3D food printing

3D-voedselprinten is het proces van het vervaardigen van voedselproducten.
Dit wordt uitgevoerd met behulp van een verscheidenheid aan additieve productietechnieken.
Meestal houden injectiespuiten van voedingskwaliteit het afdrukmateriaal vast, vervolgens wordt dit,laag voor laag, door een mondstuk wordt gedeponeerd.
Dit mondstuk is gemaakt van food grade materiaal.
De meest geavanceerde 3D-voedselprinters hebben vooraf geprogrammeerde recepten.
Ook stellen ze de gebruiker in staat om op afstand hun voedsel op hun computers, telefoons of een of ander IoT-apparaat samen te stellen.
Zo kun je dus vooraf, op afstand, een maaltijd bereiden.
Het voedsel kan worden aangepast in vorm, kleur, textuur, smaak of voeding, waardoor het zeer nuttig is op verschillende gebieden, zoals ruimtevaart en gezondheidszorg.

Algemene principes

Er zijn drie algemene gebieden die van invloed zijn op het nauwkeurig printen van voedsel:

• materialen/ingrediënten (viscositeit, poedergrootte)
• procesparameters (mondstukdiameter, printsnelheid, printafstand)
• nabewerkingsmethoden (bakken, magnetron, frituren)

Materialen en ingrediënten

Het type voedsel dat beschikbaar is om te printen, wordt beperkt door de printtechniek. Voor een overzicht van deze druktechnieken, zie de sectie printtechnieken hieronder:

Extrusie-gebaseerde printingrediënten

Ingrediënten die worden gebruikt bij op extrusie gebaseerd printen zijn van nature zacht genoeg om uit een spuit/printkop te extruderen en hebben een viscositeit die hoog genoeg is om een vorm te behouden.
In bepaalde gevallen worden ingrediënten in poedervorm (eiwit, suiker, enz.) toegevoegd om de viscositeit te verhogen, b.v. door bloem aan water toe te voegen, ontstaat een pasta die kan worden afgedrukt.
Deze zachte materialen omvatten bijvoorbeeld de volgende ingrediënten:

• puree
• gelei
• glazuur
• kaas
  Bepaalde vaste ingrediënten kunnen worden gebruikt door het ingrediënt te smelten en vervolgens te extruderen,denk hierbij bijvoorbeeld aan chocolade.

Selectief laser sinteren en bindmiddel jetting ingrediënten

Ingrediënten in poedervorm

• suiker
• cacaopoeder
• eiwit poeder

Ingrediënten voor inkjetprinten

Ingrediënten met een lage viscositeit worden gebruikt voor oppervlaktevulling:

• sauzen (pizza, hete saus, mosterd, ketchup, enz.)
• gekleurde voedselinkt

Deze laatste wordt meest in de proffesionele keuken gebruikt. En heeft een meer cosmetisch karakter.

Printtechnieken

Extrusie-gebaseerd printen

Hoewel er verschillende benaderingen zijn voor op extrusie gebaseerd printen, volgen deze benaderingen dezelfde basisprocedures.
Het plateau waarop voedsel wordt geprint, bestaat uit een standaard 3-assige platform met een computergestuurde extrusiekop.
Deze extrusiekop duwt voedselmaterialen door een mondstuk, meestal door middel van perslucht of knijpen.
De spuitmondjes kunnen variëren met betrekking tot het soort voedsel dat wordt geëxtrudeerd of de gewenste afdruksnelheid(meestal hoe kleiner de spuitmond, hoe langer het printen van voedsel duurt).
Terwijl het voedsel wordt geprint, beweegt de extrusiekop langs de 3-assige fase om het gewenste voedsel te printen.
Sommige gedrukte voedingsmiddelen vereisen extra verwerking, zoals bakken of braden voordat ze worden geconsumeerd.

Op extrusie gebaseerde voedselprinters kunnen worden gekocht voor huishoudelijk gebruik, zijn doorgaans compact van formaat en hebben lage onderhoudskosten.
Ter vergelijking: op extrusie gebaseerd printen biedt de gebruiker meer materiaalkeuzes.
Deze voedselmaterialen zijn echter meestal zacht en maken het printen van complexe voedselstructuren daardoor moeilijk.
Bovendien vereisen ze lange fabricagetijden.
Ook vervormingen als gevolg van temperatuurschommelingen door het extra bakken of braden vergt verder onderzoek en ontwikkeling om deze te overwinnen.

