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Composti organici volatili
Industria alimentare - Ottimizzazione lavorazione di HDPE / polimeri mediante compressione. Studio per la sostenibilità
Francesco Prandi - Università Degli Studi di Bologna
Sommario
Polimeri e altri materiali ad alte prestazioni può provocare il rilascio di composti organici volatili indesiderati o scomodi. In spazi ristretti, le emissioni concentrate di questi composti organici volatili possono influire sul comfort o sulla salute dell'utente.
NIAS negli FCA e negli FCM
NIAS e Regolamento UE 10/2011: impurezze non intenzionalmente aggiunte nella fabbricazione di materiali e oggetti di materia plastica destinati a venire a contatto con i prodotti alimentari (Food Contact Materials, FCM e Food Contact Article, FCA).
Origine delle NIAS:
- Coprodotti o reagenti non convertiti;
- Prodotti di decomposizione (polimeri, additivi);
- Contaminanti (ambientali, di processo e relativi al riciclo).
Composti organici volatili (VOCs) e Direttiva Europea 2004/42/CE: composti organici volatili aventi punto di ebollizione pari o inferiore a 250°C misurato alla pressione atmosferica.
Necessario un monitoraggio di questi Composti organici volatili: ottimizzazione di un metodo analitico per l'identificazione e la quantificazione dei VOCs:
- Significativa propensione alla migrazione;
- Emissioni in atmosfera;
- Talvolta bassa soglia di odore.
Legislazione relativa a FCA e FCM
1. Regolamento (CE) 1935/2004: il regolamento fornisce un quadro giuridico UE armonizzato e stabilisce i principi generali di sicurezza e inerzia per tutti i materiali destinati al contatto con gli alimenti:
. Il principio (articolo 3) alla base di tale regolamento è che i materiali destinati a contenere alimenti non:
- Rilascino i loro componenti nel cibo a livelli dannosi per la salute umana;
- Cambino la composizione, il gusto e l'odore del cibo in modo inaccettabile;
- Portino al deterioramento delle caratteristiche organolettiche.
2. Regolamento (UE) 10/2011: il regolamento definisce un elenco delle sostanze autorizzate per l'impiego nella fabbricazione di materiali od oggetti in plastica destinati al contatto con gli alimenti (MOCA).
Valuta la sicurezza di tali sostanze e stabilisce i limiti di migrazione per l'uso sicuro dei MOCA.
Esempi di sostante autorizzate, aggiunte intenzionalmente, utilizzabili nella fabbricazione (elenco dell'Unione):
- Monomeri o altre sostanze di partenza;
- Additivi esclusi i coloranti.
Regolamento (UE) 10/2011
. I materiali e gli oggetti di materia plastica non devono cedere i loro costituenti ai prodotti alimentari in quantità superiori ai limiti di migrazione specifica (SML) e globale (OML):
o Limite di migrazione specifica per sostanze aggiunte intenzionalmente (IAS): specificato nell'Elenco dell'Unione;
o Limite di migrazione globale: 10 mg/dm2.
. Le NIAS (sostanze non intenzionalmente aggiunte) sono esentate dall'obbligo di autorizzazione e inclusione nell'elenco dell'Unione:
o Tuttavia, se le NIAS rilevate sono comprese nell'elenco delle sostanze autorizzate, devono rispettare l'SML imposto dal Regolamento;
o Altrimenti la sostanza andrebbe valutata secondo i principi scientifici di valutazione dei rischi riconosciuti a livello internazionale:
. Limite di migrazione specifica per NIAS: 0.01 mg/kg (ILSI Europe).
Scopo del progetto
1. Sviluppare un sistema analitico per l'identificazione e la quantificazione di composti organici volatili;
2. Correlare i parametri di lavorazione in estrusore ed il contenuto effettivo di VOCs.
3. Messa a punto del sistema analitico:
. Ottimizzazione della preparazione del campione;
. Messa a punto dell'analisi gascromatografica.
4. Studio dell'effetto delle variabili di processo sul contenuto di composti organici volatili. Parametri di processo valutabili:
. Profilo termico utilizzato nell'estrusione;
. Tempo di residenza del fuso polimerico in estrusore;
. Applicazione del vuoto in estrusore.
