Prof. Dr. Y. Birol SAYGI
Beykoz Üniversitesi
3D baskının ilk makinesi 1983’te üretilmiştir. Bununla birlikte, gıdanın 3D baskısı nispeten yenidir ve damak tadınıza ulaşması için daha alması gereken uzun bir yolu vardır. Pizzadan çok daha fazlasını yazdırabilirsiniz. Şefler hamur işlerinden suşiye kadar her şeyi oluşturmak için 3D yazıcılar kullanmaktadır. Katmanlı üretim endüstrisindeki son on yıldaki gelişmeler, artan erişilebilirlik ve daha ucuz maliyetlerle birleştiğinde, bu akım kapılarını gelişen yeni bir endüstriye açmıştır. Statista’ya göre, 3D baskı ürün ve hizmetlerinin 2024 yılına kadar 40 milyar USD’nin üzerine çıkması ve 2020 ile 2040 arasında her yıl %26,4’lük büyüme oranına ulaşması beklenmektedir. Eklemeli üretim olarak da bilinen 3D baskı, dijital dosyalardan üç boyutlu katı nesneler oluşturma işlemidir. Nesneler genellikle katman katman oluşturulur. 3D baskının avantajlarından biri, geleneksel üretim yöntemlerinde bulabileceğinizden çok daha az malzeme kullanarak nispeten hızlı bir şekilde karmaşık şekiller üretebilmemizdir. Konu bundan çok daha derinleşmektedir.
Otomatik pizza yapımı, biraz ilkel bir 3D baskı sürecidir. Genel olarak, 3D yazdırılmış yiyecek, otomatik bir katkı süreci ile hazırlanan bir yemektir. Bu tanım oldukça soyut olsa da 2015’te ortaya çıkan pizza otomatları düşünüldüğünde makinede hamur hazırlanır, ekstrüde edilir, üzerine domates sosu ve peynir eklenir ve nihayet fırına gönderilir. Bu süreç, bir bakıma, ilkel bir üç boyutlu baskı gıda süreci olarak düşünülebilir. Günümüzde bu konuda hızla ilerliyoruz. Hem teknolojideki hem de halkın ilgisindeki bu hızlı büyüme, pek çok kişinin, yakında her ev mutfağının kendi gıda 3D yazıcısı ile donatılacağını iddia etmesine yol açmaktadır. Gerçekte, 3D baskılı yiyecekler henüz emekleme aşamasındadır. Profesyonellerin ve tüketicilerin daha geniş bir şekilde benimsendiğini görmeden önce önümüzde uzun bir yol bulunmaktadır. Ancak bu olgu bizi bu büyüleyici makinelere ve onların ilgi çekici yenilebilir tasarımlarına hayran olmaktan alıkoymamaktadır. 3D olarak yazdırılabilen gıdalar, mevcut işlemlerle sınırlıdır. Malzeme ekstrüzyonu, üç boyutlu baskı gıda için en yaygın işlemdir ve FDM baskıya benzer şekilde, püre, köpük ve çikolata ganaj gibi diğer yapışkan yiyecekler gibi macun benzeri girdiler gerektirir. İlk başta, seçenekler açısından biraz kısıtlanmış hissedebilir, ancak hamurlar, püre, peynirler, şekerlemeler ve hatta çiğ etler arasındaki tüm olası kombinasyonları düşünülmektedir.
3D Baskı Nasıl Çalışır?
Bir yazıcıyı veya bir sanatçının boya tuvalini düşününüz. Bir yazıcı, fikirlerinizi yazdırmak için bir kat mürekkep bırakır. Bir sanatçı, bir veya iki kat boya koyabilir veya katman katman oluşturmaya devam edebilir. Katmanlar bir araya geldikçe, boya kalınlaşır ve hatta tuvalden fırlar. Yiyecekleri üç boyutlu yazdırdığınızda olan budur. Gıda, nihai ürününü elde edene kadar katman üzerine “basılıdır”. Bu, eklemeli üretim süreci, özellikle erimiş birikim modellemesi olarak bilinendir. Malzemeler, gıdanın kendisinde bulunan bileşiklerden farklı kimyasal reaksiyonlarla bağlanır. Materyal ısıtılır ve ürünü bilgisayar tarafından tasarlanan şekilde bir nozuldan ekstrüde edilir (itilir). Burada katmanlı üretim sürecinin plastikte nasıl çalıştığını görebilirsiniz. Materyal ısıtılır, ekstrüde edilir ve katman katman basılır.
