Development of 3D food printer and use of mushrooms in 3D food printer within the scope of new plant-based food production
3D gıda yazıcısı geliştirme ve mantarların bitkisel bazlı yeni ürün geliştirme çalışmaları kapsamında 3D yazıcıda kullanımı
- Tez No: 840461
- Danışmanlar: PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 151
Özet
Eklemeli imalat olarak da adlandırılan 3D baskı, bir CAD (bilgisayar destekli tasarım) modelinden üç boyutlu nesneler üretme işlemidir. 3D baskı teknolojisi, geniş yelpazedeki üretim yetenekleri, maliyet etkinliği ve verimliliği nedeniyle gideren artan bir popülerlik kazanıyor. Gıda endüstrisinde de yeni gelişmekte olan bir teknoloji olarak 3D gıda baskısı, tüketicilerin farklı şekilli ve beslenmeye yönelik bireysel ihtiyaçlarını karşılamada büyük bir potansiyele sahiptir. Belirli hastalık grupları veya özel tüketici grupları için fonksiyonel gıdaların üretimi ve yeni diyetlerin uyarlanması müşteri tercihlerini karşılamak için gıda sektörünün ana ilgi alanlarıdır. Bu hedeflere ulaşmak ve sorunlara çözüm sunabilmek için gıda maddelerini ekstrüde edebilen yazıcılara ihtiyaç duyulmaktadır. Gıda endüstrisinde çeşitli 3D gıda baskı teknikleri kullanılsa da, şu anda en yaygın kullanılan cihazlar ekstrüzyon tabanlı teknolojilerdir. Yıllar geçtikçe, üç boyutlu baskı, kullanıcı dostu ve uygun maliyetli bir araç haline geldi. Ancak gıda ve biyoteknolojik araştırma ve geliştirme alanında bu tekniklerin laboratuvarlarda uygulanması yine de maliyeti yüksek olan bir süreçtir. 3D baskının giderek artan popülaritesi ve yeni 3D gıda baskı ekipmanlarının temininin maliyetli bir seçenek olması, bu konuda bir araştırma fırsatı ortaya çıkarmıştır. Bu nedenle gıdaları ekonomik bir şekilde basabilen bir 3D gıda yazıcısı geliştirerek bunu literatüre katma fırsatını değerlendirmek istedik. Ayrıca, gıda sektörünün sürdürülebilir, çevreye uygun ve besleyiciliği yüksek gıda arayışı, bizi alternatif protein kaynaklarının araştırılması da dahil olmak üzere bitki bazlı gıda alternatifleri üzerinde çalışmaya yöneltmektedir. Buna ek olarak, çiğneme ve yemek yutma şikayeti olan bazı yaşlılar ve disfaji hastalarında besin kaynağı seçenekleri sınırlı olduğu için malnütrisyon riski gibi bazı kronik sorunların 3D baskı teknolojisi kullanılarak bir çözümünün oulp olmadığını araştırmayı amaçladık. Bu çalışmanın ilk amacı, yeni bir 3D gıda baskısı yapabilen mekanizmayı tasarlayarak, ekonomik bir şekilde üreterek ve uygulayarak gıda biliminde 3D baskıda açık bir araştırma alanını doldurma fırsatını değerlendirmek ve yüksek maliyetli ticari 3D gıda yazıcılarına alternatif bir seçenek göstermektir. Bu amaç doğrultusunda CAD programında bir bağlantı mekanizması çizildi ve normal 3D yazıcıda çıktısı alındı. Elde edilen parçalar, vida, somun gibi bağlantı elemanlarıyla birleştirilerek bir ataşman mekanizması oluşturuldu. Bu mekanizma polimer baskı yapan bir 3D yazıcının