Industrie 4.0 – Digitalisierung mit Geschmack

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Kundenspezifisch designte Nahrung, mit speziellen 3D-Druckern produziert, wird immer beliebter. Die Supply Chain ist von der Herstellung bis zum Teller des Verbrauchers völlig transparent. Ein neues Verfahren mit Zukunft, dass sich zudem durch geringe Umweltbelastung auszeichnet.

Mit additiver Fertigung (»AF«), auch 3D-Druck genannt, wird allgemein eine 3D-Datei eines Objektes konvertiert in eine für das additive Fertigungssystem verständliche Sprache, an ein additives Fertigungssystem gesendet und gefertigt beziehungsweise umgangssprachlich ausgedruckt und gegebenenfalls nachbearbeitet. Auch Nahrung kann nach dem am Computer entworfenen Modell »gedruckt« werden. Obwohl es sich anhört wie in einem Science-Fiction-Film, gibt es inzwischen weltweit mehr als 40 verschiedene 3D-Drucker um speziell Nahrungsmittel verschiedenster Art herzustellen. Das gedruckte Gericht des Anwenders ist darüber hinaus digital verfügbar, die Supply Chain endet erst auf dem Teller des Genießers. Die Hersteller dieser 3D-Systeme bieten ihren Kunden für zahlreiche Menüs die Druckpläne mit Designs an, eine Digitalisierung für den Genuss des Geschmacks mit Design. Sehr viel kann inzwischen gedruckt werden: Süßigkeiten, Kuchen, Eis, Gemüse- und Kartoffelpasten, Pizza, Pasta, Steak, Hamburger und mehr.

Problemstellung. Die Weltbevölkerung wird bis zum Jahr 2050 auf ca. 9,7 bis 10 Milliarden Menschen ansteigen [1]. Unzählige Gewässer sind bereits jetzt überfischt und teilweise überladen mit Müll. Die Acker-Nutzflächen und die Tierbestände reichen für die Nahrungsmittelversorgung spätestens 2050 nicht mehr aus [2].

Hinzu kommen erhebliche Umweltbelastungen durch CO2-Ausstoß: zum Beispiel beträgt der Pro-Kopf-Verbrauch im Jahr an Fleisch allein in Deutschland knapp 60 Kilogramm. Die massenhafte Fleischherstellung ist klimaschädlich. Spitzenreiter ist Rindfleisch, denn ein Kilo Rindfleisch auf dem Teller bedeutet bis zu 13 Kilo CO2-Ausstoß [3]. Darüber hinaus findet im weltweiten Agropoly der Nahrungsmittel- und Pflanzenschutzmittelhersteller eine kontinuierliche Konsolidierung der dominierenden Konzerne statt, hin zu einer globalen Abhängigkeit der Nahrungsversorgung von wenigen Shareholder-Value-gesteuerten Konzernen [4].

Wie kann das Problem gelöst werden? Neue Wege der Nahrungsmittelherstellung müssen sehr schnell entwickelt und umgesetzt werden. Neben »proteinbasiertes« Fleisch und Nahrung (Beispiele sind Firmen wie Impossible Foods, Beyond Meat, Omnipork, Moving Mountains, Grounded Foods, etc. [5]), synthetischer Nahrung [6], Cannabis basierter Nahrung [7] und »Vertikale Landwirtschaft« beziehungsweise »Vertical Farms« [8] bietet inzwischen auch der 3D-Druck von Nahrungsmitteln Lösungen für unterschiedliche Kundensegmente an. Laut Marktentwicklungsprognosen wird sich der Markt für 3D-Lebensmitteldruckindustrie bis 2025 bezogen auf das Jahr 2019 mindestens verdoppeln [9]. Trotz der im Vergleich noch niedrigen Marktanteile dieser neuen Nahrungsherstellungsverfahren ist jeder neue Weg, der gesunde Nahrung mit geringstmöglicher Umweltbelastung herbeiführt, bedeutsam für die zukünftige Ernährung der Menschheit.

Nutzenpotenziale. Für private Endanwender und unterschiedliche Geschäftskundensegmente bietet 3D-Nahrungsdruck einige Vorteile.

