پوشش PHA برای بسته بندی مواد غذایی و نوشیدنی چیست - و آیا باید به آن اهمیت دهید؟

PHA دقیقا چیست و چگونه به عنوان یک پوشش عمل می کند؟

PHA مخفف پلی هیدروکسی آلکانوات است، خانواده ای از بیوپلیمرهای طبیعی که توسط باکتری ها در طی تخمیر مواد اولیه آلی مانند قندهای گیاهی، روغن های گیاهی یا حتی جریان های زباله های غذایی تولید می شوند. برخلاف پلاستیک‌های معمولی که از پتروشیمی‌ها به دست می‌آیند، PHA به طور کامل توسط میکروارگانیسم‌های زنده سنتز می‌شود و آن را به یکی از معدود مواد واقعاً زیست‌تخریب‌پذیر و زیست‌تخریب‌پذیر در مقیاس تجاری تبدیل می‌کند.

هنگامی که از PHA به عنوان پوشش روی بسته بندی مواد غذایی و نوشیدنی استفاده می شود، به عنوان یک لایه نازک - معمولاً بین 10 تا 30 میکرون ضخامت - روی بستری مانند مقوا، کاغذ کرافت یا الیاف قالب زده می شود. پوشش به سطح می چسبد و یک لایه مانع عملکردی ایجاد می کند که از مواد زیرین در برابر رطوبت، چربی و اکسیژن محافظت می کند. این همان نقش اساسی است که پوشش‌های پلی اتیلن (PE) روی لیوان‌های کاغذی، سینی‌های غذا و کارتن‌ها برای دهه‌ها ایفا کرده‌اند - با این تفاوت که پوشش‌های مبتنی بر PHA به گونه‌ای طراحی شده‌اند که قابل کمپوست شدن و در برخی از فرمول‌ها، زیست تخریب‌پذیر باشند، بدون اینکه ریزپلاستیک‌های پایداری را از خود به جای بگذارند.

مرتبط ترین گونه های تجاری PHA مورد استفاده در پوشش های بسته بندی مواد غذایی شامل PHB (پلی هیدروکسی بوتیرات)، PHBV (پلی هیدروکسی بوتیرات-کووالرات) و PHB4B (پلی هیدروکسی بوتیرات-کو-4-هیدروکسی بوتیرات) می باشد. هر گونه تعادل کمی متفاوت از انعطاف پذیری، عملکرد مانع، نقطه ذوب و سرعت تجزیه زیستی را ارائه می دهد. به عنوان مثال، PHBV نسبت به PHB خالص انعطاف‌پذیرتر و کمتر شکننده است، بنابراین برای پوشش‌هایی مناسب‌تر است که در هنگام تا شدن، خط‌کشی یا چروک شدن کاغذ در حین تولید بسته‌بندی، نیاز به انعطاف بدون ترک دارند.

چرا صنعت بسته بندی مواد غذایی و نوشیدنی به پوشش PHA نیاز دارد؟

صنعت بسته بندی مواد غذایی در بیشتر قرن بیستم به پوشش های پلاستیکی نازک متکی بوده است، زیرا آنها یک مشکل مهندسی واقعی و سرسخت را حل می کنند: کاغذ و الیاف مایعات، چربی و بوها را جذب می کنند و به تنهایی برای تماس مستقیم با مواد غذایی و بدون مانع محافظ نامناسب می شوند. پوشش پلی اتیلن این مشکل را به خوبی حل کرد - اما با هزینه زیست محیطی هنگفت. کاغذ پوشش داده شده با PE را نمی توان در جریان های کاغذ استاندارد بازیافت کرد و زیست تخریب پذیر نیست. این پوشش در حین خمیر کاغذ، فیبر کاغذ را آلوده می کند و کل بسته بندی را به یک مشکل مدیریت زباله تبدیل می کند.

پوشش‌های PLA (اسید پلی لاکتیک) به‌عنوان اولین جایگزین به‌طور گسترده‌ای بر پایه زیستی پدیدار شدند و همچنان در فنجان‌های قهوه، ظروف نوشیدنی سرد و بسته‌بندی خدمات غذایی محبوب هستند. با این حال، PLA یک اشکال قابل توجه دارد: فقط در شرایط گرمای بالا در تأسیسات کمپوست صنعتی (معمولاً بالای 58 درجه سانتیگراد برای دوره های طولانی) تجزیه می شود و در کمپوست خانگی، خاک یا محیط های دریایی در هیچ بازه زمانی عملی تجزیه نمی شود. این بدان معناست که بسته‌بندی با پوشش PLA، علی‌رغم منشا زیستی آن، اغلب به محل دفن زباله ختم می‌شود، جایی که بسیار شبیه پلاستیک معمولی عمل می‌کند.

پوشش PHA مستقیماً این شکاف را برطرف می کند. پوشش‌های PHA تایید شده می‌توانند در کمپوست صنعتی، کمپوست خانگی، خاک و محیط‌های دریایی – به طور بحرانی – تجزیه شوند. این باعث می‌شود بسته‌بندی مواد غذایی و نوشیدنی با پوشش PHA واقعاً در پایان عمر انعطاف‌پذیر باشد، به گونه‌ای که نه PE و نه PLA نمی‌توانند مطابقت داشته باشند. برای برندهایی که قوانین سخت‌تر مسئولیت تولیدکننده (EPR) را در اتحادیه اروپا، بریتانیا و آمریکای شمالی سخت‌تر می‌کنند، پوشش PHA نشان‌دهنده مسیری معتبر برای بسته‌بندی است که هم از نظر عملکردی محافظ و هم از نظر محیطی قابل حل است.