ekstrüder bölümü ile değiştirilerek yazıcıya gıda basabilme özelliği kazandırıldı. Sonraki aşamada bu cihazın baskı kabiliyeti ve validasyon çalışmaları yapıldı. Daha önceden topluma açık 3D baskı forumlarında bulunan iki farklı tasarım üzerinde çalışılmıştı. Bunlar mevcut mekanizmadan önce masaüstü yazıcıya adapte edilmiş ve ön deneylerde, istenen 3D nesnelerde katman kayması, farklı boyutlarda baskı gibi hatalı sonuçlar alındğı görülmüştür. Validasyon aşamasında elde edilen sonuçlarla mekanizma yeniden tasarlanıp tekrar konfigüre edilerek şekilli gıdaları basabilen laboratuvar tipi bir 3D yazıcı başarıyla üretildi. Daha sonra yaşlı ve disfaji hastaları için fonksiyonel bir gıda hazırlanarak bu 3 boyutlu gıda yazıcısının olası gıda baskı yetenekleri test edildi. Bu amaçla, yüksek antioksidan içeren ve protein açısından zengin olan kurutulmuş mantarlar, soya proteini ve ksantan zamkı içeren bitki bazlı yenilebilir bir macun ile karıştırıldı. Kuru bazda sırasıyla %19,83 ve %33,42 oranında protein, 7,60 mg/g ve 11,77 mg/g antioksidan aktivitesi ve 4.74 mg/g ve 6,00 mg/g fenolik içeriği bulunan kuru istiridye mantarı (Pleurotus ostreatus) ve kestane mantarı (Agaricus bisporus) kullanıldı. Yenilebilir macunun baskısı, 1,6 mm nozul boyutu, 20 mm/s hareket hızı ve 1,5 mm katman kalınlığı ile 4 katman olarak gerçekleştirildi. Macun-benzeri vizkoz gıdaların tüketici açısından kabul edilebilirliğinin değerlendirilmesi amacıyla 47 mm çapında papatya şekli basıldı. Elde edilen sonuç başlangıç çalışmaları için tatmin ediciydi. Bu araştırma macunsu gıdaların görsel kabulünün yeni teknoloji 3D gıda yazıcıları ile artırılabileceğini ve fonksiyonel gıdalarla hastaların malnütrisyonuna çözüm olabileceğini gösterdi. Bir sonraki aşamada 3D gıda yazıcısı yazılım ve baskı ayarları yönüyle iyileştirilmiş ve ek olarak bir soğutma aparatı takılmıştır. Böylece, geleneksel 3D yazıcının polimerden gıda ekstrüzyonuna dönüşümünü göstermek için ilk çalışma temelinde değiştirilebilir bir şırınga-pompa mekanizması (SPM) geliştirildi. Önerilen mekanizma, SPM, çeşitli gıdalar, macunlar, hidrojeller ve hatta biyopolimerler dahil olmak üzere geniş yelpazedeki malzemeleri basma yeteneğine sahiptir. Mekanizmanın büyük bölümü 3D baskıyle üretilen parçalardan oluşmaktadır ve maliyeti yaklaşık 72$'dır. Aparatın ana işlevsel bileşeni, 16 parçasının 3D-yazdırılabilir parçalardan oluşan 23 paraçadan oluşur. Geri kalan parçalar bir trapez mil ve iki somun, luer-lock şırınga ve üç rulman gibi kolayca bulunabilen parçalardan oluşur. Bu nedenle, kullanıcıların uygun fiyatlı bir 3D gıda yazıcısı edinmelerini sağlar ve büyük miktarda teknik işçilik gerektirmez. SPM, büyük hacimli (60 ml) luer kilitli şırınga kullanır ve modüler tasarımıyla, yalnızca ataşmanın bazı kısımlarını değiştirerek daha küçük veya daha büyük hacimlere uyarlanabilir. Ayrıca çok yönlü ve kullanıcı dostu olması için küt uçlu iğneler kullanır, bu