Ультразвуковий просіювач для покращеного просіювання – випадок із практики

Традиційне механічне просіювання дрібних порошків часто ускладнюється швидким утворенням агломератів – зазвичай спричинених липкістю крохмалю – які швидко засліплюють сітчасту поверхню та різко знижують ефективність розділення. Ультразвуковий просіювач вирішує цю критичну проблему, використовуючи високочастотні механічні коливання для безперервного розблокування сітчастої поверхні.
Результати наведеного дослідження виявляють драматичне покращення ефективності розділення порівняно з традиційними методами; тоді як традиційне просіювання давало менше 55% матеріалу в оптимальному діапазоні 200–450 μm, ультразвукова установка значно підвищила вихід потрібної фракції. Найпомітніше, 10-хвилинний цикл просіювання при 75% ультразвуковій амплітуді успішно ізолював 83,79% кукурудзяного борошна в цільовому розмірному діапазоні, доводячи, що ультразвукове розблокування є високоефективним та обґрунтованим методом обробки для забезпечення точного розподілу частинок за розміром.

Хто отримує вигоду від використання ультразвукового просіювача

• Контроль якості та лабораторні дослідження: Вчені та техніки, які проводять аналіз розміру частинок, отримують точні, відтворювані результати без перешкод від засліплення сітки.
• Харчова промисловість та переробники: Галузі, що працюють з крохмальними матеріалами, такими як кукурудзяне, пшеничне та житнє борошно, отримують вигоду від стабільного розміру частинок, що є важливим для оптимізації таких продуктів, як екструдати прямого розширення.
• Виробничі операції: Підприємства, що використовують екструзію або подібні процеси, покращують якість своїх кінцевих продуктів, оскільки однорідний розмір частинок забезпечує кращий теплообмін та бажані текстурні властивості під час обробки.

Випадок із практики: ультразвуковий просіювач для розблокування сіток під час просіювання кукурудзяного борошна

Дослідження Brnčić та колег (2009) оцінює використання ультразвукового просіювача Hielscher для покращення просіювання кукурудзяного борошна для виробництва екструдатів прямого розширення, включаючи снеки, збагачені сироватковими або соєвими білками. Розмір частинок є критичним при екструзії, оскільки він впливає на змішування інгредієнтів, теплообмін, розширення та кінцеву текстуру продукту. Тому дослідники прагнули ізолювати частинки кукурудзяного борошна розміром від 200 до 450 μm – бажаний діапазон для цього застосування.

Традиційне просіювання тестувалося протягом 5, 10 та 15 хвилин. Оскільки кукурудзяне борошно містить липкий крохмаль, частинки стикалися та утворювали агломерати, які блокували сітку, особливо сітку 450 μm. Блокування починалося протягом першої або другої хвилини та погіршувалося зі збільшенням тривалості обробки. Внаслідок цього частка борошна в бажаному діапазоні знизилася з 55,58% після 5 хвилин до 54,11% після 10 хвилин і лише до 49,37% після 15 хвилин.

Випробування були повторені з використанням ультразвукової системи з потужністю до 250 W, що працює на частоті 24 kHz. Три ультразвукові амплітуди – 25%, 50% та 75% – оцінювалися при кожній тривалості просіювання. Високочастотні механічні коливання проходили через сітку, руйнували агломерати та підтримували відкритими отвори сітки.

Сітки, що вібрували ультразвуком, дали суттєве покращення:

• Після 5 хвилин корисна фракція збільшувалася з амплітудою, досягаючи 79,57% при 75% амплітуді.
• Після 10 хвилин при 75% амплітуді 83,79% борошна потрапило в цільовий діапазон, порівняно з 54,11% при традиційному просіюванні – приріст майже на 30 відсоткових пунктів.
• Після 15 хвилин при 75% амплітуді цільова фракція залишалася аналогічно високою на рівні 83,4%, порівняно з лише 49,37% без ультразвуку.

Два найкращі результати перевищили 75% еталонне значення дослідження для економічно вигідної обробки.

Результати просіювання кукурудзяного борошна за допомогою ультразвукового просіювача після 10 хвилин
Дослідження та графік: ©Brnčić et al., 2009.

Головною перевагою ультразвукового просіювання є тому його здатність запобігати засліпленню сита, забезпечуючи при цьому більший та стабільніший вихід матеріалу правильного розміру. Вона також може підтримувати пропускну здатність просіювання, зменшити залежність від ручних або механічних методів очищення та обмежити пов’язані з ними ризики пошкодження сітки та забруднення продукту.

Загалом дослідження визначає 10 хвилин просіювання при 75% амплітуди ультразвуку як найбільш ефективну випробувану умову. Отримана фракція борошна сприяє більш однорідному змішуванню з білковими концентратами та має забезпечувати більш стабільне екструдування, розширення та текстуру продукту. Метод також може бути придатним для розділення за розміром частинок інших порошкоподібних матеріалів.

Чому слід використовувати ультразвуковий просіювач?

• Усунення засліплення сита: Традиційне просіювання дрібних, липких порошків (як-от кукурудзяне борошно) часто призводить до швидкого забивання сітки через агломерацію частинок, спричинену липкістю крохмалю. Ультразвукові коливання безперервно руйнують ці агломерати, підтримуючи отвори сітки відкритими протягом усього процесу.
• Значне підвищення виходу та точності: Запобігаючи забиванню, ультразвукове просіювання може суттєво покращити відновлення бажаної фракції частинок. Наприклад, у випадковому дослідженні цільова фракція (200–450 μm) зросла з менш ніж 55% при традиційному просіюванні до понад 83% з використанням ультразвуку.
• Оптимізація подальшої обробки: Точний розподіл частинок за розміром є критично важливим для аналізу, контролю якості та промислових застосувань.
• Превосхідна ефективність з дрібними частинками: Традиційні методи часто не працюють з дрібними сітками (наприклад, 450 μm або менше) через швидке забивання. Ультразвукове розсліплення гарантує, що навіть найдрібніші сітки залишаються ефективними, дозволяючи високоточне розділення дрібних порошків та суспензій.
• Покращена довговічність сітки, зменшення очищення: Механічні диски для розсліплення або ручне втручання можуть бути неефективними та потенційно шкідливими для делікатних ситових сіток. Ультразвуковий просіювач зменшує знос сітки.
• Ефективність часу та витрат: Ультразвукове просіювання досягає вищих виходів за коротші періоди порівняно з тривалим традиційним просіюванням, яке дає нижчі показники відновлення. Ця ефективність знижує витрати на робочу силу та збільшує пропускну здатність лабораторії.
• Універсальність у різних галузях: Хоча технологію продемонстровано на харчових матеріалах, таких як кукурудзяне, пшеничне та житнє борошно, вона застосовна до різних дрібних порошків та частинок, суспендованих у рідинах, що робить її цінною для фармацевтичних, хімічних та досліджень у галузі матеріалознавства.
• Покращена відтворюваність: Забезпечуючи послідовний та контрольований механізм розсліплення, ультразвукове просіювання зменшує варіабельність, пов’язану з ручним просіюванням або механічним постукуванням, що призводить до більш надійних та відтворюваних аналітичних результатів.

Література / Посилання

• 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).