Papirbaseret bæredygtig emballage egnet til food-service, detail- og e-handel

Det danske fødevareerhverv står overfor en gennemgribende omstilling til en grønnere produktion. Fødevareproducenter og udstyrsleverandører efterspørger hjælp i form af konkrete metoder og udstyr m.m., der kan katalysere produktion og eksport af såvel klimaneutrale fødevarer som ny klimavenlig teknologi til verdens fødevareproducenter. Det overordnede mål for indsatsen er derfor, på tværs af værdikæder, at udvikle de centrale teknologier og teknologiske serviceydelser, som den danske fødevaresektor har brug for i omstillingen til en klimaneutral fødevareproduktion.

Plast og Emballage medvirker i resultatkontrakterne ”BF1 – Bæredygtige fødevarer” og ”MA1 - Bæredygtige Materialer”. Målet er at udvikle ny viden om overfladebehandling af et papirsubstrat med høj diffusionsbarriere for at mindske dets ilt- og vanddamppermeabiliteter, og derudover finde de rigtige deponeringsprocesser til de valgte barrierematerialer. Denne udvikling forsøger at mindske mængden af pålagt barrieremateriale og minimere det samlede CO2-aftryk per emballageenhed. Ved at inkludere relevante partnere fra fødevare- og emballagebrancherne vil det derudover valideres, at de udviklede materialer lever op til nuværende krav til emballering af forskellige fødevarer. Disse krav er som følger:

•    Passende ilt- og vanddampbarrierer, inkl. muligheden for Modified Atmosphere Packaging (MAP)
•    Vand-, fedt- og olieafvisning uden brug af plast og i særdeleshed PFAS-holdige (polyflourinated
     alkyl substances) coatings
•    Mulighed for at bruge eksisterende pakkemaskiner med svejsning og forsegling

Ifølge den viden vi havde indenfor fiberbaseret emballage var der kun to typer coatings, som kunne hjælpe med at nå disse krav uden at fratage den de tre vigtigste fordele: genanvendelighed, bionedbrydelighed og hjemmekomposterbarhed. Disse to typer belægninger er uorganiske plasma- og solgel-belægninger, som f.eks. SiOx eller AlOx, og organiske vandop-løselige (foretrukket biobaserede) materialer såsom PVOH/PVA, stivelse o.a. polysakkarider, osv. Selvom der på laboratorieniveau er vist formidable barriereegenskaber, opstår der flere problemer med disse materialer. For det første kan de to grupper kun bruges i sammensætning med hinanden, fordi organiske vandop-løselige materialer per definition ikke er stabile over for vand, mens de tynde uorganiske belægninger ikke giver nogen barriere, hvis de påføres fibermaterialet direkte. Desuden er de uorganiske belægninger ikke svejsbare. Sidst er påførelsen af to typer belægninger fordyrende.

I et samarbejde med CelluComp Ltd., et skotsk firma, der arbejder med forskning og udvikling inden for biobaserede materialer, som f.eks. mikrofibrilleret cellulose, har vi måttet revurdere vores opfattelse. I forbindelse med implementering af coating med et opløst kompositmateriale, fandt vi ud af at den, paradoksalt nok, er vandstabilt på trods af dets vandindhold på over 60%. Dette forklares med den unikke formel, der inkluderer over otte forskellige kemikalier, inkl. mikrofibrilleret cellulose og en ganske lille andel (0,2%) fossilt baseret akryl. I vores forsøg med denne coating kunne vi vise gode barriereegenskaber, vandstabilitet og svejsbarhed, men vi så også mangelfuld fugtbarriere ved påførelse på almindelig støbt cellulose. Problemet ligger i fænomenet fibre lift-up, som finder sted på selv den glatteste papiroverflade, hvor enkelte fibre river sig løs og stikker ud af planet som vist i Figur 1. Når en coating på væskeform påføres og hærder, stikker enkelte fibre stadigvæk ud gennem coatinglaget og skaber en effekt der minder om en kuldebro, hvor fibrene kan lede vand udefra og ind under coatingen. Det reducerer barriereevnen markant og kan i værste fald forårsage ødelæggelsen af emballagens stabilitet og det emballerede produkt.
 
For at løse dette problem og udnytte denne coatings fulde potentiale har vi i samarbejde med CelluComp udviklet en ny cellulosepulp, der består af almindelig cellulose med en andel af mikrofibrilleret cellulose. Samspillet mellem de to byggesten afhjælper problemet med fibre lift-up. Vist på Figur 2 er vores nye støbte cellulosepulp, hvor fibrene ikke løfter sig op. Udover det, er massefylden af papiret og den mekaniske styrke forøget, da fibrene i den nye pulp er bundet bedre sammen. I Figur 3 kan man se resultaterne fra træktests udført på almindelig cellulosepulp sammenlignet med vores udviklede pulp: styrken af materialet er forøget tre til seks gange afhængig af prøveudtagelsessted på bakken.
 
Denne udvikling resulterede i papirbaserede emballager med alle de egenskaber, der blev nævnt ovenover. Yderligere eksempler viser, at de udviklede materialer er egnet til implementering af papirbaserede emballager til food-service samt detail- og e-handel.

Det første eksempel er vist på Figur 4, hvor man kan se 99% biobaserede plastfri yoghurtbægre af papir, der kan rumme produktet uden vægttab i minimum 30 dage. Bægrene kan genanvendes som papir.
 
Næste eksempel, figur 5, viser ligeledes papirbakker med de samme coatings, der kan forsegles i eksisterende MAP-pakkemaskiner lige så godt som konventionelle plastbakker.

Sammensætningen af den udviklede pulp og coating gør det muligt at opnå barriereegenskaber, som er tilstrækkelige til at emballere de fleste fordærvelige fødevarer. For eksempel blev kopperne, vist på Figur 3, testet for ilt- og vanddamppermeabilitet til at være hhv. 0,02 ml/m2/dag og 3,6 g/m2/dag.
Takket være denne udvikling, støttet af Uddannelses- og Forskningsstyrelsen under Uddannelses- og Forskningsministeriet i rammerne af resultatkontrakterne ”BF1 – Bæredygtige fødevarer” og ”MA1 - Bæredygtige Materialer”, står Plast og Emballage klar som aldrig før til at udføre pilotforsøg for interesserede virksomheder, som gerne vil substituere plastemballager med mere bæredygtige papiralternativer.
 

  
Figur 1: Fibre lift-up på overfladen af en støbt       Figur 2: Overfladen af en cellulosebakke støbt
cellulosebakke                                                       af den udviklede pulp

Figur 3: Sammenligning af resultater af trækstyrketests på en bakke støbt i (venstre) almindelig pulp og (højre) pulp udviklet af Teknologisk Institut og CelluComp.

 
Figur 4: Yoghurtbægre produceret af den udviklede pulp med den nye coating.

 
Figur 5: Cellulosebakker forseglet i en MAP-bakkeforsegler.