Für private Endanwender:

  • Der 3D-Druck spart Zeit und Energie beim Experimentieren mit verschiedenen Arten von Speisen. Darüber hinaus können Anwender des 3D-Nahrungsdrucks die Zusammensetzung ändern, um ein innovatives Gericht herzustellen und dies mit weniger Aufwand und Zeit zu erreichen.
  • Die Reproduzierbarkeit von Lebensmitteln ist durch den 3D-Nahrungsdruck sehr präzise möglich. Man stelle sich vor, man sendet vorab sein gewünschtes Rezept an ein Hotel (wenn eine Reise geplant ist), dieses wird dann am Abend präzise im Hotelrestaurant gedruckt und serviert.
  • Nahrung kann ein Design erhalten. Die Hochzeitspärchen-Figuren aus Schokolade, für den Kindergeburtstag, das Schloss aus Marzipan, die Pizza in Form eines Herzens, etc.
  • Vorher eher undenkbare Inhaltsstoffe, etwa insektenbasierte Nahrung, und auch die nachhaltige Verwendung von Materialien wie Wasserlinsen, Gras, Algen, die als Grundlage für bekannte Gerichte dienen, können durch den 3D-Druck mit Design versehen und mit neuen Geschmacksrichtungen angereichert werden um diese anzubieten.
  • Customized Food: individuelle Rezepte können für jedes Menü gedruckt werden, um den spezifischen Anforderungen in unterschiedlichen Industrien für jede Zielperson gerecht zu werden. Es kann die genaue Menge an Vitaminen, Kohlenhydraten und Fettsäuren gemäß der Eingabe bestimmt werden, um den korrekten Prozentsatz an Nährstoffen für eine Zielperson zu drucken.
  • Functional Food: In die Nahrung können Nahrungsergänzungsmittel und Medikamente hinzugefügt werden, um den Genießer lange gesund und fit zu halten.
  • In Kantinen: Automatisierung bei gleichzeitiger Personalisierung von Gerichten.
  • Restaurants die 3D-gedruckte Menüs anbieten entwerfen neue Geschmacksrichtungen und Designkreationen. Beispiele hierfür sind das Food Ink Restaurant in London [10], das von der Firma byFlow eröffnetet Restaurant in Wolvega (Niederlande) [11] und die Fast-Food-Kette KFC in ihren Niederlassungen in Moskau, die seit Oktober 2020 3D-gedruckte Hühnernuggets in einer Testphase anbieten.
  • Raumfahrtorganisationen wie die ESA und NASA [12] entwickeln in Kooperationen mit Herstellern von Nahrungsmitteldruckern lang haltbare, auf die Anforderungen der Raumfahrt ausgerichtete und druckbare Nahrung.

Für die Hersteller der Nahrungsmitteldrucker:

  • Die Supply Chain endet auf dem Teller des Genießers, das heißt, es entsteht Transparenz über die gedruckten Endgerichte, die Nachfrage nach verschiedenen Menüs und bessere Berechnung der Bedarfsmengen.
  • Der Hersteller ist nun neuer Knotenpunkt für die Bündelung der Nahrungsanforderungen und kann frühzeitig Trends erkennen.

Aufbau eines Druckers. Wie bei der additiven Fertigung funktioniert der 3D-Druck für Lebensmittel durch automatisierte, additive Zubereitung einer Mahlzeit in den meisten Fällen durch ein Extrusionsverfahren ähnlich dem Fused Deposition Modeling beziehungsweise dem Fused-Layer-Modeling-Verfahren (FDM-Verfahren beziehungsweise FLM-Verfahren [13]). Ein Überblick über die eingesetzten 3D-Drucktechnologien speziell für den Nahrungsmitteldruck ist unter »Fundamentals of 3D Food Printing and Applications« zu finden [14]. Die Nahrungsmittelzutaten (Inputmaterialien) sind in verschiedenen Kartuschen, die pastöse oder flüssige Inhaltsstoffe, enthalten. Diese werden gemäß eines CAD-SW-Programms im 3D-Drucker, welcher mit einer oder mehreren Kartuschen bestückt ist, in Lagen übereinander aufgetragen. Der Extrusionsprozess stellt sicher, dass der 3D-Nahrungsmitteldrucker die Zutaten systematisch übereinanderschichten kann, um ein Nahrungsobjekt herzustellen. Die Nahrungsmitteldrucker fügen also Zutaten in geeigneter Form zusammen und arbeiten je nach Zutat mit unterschiedlichen Temperaturen. Beim Druck von Fleisch (Steak, Hamburger, etc.) werden Nanofäden in geeigneter Form zusammengefügt. Hier spricht man vom Bioprinting.

Siehe dazu die Abbildung mit einem Überblick von acht ausgewählten 3D-Druckern (aus einer Auswahl von über 40 Nahrungsmitteldruckern [15]) und deren Druckschwerpunkte sowie Fotos von 3D-gedruckter Nahrung von teilweise weiteren 3D-Nahrungsmitteldruckerherstellern.

