Tudomány, szkepticizmus és humor

Ismeri azokat a 3D nyomtatókat, amelyek "ételeket készítenek"? Próbáltál már 3D nyomtatott ételeket? Bár hihetetlennek tűnik, és egy tudományos-fantasztikus filmből származik, ez már valóságos tény, és közelebb áll hozzád, mint gondoltad. A közeljövőben elmehet étkezni egy étterembe, és a virtuális valóság szemüvegével kiválaszthatja kedvenc ételeit, amelyet egy digitális asszisztens tanácsol a preferenciák előzményei alapján; A 3D nyomtatók elkészítik a személyre szabott menüt, és az ételeket "robotpincérek" szolgálják fel. Továbbá ezek a 3D nyomtatók várhatóan az elkövetkező években kicserélik a konyhák mikrohullámú sütőjét. A mai társadalomnak nincs ideje főzni, és nagy mennyiségű csomagolt és előkészített ételeket igényel, amelyekben gyakran van felesleges cukor vagy só, valamint számos tartósítószer és zsír; ezekkel az új nyomtatókkal azonban egyszerűbb módon lehet egészségesebb ételeket készíteni. De miről beszélünk konkrétan? Ahhoz, hogy megértsük működésüket és az általuk kínált előnyöket a hagyományos konyhai eszközökhöz vagy konyhai robotokhoz képest, elengedhetetlen, hogy először tisztázzuk, miből áll a 3D nyomtatás, és ismerjünk egy kicsit a történetéről.

nyomtatás
Példák a 3D nyomtatott élelmiszerekreourceForrás

A 3D nyomtatás egy "hozzáadással történő előállítás" technikák sorozatából áll, amelynek során egy tárgyat háromdimenziós módon reprodukálnak egy digitális modellből az anyagrétegek egymásra helyezésével, amelyek felhalmozódnak a méret, jellemzők és a tervezett forma eléréséig. Ezek a gépek csak a szükséges alapanyagot használják por, folyadék vagy szálak formájában, amelyek később megolvadnak vagy megszilárdulnak, hogy megkapják a végső alakot, és a hagyományos gyártási módszerektől eltérően nem kell eltávolítaniuk a felesleges nyersanyagot. Ez a folyamat nagyon ígéretes, mivel feleslegessé teszi a méretgazdaságosság szükségességét, lehetővé teszi a tervezés teljes szabadságát, és minimalizálja az időt, a költségeket, az energiafogyasztást és a szállítási igényeket. Így a 3D nyomtatók összetett tárgyakat gyártanak egy digitális modell utasításainak betartásával, számítógéppel segített tervezés (CAD) segítségével. A CAD programmal valódi 3D-s modellt terveznek a számítógépen, és az objektumot szétválasztják, hogy egy additív folyamat révén egyesével kinyomtathassák. Ezenkívül a tárgy különböző fizikai tulajdonságokkal rendelkező anyagokból készült részei egyszerű összeszerelési eljárással kinyomtathatók.

A valós objektum (a), a CAD modell (b) sematikus ábrázolása és a rétegek közötti elválasztás a 3D nyomtatáshoz (c).

Az első adalékanyag-gyártási berendezés az 1980-as évekig nyúlik vissza. 1981-ben Hideo Kodama, a japán Nagoya Városi Ipari Kutató Intézet két módszert dolgozott ki egy háromdimenziós műanyag modell gyártására fotopolimerrel. Három évvel később Chuck Hull, elnök A 3D Systems Corporation munkatársa Cliftonban (Colorado, USA) kifejlesztett egy prototípust egy sztereolitográfiának nevezett folyamat alapján, amelyhez rétegeket adnak a fotopolimerek ultraibolya lézerrel történő kikeményedésével. Ez az objektum azon része felé irányul, amelyet tükrök segítségével meg kell gyógyítani, és amely képes nagy pontosságú darabok előállítására. Hull úgy határozta meg a folyamatot, mint "egy olyan rendszert, amely háromdimenziós objektumokat állít elő a kialakítandó tárgy keresztirányú mintázatának létrehozásával". Hull fő hozzájárulása az STL (STereoLithography) fájlformátum volt, amelyet a 3D nyomtatási szoftver széles körben használt, valamint a digitális vágási és kitöltési stratégiák, amelyek számos jelenlegi folyamatban közösek.

