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Materiales bio como alternativa al cumplimiento de una legislación cada vez más exigente

15/05/2020

CATEGORíA: general MARCA: ITENE

Según datos de la FAO, cada año se desperdician 1.300 millones de toneladas de alimentos, lo que equivale concretamente a un tercio de la producción mundial de estos, con el problema social, medioambiental y económico que esto provoca.


Una de las estrategias principales para evitar este desperdicio de comida consiste en alargar la vida útil de los productos envasándolos con materiales con propiedades barrera, generalmente materiales con estructuras de tipo multicapa (PET / PE, PET / EVOH / PE, OPP / OPP, PET / met / PE, etcétera).

 

Teresa Calvo y Natalia Ortuño – ITENE

 

La selección del tipo de material de envase es crucial para la conservación de los productos durante su distribución, además de para otros fines como utilizar soluciones de bajo peso y con propiedades mecánicas adecuadas, lo que ha provocado que el sector del envase plástico rígido y flexible ocupe alrededor del 40% del mercado de los envases alimentarios. Sin embargo, estos sistemas de envase multicapa suelen presentar un alto coste de fabricación (conllevan diferentes procesos de coextrusión y laminación) y de difícil clasificación y reciclado (heterogeneidad de residuos, puntos de fusión diferentes, densidades similares, etcétera).

 

 

Adicionalmente, en los últimos años se ha ido desarrollando un marco legislativo con un alto nivel de exigencia y actividad que regula la generación y gestión de envases, tanto a nivel europeo, como nacional, e incluso a nivel regional. Concretamente:

 

  • La Directiva Marco de Residuos 2008/98/CE que establece el objetivo de reciclar el 50% de los residuos domésticos en 2020, incluyendo envases.
  • El Plan de Acción para la Economía Circular publicado en 2015, con el título “Cerrar el círculo” para que productos, materiales y recursos se mantengan en la economía durante el mayor tiempo posible, y en la que se reduzca al mínimo la generación de residuos.
  • La Estrategia Europea de Plásticos publicada en 2018 donde se estipula que el 100% de los envases comercializados en 2030 deberán ser reutilizables, reciclables o compostables (1).
  • La Directiva 2018/852 que establece un aumento paulatino de las tasas de reciclado, alcanzando el 65% en 2025, el 70% en 2030, y de los cuales el 55% debe ser plástico.

 

Esta disyuntiva en la que se encuentra el envase alimentario donde sin mermar sus prestaciones, ha de hacer frente a los requisitos de reciclabilidad-compostabilidad-reutilización marcados por la estrategia de la Comisión Europea, ha propiciado que a lo largo de su cadena de valor se estudien posibles soluciones al respecto. Entre ellas cabe destacar el empleo de materiales, principalmente de origen renovable, con carácter biodegradable con el que fabricar un envase compostable que cumpla con los requisitos recogidos en la norma europea o la simplificación de estructuras de envase flexible mediante el uso de recubrimientos barrera.

 

Materiales biodegradables

En el campo de los materiales biodegradables, el ácido poliláctico (PLA), es uno de los bioplásticos compostables proveniente de fuentes renovables más prometedores, capaz de procesarse mediante tecnologías convencionales de transformación de envases rígidos y flexibles. Sin embargo, el PLA sigue careciendo de las propiedades barrera necesarias para ser empleado para el envasado de alimentos con larga vida útil. Por ello hoy en día, es posible encontrar en el mercado un número limitado de soluciones de envases fabricados únicamente con PLA, como son los descritos de la Tabla 1.

 

Tabla 1. Envases de PLA.

 

Estas soluciones de envase están destinadas para el consumo de agua en un corto período de tiempo (como los que se pueden encontrar en eventos deportivos, ferias, etc.) y de alimentos listos para consumir, ya que al no poseer propiedades barreras suficientes no pueden emplearse para productos de larga vida útil. Para este tipo de aplicaciones, es posible encontrar soluciones con PLA en formatos de envase flexible multicapa, combinado con otros materiales que aporten al sistema las propiedades barrera requeridas, como es el caso del grado BIO FVSOL 60 de SP Group (España), consistente en una lámina de PLA y polivinilalcohol (PVOH) totalmente compostable para aplicaciones de alta barrera al oxígeno, sin embargo no son apropiadas para productos secos o de rápido deterioro debido a la presencia de humedad, debido a la alta sensibilidad del PVOH a la misma.

 

Recubrimientos barrera

Los recubrimientos barrera tienen como objetivo la sustitución de capas en las estructuras de envase sin por ello reducir las prestaciones necesarias para garantizar la vida útil e integridad de los productos envasados. De esta forma, se simplifican los procesos de fabricación y se facilita la gestión del fin de vida de estos residuos de envase. Concretamente, en este sentido, fabricantes de materiales auxiliares como tintas o recubrimientos han desarrollado productos para tal fin. Por ejemplo, Sun Chemical, Mica Corporation, Michelman, Metalvuoto o ACC coatings, tienen en su porfolio barnices que permiten reducir la permeabilidad al oxígeno cuando se aplican en materiales de envase.