Tecniche di estrazione disponibili per il campionamento di composti volatili da matrici polimeriche:
- Estrazione in spazio di testa (HS);
- Microestrazione in fase solida e analisi in spazio di testa (HS-SPME);
- Termodesorbimento (TDS);
- Estrazione con solvente (es. Soxhlet, assistita da ultrasuoni).
Successivo utilizzo di tecniche analitiche basate sull'utilizzo di un gascromatografo (GC) accoppiato ad un detector come uno spettrometro di massa (MS) o un detector a ionizzazione di fiamma (FID).
Metodi analitici
La messa a punto del metodo analitico dovrà considerare numerosi fattori, fra cui:
- Granulometria e peso del campione;
- Condizioni di preparazione del campione: temperatura, tempo, tipologia di solvente;
- Tempistiche di preparazione del campione da analizzare;
- Scelta della strumentazione e parametri di analisi gascromatografica;
- Possibilità di automatizzare il metodo analitico;
- Facilità nell'identificazione e quantificazione di analiti con diverse polarità e volatilità.
Origine delle NIAS:
- Coprodotti o reagenti non convertiti;
- Prodotti di decomposizione (polimeri, additivi);
- Contaminanti (ambientali, di processo e relativi al riciclo).
Composti organici volatili (VOCs) e Direttiva Europea 2004/42/CE: composti organici volatili aventi punto di ebollizione pari o inferiore a 250°C misurato alla pressione atmosferica.
Necessario un monitoraggio di questi Composti organici volatili: ottimizzazione di un metodo analitico per l'identificazione e la quantificazione dei VOCs:
- Significativa propensione alla migrazione;
- Emissioni in atmosfera;
- Talvolta bassa soglia di odore.
Legislazione relativa a FCA e FCM
1. Regolamento (CE) 1935/2004: il regolamento fornisce un quadro giuridico UE armonizzato e stabilisce i principi generali di sicurezza e inerzia per tutti i materiali destinati al contatto con gli alimenti:
. Il principio (articolo 3) alla base di tale regolamento è che i materiali destinati a contenere alimenti non:
- Rilascino i loro componenti nel cibo a livelli dannosi per la salute umana;
- Cambino la composizione, il gusto e l'odore del cibo in modo inaccettabile;
- Portino al deterioramento delle caratteristiche organolettiche.
2. Regolamento (UE) 10/2011: il regolamento definisce un elenco delle sostanze autorizzate per l'impiego nella fabbricazione di materiali od oggetti in plastica destinati al contatto con gli alimenti (MOCA).
Valuta la sicurezza di tali sostanze e stabilisce i limiti di migrazione per l'uso sicuro dei MOCA.
Esempi di sostante autorizzate, aggiunte intenzionalmente, utilizzabili nella fabbricazione (elenco dell'Unione):
- Monomeri o altre sostanze di partenza;
- Additivi esclusi i coloranti.
Regolamento (UE) 10/2011
. I materiali e gli oggetti di materia plastica non devono cedere i loro costituenti ai prodotti alimentari in quantità superiori ai limiti di migrazione specifica (SML) e globale (OML):
o Limite di migrazione specifica per sostanze aggiunte intenzionalmente (IAS): specificato nell'Elenco dell'Unione;
o Limite di migrazione globale: 10 mg/dm2.
. Le NIAS (sostanze non intenzionalmente aggiunte) sono esentate dall'obbligo di autorizzazione e inclusione nell'elenco dell'Unione:
o Tuttavia, se le NIAS rilevate sono comprese nell'elenco delle sostanze autorizzate, devono rispettare l'SML imposto dal Regolamento;
o Altrimenti la sostanza andrebbe valutata secondo i principi scientifici di valutazione dei rischi riconosciuti a livello internazionale:
. Limite di migrazione specifica per NIAS: 0.01 mg/kg (ILSI Europe).
Scopo del progetto
1. Sviluppare un sistema analitico per l'identificazione e la quantificazione di composti organici volatili;
2. Correlare i parametri di lavorazione in estrusore ed il contenuto effettivo di VOCs.
3. Messa a punto del sistema analitico:
. Ottimizzazione della preparazione del campione;
. Messa a punto dell'analisi gascromatografica.