Hotmelt en kamertemperatuur

Bij Hotmelt-extrusie verwarmt de extrusiekop het voedingsmateriaal iets boven het smeltpunt van het materiaal.
Het gesmolten materiaal wordt vervolgens uit de kop geëxtrudeerd en stolt kort daarna. Hierdoor kan het materiaal eenvoudig in de gewenste vorm of model worden gemanipuleerd.
Voedingsmiddelen zoals chocolade worden met deze techniek gebruikt vanwege het vermogen om snel te smelten en te stollen

Andere voedselmaterialen hebben een verwarmingselement nodig om te worden bedrukt.
Voedselmaterialen zoals gelei, glazuur, puree en soortgelijke voedselmaterialen met de juiste viscositeit kunnen bij kamertemperatuur worden gebruikt zonder eerst te smelten.

Selectief lasersinteren

Bij selectief lasersinteren worden gepoederde voedselmaterialen verwarmd.
En vervolgens aan elkaar gehecht om een solide structuur te vormen. Dit proces wordt voltooid door het poedervormige materiaal laag voor laag te hechten met een laser als warmtebron.
Nadat een laag is voltooid met de gewenste gebieden gebonden, wordt deze bedekt met een nieuwe niet-gebonden laag poeder.
Bepaalde delen van deze nieuwe ongebonden laag worden door de laser verwarmd om deze te hechten aan de structuur.
Dit proces gaat verticaal omhoog totdat het gewenste voedselmodel is geconstrueerd.
Na de constructie kan niet-gebonden materiaal worden gerecycled en gebruikt om een ander voedselmodel te printen.

Selectief lasersinteren maakt de constructie van complexe vormen en modellen mogelijk en de mogelijkheid om verschillende voedseltexturen te creëren.
Het wordt beperkt door het aanbod van geschikte voedingsmaterialen, namelijk ingrediënten in poedervorm.
Vanwege deze beperking wordt selectief lasersinteren voornamelijk gebruikt voor het maken van snoep.

Bindmiddel spuiten

Net als bij selectief lasersinteren, gebruikt binder jetting poedervormige voedselmaterialen om laag voor laag een model te creëren.
In plaats van warmte te gebruiken om de materialen aan elkaar te binden, wordt een vloeibaar bindmiddel gebruikt.
Na het verlijmen van de gewenste delen van een laag, wordt vervolgens een nieuwe laag poeder verspreid over de gehechte laag die deze bedekt.
Bepaalde delen van deze nieuwe laag worden vervolgens gehecht aan de vorige laag. Het proces wordt herhaald totdat het gewenste voedselmodel is geconstrueerd.

Net als bij selectief lasersinteren, maakt het spuiten van bindmiddelen de constructie van complexe vormen en modellen mogelijk en de mogelijkheid om verschillende voedseltexturen te creëren.
Evenzo wordt het ook beperkt door het aanbod van geschikte voedselmaterialen, namelijk ingrediënten in poedervorm

Inkjet printen

Inkjetprinten wordt gebruikt voor het vullen van oppervlakken of het decoreren van afbeeldingen.
Door zwaartekracht te gebruiken valt eetbare voedselinkt op het oppervlak van het voedsel, meestal een koekje, cake of ander snoepje.
Dit is een contactloze methode, daarom raakt de printkop het voedsel niet aan en beschermt het voedsel tegen besmetting tijdens het vullen van de afbeelding.
De inktdruppels kunnen uit een breed scala aan kleuren bestaan, waardoor gebruikers unieke en geïndividualiseerde voedselafbeeldingen kunnen maken.
Een probleem met inkjetprinten is dat de voedingsmaterialen niet compatibel zijn met de inkt, wat resulteert in geen beeld of hoge beeldvervorming.
Inkjetprinters kunnen worden gekocht voor huishoudelijk of commercieel gebruik en industriële printers zijn geschikt voor massaproductie.

