La permeazione e i suoi effetti sul materiale di confezionamento

Ambiente
Barriera
o parete
dell‘imballaggio
Prodotto
FIGURA 1. Schema di permeazione
La permeazione e i suoi effetti sul
materiale di confezionamento
Permeazione:
Passaggio di gas o vapore attraverso un materiale
di confezionamento (FIGURA 1).
Michelle Stevens
MOCON, Inc.
Minneapolis,
MN USA
Michelle
Stevens
MOCON, Inc.
Minneapolis, MN USA
Test. Measure. Analyze.
IMPATTO DELLA PERMEAZIONE:
La data limite di vendita è il periodo di tempo
assegnato ai cibi, ai medicinali, ai prodotti chimici e
ad altri generi deperibili, superata la quale essi sono
considerati non adatti alla vendita, all'utilizzo o al
consumo. La permeazione influenza la data limite di
vendita di questi prodotti perché la perdita o
l’arricchimento di ossigeno, di vapor acqueo, di
anidride carbonica, degli aromi e delle fragranze
possono influenzare negativamente il sapore, il
colore, la consistenza, il gusto e i valori nutritivi.
L'ossigeno, per esempio, causa reazioni negative in
molti cibi come le patatine. Misurando la velocità alla
quale l'O2 penetra attraverso il materiale di
confezionamento, è possibile determinare la data
limite di vendita o il periodo di tempo in cui la
confezione è ancora in grado di garantire la qualità
del prodotto.
Le misurazioni della permeazione sono
fondamentali per individuare il punto ottimale
dell'imballaggio. Questo punto ottimale è definito
dall'intersezione fra il marketing reale, la protezione
del prodotto e i costi. Combinando tutte e tre le aree,
è possibile sviluppare un imballaggio funzionale,
vantaggioso in termini di costi, e in grado di garantire
il raggiungimento della data limite di vendita. Spesso,
il segmento riguardante la protezione del prodotto è
spesso trascurato e ciò può avere un impatto
significativo sugli altri segmenti, ed in particolare sui
costi.
La confezione protegge il contenuto sia dalle
possibili aggressioni fisiche e chimiche. Mentre la
protezione del prodotto da danni fisici è un elemento
sempre presente, è necessario anche considerare la
protezione chimica.
La contaminazione microbiologica, l'ossidazione, la
rancidezza, la perdita di umidità, la degradazione dei
componenti, la perdita o la modifica del sapore e la
perdita di carbonatazione sono solo alcuni esempi
dei danni chimici che possono verificarsi in assenza
della adeguata protezione fornita dalla confezione.
Le misurazioni della permeazione sono
fondamentali per determinare l’appropriato imballo
che permetta di minimizzare o controllare questi
problemi.
Impatto ambientale
Impatto
ambientale
Design ottimale dell'imballaggio
che garantisce la data limite di vendita
con impatto ambientale minimo
Confezionamento Confezionamento
eccessivo
Barriere inadeguate insufficiente
Spessori non adatti
Data limite vendita minima
Reclami per il prodotto
Garanzie annullate
Maggiori spese di
materiale
Peso maggiore
Imballaggio progettato per ottimizzare la data limite di vendita
FIGURA 1b.
Il progetto dell’imballo deve
considerare l’impatto ambientale
La conoscenza della velocità di permeazione dei
materiali di confezionamento nella parte iniziale del
processo di sviluppo dell'imballaggio contribuisce ad
evitare la realizzazione sia di confezionamenti
insufficienti che di confezionamenti eccessivi.
Entrambe le possibilità possono risultare alla fine
particolarmente costose e, nella maggior parte dei casi,
possono essere evitate utilizzando un adeguato
protocollo di prova. Un confezionamento insufficiente
(barriere inadeguate, spessori non adatti, scelta del
materiale sbagliato, ecc.) permette la trasmissione di
alcuni composti ad una velocità che causa la
degradazione del prodotto prima del raggiungimento
della data limite di vendita desiderata. Le ripercussioni
che possono essere generate da un confezionamento
insufficiente variano dai reclami, alla resa del prodotto
fino alle garanzie annullate, che possono anche
causare delle azioni legali.
Il confezionamento eccessivo non provoca azioni legali
ma può causare un significativo spreco di denaro e di
risorse materiali. Molto spesso, la mancata
conoscenza del prodotto porta il produttore ad
utilizzare il miglior imballaggio disponibile all'interno di
un determinato budget, così da evitare un
confezionamento insufficiente. Se si effettua un
adeguato programma di controllo prima di lanciare i
prodotti sul mercato, è possibile risparmiare una
significativa quantità di denaro evitando un costoso
confezionamento eccessivo. Inoltre, quando il prodotto
è venduto con successo, è spesso impossibile
cambiare un qualsiasi elemento legato al design della
confezione, per paura di perdere quote di mercato. In
entrambi i casi, la giusta progettazione dell'imballaggio
ha potenzialmente un grande impatto sull'ambiente.