 

Quelle: ECG ­Management & Advisory Services

 

Neben den in der Abbildung aufgeführten 3D-Druckern für den Nahrungsmitteldruck befinden sich zur Zeit Startup-Firmen in Projekten mit dem Ziel, 3D-gedruckte Steaks, Hamburger, Hühnernuggets, etc. herzustellen.

Dazu gehört auch das israelische Startup MeaTech [16], welches Fleisch druckt. Eine wachsende Anzahl von Unternehmen hat begonnen, in die Entwicklung von 3D-gedruckten Fleischalternativen zu investieren. Einige basieren auf pflanzlichen Zutaten, andere Startups auf Stammzellen. Die Herausforderung besteht darin, den Geschmack von Fleisch, aber auch seine Textur und sein Aussehen realistisch zu reproduzieren. Andere Fleischalternativen, die nicht auf additiver Herstellung beruhen, wie Beyond Meat [17] oder Impossible Foods [18], haben den Geschmack und das Aussehen nachbilden können. In Bezug auf die Textur können sie jedoch nur Hackfleisch und beispielsweise direkt keine Steaks reproduzieren. Hierfür ist der Extrusionsprozess von additiver Fertigung besonders interessant, da er es ermöglicht, eine ähnliche Textur wie tierisches Gewebe wiederherzustellen, indem die Nanofasern in ähnliche Weise zusammengefügt werden.

Das Startup MeaTech gab Mitte August 2020 bekannt, dass es dünnes, gleichmäßiges und schlachtfreies Fleischgewebe mithilfe des 3D-Drucks zu reproduzieren. Im Gegensatz zu anderen Startups wie Nova Meat (»Neues Fleisch«) mit Sitz in Spanien [19] oder Redefine Meat (»Fleisch neu definieren«) mit Sitz in Israel [20], die additive Fertigungstechnologien zum Drucken von Steaks auf pflanzlicher Basis herstellen, verwendet MeaTech Stammzellen, um Rindfleischstücke zu drucken, ohne die Tiere zu schädigen [21].

Die Fast-Food-Kette Kentucky Fried Chicken (ein auf Geflügel spezialisiertes US-amerikanisches Fast-Food-Franchise-Systemgastronomie-Unternehmen, nachfolgend »KFC«) hat sich mit der russischen Firma 3D Bioprinting Solutions [22] zusammengetan, um die weltweit ersten zellbasierten Hühnernuggets (»Chicken Nuggets«) herzustellen, um diese bereits im Oktober 2020 in Moskau in den KFC-Fast-Food-Ketten in einer Testphase anzubieten. KFC macht also den nächsten Schritt in der Entwicklung seines Konzepts hin zum »Restaurant der Zukunft«, um eine innovative Technologie zur Herstellung von Hühnerfleisch mit einem 3D-Bioprinter zu entwickeln und über die KFC-Fast-Food-Ketten zu vermarkten. Das Ergebnis der Entwicklung werden die weltweit ersten im Labor hergestellten Hühnernuggets sein, die in Geschmack und Aussehen dem ursprünglichen KFC-Produkt so nahe wie möglich kommen, gleichzeitig aber im Vergleich zu normalem Fleisch umweltfreundlicher sind.

Dieses Bioprinting-Verfahren hat mehrere Vorteile. So enthält das aus dem Labor stammende Fleisch die gleichen Spurenelemente wie gewöhnliches Fleisch, aber während seiner Herstellung ist ausgeschlossen, dass verschiedene Zusatzstoffe, die in der traditionellen Landwirtschaft und Tierhaltung zulässig sind, im Endprodukt enthalten sind. Daher sind Produkte auf der Basis von Zellfleisch umweltfreundlicher und ethischer, denn die Tiere werden nicht geschädigt.

Ein Anwendungsfall: leichter essbare Nahrung speziell für ältere Menschen in Schweden. In der schwedischen Gemeinde Halmstad wurde speziell für ältere Menschen ein Essen entwickelt, das leichter essbar ist, in dem das Lebensmittel so püriert wird, dass sie ästhetisch ansprechend aussieht. Die Designs passen auch zu den Designs traditioneller Lebensmittel, die für ältere Bewohner attraktiv sein könnten. Das Projekt hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, Hühnchen und Brokkoli zu verarbeiten und in Trommelstöcke und Röschen umzuwandeln. Das Essen bleibt dem bisherigen Essen ähnlich, das heißt ähnelt vertrauten Gerichten. Die Textur ähnelt der von Hühnerbeinen, jedoch ist die Konsistenz mit Panna Cotta vergleichbar. Ein weiterer Partner in diesem Projekt ist Evelina Hoglund von der staatlichen Innovationsagentur »Rise«. Rise hat Dysphagie-Patienten [23], die Schwierigkeiten beim Schlucken haben, geholfen, ausreichend zu essen. Das Haupthindernis für die verschiedenen Projektteilnehmer war die neue 3D-Drucktechnologie. Sie verwendeten 3D-Drucker, die für medizinische Geräte gedacht waren, und in Lebensmitteldrucker umgebaut wurden. 3D-Drucker eigenen sich hervorragend, püriertes Essen mit entsprechendem Design zu drucken.