4. Studio dell'effetto delle variabili di processo sul contenuto di composti organici volatili. Parametri di processo valutabili:
. Profilo termico utilizzato nell'estrusione;
. Tempo di residenza del fuso polimerico in estrusore;
. Applicazione del vuoto in estrusore.
Tecniche di estrazione disponibili per il campionamento di composti volatili da matrici polimeriche:
- Estrazione in spazio di testa (HS);
- Microestrazione in fase solida e analisi in spazio di testa (HS-SPME);
- Termodesorbimento (TDS);
- Estrazione con solvente (es. Soxhlet, assistita da ultrasuoni).
Successivo utilizzo di tecniche analitiche basate sull'utilizzo di un gascromatografo (GC) accoppiato ad un detector come uno spettrometro di massa (MS) o un detector a ionizzazione di fiamma (FID).
Metodi analitici
La messa a punto del metodo analitico dovrà considerare numerosi fattori, fra cui:
- Granulometria e peso del campione;
- Condizioni di preparazione del campione: temperatura, tempo, tipologia di solvente;
- Tempistiche di preparazione del campione da analizzare;
- Scelta della strumentazione e parametri di analisi gascromatografica;
- Possibilità di automatizzare il metodo analitico;
- Facilità nell'identificazione e quantificazione di analiti con diverse polarità e volatilità.
Video
Ottimizzazione polimeri mediante compressione
Tecnologie di lavorazione: stampaggio a compressione
Il processo è costituito dalle seguenti fasi:
- Estrusione dei polimeri;
- Taglio e trasporto di dosi dell'esatto peso del prodotto e inserimento nello stampo;
- Chiusura dello stampo ed applicazione di elevata pressione (200-400 kg/cm2);
- Formatura e raffreddamento dell'oggetto;
- Apertura dello stampo ed estrazione del prodotti.
Vantaggi della compressione
- Minore stress termico e meccanico: vantaggioso anche dal punto di vista della degradazione di materiali polimerici (soprattutto quelli biodegradabili);
- Maggiore produttività come conseguenza di un tempo-ciclo più breve. La temperatura di estrusione è infatti bassa e il tempo necessario per il raffreddamento del pezzo prodotto risulta minimizzato;
- Risparmio di energia legato alle temperature di estrusione inferiori (non è necessario surriscaldare il fuso polimerico);
- Maggiore stabilità dimensionale e riproducibilità delle dimensioni e del peso dei prodotti;
- Migliori proprietà meccaniche del prodotto (legato al MFI del materiale utilizzabile);
- Nella compressione non sono presenti gates. Queste zone possono essere fonte di debolezza meccanica.
Effetto delle condizioni di processo
- Il materiale vergine risulta già idoneo al contatto alimentare;
- I tappi ottenuti mediante compressione non contengono sostanze derivanti da processi degradativi e il contenuto di composti organici volatili risulta inferiore.
Conclusioni
Effetti della lavorazione del polimeri
- I prodotti rilevati nelle matrici di HDPE sono principalmente alcani a numero pari di atomi di carbonio (prodotti di oligomerizzazione dell'etilene piuttosto che prodotti di degradazione derivanti dalla loro lavorazione);
- Le condizioni di estrusione utilizzate non causano degradazioni delle catene macromolecolari, bensì portano ad una volatilizzazione prevalente dei prodotti più bassobollenti; il successivo stampaggio a compressione contribuisce e intensifica l'eliminazione di composti volatili;
- L'effetto delle variabili di processo risulta secondario sull'eliminazione dei composti organici volatili , ma generalmente si può riconoscere che un tempo di residenza maggiore ed un profilo termico più elevato portino ad un contenuto totale di composti organici volatili inferiore. L'effetto dei parametri di processo risulta additivo;
- La lavorazione per compressione continua potrebbe portare ad una diminuzione ancora più importante del quantitativo di sostanze volatili grazie all'applicazione del vuoto in fase di estrusione.
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Fonte: SAVE Alimentare/Efficienza Web Edition aprile 2021
Parole chiave: Analisi e monitoraggio COV, VOC