Come illustrato nella figura 1b., il confezionamento
eccessivo ha come conseguenza un utilizzo eccessivo
di materiale e, quindi, un impatto negativo
sull'ambiente. Il confezionamento insufficiente provoca
rese del prodotto che a loro volta causano un aumento
dei rifiuti, che generano un impatto negativo
sull'ambiente.
MATERIALI BARRIERA:
Le conoscenze e il livello di sviluppo nel settore del
confezionamento con polimeri barriera sono
aumentate rapidamente perché da imballaggi di tipo a
barriera totale come, per esempio, le lattine e le
bottiglie di vetro si è passati a sistemi di imballaggio
permeabili. Il 1983 è stato caratterizzato dalla
comparsa sugli scaffali dei supermercati americani di
una bottiglia di plastica coestrusa e multistrato per
ketchup. Da allora, le aziende hanno lavorato con
febbrile velocità alla strategia di confezionamento. La
competizione è considerevole e la qualità del prodotto
e il design dell'imballaggio possono rivelarsi elementi
chiave per il successo sul mercato.
I responsabili delle decisioni devono valutare una
varietà in continuo aumento di resine, materiali,
configurazioni dell'imballaggio e tecnologie. Per la
produzione di imballaggi, i livelli di barriera dei
materiali vanno, al giorno d'oggi, dai materiali ultra-
barriera usati nell'industria elettronica ai materiali
traspiranti, perforati, ad alta trasmissione. Oltre ai
materiali standard come il polietilene, il PET e
l’EVOH prendono piede nuovi prodotti come per
esempio il PGA e i polimeri a cristalli liquidi.
UTILIZZO DEI DATI DI PERMEAZIONE
NEL PROCESSO DI SVILUPPO
DELL'IMBALLAGGIO:
Illustriamo di seguito il metodo consigliato per
determinare il segmento di protezione del
prodotto in relazione al punto ottimale
dell'imballaggio.
Identificazione dei requisiti del prodotto
È necessario comprendere come sviluppare le
caratteristiche dell'imballaggio. Non solo è
necessario specificare il valore massimo di
degradazione ammesso per il prodotto, ma
devono anche essere individuati i fattori che
portano alla degradazione. Pur non essendo di
facile determinazione, i requisiti del prodotto sono
informazioni chiave nello sviluppo di un
imballaggio di successo. Mentre l'ingresso e/o
l’uscita di ossigeno e di vapor acqueo sono
considerati normalmente, è necessario prendere
in considerazione anche altri gas quali l'anidride
carbonica, gli aromi e le fragranze.
Identificazione dei possibili materiali
Poiché sono disponibili, per il confezionamento,
moltissimi nuovi materiali e resine barriera, è
spesso difficile confrontare i dati di permeazione
ottenuti dalle schede informative dei produttori
dei materiali. È possibile quindi mettere in pratica
un programma dettagliato per il controllo dei
materiali che consenta di selezionare il miglior
materiale barriera per una determinata
applicazione. Si può iniziare controllando la
velocità di trasmissione dei materiali candidati sia
per confermare i dati del fornitore, sia per
restringere il campo dei candidati e creare così le
configurazioni finali degli imballaggi. Gli
imballaggi possono essere testati per
determinare il livello complessivo di barriera.
Determinazione del sistema ottimale
I requisiti del prodotto e i materiali candidati sono
poi combinati per determinare la data limite di
vendita ottenibile in un materiale specifico o per
determinare quale materiale sia in grado di
garantire una determinata data limite di vendita.
Si eseguono poi gli studi sull'immagazzinamento
o la data limite di vendita per confermare le
prestazioni dell'imballaggio.
COS'È LA PERMEAZIONE?
La diffusione colloidale di Graham illustra il
processo a tre fasi di permeazione attraverso un
materiale. Nella prima fase il permeante viene
assorbito dal materiale. Poi, il permeante si
diffonde attraverso il materiale e nella fase finale il
permeante esce dall'altro lato. L'intero processo è
guidato da una differenza o gradiente di
concentrazione. Le molecole passano dal lato
dove la loro concentrazione è maggiore al lato con
concentrazione minore. Questo processo continua
fino a quando entrambi i lati si avrà lo stesso livello
di concentrazione.
La misurazione della permeazione è in genere un
concetto semplice. Tuttavia, la terminologia che
riguarda la permeazione e la sua misurazione è
usata spesso in modo non corretto. La velocità di
permeazione e la velocità di trasmissione sono
usate in modo intercambiabile, ma, in realtà sono
proprietà diverse.
La velocità con cui il permeante si diffonde
attraverso un materiale in un'area specifica è
valutata per ottenere la velocità di trasmissione.