Multi-printkop en multi-materiaal

Bij het printen met meerdere printkoppen en meerdere materialen worden meerdere ingrediënten tegelijkertijd of na elkaar geprint.
Er zijn verschillende manieren om het afdrukken op meerdere materialen te ondersteunen.
In één geval worden meerdere printkoppen gebruikt om meerdere materialen/ingrediënten te printen, omdat dit de productie en efficiëntie kan versnellen en tot interessante ontwerppatronen kan leiden.
In een ander geval is er één printkop en wanneer een ander ingrediënt nodig is, verwisselt de printer het te printen materiaal. Meerdere materialen/ingrediënten staat gelijk aan een meer divers aanbod van maaltijden die beschikbaar zijn om te printen, een breder voedingsbereik, en is vrij gebruikelijk voor voedselprinters.

Nabewerking

In de naverwerkingsfase kunnen voor geprint voedsel extra stappen nodig zijn voordat ze worden geconsumeerd.
Dit omvat verwerkingsactiviteiten zoals bakken, braden, schoonmaken, enz. Deze fase kan een van de meest kritieke zijn voor 3D-geprint voedsel, omdat het geprinte voedsel veilig moet zijn voor consumptie.
Een extra zorg bij nabewerking is de vervorming van het bedrukte voedsel als gevolg van de belasting door deze aanvullende processen.
De huidige methoden zijn beschikbaar na vallen en opstaan.
Dat wil zeggen, het combineren van voedseladditieven met de materialen/ingrediënten om de integriteit van complexe structuren te verbeteren en ervoor te zorgen dat de gedrukte structuur zijn vorm behoudt.
Additieven zoals transglutaminase en hydrocolloïden zijn toegevoegd aan ingrediënten om de gedrukte vorm te behouden tijdens het printen en na het koken.

Daarnaast heeft recent onderzoek een visuele simulatie opgeleverd voor het bakken van brood, koekjes, pannenkoeken en soortgelijke materialen die bestaan ​​uit deeg of beslag (mengsels van water, bloem, eieren, vet, suiker en rijsmiddelen). Door bepaalde parameters in de simulatie aan te passen, toont het het realistische effect dat bakken op het voedsel zal hebben. Met verder onderzoek en ontwikkeling kan een visuele simulatie van 3D-geprint voedsel dat wordt gekookt, voorspellen wat kwetsbaar is voor vervorming.

Toepassingen

Persoonlijke voeding

Gepersonaliseerde voedingsbehoeften voor de voedingsbehoeften van een individu zijn in verband gebracht met de preventie van ziekten. Als zodanig is het eten van voedzaam voedsel van het grootste belang voor een gezond leven. 3D-geprint voedsel kan de controle bieden die nodig is om een aangepaste hoeveelheid eiwitten, suiker, vitamines en mineralen toe te voegen aan het voedsel dat we consumeren.

Een ander gebied in voeding op maat, is voeding voor ouderen. Ouderen kunnen voedsel soms niet doorslikken en hebben daarom een zachter palet nodig. Deze voedingsmiddelen zijn echter vaak onaantrekkelijk, waardoor sommige mensen niet eten wat de voedingsbehoeften van hun lichaam nodig hebben. 3D-geprint voedsel kan een zacht en esthetisch aangenaam voedsel opleveren waarin ouderen de voedingsbehoeften van hun lichaam kunnen consumeren.

Startend bedrijf Nourished 3D print in oktober 2019 gepersonaliseerde nutritionele gummies van 28 verschillende vitamines. Individuen nemen een enquête in en vervolgens wordt op basis van hun antwoorden een gepersonaliseerde voedingsgummy voor die persoon afgedrukt.

Duurzaamheid en oplossing voor honger

Aangezien de wereldbevolking blijft groeien, zijn experts van mening dat de huidige voedselvoorziening de bevolking niet kan voorzien.
Een duurzame voedselbron is dus van cruciaal belang.
Studies hebben aangetoond dat entomofagie, de consumptie van insecten, het potentieel heeft om een groeiende populatie in stand te houden.
Insecten zoals krekels hebben minder voer en water nodig en leveren ongeveer dezelfde hoeveelheid eiwit als kippen, koeien en varkens.
Krekels kunnen worden vermalen tot eiwitmeel.
In één onderzoek geven onderzoekers een overzicht van het proces van 3D-printen van insectenmeel tot voedsel dat niet op insecten lijkt; waardoor de voedingswaarde van het insect intact blijft.

