KE 4/2016, s. 15: Puheenvuoro Koneet, Laitteet & Prosessit: Ekstruusio vai 3D-tulostus?

Ekstruusiota on käytetty elintarviketuotannossa jo vuosikymmeniä esimerkiksi erilaisten snacksien ja aamiaistuotteiden valmistukseen. Viime aikoina on pöhisty 3D-tulostuksesta, joka soveltuu muun muassa näiden samojen valmisteiden tuottamiseen. Mutta onko 3D-tulostuksella ja ekstruusiolla yhtäläisyyksiä?
Yksi 3D-tulostuksen menetelmä on pursotus. Siinä materiaalia pursotetaan kerroksittain niin, että pursotin liikkuu tietokonemallin mukaisesti rakentaen tuotetta kerros kerrallaan. Pursottimia voi olla samassa prosessissa myös useita – jopa kymmeniä – ja niistä kustakin voidaan pursottaa tuotteeseen eri materiaalia. 3D-tulostuksella on siis mahdollista saada aikaan monimutkaisia ja moniulotteisia rakenteita.

Ekstruusiokin on yksinkertaisimmillaan pursotusta. Ekstruuderia kutsutaan myös ruuvisuulakepuristimeksi. Erityisesti kylmämuotoilussa ekstruuderia käytetään lähinnä materiaalin puristukseen ja muotoiluun. Materiaali siirtyy tehokkaasti suutinta kohti ja puristuu kaksiruuviekstruuderissa, jossa ruuvit pyörivät samaan suuntaan, koska se toimii kuten ruuvipumppu. Ekstruuderin suuttimen aukon muoto ja pinta-ala määräävät, minkä muotoista ja kokoista ekstruuderista ulostuleva massa on.
Muotoillusta massasta voidaan leikkurilla pätkiä eripituisia palasia, joiden poikkileikkauspinta on suuttimen kuvion mukainen. Ekstruuderin suutin pysyy koko ajan paikoillaan, jolloin ekstruuderi tavallaan ”tulostaa” samaa poikkileikkauspintakuviota (kaksiulotteinen) koko ajan tehokkaasti päällekkäin, jolloin tuotteesta tulee kolmiulotteinen. Suuttimen aukon pinta-ala määrää kylmämuotoiltavan tuotteen ulkomitat suuttimen suunnassa kaksiulotteisesti ja leikkuri kolmannessa suunnassa. Sopivasti muotoiluilla suuttimilla on mahdollista valmistaa myös kierteisiä tai käyriä ekstruusiotuotteita.

Ekstruusiotuote voi sisältää kahta tai useampaa erilaista materiaalia, jolloin kyseessä on koekstruusio. Siinä tuote muodostuu niin, että materiaaleja syötetään samanaikaisesti kahdesta tai useammasta suuttimesta, eli eri kerrokset pursotetaan yhtä aikaa yhdeksi tuotteeksi. Suuttimet muodostavat yhdessä tuotteen kaksiulotteisen poikkileikkauspintakuvion, ja leikkurilla saadaan aikaan haluttu kolmiulotteisuus. Tällä tavalla ekstruusiotuotteelle voidaan muodostaa esimerkiksi kuorikerros ja sisus eri materiaalista kuten täytelakritsissa.
Ekstruusioprosessissa materiaali yleensä myös lämmitetään ja hierretään puristuksen ja muotoilun lisäksi. Lämmöllä ja hierrolla voidaan esimerkiksi liisteröidä materiaalin sisältämää tärkkelystä, denaturoida proteiinia ja sulattaa kiteitä. Lämmityksen ja hierron tehokkuuteen vaikuttavat käytetyt olosuhteet (ekstruuderin lämpötilaprofiili, ruuvien pyörimisnopeus tai massasyöttö ekstruuderiin) ja ekstrudoitavan massan koostumus.
Erityisesti massan vesipitoisuutta säätelemällä tuotteille on mahdollista tehdä erilaisia rakenteita. Jos massan vesipitoisuus on suhteellisen pieni (alle 20 %) ja paine ekstruuderissa suuri, vesi pysyy nestemäisessä muodossa ekstruuderissa, mutta tuotteen tullessa ulos vesi höyrystyy. Ulostulleen tuotteen mitat laajenevat ja rakenne muuttuu huokoiseksi sekä rapeaksi, eli tuote puffautuu ja kuivuu.
Tiiviitä kypsennettyjä rakenteita tuotetaan suuremmilla vesipitoisuuksilla (n. 20−40 %). Niitä ovat esimerkiksi lakritsi ja keskikosteat lemmikkieläinten ruuat. Märkäekstruusiossa massan vesipitoisuus on yleensä yli 40 prosenttia, enimmillään jopa 80 prosenttia. Sopivilla lämmitys- ja hierto-olosuhteilla sekä massasyötöllä voidaan valmistaa esimerkiksi soijaproteiinista kuitumaisia rakenteita.

3D-tulostukseen on myös mahdollista yhdistää erilaisia rakenteita, jos pursotettavat materiaalit prosessoidaan ennen pursotusta halutunlaisiksi, ja rakenne saadaan asettumaan esimerkiksi sopivalla lämpökäsittelyllä. Lämpökäsittely voi olla esimerkiksi nopea jäähdytys aina, kun pursotin on tehnyt yhden kerroksen tulostettavaan tuotteeseen. Näin voidaan valmistaa esimerkiksi monimutkaisia suklaa- ja jäätelötuotteita.
Myös muut 3D-tulostusmenetelmät kuin pursotus soveltuvat elintarvikeraaka-aineille. Esimerkiksi sokerista voidaan valmistaa amorfisia tai osittain amorfisia, monimutkaisia rakenteita sulattamalla sokerikiteitä kerroksittain laserilla. Jauhekerrokseen voidaan ruiskuttaa jotain soveltuvaa sideainetta, jolla tuotteelle syntyy haluttu muoto. Tällaisilla 3D-tulostusmenetelmillä voidaan valmistaa tuotteita, joille perinteiset valmistusmenetelmät eivät sovellu.
Ekstruusiolla ja 3D-pursotustekniikalla on siis paljon yhtäläisyyksiä, mutta 3D-tekniikoilla on mahdollista saada aikaan paljon monimutkaisempia ja moniulotteisempia tuotteita kuin ekstruusiolla. Toisaalta ekstruusio on huomattavasti tehokkaampi tuotantomenetelmä kuin 3D-tulostus – siinä näillä menetelmillä on suuri ero.

Kirsi Jouppila
yliopistonlehtori, dosentti
Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos
Helsingin yliopisto

Muut teemajutut samasta lehdestä :