nedenle 0,1 ila 1,6 mm arasında değişen ölçülerde farklı standart iğnelerle kullanılabilmektedir. Eklenen soğutma mekanizması ile SPM, muadilleri arasında benzersiz bir özellik kazanmaktadır. Literatürde birçok farklı türde gıda veya biyoyazıcı vardır ve bunlar genellikle düşük hızlarda çalışır. Önerdiğimiz mekanizma lineer bir ray kılavuzu üzerine monte edildiğinden ve ağırlık merkezi ray üzerinde olacak şekilde tasarlandığından, diğer yazıcılara göre nispeten daha yüksek hızlarda (50 mm/sn üzerinde) çalışabilmektedir. Önerilen mekanizmanın validasyonu ve karakterizasyonu, farklı iğne boyutları ve değişken katmanlarla çeşitli şekillerin basılmasıyla değerlendirildi. Bu kapsamda bazı oleojellerin, mantar takviyeli yarı katı gıdaların ve bitki bazlı et analoğu formülasyonlarının 3D basımı incelenmiştir. SPM'nin çalışmasını valide etmek ve farklı nozüllerin olası yazdırma kapasitelerini gözlemlemek için, 0,6 mm çaplı nozulü değerlendirmek üzere bir oleojel karışımı, 1,2 mm nozulü değerlendirmek üzere disfaji hastaları için mantarla zenginleştirilmiş yarı katı gıda karışımı ve 1,6 mm çaplı nozulü değerlendirmek için bir et analoğu hazırlanmıştır. Yazıcı yazılımı için“gcode”elde etmek üzere bir çiçek şekli ve içi boş silindirler çizildi ve“stl”dosyası olarak dışa aktarıldı. Baskı sonrası, 3d gıdaların çevrelerini ve boşlukları doğru bir şekilde ölçmek için görüntü işleme programı ImageJ kullanılarak ölçümler analiz edildi. Her formülasyon en az üç kopya halinde basıldı ve şekil doğruluğu hesaplandı. İçi boş silindirler ve çiçek şekilleri, üç farklı gıda formülasyonu ile başarılı bir şekilde 3D olarak basıldı. Çapların şekil doğruluğu değerleri %99,3-100,7, yükseklikleri %100,2-100,8 ve boşluk ölçüsü doğruluğu %99,0-102,3 arasında değişmektedir. Çiçek şekli geri-çekme (retraction) yapılmadan basılmış, silindirlerin basılması sırasında ise farklı geri-çekme hızları kullanılmıştır. Geri çekme kullanılmadığında çevre (skirt) ile baskı gövdesi arasında ipliksi bir yapı gözlenebiliyordu, ancak nispeten düşük geri-çekme hızında oleojel numunesi geri-çekme noktasında küçük boyutlu topaklanma oluşturdu. Sonuçlar, katman sayısı arttıkça yükseklik doğruluğundaki sapmanın arttığını, bunun gıda malzemelerinin reolojik özellikleri ile ilişkili olabileceğini göstermiştir. Bununla birlikte, tüm boyutlardaki sapma, SPM'nin performansının gıda malzemeleri için tatmin edici olduğunu gösteren %3'ten yüksek olmadığını göstermiştir. Gıda araştırmaları, sürdürülebilir ve çevreye uygun yüksek besleyici gıdalar üzerine yoğunlaşırken bu çerçevede alternatif protein kaynaklarını da göz önünde bulundurmaktadır. Bu durum, çalışmamızın bitki bazlı gıda alternatifleri üzerine yönlenmesini sağlamıştır. Bu bağlamda, bu çalışmanın bir diğer amacı da yazdırılabilir ve işlevsel bir vegan et analoğunun araştırılmasıdır. Bu amaçla, ana protein kaynakları olarak bezelye ve soya proteininden oluşan et