Ma a legtöbb 3D nyomtatóban alkalmazott technológia a "fuzionos lerakódás modellezése" (FDM), más néven "fuzionált szálgyártás" (FFF), amely folyamatos műanyag szálat használ. Egy fúvókán keresztül extrudálva megrajzolhatja az objektumot alkotó 3D-s rétegeket. Alternatív eljárás a kötőanyag-injektálás, közismertebb nevén: „Binder Jetting” vagy „Color Jet Printing”; Ez egy nagyon sokoldalú technológia, amely lehetővé teszi a legkülönbözőbb színű nyomtatást egy színes kötőanyag használatának köszönhetően, amelyet porágyra permeteznek, majd keresztmetszetben megszilárdulnak. Ez a technológia a hagyományos papírnyomtatókhoz hasonlóan működik, de papírlap helyett műanyag gyantákat és por bevonatot használ. Az FDM és a kötőanyag-befecskendezési technológiát már használják a 3D-s élelmiszerek nyomtatásához.

Összevont lerakódás modellező gép sematikus ábrája│Forrás

A kötőanyag-injektálás és a sztereolitográfia ipari fejlesztése 1993-ban kezdődött a Massachusettsi Műszaki Intézetben (MIT), amely egy szabadalmaztatott eljárást dolgozott ki a 3D nyomtatás (3DP) néven, ma már "jet print" vagy "színes jet printing" néven is ismert.

Ma azonban még mindig nincs egyértelmű meghatározás arról, hogy mi a 3D-s élelmiszer-nyomtató: Egyszerű főzőgép? Olyan eszköz, amely lehetővé teszi új ételkombinációk létrehozását? Olyan eszköz, amely lehetővé teszi számunkra, hogy nem létező ételt alkossunk? Általánosságban elmondható, hogy olyan gépként lehetne leírni, amely képes a digitális recepteket ehető és étvágygerjesztő harapnivalókká változtatni. A legtöbb kereskedelmi élelmiszer-nyomtató az FDM variánst használja egy paszta extrudáló rendszerrel fecskendőn keresztül; a művelet hasonló egy tintanyomtatóhoz, amelynek egyetlen nagy fúvókája sűrű pépes anyagot önt, amely rétegekben felépítve háromdimenziós élelmiszer-struktúrákat képez. Az ételeket külön utómunkálatokban kell „sintérezni” vagy „főzni”, amely történhet vagy nem magában a 3D nyomtatóban.

A 3D-s ételszintézis úttörői Hod Lipson és Evan Malone, a Cornell Egyetem (New York) munkatársai voltak, akik 2007-ben a Fab @ Home extrudáló nyomtatót csokoládé, sajt, sütemények, zellerpép és még tenger gyümölcsei nyomtatásához (ütött fésűkagylók) nyomtatták. 2010-ben Dr. Liang Hao és munkatársai az Exeteri Egyetemtől (Nagy-Britannia) magas hőmérsékletű extruder segítségével új rétegezési módszert fejlesztettek ki a „ChocALM” elnevezésű csokoládé készítéséhez. Vizsgálataik azt mutatták, hogy mind az extrudálás sebessége, mind a fúvóka sebessége és magassága kulcsfontosságú tényezők, amelyek lehetővé teszik a végtermék szerkezetének, aromájának és ízének módosítását, így ezeknek a paramétereknek az optimalizálása lehetővé teszi a fogyasztók számára adaptált kiváló minőségű 3D csokoládék előállítását, megkönnyítve ezzel az "ételek személyre szabását".

3D nyomtató, amely csokoládét használ tinta helyett│Forrás

A 3D nyomtatókban a csokoládé és az édesség a legelterjedtebb étel. Így a Waterloo Egyetem (Kanada) hallgatói 2013-ban kifejlesztettek egy lézeres szinterelő rendszert a 3D nyomtatott csokoládépor megolvasztására és nagy geometriai összetettségű figurák kialakítására, ami formákkal nem érhető el.

3D objektumok, csokoládéporral nyomtatva

A 3D csokoládé nyomtatás alapján Richard Horne 2012-ben kifejlesztett egy hajtóműves univerzális paszta extrudert (UPE), amelynek szíjhajtása nyomást gyakorol az újrafelhasználható fecskendőkre. Ugyanebben az évben Ralf Holleis létrehozott egy hasonló gépet a CAD-alapú karácsonyi sütik extrudálására lakkozott papírra, amelyet aztán a sütőbe tett, hogy befejezze gyártásukat. A 3D nyomtatást széles körben alkalmazták pizza készítéséhez is, ezt a terméket általában rétegezve állítják elő: először a tésztát, majd a paradicsomszószt, majd a mozzarellát és végül a különféle töltelékeket. Így a londoni Imperial College gépészmérnök hallgatói 2014-ben létrehoztak egy nyomtatót, amely lehetővé tette a margarita pizza elkészítését mindössze 20 perc alatt három különböző fecskendő segítségével (az egyik a tésztához, a másik a paradicsomhoz, a harmadik pedig a sajthoz).