Basılacak malzeme viskozite (akışkanlık) açısından, baskı nozülünden ekstrüde edilebilecek kadar düşük, ancak basıldıktan sonra şeklini ve özelliklerini koruyabilecek kadar kalın olmalıdır. Bu zor olabilir. Örneğin pizza hamuru, peynir ve sosların yanı sıra çikolata ve şekerlemeler eğlenceli örneklerdir. Gıdanın 3D yazdırılmasının başka bir yolu, seçici lazer sinterleme adı verilen bir işlemidir. Toz yatak baskısı olarak da bilinen bu yöntemde, toz katmanlarını sabitlemek ve şekiller oluşturmak için bir lazer veya sıvı kullanılır. Burada kullanılan toz genellikle pudra şekeridir.
Teknolojinin icadından bu yana 3D yazıcıların maliyeti hızla düştü, bu da tüketicilerin ve üreticilerin avantajlarından daha fazla yararlanabileceği anlamına gelmektedir. 3D baskı, ürün geliştirme sürecine yardımcı olan daha gerçekçi prototipler geliştirmek için kullanılabilir. 3D baskı tam olarak hızlı olmasa da başlangıç aşamalarında birçok prototip üretmenin ve hatta nasıl ilerleyeceğini bilmek için bunları dahili olarak veya tüketicilerle test etmenin daha ekonomik ve verimli bir yoludur. Bu teknoloji ile özelleştirme büyük bir avantajdır. Tasarımın tam kontrolüne sahip olabilir ve geri bildirime dayalı olarak gerekli değişiklikler yapılabilir. Sahip olunan herhangi bir fikir (teorik olarak) yazıcı için tasarlanabilir ve optimize edilebilir. Bu zaman kazandırır ve hepimiz zamanın para olduğunu biliyoruz.
Şimdilik, 3D yazdırılmış yiyecekler çoğunlukla lüks restoranlarda veya şekerleme dükkanlarında sunulmaktadır. Şekerin üç boyutlu baskısı başarılı olup güzel ikramların yapılması kolaylaştırmaktadır. 3D gıda yazıcıları birçok farklı malzemeden kişiye özel kreasyonların tasarlanması ve basımına olanak vermektedir. Bilgi ve teknoloji geliştikçe, 3D baskının büyük ölçüde genişlemesi beklenmektedir.
Neden 3D baskı yiyecek?
3D baskı yeni bir teknoloji olup ambalajlanmış yiyeceklerle aynı görünüme sahiptir. Ayrıca, üç boyutlu gıda baskısının farklı fırsatlar sunmaktadır. Daha yenilikçi ürünlerin yaratılabileceği doğrudur. Yeni zevkler detaylandırılabilir ve hem tüketicilerin sağlığı hem de çevre bu yeni teknolojiden faydalanabilir. Hassas ve doğru gıda baskısını etkileyen malzemeler (viskozite, toz boyutu), işlem parametreleri (nozül çapı, baskı hızı, baskı mesafesi) ve işlem sonrası yöntemler (pişirme, mikrodalga fırın, kızartma) olmak üzere üç genel alan vardır. Basılabilecek yiyecek türü baskı tekniğiyle sınırlıdır.
Ekstrüzyon bazlı baskı malzemeleri: Ekstrüzyon bazlı baskıda kullanılan yaygın bileşenler, doğal olarak bir baskı kafasından ekstrüde edilecek kadar yumuşak olup bir şekli korumak için yeterince yüksek bir viskoziteye sahiptir. Bazı durumlarda, viskoziteyi arttırmak için toz halinde bileşenler (protein, şeker, vb.) eklenir. Örneğin suya, un eklemek basılabilen bir macun oluşturur. Püre, jöle, peynir ve patates püresi gibi doğası gereği yumuşak malzemelerin işlenmesi sağlanabilir. Çikolata gibi katı olan belirli bileşenler, bileşen eritilerek ve sonra ekstrüde edilerek kullanılabilir. Seçici lazer sinterleme ve bağlayıcı püskürtme bileşenleri olarak şeker, çikolata tozu, protein tozu gibi toz içerikler kullanılmaktadır. Mürekkep püskürtmeli baskı malzemeleri olarak yüzey dolgusu için soslar gibi (pizza, acı sos, hardal, ketçap gibi) düşük viskoziteli malzemeler kullanılır.
