Développement de polymères durables pour l'emballage alimentaire

2021/04/27 Ainara Sangroniz Agudo

• Kimika
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L'Organisation des Nations Unies a publié plusieurs objectifs de développement durable. Parmi eux se trouvent la réduction de la faim, le maintien de la sécurité alimentaire et l'amélioration de l'alimentation. Pour relever ces défis, il existe plusieurs options, dont l'extension de la survie des aliments avec le bon emballage.

Cependant, le XXI. Les plastiques utilisés pour l'emballage au XVIIIe siècle ont créé un grave problème en raison de la mauvaise gestion des déchets. L'objectif de cette thèse de doctorat a été la nécessité de développer de nouveaux matériaux écologiquement durables pour résoudre ce problème.

Emballage pour la réduction des déchets alimentaires

Selon des études menées par l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO), 14% des aliments produits dans le monde sont endommagés avant d'arriver au magasin. Selon la FAO, en 2019, plus de 690 millions de personnes étaient en situation de faim. C'est pourquoi il est indispensable de réduire la production de déchets alimentaires, l'utilisation d'emballages appropriés est urgente dans ce défi. Les emballages garantissent la qualité et la sécurité des aliments pendant le transport, le stockage et la consommation du produit. Notez que les aliments peuvent être endommagés par des changements physiques, chimiques ou biologiques.

Des matériaux tels que le métal, le verre, le carton et le plastique sont utilisés dans l'emballage (Figure 1). Chaque type de matériau a ses avantages et inconvénients. Par exemple, le métal et le verre sont imperméables, c'est-à-dire que les gaz ou les vapeurs externes ne traversent pas le récipient et sont facilement recyclés. Cependant, ils ont quelques inconvénients: d'une part, beaucoup d'énergie est dépensée pour traiter ces matériaux, et d'autre part, ils sont très lourds, ce qui a un impact sur le transport, car il consomme plus de carburant.

Les plastiques, cependant, sont peu coûteux, faciles à traiter et légers. Cependant, ces dernières années, la gestion inadéquate des déchets plastiques a généré un grave problème environnemental. Il existe actuellement trois façons de gérer les déchets plastiques : le réservoir à décharge, le recyclage mécanique (les propriétés physiques du matériau résultant de ce processus sont pires) et l'incinération dans les incinérateurs. Toutes ces alternatives présentent un certain nombre d'inconvénients qui sont peu durables avec l'environnement. Pour faire face à ce problème, des solutions telles que l'utilisation de biodégradables ou l'utilisation de polymères chimiquement recyclables ont été proposées.

Polymères: matériaux d'emballage

Les matériaux polymères utilisés dans l'emballage doivent avoir certaines caractéristiques: ils doivent être transparents, avoir de bonnes propriétés barrière et avoir de bonnes propriétés mécaniques.

Figure . Les matériaux utilisés pour l'emballage protègent la nourriture du milieu extérieur, comme l'oxygène ou la vapeur d'eau. Ed. Ainara Sangroniz, Pixabay

Avant d'expliquer ce qui sont de bonnes caractéristiques barrière, vous devez comprendre ce qu'est la perméabilité. Les polymères, contrairement au verre et au métal, sont perméables à divers gaz. C'est-à-dire que les petites molécules peuvent traverser le polymère, de sorte que le transport des molécules de gaz se produit de l'intérieur du conteneur à l'environnement et vice versa (figure 2). Le transport de ce gaz ou vapeur peut endommager le produit emballé. D'autre part, les composés aromatiques des aliments peuvent être perdus, en réduisant leur qualité. Par conséquent, il est très important de connaître les caractéristiques barrière des polymères à utiliser dans l'emballage. En général, on considère qu'un matériau présente de bonnes caractéristiques barrière lorsque sa perméabilité aux gaz et aux vapeurs est faible.