analoğu formülasyonları macunsu formda hazırlanmış (C) ve daha sonra üç farklı mantar çeşidi (reişi mantarı, Ganoderma lucidum, GL; Kanlıca mantarı, Lactarius deliciosus, LD; ve istiridye mantarı, Pleurotus ostreatus, PO) ile zenginleştirilmiştir. Dört formülasyonun 3D baskı performansı, nozül yüksekliği, baskı hızı ve akış dengelemesi göz önüne alınarak faktöriyel tasarımla değerlendirildi. Faktör seviyeleri sırasıyla 0-3,3 mm, 20-80 mm/s ve %90-100 idi. Elde edilen sonuçlarla sonraki analizler için daha düşük nozül yüksekliği (0 mm), orta seviyede baskı hızı (50 mm/sn) ve varsayılan akış dengeleme oranı (%100) ayar olarak seçildi. Et analog formülasyonları ile 60×70 mm boyutunda ve 6 katlı (yaklaşık 10 mm) delik, boş bordür, dar ve daha geniş alanlar içeren bir şekil basıldı. Hedef tasarım, tüm formülasyonlar için düzgün katmanlarla ve doğru boyutlarda başarıyla basıldı. Formülasyonlar, reolojik özellikler, mikro yapı, renk özellikleri, doku profili, pişirme kaybı, amino asit içeriği ve duyusal değerlendirme açısından analiz edilerek karakterize edildi. Sonuçlar, nozül yüksekliğinin ve baskı hızının, baskıların doğruluğu ve katmanların düzgünlüğü üzerinde en etkili olduğunu göstermiştir. Tüm formülasyonlar (C, GL, LD ve PO), reolojik olarak predominant elastikiyet (tan δ G'') ortaya koymuştur. Bu nedenle eklemeli imalat için gerekli olan alt katmanları desteklemenin yanı sıra kararlı bir yapı kriterlerini de karşılıyorlardı. Diğer formülasyonlarda fark edilebilir bir kusur görünmemesine rağmen GL tiftikli yapıda görünüyordu, ancak diğerlerine göre daha stabil katmanlara sahipti. LD ve PO formülasyonları, yeniden basılabilirliklerinin bir sonucu olarak geri dönüşüm avantajı sağlarken, GL daha vizkoz yapısı nedeniyle bunu sağlayamadı. Ayrıca, mantar takviyesi, et analoglarının sertliğini (hardness), bükülme direncini (stiffness), esnekliğini ve çiğnenebilirlik özelliklerini azaltırken, sululuğunu arttırmıştır. Bunun yanı sıra besin değerini ve umami amino asitlerin salınımını arttırarak makul seviyede toplam kabul edilebilirlik (overall acceptance) değeri ortaya koymuştur. Çalışma sonunda elde edilen bulgular, mantarların 3D yazdırılabilir bitki bazlı et analogları için işlevsel ve besleyici bir seçenek olabileceğini göstermiştir. 3D baskı henüz başlangıç aşamasında ve yaygın bir uygulama alanına sahiptir. Bu çalışmada da bu uygulamalara örnek olarak, bilimsel araştırmalar için kolayca uyarlanabilir, ucuz ve kullanımı basit bir şırınga-pompa sistemi literatüre kazandırılarak 3D gıda baskı cihazı geliştirildi. 3D baskı teknolojisi geliştikçe ve 3D gıda basılabilirliği anlayışımız geliştikçe, iki, üç veya daha fazla baskı kafalı (kartuşlu) yazıcılar, bilimsel laboratuvarlar için uygun maliyetli bir şekilde üretilebilir. Bu yeni proses teknolojisi ile fonksiyonel ve tam besleyici gıdalar istenilen şekilde elde etmek için farklı protein kaynakları birleştirilebilir.