Çok Malzemeli Baskı ile Ekstrüzyon Esaslı Baskının Bilgisayarla Oluşturulması: Ekstrüzyon bazlı baskı için farklı yaklaşımlar olsa da bu yaklaşımlar aynı temel prosedürleri takip etmektedir. Gıdanın basıldığı platform, bilgisayar kontrollü ekstrüzyon başlığına sahip standart üç eksenli bir aşamadan oluşur. Bu ekstrüzyon kafası, gıda malzemelerini tipik olarak basınçlı hava veya sıkma yoluyla bir nozuldan iter. Püskürtme uçları, ekstrüde edilen gıdanın türüne veya istenen baskı hızına göre değişebilir (tipik olarak nozül ne kadar küçükse, gıda baskısı o kadar uzun sürer). Yiyecek basıldıkça, ekstrüzyon kafası istenen yiyeceği basan üç eksenli aşama boyunca hareket eder. Bazı basılı yiyecekler, tüketilmeden önce pişirme veya kızartma gibi ek işlemler gerektirir. Ekstrüzyon bazlı gıda yazıcıları ev kullanımı için satın alınabilir, tipik olarak kompakt boyuttadır ve düşük bakım maliyetine sahiptir. Nispeten, ekstrüzyon tabanlı baskı, kullanıcıya daha fazla malzeme seçeneği sunar. Bununla birlikte, bu gıda malzemeleri genellikle yumuşaktır ve sonuç olarak karmaşık gıda yapılarının basılmasını zorlaştırır. Ayrıca, ek pişirme veya kızartma ile sıcaklık dalgalanmalarından kaynaklanan uzun üretim süreleri ve deformasyonların üstesinden gelmek için daha fazla araştırma ve geliştirme gerekmektedir.
3D Gıda Baskı İşlemleri: Sıcak eriyik ekstrüzyonda, ekstrüzyon başlığı yiyecek malzemesini malzemenin erime noktasının biraz üzerinde ısıtır. Erimiş malzeme daha sonra kafadan ekstrüde edilir ve ardından kısa süre sonra katılaşır. Bu, malzemenin kolaylıkla istenen form veya modele dönüştürülmesini sağlar. Çabuk eriyip katılaşabilmesi nedeniyle bu teknikte çikolata gibi yiyecekler kullanılmaktadır. Diğer gıda malzemeleri, basılmak için doğal olarak bir ısıtma elemanı gerektirmez. Uygun viskoziteye sahip jöle, buzlanma, püre ve benzeri gıda malzemeleri gibi gıda malzemeleri, önceden eritilmeden oda sıcaklığında basılabilir.
Seçici Lazer Sinterleme İşlemi: Seçici lazer sinterlemede, toz gıda malzemeleri ısıtılır ve birbirine bağlanarak katı bir yapı oluşturur. Toz halindeki malzemenin ısı kaynağı olarak bir lazer ile katman katman yapıştırılmasıyla bu işlem tamamlanır. İstenilen alanların bağlanmasıyla bir tabaka tamamlandıktan sonra, yeni bir bağlanmamış toz tabakası ile kaplanır. Bu yeni bağlanmamış katmanın bazı kısımları, yapıya bağlanması için lazerle ısıtılır. Bu süreç, istenilen gıda modeli oluşturulana kadar dikey olarak yukarı doğru devam eder. İnşaattan sonra, bağlanmamış malzeme geri dönüştürülebilir ve başka bir gıda modeli basmak için kullanılabilir. Seçici lazer sinterleme, karmaşık şekillerin ve modellerin oluşturulmasına ve farklı gıda dokuları yaratılmasına olanak tanır. Bu, uygun gıda maddeleri, yani toz içerik maddeleriyle sınırlıdır. Bu sınırlamadan ötürü, seçici lazer sinterleme esas olarak tatlılar / şekerlemeler oluşturmak için kullanılmıştır.