 

Ruimteonderzoek

Naarmate mensen zich voor langere tijd in de ruimte wagen, zijn de voedingsbehoeften voor het behoud van de gezondheid van de bemanning van cruciaal belang.
Momenteel onderzoekt NASA manieren om 3D-geprint voedsel in de ruimte te integreren om aan de voedingsbehoeften van de bemanning te voldoen.
De visie is om voedsellagen in poedervorm met een houdbaarheid van 30 jaar te 3D-printen in plaats van traditioneel gevriesdroogd voedsel te gebruiken met een houdbaarheid van 5 jaar.
Naast dieetwensen zou het 3D-printen van voedsel in de ruimte een moreel boost kunnen geven, aangezien de astronauten in staat zouden zijn om aangepaste maaltijden te ontwerpen die esthetisch aantrekkelijk zijn.

 

In september 2019 kweekten Russische kosmonauten, samen met de Israëlische startup Aleph Farms, vlees van koeiencellen en printten de cellen vervolgens in 3D tot steaks.

Bioprinten van vlees

De veehouderij is een van de grootste veroorzakers van ontbossing, landdegradatie, watervervuiling en woestijnvorming. Dit heeft onder meer geleid tot de nieuwe veelbelovende technologie van vlees bioprinting. Een alternatief voor de veehouderij is kweekvlees, ook wel laboratoriumvlees genoemd. Kweekvlees wordt geproduceerd door een kleine biopsie van dieren te nemen, de myosatellietcellen te extraheren en groeiserum toe te voegen om de cellen te vermenigvuldigen. Het resulterende product wordt vervolgens gebruikt als materiaal voor het bioprinten van vlees. De nabewerkingsfase omvat onder meer het toevoegen van smaak, vitamines en ijzer aan het product. Nog een ander alternatief is het printen van een vleesanaloog. Novameat, een Spaanse startup, is erin geslaagd een plantaardige biefstuk te printen en de textuur en het uiterlijk van echt vlees na te bootsen.

Creatief voedselontwerp

Aanpassing van voedselpresentatie en voedseluiterlijk voor individuen is een grote trend in de voedingsindustrie. Tot nu toe waren voor het aanpassen van voedsel en creatieve ontwerpen handgemaakte vaardigheden vereist, wat resulteert in een lage productiesnelheid en hoge kosten. 3D-printen van voedsel kan dit probleem oplossen door de nodige hulpmiddelen te bieden voor creatief voedselontwerp, zelfs voor thuisgebruikers.

3D-printen van voedsel heeft een aantal ingewikkelde ontwerpen mogelijk gemaakt die niet kunnen worden bereikt met traditionele voedselproductie. Merklogo’s, tekst, handtekeningen en foto’s kunnen nu worden afgedrukt op sommige voedingsmiddelen zoals gebak en koffie. Er zijn ook complexe geometrische vormen gedrukt, voornamelijk met suiker. Met 3D-printen kunnen chefs hun visuele inspiratie nu omzetten in kenmerkende culinaire creaties. Een ander voordeel is dat je voedzame maaltijden kunt printen in vormen die kinderen aanspreken.

Minder voedselverspilling

Wereldwijd gaat een derde van het totale voedsel dat voor consumptie wordt geproduceerd, zo’n 1,6 miljard ton per jaar, verloren. Voedselverspilling vindt plaats tijdens verwerking, distributie en consumptie. 3D-voedselprinten is een veelbelovende manier om voedselverspilling tijdens de consumptiefase te verminderen door gebruik te maken van voedselproducten zoals vleesafval, vervormde groenten en fruit, bijproducten van zeevruchten en bederfelijke waren.

Deze producten kunnen in een voor bedrukking geschikte vorm worden verwerkt. Upprinting Food, een Nederlandse startup, heeft verschillende ingrediënten uit voedselafval gemengd en gecombineerd om puree te maken die vervolgens wordt gebruikt als materiaal voor 3D-printen. Chef-koks maken ook verschillende gerechten van overgebleven voedsel met behulp van 3D-voedselprinters.

Uitdagingen

Structuur

In tegenstelling tot traditioneel bereid voedsel, wordt de verscheidenheid aan voedsel die met 3D-printen kan worden vervaardigd, beperkt door de fysieke kenmerken van de materialen. Voedselmaterialen zijn over het algemeen veel zachter dan het zwakste plastic dat wordt gebruikt bij 3D-printen, waardoor de geprinte structuren erg kwetsbaar zijn.

