Mikrodosierung: Von Halbleiter bis Sushi

Ausgangslage

Der Begriff “Mikrofluiddosierung” wird im Allgemeinen mit Anwendungen wie der Montage medizinischer Geräte oder der Batterieherstellung in Verbindung gebracht. Man denkt dabei sicherlich nicht an Sushi – zumindest noch nicht. Wenn es nach den Ingenieuren von IHI Aerospace und Yamagata University geht, wird 3D-gedrucktes Sushi den Weltraumtouristen serviert, während sie in einer niedrigen Erdumlaufbahn kreisen.

Ja, gedrucktes Sushi – das Gericht. IHI Aerospace ist an der Entwicklung einer kommerziellen Raumfahrtplattform beteiligt, die unter anderem für den Transport von Zivilisten in die Erdumlaufbahn genutzt werden könnte. Das Unternehmen arbeitet bereits daran, das Erlebnis auf allen Ebenen zu verbessern, einschließlich der Mahlzeiten.

Um Sushi in der Umlaufbahn zu produzieren, wo jedes Gramm Masse einen hohen Preis hat, musste IHI innovativ denken. Spezialköche, scharfe Messer und Kühltruhen können nicht verwendet werden. Stattdessen entwickelte das Team ein Lösungskonzept: Das Drucken von Sushi mit einem leichten Mikrodosiersystem. Durch die Integration einer Nordson EFD PICO Pµlse Piezoventil-Technologie mit einem kompakten Roboter schuf die Gruppe ein Präzisions-Mikrodosiersystem, das in der Lage ist, Sushi zu drucken, welches es mit den Produkten der örtlichen Sushi-Bar aufnehmen könnte (siehe Abbildung 1).

Sushi und Weltraum

Die Abenteurer, die den Nervenkitzel der orbitalen Raumfahrt suchen, erwarten ein unvergessliches Erlebnis, von Anfang bis Ende - eingeschlossen der Mahlzeiten. Auf der Suche nach kreativen Möglichkeiten wandte sich IHI Aerospace an die Yamagata University, die über ein starkes Programm für Luft- und Raumfahrttechnik und ein ebenso angesehenes Programm für kulinarische Künste verfügt. Ein Brainstorming führte zu dem Konzept, Sushi im Orbit zu servieren. Die Frage war nur, wie.

Sushi ist die Quintessenz der japanischen Küche. Es gibt keine lange Liste von Zutaten oder eine Reihe kniffliger kulinarischer Techniken, mit denen sich Fehler verbergen ließen. Es geht um absolute Einfachheit – frische Zutaten, ausgewogene Aromen und eine schöne Präsentation. Gerade diese Einfachheit macht es schwierig, sie erfolgreich zuzubereiten, vor allem auf engem Raum.

In einer strategischen Entscheidung, die sowohl die kulinarischen als auch die lebensmitteltechnischen Herausforderungen anging, entschied sich das Team der Universität Yamagata für Proteine in Pastenform und nicht für festen Fisch oder Meeresfrüchte. Uni (Seeigel) und andere Fischpasten sind in Japan und vielen anderen Teilen der Welt gängige Lebensmittel. Daher ist das Konzept von Sushi mit Uni-Paste vertraut.

Pasten haben Vorteile bei der Qualität und Logistik. Die Proteine werden auf dem Höhepunkt ihres Geschmacks geerntet und verpackt. Dies ist besonders vorteilhaft für Unifisch, der in fester Form innerhalb von ein oder zwei Tagen von butterartig und köstlich zu schleimig und bitter wird. Die verpackten Pasten sind lagerstabil, und es gibt keine Lebensmittelreste, die Geruch verursachen.

Proteinpasten sind auch mit der berührungslosen Mikrodosierungstechnologie kompatibel, wodurch die Sushi-Zubereitung automatisiert werden kann. Integriert in einen kompakten Roboter könnte der richtige Flüssigkeitsdispenser die Paste so auftragen, dass sie das Aussehen eines traditionellen Sushi-Proteins nachahmt. Das Gerät könnte in einer Kombüse installiert werden und auf Knopfdruck verschiedene Arten von Sushi herstellen (siehe Abbildung 2).

Die Herausforderungen

Die Entwicklung von gedrucktem Sushi war ein innovatives Konzept und stellte eine Reihe von Herausforderungen dar. Für die Anwendung musste eine bestimmte Menge Uni-Paste in einem bestimmten Muster und an einer bestimmten Stelle auf ein Reisbett aufgetragen werden. Unipaste ist eine hochviskose Flüssigkeit, die einen gut kontrollierbaren Druck erfordert, um sie zu verteilen. Die Dosiernadel musste breit genug sein, um Verstopfungen zu vermeiden, aber auch schmal genug, um einen kontrollierten Auftrag zu ermöglichen. Außerdem mussten die Nadel im Falle einer Verstopfung gereinigt werden können.