Bağlayıcı Püskürtme İşlemi: Seçici lazer sinterlemeye benzer şekilde, bağlayıcı püskürtme, katman katman bir model oluşturmak için toz gıda malzemelerini kullanır. Malzemeleri birbirine bağlamak için ısı kullanmak yerine sıvı bir bağlayıcı kullanılır. Bir katmanın istenen alanlarını bağladıktan sonra, yeni bir toz katmanı, onu kaplayan bağlanmış katmanın üzerine yayılır. Bu yeni katmanın belirli kısımları daha sonra önceki katmana bağlanır. İstenilen gıda modeli oluşturulana kadar süreç tekrarlanır. Seçici lazer sinterlemede olduğu gibi, bağlayıcı püskürtme, karmaşık şekillerin ve modellerin yapımını ve farklı gıda dokuları oluşturma yeteneğini mümkün kılar. Aynı şekilde, aynı zamanda uygun gıda maddeleri, yani toz içerik maddeleriyle de sınırlıdır.
Mürekkep püskürtmeli yazıcı: Mürekkep püskürtmeli baskı, yüzey doldurma veya görüntü süsleme için kullanılır. Yerçekimi kullanılarak yenilebilir gıda mürekkebi, tipik olarak bir kurabiye, kek veya başka bir şeker gibi gıdanın yüzeyine damlatılır. Bu temassız bir yöntemdir, dolayısıyla baskı kafası görüntü doldurma sırasında yiyeceği kontaminasyondan koruyan yiyeceğe dokunmaz. Mürekkep damlacıkları, kullanıcıların benzersiz ve kişiselleştirilmiş yiyecek görüntüleri oluşturmasına olanak tanıyan geniş bir renk yelpazesinden oluşabilir. Mürekkep püskürtmeli baskı ile ilgili bir sorun, gıda malzemelerinin mürekkeple uyumsuz olması ve sonuçta görüntü veya yüksek görüntü bozulması olmamasıdır. Mürekkep püskürtmeli yazıcılar ev veya ticari kullanım için satın alınabilir ve endüstriyel yazıcılar seri üretime uygundur.
Çoklu baskı kafası ve çoklu malzeme: Çoklu baskı kafası ve çok malzemeli baskıda, birden çok malzeme aynı anda veya art arda basılır. Çok malzemeli baskıyı desteklemenin farklı yolları vardır. Bir örnekte, üretimi, verimliliği hızlandırabileceği ve ilginç tasarım modellerine yol açabileceği için birden fazla malzeme / bileşen yazdırmak için birden çok baskı kafası kullanılır. Başka bir durumda, bir baskı kafası vardır ve farklı bir bileşen gerektiğinde, yazıcı basılmakta olan malzemeyi değiştirir. Birden çok malzeme / bileşen, basılabilecek daha çeşitli yemek çeşitlerine, daha geniş bir besin aralığına eşittir ve gıda yazıcıları için oldukça yaygındır.
Rötuş: İşlem sonrası aşamada, basılı gıdalar tüketilmeden önce ek adımlar gerektirebilir. Bu, pişirme, kızartma, temizleme, vb. Gibi işleme faaliyetlerini içerir. Bu aşama, yazdırılan gıdanın tüketim için güvenli olması gerektiğinden, 3D yazdırılan yiyecekler için en kritik aşamalardan biri olabilir. Sonradan işlemede ek bir endişe, bu ek işlemlerin zorlaması nedeniyle basılı gıdanın deformasyonudur. Mevcut yöntemler deneme yanılma içerir. Yani, karmaşık yapıların bütünlüğünü iyileştirmek ve baskılı yapının şeklini korumasını sağlamak için gıda katkı maddelerini malzemelerle / bileşenlerle birleştirmek. Baskı sırasında ve pişirme sonrasında basılı şekli korumaya yardımcı olmak için bileşenlere transglutaminaz ve hidrokolloidler gibi katkı maddeleri eklenmiştir. Ayrıca, son araştırmalar hamur veya hamurdan (su, un, yumurta, yağ, şeker ve mayalama maddeleri karışımları) oluşan ekmek, kurabiye, krep ve benzeri malzemeleri pişirmek için görsel bir simülasyon üretti. Simülasyonda belirli parametreleri ayarlayarak, pişirmenin yiyecekler üzerinde yapacağı gerçekçi etkiyi gösterir. Daha fazla araştırma ve geliştirme ile, pişirilmekte olan 3D yazdırılmış yiyeceklerin görsel bir simülasyonu, neyin deformasyona karşı savunmasız olduğunu tahmin edebilir.