Figure . Selon le type de nourriture à emballer, le matériau doit avoir certaines caractéristiques. Ed. Ainara Sangroniz, Pixabay

Pour la sélection du matériau d'emballage, les caractéristiques du produit à emballer seront prises en compte (Figure 3). Par exemple, les fruits et légumes respirent, de sorte que le matériau utilisé dans l'emballage doit être perméable à l'oxygène et au dioxyde de carbone. Dans le cas de la viande rouge, le matériau doit être perméable à l'oxygène, sinon la viande perdra sa couleur rouge, acquérant une couleur marronacée. Dans des produits comme le pain, il faut éviter l'entrée d'eau pour maintenir une texture croustillante. Le matériau utilisé pour l'emballage de la bière doit éviter l'entrée d'oxygène en modifiant les propriétés organoleptiques du produit. Ainsi, comme indiqué, les matériaux doivent avoir des propriétés adaptées à chaque aliment. Cependant, en général, le principal défi de la zone d'emballage est l'obtention de matériaux à faible perméabilité aux gaz et aux vapeurs.

Actuellement, les matériaux les plus utilisés dans l'emballage sont le polyéthylène, le polypropylène et le téréphtalate de polyéthylène, pour son faible coût et pour ses propriétés physiques. Cependant, ce type de matériaux ne sont pas biodégradables, mais une fois utilisés, ils s'accumulent dans les décharges ou dans l'environnement, augmentant le problème des déchets plastiques.

Polymères biodégradables: solution de déchets plastiques ?

Une solution à ce problème peut être l'utilisation de polymères biodégradables, car dans certaines conditions ils sont dégradés en obtenant des substances comme la biomasse, le dioxyde de carbone ou l'eau. Cela évite la production de déchets et favorise l'économie circulaire.

Les polymères biodégradables les plus utilisés sont la polylactide et la polyprolactone, mais ils présentent quelques inconvénients : en général, les propriétés mécaniques sont inadéquates pour leur fragilité et d'autre part, présentent une haute perméabilité aux gaz et aux vapeurs. Il existe plusieurs options pour améliorer les caractéristiques de ces matériaux, l'un d'eux étant le mélange avec des polymères avec de meilleures propriétés. Cela permet d'améliorer les propriétés des polymères biodégradables de manière simple et économique. Ce mélange peut être miscible ou inmiscible. Normalement les polymères sont inmiscibles, c'est-à-dire qu'ils sont divisés en deux phases, de même que l'huile et l'eau ne sont pas mélangés. L'objectif est d'obtenir un mélange miscible, car ce type de mélanges ont de meilleures propriétés physiques.

Figure . Des mélanges PBAT/PH ont été préparés et la vitesse de transmission de la vapeur d'eau et du limonène, c'est-à-dire la perméabilité, a été mesurée. Ed. Ainara Sangroniz

Cette thèse a étudié le polymère biodégradable poli(adipato-co-tereftalate de butyles) (PBAT) pour ses propriétés mécaniques propres à son utilité dans l'emballage. Il présente une perméabilité élevée aux gaz et aux vapeurs quant à ses caractéristiques barrière. Ainsi, pour améliorer les propriétés du PBAT, il a été mélangé avec la résine fenoxi (PH), qui présente une faible perméabilité (Figure 4). Les mélanges obtenus sont miscibles dans la large gamme de composition analysée. En ce qui concerne les caractéristiques barrière, on observe une amélioration notable, puisque seulement l'ajout de 25% de résine fenoxi réduit significativement la perméabilité à la vapeur d'eau et de limonène. D'autre part, la dégradation de ces mélanges a été étudiée pour étudier l'influence de l'ajout de phénoxie dans la dégradation. Bien que la dégradation des mélanges soit plus lente qu'en PBAT, sa vitesse de dégradation est similaire à la polylactide ou policaprolactone. On peut donc conclure que les mélanges obtenus sont aptes à être utilisés dans l'emballage.