L'unità della velocità di trasmissione ha come fattori
il volume di permeante, l’area ed il tempo. Alcuni
esempi di unità della velocità di trasmissione sono:
per il vapor acqueo e
per l'ossigeno e
altri gas
La velocità di trasmissione è una misurazione
specifica del materiale effettivamente testato, del
permeante e delle condizioni ambientali quali la
temperatura e l'umidità relativa (UR).
Per calcoli generici la velocità di permeazione
viene calcolata a partire dai dati della velocità di
trasmissione misurati. Per la determinazione
dalla velocità di permeazione si devono
considerare lo spessore del materiale e il
gradiente di concentrazione del permeante.
La velocità di permeazione fornisce molti dati
sulle proprietà del materiale perché può essere
utilizzata per ogni spessore o concentrazione del
permeante. Per ottenere la velocità di
permeazione, è necessario moltiplicare i risultati
della velocità di trasmissione per lo spessore del
materiale testato e dividere il risultato per il
gradiente di pressione parziale del permeante.
Ovviamente sono disponibili degli strumenti in
grado di calcolare automaticamente la velocità di
permeazione e fornirla come valore di output.
Alcuni esempi di unità della velocità di
permeazione sono:
per il vapor acqueo e
per l'ossigeno e altri
gas
Le unità di misura dello spessore, dell'area e
della pressione possono passare dal sistema SI
a quello metrico e viceversa.
Schema della vista laterale della cella di prova
Sonda
UR
Flusso N2
SENSORE
Flusso O2
Sonda UR
Flusso
N2 + O2
N2 + O2
dalla cella di prova
Sensore Coulox®
(100 % efficiente)
FIGURA 2a.
Rappresentazione schematica di una prova per la determinazione della velocità di
trasmissione dell'ossigeno
2
Sonda UR
Apertura
all'ambiente
Flusso di
N2
UR del
Campione
di film
N2 + H2O al
detector a
infrarossi
UR del 0%
Flusso N2
FIGURA 2b.
Rappresentazione schematica
di una prova per la determinazione della
velocità di trasmissione del vapor acqueo
TECNICHE DI MISURAZIONE:
Una le tecniche più comuni per misurare la
velocità di trasmissione di un film consiste nel
fare fluire su un lato del materiale il
permeante (gas di prova) mentre sull'altro lato
si fa fluire un gas di trasporto. Il prodotto da
testare è collocato in una cella di diffusione e
la divide in due camere. La camera interna
viene alimentata con azoto che si utilizza
come gas di trasporto mentre la camera
esterna viene alimentata con il permeante. Le
molecole del permeante si diffondono
attraverso il film all'interno della camera e
sono trasportate al sensore dal gas di
trasporto. Un computer controlla l'aumento
delle molecole di vapor acqueo o della
concentrazione delle molecole di gas test nel
gas di trasporto e riporta tale valore come
velocità di trasmissione (FIGURE 2a e 2b).
Questo processo è perfettamente illustrato
dalle unità di misura nella formula della
velocità di trasmissione sopra descritta;
quantità di permeante per unità di area per il
tempo. Sebbene le dimensioni del campione
2
siano solo di 50 cm , il valore della misura è
2
normalizzato a 1 m o a 100 in in relazione al
sistema di misura utilizzato. Per analizzare la
concentrazione del gas test presente nella
corrente di gas di trasporto si utilizzano divesi
tipi di sensori specifici per ogni permeante.
Diversi livelli di barriera richiedono per essere
correttamente misurati diverse sensibilità e
diverse precisioni, pertanto per una corretta
misurazione si possono utilizzare diversi tipi di
sensori.
I dati della velocità di trasmissione ottenuti
dalle analisi su campioni piani sono
estremamente utili per le valutazioni iniziali
del materiale, per la ricerca e lo sviluppo oltre
che per la classificazione di potenziali
materiali per un determinato tipo di
imballaggio. Nonostante ciò è molto utile
testare l’imballo nella sua forma finale. La
verifica della velocità di trasmissione degli
imballaggi nella loro forma finale fornisce una
visione delle sollecitazioni che hanno luogo
durante il processo di confezionamento. Un
controllo dell'imballo finito è particolarmente
raccomandato per la previsione della data
limite di vendita.
Campione di
imballaggio
Copertura di
contenimento
Colla epossidica o
a caldo
Piastra in ottone
ingresso ingresso
uscita
FIGURA 3a.
Schema di una prova per la
determinazione della velocità di trasmissione
dell'ossigeno eseguita sull’imballo finito
(imb) (giorno)
Per WVTR o
per OTR dove imb è
l'abbreviazione di imballo
(imb) (giorno) finito.