Aus kulinarischer Sicht gab es noch eine weitere Schwierigkeit bei der Reinigung. Ziel des Programms war es, ein System zur Herstellung von vier verschiedenen Arten von gedrucktem Sushi in Pastenform zu entwickeln: Uni, Weißfisch, Krabben und Garnelen. Das System musste in der Lage sein, von einer Sorte zur anderen zu wechseln, ohne Geschmacksrückstände zu hinterlassen.

Um diese Herausforderungen zu meistern und ihren Prototyp zu bauen, wandte sich das Team der Universität Yamagata an Nordson EFD Japan.

Die Lösung

Als das Entwicklungsteam der IHI/Yamagata Universität sich an die Anwendungsingenieure von Nordson EFD Japan wandte, waren sie zunächst überrascht und dann von dem einzigartigen Anwendungsfall begeistert. Obwohl das Produkt, das dosiert werden sollte, etwas unorthodox war, war die Aufgabe letztlich dieselbe wie immer: eine effiziente Möglichkeit zu finden, ein präzises Flüssigkeitsvolumen mit einer bestimmten Rate zuverlässig zu dosieren.

Und auch die Art und Weise, wie das EFD-Team von Nordson die Lösung entwickelte, war dieselbe: Beratung mit dem Kunden, um die Anforderungen zu ermitteln, die Herausforderungen zu identifizieren und anzugehen, ein System zu spezifizieren und zu testen, um eine genaue und zuverlässige Leistung zu gewährleisten.

Idealerweise sollte die Unipaste aufgetragen werden, ohne das Reisbett zu stören. Dies erforderte ein Düsenventil. Das Nordson EFD-Team empfahl das Nordson EFD PICO Pµlse Jetventil-System. Das System verwendet einen piezoelektrischen Aktuator für eine gleichmäßige, präzise berührungslose oder Jet-Dosierung selbst von sehr dicken Flüssigkeiten.

Piezoventile sind sehr hochauflösend und zuverlässig und haben eine lange Lebensdauer. Diese Eigenschaften ermöglichen es dem Benutzer, die Hublänge anzupassen und die Dosiermenge präzise zu steuern. Mit dieser Eigenschaft kann das PICO Pµlse Jetventil die Dosierung optimieren, um ein einheitliches Erscheinungsbild für Sushi-Pasten mit unterschiedlicher Konsistenz zu erzielen. Aus betrieblicher Sicht bieten Piezoventile die Vorteile einer langen Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit.

Darüber hinaus ist der PICO Pµlse ein modulares Produkt, das große Flexibilität bietet und für jede Anwendung optimal konfiguriert werden kann. Eine werkzeuglose Verriegelung ermöglicht den schnellen und einfachen Austausch des Flüssigkeitskörpers. Der schnelle Austausch ist sowohl bei der Entwicklung von Prototypen als auch in der Praxis nützlich. Durch die Möglichkeit, die flüssigkeitsführenden Teile schnell auszutauschen, kann das Ventil seinen Zweck erfüllen, verschiedene Arten von Pasten zu dosieren, und ist leicht zu reinigen.

Das Team von IHI Aerospace und der Universität Yamagata kombinierte das PICO Pµlse-Ventil mit der Nordson EFD PICO Tomch-Ventilsteuerung und dem Flüssigkeitsbehälter zu einer End-to-End-Lösung, die eine einfache Integration mit einem präzisen, zuverlässigen Betrieb verbindet.

Der nächste Schritt war die Auswahl der optimalen Dosiernadel für die Verarbeitung der Proteinpasten. Nordson EFD empfahl eine Flachdüse mit einer 300-Mikron-Öffnung. Diese Düse hat eine ausreichend große Öffnung, um einen gleichmäßigen, kontrollierten Auftrag der Proteinpasten zu gewährleisten und gleichzeitig das Risiko von Verstopfungen zu minimieren. Diese Düse wurde mit einer speziellen hydrophilen Beschichtung versehen, die für klebrige Flüssigkeiten verwendet wird. Sie reduziert die Oberflächenspannung des benetzten Weges und verbessert so die Konsistenz der Mikrodosierung.

Nachdem das System spezifiziert war, begann die eigentliche Arbeit – die Bewertung der Lösung in der Nordson EFD Japan Testanlage. Das Team von Nordson stellte einen Prüfstand zusammen und testete ihn unter verschiedenen Bedingungen, um einen genauen und zuverlässigen Betrieb sicherzustellen.

Ergebnisse

Das gemeinsame Team von IHI Aerospace, der Yamagata Universität und Nordson EFD Japan hat einen Prototyp eines automatischen Dosiersystems gebaut, das 3D-Sushi drucken kann. Das Produkt sieht immer wieder kunstvoll und gleichmäßig aus (siehe Abbildung 3). Das piezoelektrische PICO-Dosiersystem ist so zuverlässig, dass das Team der Universität Yamagata es erfolgreich auf einer großen japanischen Messe vorführte und den anwesenden Würdenträgern Leckereien servierte.