 

Tabla 2. Recubrimientos barrera comerciales.

 

Sin embargo, a pesar de que existen algunas alternativas y esta es una de las líneas de trabajo para afrontar el reto de mejora de reciclabilidad de materiales de envase, todavía existen limitaciones que impiden que este tipo de productos tengan un uso generalizado en el sector.  Como, por ejemplo, su diseño específico para cada tipo de sustrato (PP, PET, etcétera) y producto final (vida útil diferente para cada alimento). Además, su aplicación en materiales biobasados y cómo influye su utilización en los procesos de fin de vida de envases como los relacionados con la compostabilidad, biodegradabilidad, y reciclabilidad, son cuestiones todavía por resolver.

 

En este contexto, se ha planteado el proyecto europeo BIOSMART (2) (Bio-based smart packaging for enhanced preservation of food quality), que pretende desarrollar soluciones de envase biobasadas compostables para alimentos frescos y/o procesados que además incorporen funcionalidad activa e inteligente para favorecer el aumento de vida útil de productos envasados, y la comunicación con el consumidor, respectivamente.

En concreto, se consideran tres tipos de envase como demostradores del proyecto, donde incorporar las tecnologías desarrolladas: dos soluciones de envase flexible de distinta naturaleza y una de envase rígido, adaptando sus características y rendimiento de manera que sean aplicables en distintos mercados.

Los principales problemas que tienen los envases biobasados y compostables es que, en la mayoría de los casos, no alcanzan las propiedades barrera y mecánicas que tienen los materiales convencionales, de ahí que no se consideren como alternativa para combatir las elevadas tasas de residuos de materiales plásticos. Sin embargo, existe la posibilidad de mejorarlos con distintas metodologías, de forma que cumplan los requerimientos exigidos en función del alimento a envasar y, además, proporcionen otras ventajas como son la reducción de residuos alimentarios y el aligeramiento de peso del envase final.

 

Con el fin de mejorar las propiedades barrera de estos materiales, se pueden emplear películas metalizadas, por una o ambos caras, con una capa muy delgada de metal. Esta opción, presenta como ventaja su coste, ya que es mucho menor que el que lleva asociado las estructuras de aluminio que se emplean actualmente en los sistemas multicapa. Diferentes empresas tienen en el mercado productos biodegradables con propiedades barrera mejoradas basados en este enfoque, como Alcan (Ceramis, films basados en PLA) y Futamura (Natureflex, films basados en celulosa). Sin embargo, se necesitan pasos de conversión posteriores con el fin de obtener estructuras multicapa que actúen protegiendo la capa de barrera y proporcionen propiedades de sellado, y es ahí donde juega un papel importante la búsqueda de una combinación óptima de diferentes capas que consiga reunir todas estas propiedades.

 

El desarrollo de materiales reforzados es otra de las rutas que se está estudiando en el proyecto BIOSMART para mejorar las propiedades de los polímeros biodegradables, ofreciendo una solución más económica y menos dependiente de pasos posteriores de conversión. En la actualidad, es posible encontrar muchos estudios sobre el uso de refuerzos de diferente naturaleza para mejorar las propiedades barrera del PLA, sin embargo, no existe todavía en el mercado ninguna solución de envase basada en PLA reforzado con este tipo de aditivos. No obstante, el área de materiales de ITENE ha desarrollado dos patentes basadas en la mejora de propiedades del PLA mediante arcilla modificada con compuestos aptos para contacto alimentario (3).

 

De esta forma, el proyecto BIOSMART desarrolla un enfoque para cumplir con todo lo anterior y aumentar la relevancia de este tipo de envases, de manera que sean empleados a nivel industrial. Para ello cuenta con un consorcio formado por universidades, centros tecnológicos y empresas de tal manera que conjuntamente participan en el desarrollo e implementación de diferentes metodologías. En concreto, el centro tecnológico Tekniker (coordinador del proyecto) participa en la obtención de superficies superhidrófobas, materiales de cambio de fase microencapsulados, y nuevos sistemas antimicrobianos bioactivos y antioxidantes donde además participan la Universidad de Lille, la Universidad de Reading y la empresa Lipofabrik. Por otro lado, en relación con la funcionalidad inteligente de los envases, las empresas Tecsense y Gea colaboran en la obtención de un sensor óptico que informe sobre las condiciones en las que se encuentran los productos envasados (ej. aminas volátiles, oxígeno). En lo que respecta al desarrollo y escalado de los materiales de envase para definir las estructuras de los materiales biobasados, participan el centro Haute École d’Ingénierie et d’Architecture de Fribourg (HEIA), el Instituto Tecnológico del Embalaje, Transporte y Logística (ITENE) y las empresas Propagroup y Wipak. Además, ITENE trabaja en el desarrollo de recubrimientos y estructuras barrera aplicables a los materiales de envase biobasados y colabora con el Rise Research Institutes of Sweden en los estudios de compostabilidad/biodegradabilidad/reciclabilidad de los materiales obtenidos en el proyecto.