Özet (Çeviri)
3D printing which is also referred as additive manufacturing is the process of generating three-dimensional objects from a CAD (computer-aided design) model. 3D printing technology is gaining popularity because of its diverse production capabilities, cost-effectiveness, and efficiency. As an emerging technology in the food industry, 3D food printing has great potential in meeting the individual needs of consumers for shapes and nutrition. Production of functional foods for specific target populations and novel dietary customization are main interest areas of food sector to meet customer preferences. To achieve these objectives and to offer a solution for the problems, printers capable of extruding food materials are required. Although various 3D food printing techniques are used in the food industry, extrusion-based technologies are currently the most widely used. Over the years, three-dimensional printing has developed into a user-friendly and cost-effective craft. But it is still a very expensive process to implement these techniques in the field of food and biotechnological research and development in laboratories. Since popularity of 3D printing is increasing and implementation of new 3D food printing mechanism is an expensive option, we observed an opportunity of developing a 3D printer which is capable of printing foods in an affordable way. Besides, food sector searches for sustainable and environmentally feasible high-nutritional foods, including the investigation of alternative protein sources, this lead us to study on plant-based food alternatives. Furthermore there are some chronic problems such as risk of malnutrition, concerning some of elderly people and dysphagia patients who suffers from mastication and swallowing food and that has limited choices of food sources, we aimed to research for a possible solution of this problem by using 3D-printing technology. The first aim of this study was to evaluate the opportunity of filling an open research area in 3D printing in food science and to show an alternative option to the expensive commercial 3D food printers by designing, producing and implementing a new 3D food printing capable mechanism in an affordable way. Taking this objective into consideration, an attachment mechanism was sketched in a CAD program and printed with regular 3D printer. This attachment assembled with some common small hardwares and fixated to a conventional 3D printer. Then printing capability and validation studies were conducted. We studied on two other different designs that are available in common 3D printing forums and adapted them to the desktop printer before the current mechanism. In these preliminary experiments, misleading movement was realized which was resulted in misplaced and uneven layers of desired 3D objects. After redesigning and reconfiguration with the results of validation process, a laboratory type 3D printer that is capable of printing shaped foods was successfully constructed. After that, possible food printing capabilities of this 3D food printer was observed by preparing a functional food for elderly and dysphagia patients. For this purpose dryed mushrooms which contains high antioxidants and rich in protein was mixed with a plant-based edible food ink that comprised of soy protein and xanthan gum. Fungis, Pleurotus ostreatus (oyster mushroom) and Agaricus bisporus (cultivated brown mushroom) that have 19.83% and 33.42% amount of protein in dry base and antioxidant activity of 7.60 mg/g and 11.77 mg/g and phenolic content of 6.00 mg/g and 4.74 mg/g dry fungi respectively, was used. Printing of edible ink was conducted with 1.6 mm nozzle size, speed of 20 mm/s and 1.5 mm layer height with 4 layers. A layered flower shape, that has size of 47 mm width and height, was printed to assess visual acceptance of paste-like foods. Results were satisfactory for the beginning studies, the research showed that visual acceptance of paste-like foods can be increased by new technology 3D food printers and they can be possible solution for malnutrition of patients with the functional foods. On the next stage, 3D food printer improved for it is software and printing settings and a cooling apparatus attached. So that, an exchangeable syringe-pump mechanism (SPM) developed on the basis of first study to demonstrate transformation of conventional 3D printer from polymer to food extrusion. The proposed mechanism, SPM, has capability of printing a variety of materials, including miscellaneous foods, pastes, hydrogels and even biopolymers. The complete mechanism relies mostly on 3D printed parts and costs approximately 72$. The main functional component of apparatus consists of 23 parts in which 16 parts are 3D printable elements and remaining parts are easily found items that include one trapezoidal lead screw and two brass nuts, luer-lock syringe and three bearings. Therefore, it allows users to obtain a 3D food printer inexpensively and does not require large amounts of technical labor. The SPM uses 60 ml volume luer-lock syringe and with its modular design, it can be adapted to smaller or bigger volumes only by modifying some parts of attachment. Moreover it uses blunt tip needles for greater versatility and user-friendliness thus it can accommodate a variety of standard needle sizes with dimensional variations ranging from 