3D nyomtatáshoz használt extruderek beillesztése ourceForrás

Néhány 3D nyomtató a gömbölyítésnek nevezett kulináris technikán alapul, amelyet 1946-ban szabadalmaztattak az Egyesült Államokban, és széles körben használják a modern konyhában, különösen olyan neves szakácsok, mint Ferran Adriá. Így a gyümölcslé nátrium-algináttal történő összekeverésével és hideg kalcium-klorid-fürdőbe merítésével gömböket kapunk a folyadék "kapszulázásával", amely nagyon hasonlít a halak ikráihoz, amelyek a kívánt gyümölcs levét tartalmazzák benne. . Ez a technika lehetővé teszi, hogy különböző formájú, méretű és ízű gyümölcsöket készítsen néhány másodperc alatt.

Ehető gyümölcs, amelyet 3D nyomtatás hoz létre│Forrás

A 3D nyomtatás elsődleges célkitűzései között szerepel a fenntartható élelmiszer-előállítási módszerek kifejlesztése, amelyek megpróbálják megoldani a jelenlegi globális kihívások némelyikét, például az éghajlatváltozást, a bolygó vízkészleteinek csökkentését és az exponenciális népességnövekedést. Különösen a haszonállatok intenzív tenyésztése jelenti a globális felmelegedés egyik fő okát a szén-dioxidnál jóval erősebb üvegházhatást okozó metán, az üvegházhatású gáz kontrollálatlan kibocsátása miatt. Az ENSZ Élelmezési és Mezőgazdasági Szervezete (FAO) előrejelzése szerint a hús iránti globális kereslet 2050-re több mint 70% -kal nő, és a jelenlegi termelési rendszerek már nem lesznek fenntarthatóak. Ha nem találunk környezetbarát alternatívákat, akkor lehetséges, hogy a hús és más alaptermékek a közeljövőben luxustermékké válnak a hústermelésre szánt növények iránti kereslet növekedése miatt.

Ezen a vonalon Mark Mark professzor, a Maastrichti Egyetem (Hollandia) 2012-ben bebizonyította, hogy a Petri-csészében termesztett hús kiváló alternatívává válhat a marhahússal szemben. Ezt a kezdeményezést követően néhány vállalat mesterséges nyers húst állít elő 3D bioprinterek segítségével. Ehhez először betakarítják az őssejteket; amikor ezeket táplálják, időszakosan szaporodnak és láncokat képeznek, amelyek a biopatronba kerülve lehetővé teszik az élő szövet 3D-ben történő nyomtatását. Ennek a mesterséges húsnak ugyanazok a biológiai jellemzői vannak, mint amelyet az állat természetes módon állít elő, bár jelentős zsírcsökkenéssel, és ugyanolyan megjelenésű és állagú, bár íze kissé eltér.

Tehén őssejtekből előállított hamburgerterForrás

A közeljövőben a 3D nyomtatók könnyen emészthető ételeket állítanak össze, nemcsak megőrzik a valódi modell alakját és ízét, hanem specifikus fehérjékkel, vitaminokkal vagy tápanyagokkal is gazdagítják, és változatos és vonzó formákat adnak nekik. Így a "Performance" projekt európai kutatói kifejlesztettek egy nyomtató prototípust, amely személyre szabott ételeket állít elő a kalóriatartalom vagy -méret szempontjából gyermekek, idősek és rossz egészségi állapotúak számára. Annak érdekében, hogy az étel ízletes és figyelemfelkeltő legyen, a kutatók hőstabil, növényi alapú szilárdítószert alkalmaztak, hogy az étel átalakítható legyen. A nyomtató a tintasugárhoz hasonló módon működik, különféle kapszulákat használva kevert ételekkel (zöldségek, húsok és szénhidrátok).

A közelmúltban Giuseppe Scionti, a Katalóniumi Műszaki Egyetem kutatója kifejlesztett egy növényi fehérjékre épülő, 3D-ben nyomtatott húst, amely bemutatja a hagyományos steakek jellegzetes rostos textúráját. A filé a borsó és a rizs fehérjéiből nyert aminosavak összeállítását tartalmazza, amelyek reprodukálják a marhahús filé fehérje tulajdonságait. 100 gramm zöldséghús kinyomtatása hozzávetőlegesen két euróba kerül, de az iparosítás és az értékesítés folyamatának méretezésével költsége csökken.