3D Gıda Baskının Avantajları: Temiz bir ortamda uygun bir makinede hazırlandıkları sürece (diğer mutfaklarda olduğu gibi) 3D yazdırılmış gıda maddelerini tüketmek tamamen güvenlidir. Harika görünen yemekler yaratmanın yanı sıra, 3D baskıda yiyeceklerde başka olumlu yönler de bulunmaktadır;
Yemeklerin kişiselleştirilmesi: Yemek başına besin, vitamin ve kalori çeşitliliğini ve miktarını kontrol etmek açısından, 3 boyutlu baskı gıda hassasiyeti sağlar. Bu, kısıtlı diyetlerin daha yaygın olduğu hastanelerde son derece önemli olabilir ve kolay hasta özelleştirme potansiyeli sunar.
Geleneksel olmayan gıda tüketimi: Besleyici bitkileri ve protein bakımından zengin böcekleri yarı sıvı halde işlediğinizde, bu yiyecekler daha çekici bir şekilde sunulabilir ve böylece tüketimini teşvik edebilir. Gelecekte, sentetik yiyecekler bile 3D olarak basılabilir.
Kolay tekrarlanabilirlik: Tarif paylaşmak, dijital bir dosyayı internet üzerinden aktarmak kadar basit olabilir. Gerekli olan tek şey aynı hammaddeler, baskı ayarları ve uyumlu baskı ekipmanıdır.
3D Gıda Baskının Dezavantajları: Gıdanın 3D baskının getirdiği tüm bu ilginç avantajlarla birlikte, bazı dezavantajları olduğundan bahsetmemek ihmal edilmiş olur. Süreler yazıcıya ve basılan yiyeceğe göre değişiklik gösterse de çok basit altı katmanlı bir tasarımın yazdırılması 7 dakika sürebilirken, daha ayrıntılı 3D modellerin her biri 45 dakikadan fazla sürmektedir. Çok fazla bir ilk gibi görünmeyebilir, ancak bu hızlarda tüm kuruluş ölçeklenebilirlikten yoksundur. Ekipman ve sarf malzemelerinin maliyeti, eğitim için harcanan süre engelleri oluşturmaktadır. Ayrıca, bu makinelerde kullanılan yenilebilir yiyecekler, ekstrüzyon için gerekli kıvamı elde etmek için ya ön pişirme ya da ön işleme gerektirir. Bu nedenle, bu makineler için beklenen tekrar üretilebilirlik ve güvenilirlik, büyük ölçüde bu malzemelerin uygun şekilde hazırlanmasına bağlıdır.
Yapısı: Geleneksel olarak hazırlanan yiyeceklerin aksine, 3D baskı kullanılarak üretilebilecek yiyeceklerin çeşitliliği, malzemelerin fiziksel özellikleriyle sınırlıdır. Gıda malzemeleri genellikle 3D baskıda kullanılan en zayıf plastikten çok daha yumuşaktır ve bu da basılı yapıları çok kırılgan hale getirir. Şimdiye kadar, çoğu çalışma bu zorluğun üstesinden gelmek için bir yaklaşım olarak deneme yanılma yöntemini kullanıyor, ancak bilim adamları, baskı işlemi sırasında farklı malzemelerin davranışını tahmin edebilen yeni yöntemler geliştirmeye çalışıyorlar. Bu yöntemler, malzemelerin reolojik özellikleri ve bunların baskı stabilitesiyle ilişkisi analiz edilerek geliştirilmiştir.