0.1 to 1.6 mm. With its cooling mechanism extension, SPM gains unique attribute among its counterparts. There are many different types of food or bioprinters on the literature and they generally operate at low speeds. Since the mechanism we proposed is mounted on a linear rail guide and its center of gravity is designed to be on the rail, it can operate at relatively higher speeds (more than 50 mm/s) than other printers. Validation and characterization of proposed mechanism were evaluated by printing of various shapes with different needle sizes and variable layers. Within this regard, printing of some oleogels, mushroom-fortified food paste and a plant-based meat analogue formulation were investigated. To validate the working of SPM and observe possible printing capabilities of different nozzles, an oleogel mixture prepared to assess 0.6 mm diameter nozzle, a mushroom fortified semi-solid food mixture for dysphagia patients prepared to assess 1.2 mm nozzle and a meat analogue prepared to assess 1.6 mm nozzle. A flower structure and hollow circles were drawn and exported as a“stl”file to obtain“gcode”for printer software. Resulting prints were analyzed with image processing programme, ImageJ, in order to accurately measure the perimeters and the gaps and each formulation was printed at least in triplicate and shape fidelity calculated. Hollow cylinders and flower shapes were successfully 3D-printed with three different food inks. Shape fidelity values of diameters ranged between 99.3-100.7 %, heights ranged between 100.2-100.8% and accuracy of gap size ranged between 99.0-102.3 %. Flower shape were 3D-printed without retraction, on the other hand during printing of cylinders different retraction speeds were used. A filamentous structure could be observed between the skirt and the print body when no retraction was used however with relatively lower retraction speed oleogel sample accumulated and represented a ridge on the retraction point. Results showed that at high layer numbers, deviation of height accuracy increased, this could be related with rheological properties of food materials. However deviation of all dimensions were not higher than 3% which demonstrates that the performance of the SPM was satisfactory for the food materials. As the food sector searches for sustainable and environmentally feasible high-nutritional foods, including the investigation of alternative protein sources, this lead us to study on plant-based food alternatives. In this context, another objective of this study was to investigate a printable and functional vegan meat analogue. Meat analogue formulations consisting of pea and soy protein as main protein sources was prepared as a food ink (C) and then fortified with three different mushroom cultivars (reishi, Ganoderma lucidum, GL; saffron milk-cap, Lactarius deliciosus, LD; and oyster, Pleurotus ostreatus, PO). The 3D printing performance of four formulations were evaluated by a factorial design in terms of nozzle height, printing speed and flow compensation. Levels of factors were 0-3.3 mm, 20-80 mm/s and 90-100% respectively. Based on the findings, a lower nozzle height (0 mm), a medium printing speed (50 mm/s), and a regular flow compensation rate (100%) were chosen for the further analysis. A 60×70 mm and 6 layered (approximately 10 mm) shape, that contains, hole, empty border and narrower and wider areas, were printed with meat analogue formulations. Target design were succesfully printed with smooth layers and in accurate sizes for all formulations. Inks were characterized by analyzing rheological properties, microstructure, color characteristics, texture profile, cooking loss, amino acid content, and sensory evaluation. Results showed that the nozzle height and printing speed were found to be most effective on accuracy of prints and smoothness of layers. All inks (C, GL, LD and PO) represented shear-thinning and gel-like viscoelastic behavior (G' > G'') with predominant elasticity (tan δ
Benzer Tezler
- Seramik alanında üç boyutlu yazıcılarla tasarım
Designing by three dimensional printers in ceramics
NİL GÖKSUN KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Bilim ve TeknolojiMimar Sinan Güzel Sanatlar ÜniversitesiEnformatik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEHER BAŞLIK
- Güneş enerjisiyle desteklenen insansız hava aracı tasarım ve üretimi
Solar powered UAV design and production
FATİH BAYKAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
- Design and fabrication of magnetically actuated cell sorter
Manyetik olarak kontrol edilebilen hücre siniflandirici tasarimi ve üretimi
MERVE GÜLLE
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN
- Technology acceptance of 3d food printers and 3d printed food in domestic environments
3 boyutlu gıda yazıcı ve 3 boyutlu baskı alınmış gıdaların ev ortamında teknoloji kabulü
SELVİNAZ NESİBE KAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Endüstri Ürünleri Tasarımıİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstriyel Tasarım Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ KORAY GELMEZ
- Oksetik (auxetıc) kompozit malzemelerin geliştirilmesi
Development of auxetic composite materials
EMRE DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mühendislik BilimleriBursa Teknik ÜniversitesiPolimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE BEDELOĞLU