvoľňovanie upchatých ôk zabezpečuje, že aj tie najjemnejšie sitá zostávajú účinné, čo umožňuje vysoko presnú separáciu jemných práškov a suspenzií.
• Vyššia životnosť sitovej tkaniny, menšia potreba čistenia: Mechanické disky na uvoľňovanie upchatých ôk alebo ručné zásahy môžu byť neúčinné a môžu poškodiť jemné sitové tkaniny. Ultrazvukový preosievač znižuje opotrebovanie sitovej tkaniny.
• Úspora času a nákladov: Ultrazvukové preosievanie dosahuje vyššie výťažky za kratší čas v porovnaní s predĺženým tradičným preosievaním, pri ktorom sa získava nižší podiel požadovanej frakcie. Táto účinnosť znižuje náklady na prácu a zvyšuje počet vzoriek spracovaných v laboratóriu za jednotku času.
• Všestranné využitie v rôznych odvetviach: Hoci bola táto technológia demonštrovaná na potravinárskych materiáloch, ako sú kukuričná, pšeničná a ražná múka, je použiteľná aj na rôzne jemné prášky a častice suspendované v kvapalinách, vďaka čomu je cenná pre farmaceutický, chemický a materiálovovedný výskum.
• Lepšia reprodukovateľnosť: Ultrazvukové preosievanie poskytuje stabilný a riadený mechanizmus uvoľňovania upchatých ôk, čím znižuje variabilitu spojenú s ručným preosievaním alebo mechanickým poklepávaním a vedie k spoľahlivejším a opakovateľnejším analytickým výsledkom.

Literatúra / Referencie

• 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).