 

A continuación, se describen más en detalle el desarrollo y resultados obtenidos hasta la fecha con relación a las actividades realizadas por ITENE con el objetivo de mejorar las propiedades mecánicas y barrera de materiales biobasados como el PLA a partir de la incorporación de nanorrefuerzos mediante compounding, y a su vez mejorar las propiedades barrera de estos materiales mediante el uso de recubrimientos.

 

Respecto a las estructuras barrera desarrolladas para el sistema flexible y el sistema rígido de envase, se ha trabajado en el desarrollo de láminas y films reforzados con la arcilla patentada por ITENE, optimizando el espesor y el número de capas donde va incluida la arcilla, en un sistema formado exclusivamente por PLA, con el objetivo de reducir la permeabilidad al oxígeno y al vapor de agua del PLA base empleado. Los resultados de velocidad de transmisión al vapor de agua (WVTR, son sus siglas en inglés) de los films desarrollados y el porcentaje de mejora alcanzado a partir de estos valores, se muestran en la Ilustración 1.

 

Ilustración 1. Valores de velocidad de transmisión al vapor de agua de films barrera desarrollados en el proyecto BIOSMART.

 

En la Ilustración 1 se puede observar los resultados de diferentes muestras preparadas en el proyecto, en las que se ha optimizado el porcentaje de arcilla y la distribución de capas aditivadas, conduciendo a una mejora de hasta casi el 50% en la transmisión de los films al vapor de agua, siendo remarcable que la cantidad de arcilla utilizada ha sido lo mínimo posible, y que no está presente en toda la estructura.

 

Con relación a los recubrimientos barrera se ha seleccionado un polímero biodegradable como base de este y se han incorporado diferentes cargas inorgánicas para estudiar la influencia de estas en las propiedades barrera del material de envase objeto del proyecto (PLA). Así pues, tras emplear técnicas a escala laboratorio y piloto de aplicación de recubrimientos, los materiales con mayores mejoras de OTR respecto de la referencia (PLA sin recubrimiento) se recogen en la Ilustración 2.

 

 

Ilustración 2. Tasas de transmisión de oxígeno (OTR) de recubrimientos barrera desarrollado en el proyecto BIOSMART.

 

Como se puede observar, la reducción a la permeabilidad al oxígeno que permiten las distintas formulaciones de recubrimientos barrera está en torno a 98-99%. Actualmente, en el proyecto, también se está estudiando el efecto en la permeabilidad al vapor de agua y en los próximos meses se evaluará la biodegradabilidad y compostabilidad de este tipo de materiales de envase (PLA con recubrimiento barrera) con el fin de validar la idoneidad de estos desarrollos como alternativa a simplificar los materiales multicapa en envase de alimentos.

 

La combinación de las mejoras alcanzadas mediante el uso de las arcillas y los recubrimientos barrera junto con varias de las tecnologías activas e inteligentes desarrolladas en el proyecto, serán aplicados en tres tipos diferentes de demostradores de envases: bandeja termoformada, film flexible y envase celulósico. Dichos demostradores serán empleados en pruebas de envasado de alimentos frescos y/o procesados, y serán sometidos a paneles sensoriales para valorar la calidad del alimento a través del análisis cualitativo de la apariencia, olor y textura de los alimentos. Los resultados obtenidos serán relacionados con diferentes parámetros indicadores de la frescura del alimento envasado, así como con los del análisis microbiológico, permitiendo determinar la vida útil de los alimentos envasados con estos tres tipos de envase. A su vez, junto con la evaluación final de biodegradabilidad y compostabilidad de estos materiales finales se espera proponer alternativas potenciales de envase para la industria alimentaria alineadas con las directrices vigentes de reducción de residuos plásticos.

 

Referencias en el texto:

(1) https://ec.europa.eu/environment/waste/plastic_waste.htm

(2) El proyecto ha recibido fondos de la iniciativa "Bio Based Industries Joint Undertaking" en el marco del programa H2020 de investigación e innovación de la Unión Europea bajo nº de acuerdo 745762.

(3) WO 2012/017026 A1, WO 2012/017025 A1

 

Más información en https://www.itene.com/

 

 

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