An dem Projekt sind mehrere schwedische Gemeinden, die staatliche Innovationsagentur Rise, die beiden 3D-Druckunternehmen Addema und Cellink (ein Bioprinting-Unternehmen), die beiden Lebensmittelanbieter Solina und Findus sowie Forscher der Universitäten Kristianstad und Lund beteiligt. Die schwedischen Gemeinden Helsingborg und Halmstad haben die neuen 3D gedruckten Lebensmittel bis Ende 2019 getestet. Die Ergebnisse stehen noch aus [24].

Ähnliche Initiativen laufen auch seit längerer Zeit in der EU [25] und in Singapur [26].

Ausblick. Die schnellen Fortschritte auf dem Gebiet des 3D-Lebensmitteldrucks stellen sicher, dass Hersteller und Einzelpersonen ein Lebensmittelprodukt in Bezug auf Geschmack, Nährwert oder Zutaten anpassen können.

Ein Beispiel ist das Startup AlgaVia [27], welches Mikroalgen verwendet und hat ein Proteinpulver mit beeindruckenden funktionellen Eigenschaften entwickelt: nicht allergen, glutenfrei und mit einem hohen Anteil an Ballaststoffen. Dieses Pulver trägt wiederum dazu bei, die Anreicherung von veganem Protein zu vereinfachen und gleichzeitig einen reichhaltigen Geschmack, aber auch fettarme Lebensmittel zu gewährleisten.

3D-gedruckte Lebensmittel können auch genau auf den Geschmack und die Bedürfnisse einer Person zugeschnitten werden, etwa Lebensmittel für Sportler, schwangere Frauen, ältere Menschen, usw.

Pharmafirmen, Genetikfirmen und Nahrungsmittelhersteller haben durch diese Technologie eine Möglichkeit enger zusammenrücken um gesunde Inhaltsstoffe für »gedruckte Nahrung« zu schaffen, bis hin zu einer DNA-basierten personalisierten Nahrung durch 3D-Nahrungsdruck.

Ein Nahrungsdrucker für ein sehr breites Spektrum von Nahrung, von Süßigkeiten bis hin zu Hühnernuggets, ist leider noch nicht verfügbar, aber dafür decken einzelne Drucker bereits ein breites Spektrum zur Verarbeitung von Inputmaterialien und druckbaren Menüs ab. Hier wird gewiss an der druckbaren Menüpalette und Drucktemplates weiter gearbeitet.

In jedem Fall bleibt es spannend, die Entwicklungen im 3D-Nahrungsmitteldruck zu verfolgen. Impulse dürfte die »Online 3D Food Printing Conference, 7th Edition«, die am 26. November 2020 stattfindet, geben [28].


Martin G. Bernhard ist Geschäftsführer der ECG ­Management & Advisory Services und Gastprofessor für additive Fertigung an der staatlichen Universität von Montes Claros in Brasilien. Darüber hinaus ist er Management-Berater für Technologiethemen wie additive Fertigung, Robotik, künstliche Intelligenz, Digitalisierung und für IT-Management-Themen. Zudem betreibt er ein 3D-Drucklabor zur Unterstützung der Projekte.

