Recycleerbare barrièrematerialen voor voedselcontact onder de loep

Meerlaagse plastic en papieren verpakkingen spelen op dit moment nog steeds een sleutelrol bij het beschermen van gevoelige producten tijdens de houdbaarheidstermijn, aldus onderzoeker Bram Bamps van Materials and Packaging Research & Services (MPR&S, Universiteit Hasselt) over de start van het project: "Complexe, meerlaagse verpakkingsmaterialen met een hoge barrière - zoals alu, metallisatie, PVDC, EVOH - zijn echter uitgesloten van het mechanische recyclingtraject en/of kunnen de recycling van andere materialen in afvalstromen belemmeren. Sorteren en mechanische recyclage zijn echter primaire processen om gebruikte verpakkingen opnieuw waarde te geven. Hoewel chemische recyclage snel evolueert en de komende jaren steeds belangrijker zal worden, is het momenteel in de meeste gevallen economisch minder interessant." Met de Europese eis om in 2030 alle verpakkingen herbruikbaar of recycleerbaar te hebben, is de materiaalkeuze dan ook gericht op monomaterialen. Bamps: "Aanbevelingen over het weigeren of beperken van metalen en polymere barrièrelagen zijn van cruciaal belang om verpakkingen te kwalificeren als uit één materiaal bestaand, sorteerbaar en recyclebaar met de beschikbare technologieën. Deze aannames leiden tot het leveren van hoogwaardige secundaire materialen voor circulaire toepassingen." Door het gebruik van deze essentiële barrièrematerialen in verpakkingen te beperken, komt echter de functionaliteit van de barrière onder druk te staan. "Daardoor ontstaat er behoefte aan andere hoogwaardige barrièrematerialen die opnieuw in de belangstelling komen en nieuw zijn ontwikkeld, om te voldoen aan de huidige recyclingrichtlijnen", constateert Bamps. Dit maakt het volgens MPR&S mogelijk om het paradigma van complexe meerlaagse verpakkingen met een barrièrelaag in de structuur te veranderen. "En te evolueren naar verpakkingen met dunne functionele coatings die aan barrière-eisen voldoen." Barrière is daarbij een overkoepelende term, waarbij meerdere factoren zijn inbegrepen: gas (zuurstof, kooldioxide, vluchtige verbindingen - zoals aroma en geur - of andere gassen), vocht, vloeistof (water, olie, zuur) en licht/UV-transmissie. "Andere materialen met een barrièrecoating, zoals AlOx-gebaseerde, PEN, LCP of organisch-anorganische hybride barrièrestructuren, zouden een oplossing kunnen zijn. Ook nieuwe materialen worden ontwikkeld en laten veelbelovende eerste resultaten zien. Maar voor gebruik als contactmateriaal voor bijvoorbeeld voeding, maar ook petfood en cosmetica is nog wel iets meer nodig. Daarbij zijn dit ook nog eens de belangrijkste gebruikers van flexibele meerlaagse verpakkingen." Het hoofddoel van BeFORE is het verbeteren van het ontwerp voor recycling van primaire verpakkingen. Daarvoor wil MPR&S onderzoeken welke veelbelovende flexibele verpakkingsmaterialen met alternatieve barrièrematerialen hiervoor in aanmerking zouden kunnen komen. Daarbij wordt rekening gehouden met voorbehandelingen die bij mechanische recycling kunnen worden toegepast, zoals ontinkten en wassen. Er zijn al sleutelparameters geselecteerd om de technische aspecten van productbescherming en recycleerbaarheid van verpakkingen te meten, aldus. "Het gaat daarbij om statische en dynamische mechanische eigenschappen, barrière-eigenschappen en de sensorische kwaliteit van het product, sealbaarheid, compatibiliteit met automatische verpakkingssystemen en recycleerbaarheid in bestaande stromen." Bij de beoordeling wordt rekening gehouden met de economische haalbaarheid en de marktbeschikbaarheid, meldt MPR&S. Voor het onderzoek zijn drie categorieën producten geselecteerd: voeding, petfood en cosmetica. Elke categorie bevat droge en vochtige producten met een verschillend water-/vetgehalte en verschillende bewaareigenschappen. De fysische en chemische structuur van het product vormen de selectiecriteria van de test. Het onderzoeksproject is georganiseerd volgens een aantal stappen. Zo worden alternatieve barrièrematerialen in het begin en tijdens het project geïnventariseerd. En getoetst aan Europese wetgeving en nieuwe ontwikkelingen met betrekking tot papieren