A speciális táplálkozási igények megoldása mellett a 3D nyomtatás lehetővé teszi a rovarok fehérjeforrásként való felhasználását. Így az „Insects au Gratin” projekt tervezőinek célja a húsfogyasztás csökkentése rovarokkal való helyettesítéssel, amelyek annak ellenére, hogy a nyugati kultúrában szokásosan elutasították őket, jobban tisztelik a környezetet, mert kevesebb metánt termelnek és kevesebb vizet használnak. Az ételek megjelenése befolyásolja az elfogadás és az ízélményt. Egyéb források, például diófélék, algák, kacsafű, csillagfürt, répa, magvak, spórák, élesztők stb. alternatív összetevőként már bevezetik.

Spenótdinoszauruszok 3D nyomtatással│forrás

De mi a 3D-s ételek nyomtatásának jövője? A különféle jelenlegi alkalmazások és nagy érdeklődés ellenére ez a 3D nyomtatási technológia kereskedelmi szempontból nem teljesen fejlett, mivel utómunkálatokat igényel: nyomtatás után főzni kell az ételt. Ezenkívül nem teszi lehetővé porszerű összetevők adagolását, és a kapott textúrák nem hasonlíthatók össze a hagyományos főzési módszerekkel kapottakkal. Az ezzel a technikával készült mesterséges termékek várhatóan olcsóbbak és egészségesebbek, mint a közvetlenül állatokból származó termékek, és további előnyöket jelentenek az egyedi készítésű ételek vagy a „személyre szabott táplálkozás” lehetőségéből. Az éttermek képesek lesznek információkat gyűjteni az ügyfelek étkezési szokásairól és táplálkozási problémáiról, valamint az igényeiknek megfelelő ételeket kialakítani.

A 3D nyomtatók várhatóan a mindennapi élelmiszer-feldolgozókká válnak a közeljövőben. Ehhez kombinálhatók lézeres főzéssel, pontos és beállítható módszerrel, amely a kék és az infravörös lézerek hőjét használja fel a főzéshez. Röviden: a 3D-s élelmiszerek nyomtatása elsősorban abban segít, hogy jobban és kevésbé feldolgozott ételekkel együnk. A fenntartható és tápláló alternatív termékek új textúrájú és ízprofilokkal is megtervezhetők, és mind a fogyasztók egészsége, mind a környezet előnyeit élvezheti ez az új technológia, amelyet egyesek már „negyedik ipari forradalomnak” neveztek.

Tudományos hivatkozások és további információk:

Bauer, J. (2015). "3D nyomtatás: Bevezetés a 3D nyomtatás világába" Szerkesztőségi Amazon Media.

Ehrenkranz, M. (2014) „Az élelmiszerek 3D nyomtatása hamarosan éttermekbe jöhet, ha a tésztavezető Barillának módja van”. Elérhető online: http://www.idigitaltimes.com/3d-printingfood-may-come-restaurant-soon-if-pasta-leaderbarilla-has-its-way-368075

Fukuchi, K; Kazuhiro, J.; Tomiyama, A. Takao, S. (2012). „Lézeres főzés: új kulináris technika száraz fűtéshez lézervágó és látástechnika alkalmazásával”. In: CEA'12. Az ACM Multimedia 2012 műhelymunka a multimédiáról főzéshez és étkezéshez. ACM: New York, p. 55-58.

Hao, L.; Mellor, S.; Tengerész, O. Henderson, J.; Sewell, N. és Sloan, M. (2010). "Anyagjellemzés és folyamatfejlesztés a csokoládé-adalékanyagok gyártásához". In: Virtuális és fizikai prototípus, 5. kötet, nº. 2 P. 57-64

Jacobs, A. (2013). - A vacsora ki van nyomtatva. A New York Times. Elérhető online: https://www.nytimes.com/2013/09/22/opinion/sunday/dinner-is-printed.html

Lipson, H.; Kurman, M. (2013). "Digitális konyha". In: Gyártva. A 3D nyomtatás új világa. Wiley: Indianapolis, p. 129-133

Marced Adriá, J. (2015). Élelmiszer-összetételek értékelése 3D nyomtatáshoz. Élelmiszertudományi és technológiai szak vége. Valencia Műszaki Egyetem.

Ramirez, P. López, J. (2011). Az additív technológiák, tágabb koncepció, mint a gyors prototípus készítés. XV Nemzetközi Projektmérnöki Kongresszus. Huesca.

Van Mensvoort, K.; Grievink, H-J. (2014). "Az In Vitro Hús Szakácskönyv". Next Nature Network és BIS Kiadók: Amszterdam.