Velocità di trasmissione
Il test per la determinazione della velocità di
trasmissione non fornisce un risultato istantaneo,
in quanto è un test dinamico. Quando il test è
iniziato, c'è un periodo di transizione prima di
raggiungere l'equilibrio (FIGURA 4). Il tempo
necessario per il raggiungimento dell'equilibrio,
varia in base al materiale, al permeante e alla
temperatura. Per barriere eccellenti sono
necessarie settimane prima di raggiungere
l'equilibrio, mentre per i materiali ad alta
trasmissione sono sufficienti solo un paio d'ore.
Tempo
FIGURA 4.
Grafico della misurazione
della velocità di trasmissione rispetto al tempo
FATTORI IMPORTANTI NELLA
MISURAZIONE DELLA
PERMEAZIONE:
Il gradiente di concentrazione è l'elemento
principale nella permeazione, anche altri
fattori però giocano un ruolo importante. La
temperatura ha un grande effetto sulle
velocità di permeazione perché la velocità di
permeazione aumenta del 5 - 7% per °C
(FIGURA 5). Un corretto controllo della
temperatura e una misurazione accurata sono
fondamentali per ottenere risultati precisi.
P (cc 25 µm)/(m2 giorno atm)
Permeazione di O2 di un film rispetto alla temp.
Temp (°C)
FIGURA 5.
Effetto della temperatura sulla
velocità di permeazione
Bisogna prestare particolare attenzione alle
variazioni di temperatura durante le prove sugli
imballi finiti, in quanto molto spesso sono testati
in aria ambiente e in molti laboratori la
temperatura ambiente può fluttuare di molti
gradi nelle 24 ore.
Anche l'umidità relativa (UR) può influenzare i
risultati della permeazione. Ovviamente quando
si misura WVTR (velocità di trasmissione del
vapor acqueo), sono fondamentali la generazione, il controllo e il monitoraggio dell'UR
perché il vapore acqueo si utilizza come gas di
prova. Tuttavia, la presenza di umidità può a
sua volta influenzare fortemente le velocità di
permeazione dell'ossigeno e di altri gas in
alcuni materiali. Nella figura 6 sono rappresentati gli effetti dell'umidità su OTR (velocità di
trasmissione dell'ossigeno) di alcuni materiali
importanti usati nell'industria del confezionamento. La generazione corretta ed il controllo
adeguato dell'UR durante un test per OTR
forniscono un'indicazione precisa del comportamento reale del materiale in tali condizioni.
Altri fattori da considerare quando si testano le
velocità di trasmissione sono la variazione dello
spessore del film, il tempo per l'equilibrio, la
pressione atmosferica e la corretta generazione
del gas di prova.
Velocità di trasmissione
dell'ossigeno (cc/m2/giorno)
Le prove per determinazione della velocità di
trasmissione in un imballo finito (FIGURA 3a)
sono condotte nelle stesse condizioni
impiegate per le misurazioni di un film. Il gas
di prova è alimentato all'interno o all'esterno
dell'imballaggio mentre il gas di trasporto è
alimentato sul lato opposto. In genere, il gas
di prova è alimentato all'interno e il gas di
trasporto all'esterno ed è necessario un
volume di cattura (FIGURA 3b). Poiché lo
spessore può variare su tutto l'imballaggio e
può risultare difficile calcolare l'area reale, le
unità di misura nella espressione della
velocità di trasmissione per l’imballo finito
sono:
% Umidità relativa
FIGURA 6.
Effetti dell'UR sulla velocità di
trasmissione dell'ossigeno di EVOH.
CONCLUSIONI
In questo articolo è riportata una breve visione generale
del fenomeno della permeazione e della sua importanza
nel design di un imballaggio. Mentre altri fattori, quali il
marketing e i costi, giocano ruoli significanti nello sviluppo
di un imballaggio, la protezione del prodotto attraverso la
CONCLUSION
misurazione
è invece fondamentale
per
This article
provides adella
brief permeazione
overview of permeation,
its
creare un imballaggio funzionale e vantaggioso in termini
measurement and its importance in package design.
di costi, che soddisfi la data limite di vendita desiderata dal
While other
factors such
marketingulteriori
and cost
also
produttore.
Sonoasdisponibili
informazioni
più
play significant
roles
in
the
development
of
package,
approfondite riguardanti i metodi di prova della
product protection
through
permeation measurement
permeazione,
la strumentazione
e la teoria.
is crucial to creating a functional, cost-effective package
1. the
Gyesley,
S. W.shelf-life.
(1991). Total
Systems
Approach to Predict
that meets
product’s
More
in-depth
Shelf
Life
of
Packaged
Foods.
ASTM
STP
1113-EB.
information regarding permeation test methods,
instrumentation and theory is available.
1. Gyesley, S. W. (1991). Total Systems Approach to Predict Shelf Life
of Packaged Foods. ASTM STP 1113-EB.
PAUL LIPPKE HANDELS-GMBH
Prozess- und Laborsysteme
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