verpakkingen en single use plastics. Vervolgens worden veelbelovende flexibele verpakkingen met alternatieve barrièrematerialen gescreend en vergeleken met bestaande oplossingen. Concreet worden samen met de deelnemende bedrijven vijf generieke, waaronder drie plastic en twee papieren, verpakkingscases gedefinieerd (bijvoorbeeld koffie, thee, droge dierenvoeding, chocolade, vlees, vochtige doekjes, vloeibare zeep, ...) waar meerlaagse verpakkingen worden vervangen door met een veelbelovende alternatieve barrièreverpakking die recycleerbaar is. In een volgende stap worden veelbelovende barrièrematerialen op laboratoriumschaal getest om relevante eigenschappen in verband met de cases te beoordelen. Het gaat dan naast de barrière-eigenschappen: zuurstof, waterdamp, vet/olie en licht,... om mechanische eigenschappen: scheurvastheid (buigbaarheid), adhesie, sterkte, scheuren, perforatie, wrijving, compatibiliteit met verpakkingslijnen, ... en chemische oppervlakte-eigenschappen met het oog op sealbaarheid, bedrukbaarheid,... Voor deze casestudies worden de functionele verpakkingseigenschappen, zoals algehele migratie, sensorische analyse, aromadoorlaatbaarheid beoordeeld. De mechanische recycleerbaarheid wordt getest volgens de meest recente testprotocols. Ook wordt rekening gehouden met de eisen op het gebied van eenmalige gebruik van verpakkingen. Om een snellere uitrol in de markt van dit soort verpakkingsmaterialen te bewerkstelligen worden de onderzoeksresultaten gedeeld. Zowel in wetenschappelijke publicaties als in communicatie richting de verpakkingssector. Voor meer informatie: bram.bamps@uhasselt.be Een al lopend project van MPR&S - het Repac2 onderzoek naar de barrière-eigenschappen van gecoate papierenverpakkingen - is zo ver dat het de praktijkfase in gaat. Na de selectie van tien tot vijftien materialen op sealbaarheid, gasdoorlaatbaarheid en mechanische eigenschappen worden ze nu bij voedingsmiddelenproducenten op de lijn getest. Het project wordt eind dit jaar afgerond met een rapport dat gepubliceerd wordt. Onderzoeker Bamps vertelt dat de initiatiefnemers een mooie mix van vooral houdbare producten hebben gevonden die bij de desbetreffende producenten wordt getest. Hij mag de namen van de bedrijven niet noemen maar kan wel verklappen dat het om thee, een fruitrol, gesneden salami, chocolade truffels en koekjes gaat. Producten die ieder zo hun eigen specifieke eisen stellen als het gaat om de houdbaarheid en de eisen die daaraan gesteld worden qua gas- en waterdampbarrière. We hebben voor deze bedrijven gezocht in onze eigen lijst met gekarakteriseerde en geteste materialen maar hebben ook verder in de markt gekeken als dat niet het geval was. Heel belangrijk sowieso is of de - nieuwe - gecoate papierenverpakking op de lijn kan draaien die in een bedrijf staat, want anders is een bedrijf niet bereid om een dergelijk alternatief te gaan testen. Domweg omdat dit een grote investering in tijd en geld zou vragen. Wij faciliteren het proces. Dat gebeurt ook tijdens de praktijkcases zelf. Het kan bijvoorbeeld zijn dat de lekdetectie nog extra ter plaatse onderzocht moet worden. De gasdichtheid en de relatieve vochtigheidsbarrière kunnen op zich wel goed zijn onder normale omstandigheden. Gasdoorlaatbaarheden onder de 5 cc/m2.d voor zuurstof of onder de 5 g/m2.d voor waterdamp zijn uitzonderlijk maar mogelijk. Maar het kan best zijn dat de verpakking in een bedrijf in een koelcel of andere bijzondere omstandigheden terechtkomt, zodat er hele andere eisen aan een verpakking gesteld moeten worden." Uit Repac2 is nu al de opvallende conclusie te treken dat gecoate papieren voor bepaalde toepassingen een prima gasbarrière en prima mechanische eigenschappen hebben. Maar papier heeft zo zijn beperkingen. Je kunt er natuurlijk geen vloeistoffen in afvullen en folie kun je tot 400 procent rekken en papier niet. Daarbij mag het aandeel coating in een papieren verpakking op dit moment nog 15 procent van het totale materiaal zijn om nog als recycleerbaar via het oud-papier gekwalificeerd te worden. Maar daar gaat waarschijnlijk verandering in komen. Dat wil zeggen dat de Europese Unie bepaalt dat dat aandeel naar