Tasarım: Bir gıda ürünü için 3D model tasarlarken, baskı malzemelerinin fiziksel ve geometrik sınırlamaları dikkate alınmalıdır. Bu, tasarım sürecini çok karmaşık bir görev haline getirir ve şu ana kadar bunu açıklayan kullanılabilir bir yazılım yoktur. Bu tür yazılımları oluşturmak, çok çeşitli gıda materyalleri nedeniyle karmaşık bir görevdir. [40] Mutfaklarına 3 boyutlu gıda baskısı ekleyen kişisel kullanıcıların genel kullanıcıların önemli bir bölümünü temsil ettiği düşünüldüğünde, yazılım ara yüzünün tasarımı karmaşıklığa katkıda bulunuyor. Bu tür bir yazılımın ara yüzü basit olmalı ve yüksek kullanılabilirliğe sahip olmalı, aynı zamanda kullanıcı için bilişsel aşırı yüklenmeye neden olmadan yeterli özellik ve özelleştirme seçenekleri sunmaya devam etmelidir.
Hız: 3D gıda baskısının gıda endüstrisine giden yolunu bulması için, baskı hızının iyileştirilmesi gerekiyor veya bu tür bir teknolojinin maliyeti, şirketlerin birkaç yazıcıyı çalıştırmasına yetecek kadar karşılanabilir olmalıdır. Yiyeceklerin 3D baskısının mevcut hızı evde kullanım için yeterli olabilir, ancak bu süreç seri üretim için çok yavaş. Basit tasarımlar 1 ila 2 dakika, ayrıntılı tasarımlar 3 ila 7 dakika ve daha karmaşık tasarımlar daha da uzun sürer. Yiyecek basma hızı, malzemelerin reolojik özellikleriyle sıkı bir şekilde ilişkilidir. Araştırmalar, yüksek baskı hızının sürükleme etkisine bağlı olarak düşük aslına uygun örneklere neden olduğunu, çok düşük hızın ise malzeme biriktirmede istikrarsızlığa neden olduğunu göstermektedir. 3D gıda baskısının gıda endüstrisine giden yolunu bulması için, baskı hızının iyileştirilmesi veya bu teknolojinin maliyetinin iyileştirilmesi gerekir.
Çok malzemeli baskı: Yenilebilir bir ürün imal edilirken gıdanın rengi, tadı ve dokusu çok önemlidir, bu nedenle çoğu durumda bir gıda yazıcısının çok malzemeli baskıyı desteklemesi gerekir. Mevcut mevcut 3D gıda yazıcıları, çoklu ekstrüder yetenekleri geliştirme zorluğu nedeniyle birkaç farklı malzeme kullanmakla sınırlıdır. Bu, çok sayıda farklı malzeme gerektiren karmaşık yemekleri dışarıda bırakarak, 3D olarak basılabilen gıda ürünlerinin çeşitliliğini sınırlar.
Emniyet: Yiyecekleri 3D yazdırırken güvenlik çok önemlidir. Bir gıda yazıcısı, gıda malzemesinin geçtiği tüm yol boyunca güvenliği sağlamalıdır. Yiyeceklerin yol boyunca bir yere sıkışması olasılığı nedeniyle, bakteri birikimi büyük bir endişe kaynağıdır. Mikrobiyal stabilite, basılı gıdanın kalitesinin çok önemli bir parametresidir, bu nedenle hem yazıcının tasarımı hem de baskı işlemi sırasında ele alınması gerekir.
3D gıda baskısı, zamanında dünyamız ve mutfaklarınız üzerinde büyük bir etkiye sahip olmaya devam edecektir. Gıda üretim uygulamalarını kökten yeniden şekillendirecek, gıda israfını azaltmamıza, gıda envanterini azaltmamıza ve mevcut yiyecekleri geri dönüştürmemize yardımcı olacak, çünkü gıda talep üzerine oluşturulacaktır. Daha sağlıklı yiyecek seçenekleri, kendi biyolojinize göre uyarlanabilen kreasyonlara bile izin verecek şekilde herkes için daha erişilebilir olacaktır. Tabii ki, 3D baskı herkes için daha yaratıcı yemek deneyimlerinin kapılarını açıyor. Hatta bazı girişimciler ve uzmanlar, 3D baskının nihayetinde gelecekteki küresel gıda kıtlığı zorluklarının üstesinden gelmek için kullanılabileceğini iddia etmektedirler. Bununla birlikte, 3D baskı gıdalarında mevcut olan teknoloji hala erken aşamalarında ve erişilemez durumdadır. Ancak, gıda 3D yazıcılarının sonunda mutfağınızdaki mikrodalga fırın olarak her yerde bulunabileceğine inanmak için çok uzak değildir.