 

 

 

Quellen:
[1] Neue UN-Projektionen: Weltbevölkerung wächst bis 2050 auf 9,8 Milliarden Menschen, https://www.dsw.org/neue-un-bevoelkerungsprojektionen-2017-entwicklung-weltbevoelkerung-bis-2100/
[2] Globale Landflächen und Biomasse nachhaltig und ressourcenschonend nutzen – Umweltbundesamt – S. 9 ff. https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/479/publikationen/globale_landflaechen_biomasse_bf_klein.pdf
[3] https://cms-api.galileo.tv/food/bioprinting-kommen-deine-chicken-nuggets-bald-aus-dem-3d-drucker/
[4] Globale Landflächen und Biomasse nachhaltig und ressourcenschonend nutzen – Umweltbundesamt – S. 9 ff. https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/479/publikationen/globale_landflaechen_biomasse_bf_klein.pdf
[5] Food Frontier (Meat the Alternative 2019) siehe S. 7 in: The Future of Food – The trends that are shaping the industry – Vanessa Matthijssen | National Consumer Products Lead und https://vegnews.com/2020/8/startup-develops-35-types-of-vegan-cheese-will-launch-first-three-in-november
[6] New Scientist: Synthetic wine made without grapes claims to mimic fine vintages AU – siehe S. 10 in: The Future of Food – The trends that are shaping the industry – Vanessa Matthijssen | National Consumer Products Lead.
[7] Zentih Global; Statista; Business News AU – siehe S. 17 und 18 in: The Future of Food – The trends that are shaping the industry – Vanessa Matthijssen – National Consumer Products Lead.
[8] Despommier, Dickson und Carter, Majora – The Vertical Farm: Feeding the World in the 21st Century (English Edition) – 320 Seiten – ASIN : B003P8QMHY – Thomas Dunne Books (12. Oktober 2010)
[9] 3D Food Printing Industry Anticipated to More Than Double in Size by 2025 – Assessment of Key Growth Drivers and Opportunities – finanzen.net – 30. Juni 2020 – https://www.finanzen.net/nachricht/aktien/3d-food-printing-industry-anticipated-to-more-than-double-in-size-by-2025-assessment-of-key-growth-drivers-and-opportunities-9027063
[10] http://www.zdnet.com/article/the-restaurant-where-everything-is-3d-printed-from-the-food-to-the-chairs/ und https://www.youtube.com/watch?v=bfA2PisnqBg
[11] https://www.3dnatives.com/de/byflow-3d-gedruckte-gerichte-120420181/#!
[12] https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/What_s_your_idea_to_3D_print_on_the_Moon_to_make_it_feel_like_home und https://inhabitat.com/nasa-funded-food-3d-printer-gets-its-first-prototype-3d-prints-an-entire-pizza/
[13] Berger, U. – Hartmann, A., Schmidt, D. – Additive Fertigungsverfahren – Rapid Prototyping – Rapid Tooling – Rapid Manufacturing – S. 129 – S. 134 – Europa Lehrmittel – 2. Auflage mit CD
[14] s. Godoi, F. – Bhandari, C. – Bhesh, R. – Prakash, S. und Zhang, M. -Fundamentals of 3D Food Printing and Applications – Academic Press (Elsevier) S. 21 und S. 22 – ISBN 978-0-12-814564-7, 391 Seiten, 2019
[15] Eigene nicht publizierte Liste von 3D Nahrungsmitteldruckern.
[16] Siehe dazu https://meatech3d.com/
[17] https://www.beyondmeat.com/
[18] https://impossiblefoods.com/
[19] https://www.novameat.com/
[20] https://www.redefinemeat.com/ und https://www.handelsblatt.com/unternehmen/mittelstand/familienunternehmer/redefine-meat-dieses-start-up-entwickelt-steaks-aus-dem-3d-drucker/25982952.html?ticket=ST-4741888-o0ZkEJ6ZYTQQZns1Qwhb-ap1
[21] https://www.3dnatives.com/en/meatech-3d-printing-clean-meat-210820204/
[22] Siehe 3D Bioprinting Solutions bioprinting.ru
[23] Dysphagie, eine Schluckstörung die durch verschiedene Ursachen hervorgerufen werden kann. Diese kann mit oder ohne Schmerzen auftreten.
[24] Ahmed, R. – Swedish Municipalities Look to 3D Printed Food For the Elderly – 6. März 2019 – https://3dprinting.com/food/
[25] EU Works on Food Printer to Create Personalized Meals for the Elderly – 11. April 2014, https://3dprinting.com/news/eufoodprinter/
[26] From Purees to Palatable 3D Printed Food – 30. Mai 2019 – Contact: Jesmine Ong – Assistant Director, Corporate Communications –
https://www.singaporetech.edu.sg/digitalnewsroom/from-purees-to-palatable-3d-printed-food/ und https://www.channelnewsasia.com/news/cnainsider/how-3d-food-printing-can-help-the-elderly-nutrition-12470760
[27] AlgaVia, ein Unternehmen aus San Francisco (Kalifornien) – https://algavia.com/ 
[28] Siehe dazu: https://3dfoodprintingconference.com/

 

 

Illustration: © Blan_k /shutterstock.com

 

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