beneden moet worden bijgesteld. Het is nu geen probleem, maar dat kan veranderen, stelt Bamps. "Het volume van dit soort verpakkingen is nu nog relatief klein op het totaal van de ingezette papierpulp. En dus ook de coatingfractie. Maar de consument wil dit soort verpakkingen wel in de winkel als duurzame verpakking, dus zullen ze in overvloed op de markt komen. En de vraag is dan of het coatingmateriaal met het papieren verpakkingsmateriaal als geheel nog wel recyleerbaar is. Sirris gaat testen hoeveel minder dat kan zijn om toch nog voldoende barrière-eigenschappen te hebben zoals het materiaal die nu heeft." "In totaal doen we vijf tot zes casestudies, waarvan eind dit jaar een rapport verschijnt", vertelt Bamps verder. "Die gegevens komen niet alleen beschikbaar voor de deelnemende bedrijven, maar worden online gepubliceerd, zodat ook andere bedrijven toegang krijgen op de verworven data." Na vier maanden komt er een white paper over welke gecoate papieren verpakkingsmaterialen er zijn. Er komt ook een vrij toegankelijke workshop met een evaluatie en categorisatie van de eigenschappen van gecoat papier als verpakkingsmateriaal. En tevens verschijnt er een praktijkgids voor de industrie met de resultaten van de testen en is deze beschikbaar voor alle bedrijven. Het project wordt afgesloten met een wetenschappelijke publicatie. Het internationale project MultiRec dat aanvankelijk begin 2023 zou starten, begint nu op 1 januari 2024, terwijl het einde voorzien is voor eind 2025. De indiening van het internationale MultiRec-project was een jaar uitgesteld en uiteindelijk verlegd naar 1 maart van dit jaar. Tijdens het project wordt de transport- (van stretch en shrink wrapped palletten) en de mechanische performantie (waaronder verlenging, sterkte, doorprikweerstand, doorscheurweerstand) gerelateerd aan de chemische eigenschappen (zoals het moleculaire gewicht via GPC, vertakkingen en splitsing van ketens via T2 relaxometrie en NMR spectroscopie; ook additieven worden opgespoord, zoals antioxidanten, slip agents) van meervoudig gerecycleerd polyethyleen. Het project staat in de steigers maar MPR&S zoekt nog steeds naar deelnemende bedrijven. "Het betreft hier een project dat voor het Vlaamse onderzoeksgedeelte volledig betrekking heeft op transportverpakkingen zoals krimpfolie/rekfolie voor gepalletiseerde ladingen. Hierin wordt onderzocht wat impact is van de toevoeging van polyolefine recyclaatstromen in de tertiaire verpakkingsfolie en wat de gevolgen zijn van meervoudige recyclage van deze filmen. Er wordt de link gelegd tussen de chemische veranderingen en de mechanische eigenschappen in functie van de recyclagecycli van de films. De essentiële vraag is: Wat is het materiaal nog waard als je het meerdere keren door de molen haalt?" "We hebben in dit geval bewust gekozen voor transportfolie, omdat gerecycleerd polyethyleen in voedingsverpakkingen niet toe is gestaan vanwege de eisen op het gebied van voedselveiligheid", meldt Bamps. MultiRec is een Europees samenwerkingsproject. Voor Vlaanderen wordt dit uitgevoerd door UHasselt: MPR&S onder leiding van prof. Roos Peeters en ACC onder leiding van prof. Wouter Marchal. Beide onderzoeksgroepen behoren tot hetzelfde onderzoeksinstituut, met name imo-imomec. "In feite werkt MPR&S hier samen met de collega's analytische chemie van de Universiteit van Hasselt. Daarbij onderzoeken wij de verpakkingsperformantie en zij de chemische samenstelling van de verpakking. Zij onderzoeken bijvoorbeeld de lengte van de kunststofketens na meermalige recyclage en wij de mechanische eigenschappen van dezelfde kunststof. Door dat met elkaar te vergelijken kunnen we daar misschien verbanden ontdekken. Wij gaan verschillende materialen extruderen." Ook voor dit project zoeken de initiatiefnemers achter MultiRec naar praktijkcases bij transportverpakkers om het wikkelen en krimpen van de folie in de praktijk te testen. En ook worden deelnemers uit de hele keten gezocht. Dat varieert van producenten van de granulaten als grondstof, de converters die er folie van produceren, zoals bouwbedrijven die het toepassen en afvalmanagementbedrijven zoals ophaal-, sorteer- en recyclagebedrijven.