Tot nu toe gebruiken de meeste onderzoeken vallen en opstaan als een benadering om deze uitdaging het hoofd te bieden, maar wetenschappers werken aan de ontwikkeling van nieuwe methoden die het gedrag van verschillende materialen tijdens het printproces kunnen voorspellen. Deze methoden zijn ontwikkeld door de reologische eigenschappen van de materialen en hun relatie tot de afdrukstabiliteit te analyseren.

Ontwerp

Bij het ontwerpen van een 3D-model voor een voedingsproduct moet rekening worden gehouden met de fysieke en geometrische beperkingen van de printmaterialen. Dit maakt het ontwerpproces een zeer complexe taak en tot nu toe is er geen software beschikbaar die daar rekening mee houdt. Het bouwen van dergelijke software is ook een complexe taak vanwege de grote verscheidenheid aan voedselmaterialen.

Aangezien persoonlijke gebruikers die 3D-voedselprinten in hun keukens integreren een aanzienlijk deel van de totale gebruikers uitmaken, draagt het ontwerp van de software-interface bij aan de complexiteit. De interface van dergelijke software moet eenvoudig zijn en een hoge bruikbaarheid hebben, terwijl de gebruiker toch voldoende functies en aanpassingsmogelijkheden biedt zonder cognitieve overbelasting te veroorzaken.

Snelheid

De huidige snelheid van 3D-printen van voedsel zou voldoende kunnen zijn voor thuisgebruik, maar het proces is erg traag voor massaproductie. Eenvoudige ontwerpen nemen 1 tot 2 minuten in beslag, gedetailleerde ontwerpen 3 tot 7 minuten en ingewikkeldere ontwerpen nog langer De snelheid van het printen van voedsel hangt nauw samen met de reologische eigenschappen van de materialen. Onderzoek toont aan dat een hoge afdruksnelheid resulteert in monsters met een lage getrouwheid vanwege het slepende effect, terwijl een zeer lage snelheid instabiliteit in materiaalafzetting veroorzaakt.

Om ervoor te zorgen dat 3D-voedselprinten zijn weg vindt naar de voedingsindustrie, moet de printsnelheid worden verbeterd of moeten de kosten van dergelijke technologie betaalbaar zijn voor bedrijven om meerdere printers te gebruiken.

Afdrukken op meerdere materialen

De kleur, smaak en textuur van voedsel zijn van cruciaal belang bij het vervaardigen van een eetbaar product, dus in de meeste gevallen is het vereist dat een voedselprinter multi-materiaal printen ondersteunt. De huidige beschikbare 3D-voedselprinters zijn beperkt tot het gebruik van een paar verschillende materialen vanwege de uitdaging om meerdere extrudermogelijkheden te ontwikkelen.

Dit beperkt de verscheidenheid aan voedselproducten die 3D kunnen worden geprint, waardoor complexe gerechten die veel verschillende materialen vereisen, worden weggelaten.

Veiligheid

Bij het 3D printen van voedsel is de veiligheid cruciaal. Een voedselprinter moet zorgen voor veiligheid langs het hele traject dat het voedselmateriaal aflegt. Vanwege de mogelijkheid dat voedsel ergens langs het pad vast komt te zitten, is de accumulatie van bacteriën een groot probleem.

Microbiële stabiliteit is een cruciale parameter van de kwaliteit van het bedrukte voedsel en moet dus zowel tijdens het ontwerp van de printer als tijdens het printproces worden aangepakt.  Aan de andere kant zijn de materialen die in contact komen met het voedsel misschien niet zo belangrijk, aangezien hoogwaardige printers roestvrij staal en BPA-vrije materialen gebruiken.

Copyright

Bestaande voedingsproducten op de markt, zoals chocolaatjes in verschillende vormen, kunnen gemakkelijk worden gescand en de verkregen 3D-modellen kunnen worden gebruikt om die producten te repliceren. Deze 3D-modellen kunnen vervolgens via internet worden verspreid, wat kan leiden tot inbreuk op het auteursrecht. Er zijn wetten die auteursrechtelijke kwesties regelen, maar het is niet duidelijk of ze voldoende zullen zijn om alle aspecten van een gebied als 3D-voedselprinten te dekken.

 

Bron: https://en.wikipedia.org/wiki/3D_food_printing