Polymères recyclables chimiquement

Ces dernières années, les polymères recyclables chimiquement ont suscité un grand intérêt. Ces polymères, une fois utilisés, peuvent être recyclés en récupérant les composés initiaux. Le recyclage chimique et le recyclage mécanique susmentionné sont totalement différents. Dans le recyclage mécanique, les déchets plastiques sont broyés et triés selon le type de polymère. Ensuite, chaque type de polymère est chauffé et façonné pour obtenir une nouvelle pièce. En raison du traitement du matériau, les propriétés se détériorent, de sorte que cette procédure ne peut pas être répétée autant de fois que souhaité (figure 5).

Figure . Les déchets plastiques sont collectés et transportés dans des installations appropriées pour le recyclage. Le recyclage mécanique et le recyclage chimique sont très différents. Ed. Ainara Sangroniz, Pixabay

D'autre part, en ce qui concerne le recyclage chimique, pour comprendre le processus, il est nécessaire de connaître d'abord comment se forment les polymères. Comme on peut le voir dans la figure 5 (voir section de recyclage chimique), les polymères sont des chaînes longues formées par des unités répétitives. Par exemple, si l'unité répétitive est une perle, la chaîne polymère est le collier qui se forme en unissant une perle à l'autre. Une fois utilisé, le polymère peut être recyclé chimiquement en récupérant les perles initiales et avec elles le collier peut être reformé. Par conséquent, ces matériaux sont infiniment recyclables et leurs propriétés physiques ne sont pas perdus.

Les polymères recyclables chimiquement présentent quelques problèmes : d'une part, il est très difficile d'obtenir un matériau entièrement recyclable et, d'autre part, si elle est recyclée facilement, les propriétés physiques du matériau sont déficientes, par exemple, elles ne présentent pas de propriétés mécaniques adéquates pour une utilisation dans l'emballage. Ainsi, les polymères de ce type qui ont été étudiés jusqu'à présent ne peuvent pas remplacer ceux qui sont actuellement utilisés sur le marché.

Cette thèse a permis de synthétiser les polymères à base de butyrolactone pour leur utilisation dans l'emballage alimentaire. Comme on peut l'apprécier dans la figure 6, la class="xliff-newline" / En outre, un atome d'oxygène est attaché à un carbone de l'anneau. Cette structure à cinq atomes contribue au recyclage chimique du polymère. La poly (-buutirolactona) possède d'excellentes propriétés mécaniques, mais sa perméabilité aux gaz et aux vapeurs est élevée et ne convient donc pas à l'emballage (Figure 6). D'autre part, il y a eu une transformation de l'âme classe="xliff-newline" / Ce polymère est aussi chimiquement recyclable, mais dans ce cas il présente des propriétés opposées: sa perméabilité aux gaz et aux vapeurs est très faible, ce qui représente un avantage pour l'emballage, mais ses propriétés mécaniques sont inadéquates pour sa fragilité (figure 6).

Figure . La synthèse de deux polymères chimiquement recyclables est présentée. Selon les conditions de réaction, on peut obtenir du polymère (collier) ou du monomère initial (perles). Ed. Ainara Sangroniz

Les deux monomères ont donc été combinés pour obtenir des copolymères (Figure 7). Comme on peut le voir dans la figure, la perméabilité du copolymère à la vapeur d'eau est bien inférieure à celle du polyéthylène téréphtalate (PET) et à celle de la polylactide (PLA). Les propriétés mécaniques du copolymère sont meilleures que celles du polyéthylène téréphtalate et de la polylactide, qui est fragile. Par conséquent, ces nouveaux matériaux peuvent remplacer les polymères actuellement utilisés sur le marché.

Figure . La combinaison de deux types de monomères donne lieu à des copolymères avec les caractéristiques des deux homopolymères, à savoir de bonnes propriétés barrière et mécaniques. Le graphique montre la vitesse de transmission de vapeur d'eau pour le copolymère synthétisé, le PET (un des matériaux les plus utilisés sur le marché) et le PLA (un des polymères biodégradables les plus importants). Ed. Ainara Sangroniz

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