Während gedrucktes Sushi für Mahlzeiten in der Umlaufbahn ein zugegebenermaßen exotischer Anwendungsfall ist, könnten druckbare Lebensmittel im Allgemeinen eine viel breitere Wirkung haben. Das Team der Universität Yamagata hofft zum Beispiel, die Technologie für die Essensausgabe in Einrichtungen wie Krankenhäusern, Pflegeheimen und Langzeitpflegeeinrichtungen weiter zu erforschen.

Fazit

Das PICO Pµlse Jetventil hat die außergewöhnlichen Anforderungen des Sushi-Drucks in Angriff genommen, aber das kratzt nur an der Oberfläche seiner Fähigkeiten. Dieses Mikrodosiersystem kombiniert hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit mit großer Vielseitigkeit, was es für eine Vielzahl von Anwendungen sowohl innerhalb als auch jenseits der industriellen Standardnischen äußerst effektiv macht.

Bringen Sie uns Ihre anspruchsvollsten Anwendungen, und wir werden eine Lösung finden. Unser Anspruch ist, dass ein Projekt erst dann abgeschlossen ist, wenn wir ein System entwickelt haben, das den Kundenanforderungen entspricht und seine Ziele unterstützt. Wir testen unsere Lösungen gründlich, um sicherzustellen, dass sie langfristig erfolgreich sind.

Wir haben ein System entwickelt, mit dem man Sushi drucken kann. Stellen Sie sich vor, was wir für Sie tun können.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die Mikrodosierung von Flüssigkeiten?

Bei der Dosierung von Mikroflüssigkeiten handelt es sich um ein Herstellungsverfahren, bei dem eine präzise Flüssigkeitsmenge im Mikrometer- oder Nanoliterbereich auf ein Substrat aufgebracht wird. Diese Flüssigkeiten reichen von Standardölen, Dichtungsmitteln und Klebstoffen bis hin zu Hochleistungs-Montageflüssigkeiten. Das Auftragen präziser, gleichmäßiger Mengen dieser Flüssigkeiten wird in praktisch jedem Herstellungsprozess verwendet. Um mehr darüber zu erfahren, wie Nordson EFD den Markt der Präzisionsflüssigkeitsdosierung bedient, klicken Sie hier.

Was ist ein Jetventil?

Ein Jetventil ist eine berührungslose Flüssigkeitsdosierungstechnologie, die es Herstellern ermöglicht, Montageflüssigkeiten präzise auf jede Oberfläche aufzutragen, auch auf unebene oder schwer zugängliche Oberflächen. Jetventile arbeiten mit piezoelektrischen oder pneumatischen Technologien, die es ihnen ermöglichen, kleine Flüssigkeitsmengen mit extremer Präzision und Wiederholbarkeit bei hohen Geschwindigkeiten zu dosieren. Um mehr darüber zu erfahren, wie Nordson EFD den Markt für Jetventile bedient, klicken Sie hier.

Was sind Eiweißpasten?

Proteinpasten sind ein lagerstabiles Mittel, um verschiedene Formen verderblicher Proteine in einer Form bereitzustellen, die es den Verbrauchern ermöglicht, sie lange nach dem traditionellen Haltbarkeitsdatum zu verzehren. Im Falle von druckbaren Sushi-Anwendungen besteht diese Paste aus festem Fisch oder Meeresfrüchten.

Pasten haben Vorteile für Qualität und Logistik. Die Proteine werden auf dem Höhepunkt ihres Geschmacks geerntet und verpackt. Verpackte Pasten sind lagerstabil und es entstehen keine geruchsbildenden Lebensmittelreste.

Was ist 3D-Lebensmitteldruck?

3D-Lebensmitteldruck ist ein Verfahren zur Herstellung von essbaren Lebensmitteln mit Hilfe eines automatisierten, additiven 3D-Druckverfahrens. Im Allgemeinen wird ein 3D-gedrucktes Lebensmittel Schicht für Schicht in einer vorgegebenen Form hergestellt. 3D-gedruckte Lebensmittel bestehen häufig aus Lebensmitteln, die zunächst als Paste oder Brei vorliegen. Normalerweise werden diese Pasten oder Brei in einen Behälter gefüllt und in einen Drucker gegeben.

Welche Partnerschaft hat die 3D-druckbare Sushi-Anwendung entwickelt?

Zu den Partnern, die bei der Entwicklung dieser 3D-druckbaren Sushi-Anwendung zusammengearbeitet haben, gehören IHI Aerospace, Yamagata University und Nordson EFD.

Muge Deniz Meiller

Muge Deniz Meiller ist Global Market Development Manager bei Nordson EFD. Sie konzentriert sich darauf, relevante Möglichkeiten für EFD im Biowissenschaften zu festigen und auszubauen, insbesondere auf dem Markt für medizinische Diagnostik. Muge verfügt über mehr als 13 Jahre Erfahrung im Produkt- und Marktmanagement. Sie kam 2018 zu Nordson EFD.