Mleko, które trafia do drukarki 3D – nietypowa droga do tworzenia kompozytów

autor: Magdalena Czeleń

Jeszcze niedawno trudno było sobie wyobrazić, że mleko – kojarzone raczej z przemysłem spożywczym – stanie się surowcem dla nowoczesnych technologii wytwarzania. Dziś jednak coraz więcej badań pokazuje, że białka mleczne mogą znaleźć zupełnie nowe zastosowanie: jako składnik materiałów do druku 3D.

Kluczową rolę odgrywają tutaj proteiny, takie jak kazeina czy białka serwatkowe. W odpowiednich warunkach mogą one tworzyć struktury o właściwościach zbliżonych do tworzyw termoplastycznych, co pozwala wykorzystać je w technologiach addytywnych (technologii druku 3D) (Rys. 1). Co więcej, ich właściwości można modyfikować poprzez dodatki plastyfikatorów czy innych komponentów, uzyskując materiały o różnej sztywności, lepkości czy wytrzymałości.

Rysunek 1. Schematyczny przegląd procesów wykorzystywanych do wytwarzania termoplastycznych materiałów kompozytowych na bazie białek do modelowania metodą osadzania topionego materiału.

Granulki wytworzono, postępując zgodnie z krokami przedstawionymi na schemacie. Granulki mogą być wykorzystywane jako surowiec w procesie FDM z podawaniem granulek do bezpośredniego drukowania struktur 3D lub do produkcji filamentów. [1]

Jedne z pierwszych zastosowań tego typu rozwiązań pojawiły się w obszarze tzw. „food printingu”, gdzie z mieszanin białek mlecznych tworzono struktury o kontrolowanej geometrii i teksturze. Badania pokazały, że odpowiednio przygotowane pasty białkowe można precyzyjnie drukować warstwa po warstwie, a ich właściwości – takie jak twardość czy sprężystość – zależą bezpośrednio od parametrów druku i składu materiału (Rys. 2).

Rysunek 2. Zaprojektowano i wydrukowano kształty trójwymiarowe z białek mleka: (a) projekt modelu, (b) produkty z wypełnieniem w kształcie plastra miodu, (d) produkty z wypełnieniem w kształcie krzywej Hilberta i (c) produkty z wypełnieniem w kształcie prostoliniowym [2]

Jednak prawdziwy potencjał ujawnia się dopiero wtedy, gdy spojrzymy na mleko nie jako żywność, ale jako źródło surowca dla kompozytów. Coraz częściej białka mleczne są łączone z klasycznymi polimerami, tworząc bio-kompozyty możliwe do przetwarzania w drukarkach 3D. Przykładowo, kazeina jest badana jako składnik bio-kompozytów z PLA, który może wpływać na właściwości materiału, jednak skala i charakter tych efektów zależą od formulacji i wymagają dalszych
potwierdzeń [3].

Co ciekawe, w grę wchodzi nie tylko „świeże” mleko. Naukowcy pracują również nad wykorzystaniem odpadów z przemysłu mleczarskiego – w tym mleka przeterminowanego. Poprzez ekstrakcję białek i ich dalsze przetwarzanie trwają badania nad materiałami, które w przyszłości mogłyby częściowo uzupełniać lub zastępować wybrane tradycyjne filamenty. Takie podejście wpisuje się w ideę gospodarki obiegu zamkniętego i pozwala jednocześnie ograniczyć ilość odpadów oraz zużycie surowców kopalnych [4].

Z punktu widzenia inżynierii materiałowej najciekawsze jest jednak to, że materiały białkowe nie są jedynie „ekologicznym dodatkiem”. Ich właściwości reologiczne, zdolność do tworzenia struktur sieciowych oraz interakcje z innymi składnikami sprawiają, że mogą aktywnie wpływać na proces druku i końcowe właściwości materiału. W praktyce oznacza to możliwość projektowania kompozytów o ściśle kontrolowanych parametrach – od elastyczności po wytrzymałość mechaniczną

Choć technologia ta znajduje się jeszcze na etapie intensywnych badań, jej na obecnym etapie wskazuje się kilka potencjalnych kierunków zastosowań, ale większość z nich pozostaje na etapie badań laboratoryjnych. Od biodegradowalnych elementów konstrukcyjnych, przez materiały opakowaniowe, aż po specjalistyczne komponenty w medycynie czy inżynierii biomedycznej.

Mleko w drukarce 3D może brzmieć jak ciekawostka, ale w rzeczywistości to przykład znacznie szerszego trendu. Granica między materiałami naturalnymi a inżynierskimi coraz bardziej się zaciera, a odpady – zamiast problemu – zaczynają być traktowane jako wartościowy surowiec.

Na koniec trzeba dodać, że należy odróżnić druk 3D żywności na bazie białek mlecznych od badań nad termoplastycznymi lub hybrydowymi materiałami do technicznych procesów addytywnych — to dwa pokrewne, ale nie tożsame obszary.

[1] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0260877425001955

[2]https://www.researchgate.net/publication/351071149_Internal_structure_and_textural_properties_of_a_milk_protein_composite_gel_construct_produced_by_three-dimensional_printing

[3] https://www.wisys.org/2022/12/02/bio-composite-materials-for-3d-printing-using-milk-proteins

[4] https://www.mdpi.com/2504-3900/136/1/4