نحوه عملکرد پوشش PHA به عنوان یک ماده مانع

عملکرد اولین سوالی است که هر خریدار بسته بندی یا برند مواد غذایی از شما می پرسد و به درستی هم همینطور است. پوششی که زیست تخریب می‌شود اما از مواد غذایی محافظت نمی‌کند راه‌حل مناسبی نیست. در اینجا نحوه اندازه گیری پوشش PHA در سراسر خواص مانع کلیدی آمده است:

سد رطوبت و بخار آب

پوشش های PHA عملکرد متوسط تا خوب نرخ انتقال بخار آب (WVTR) را ارائه می دهند. PHB خالص دارای WVTR نسبتاً پایینی است - به این معنی که رطوبت کمتری را از خود عبور می دهد - و آن را برای برنامه های غذایی خشک مانند بسته بندی میان وعده ها، کیسه های نانوایی و کیسه های کالاهای خشک مناسب می کند. مخلوط‌های PHBV WVTR کمی بالاتر ارائه می‌کنند، اما می‌توانند از طریق وزن پوشش و نسبت‌های ترکیب تنظیم شوند. برای کاربردهای تماس با مایع مانند پوشش‌های لیوان داغ یا پوشش‌های ظروف سوپ، PHA اغلب در ترکیب با سایر لایه‌های مانع یا در وزن‌های پوشش بالاتر برای دستیابی به ماندگاری مایع مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مقاومت در برابر گریس و روغن

روکش‌های PHA در برابر چربی و روغن عملکرد خوبی دارند و آن‌ها را برای بسته‌بندی‌های فست فود، جعبه‌های پیتزا، ظروف سرخ‌کرده و پوسته‌های همبرگر مناسب می‌سازد. بر خلاف سدهای گریس مبتنی بر PFAS - که اکنون به دلیل وضعیت "شیمیایی همیشه" در سراسر اتحادیه اروپا و ایالات متحده حذف شده اند - PHA بدون وارد کردن ترکیبات فلوئوردار پایدار به زنجیره غذایی یا محیط، مقاومت چربی را ارائه می دهد. این امر باعث می شود بسته بندی با پوشش PHA به یک کاندید قوی برای جایگزینی کاغذهای تیمار شده با PFAS در برنامه های خدمات غذایی تبدیل شود.

سد اکسیژن

سد اکسیژن پوشش‌های PHA زمانی که به تنهایی استفاده می‌شوند متوسط است، اما می‌توان آن را از طریق ساختارهای چندلایه‌ای که PHA را با پوشش‌های معدنی طبیعی یا سایر لایه‌های بیوپلیمری ترکیب می‌کنند، افزایش داد. برای محصولات تازه، سینی‌های غذای آماده یا برنامه‌های MAP (بسته‌بندی با اتمسفر اصلاح‌شده) که در آن یک مانع اکسیژن قوی برای ماندگاری ضروری است، پوشش‌های PHA مستقل ممکن است کافی نباشند - اما PHA به عنوان یک لایه در پشته‌های زیستی چندلایه منطقه‌ای در حال توسعه است.

مقاومت حرارتی و عملکرد مهر و موم

پوشش های PHA قابل آب بندی حرارتی هستند که برای خطوط بسته بندی که از ماشین آلات مهر و موم حرارتی برای بستن کیسه ها، سینی ها یا کارتن ها استفاده می کنند، مهم است. نقطه ذوب PHBV بسته به محتوای والرات از حدود 140 درجه سانتیگراد تا 170 درجه سانتیگراد است که با تجهیزات استاندارد تبدیل بسته بندی مواد غذایی سازگار است. پوشش‌های PHA همچنین دماهایی را که در کاربردهای پرکننده داغ (معمولاً 85 تا 95 درجه سانتی‌گراد) با آن مواجه می‌شوند، تحمل می‌کنند، اگرچه قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض مایعات در حال جوش ممکن است عملکرد را در طول زمان کاهش دهد.

پوشش PHA در مقابل پوشش PE در مقابل پوشش PLA: مقایسه مستقیم

برای درک اینکه PHA در چه قسمتی از پوشش های بسته بندی مواد غذایی قرار می گیرد، به مقایسه مستقیم آن با جایگزین های اصلی آن کمک می کند:

کاربردهای واقعی پوشش PHA در بسته بندی مواد غذایی و آشامیدنی

پوشش PHA دیگر صرفاً یک کنجکاوی آزمایشگاهی نیست. این به استفاده تجاری در طیف رو به رشدی از قالب های بسته بندی مواد غذایی و نوشیدنی تبدیل شده است:

• فنجان های نوشیدنی سرد و گرم: پوشش PHA به عنوان پوشش داخلی لیوان های کاغذی به جای PE یا PLA استفاده می شود. این یکی از برنامه های کاربردی با کیفیت بالا است زیرا درب فنجان و لیوان های یکبار مصرف به شدت در سراسر اتحادیه اروپا و بریتانیا تنظیم می شود. چندین تولید کننده فنجان، مجموعه های فنجانی با پوشش PHA را راه اندازی کرده اند که دارای گواهینامه صنعتی و خانگی هستند.
• سینی ها و ظروف سرویس غذا: سینی های فیبر قالبی و ظروف مقوایی مورد استفاده در رستوران ها، غذاخوری ها و خدمات تحویل غذا با PHA پوشانده می شوند تا در طول دوره غذا مقاومت در برابر چربی و رطوبت بدون ایجاد جریان زباله غیر قابل بازیافت یا غیر قابل کمپوست سازی ایجاد کنند.
• بسته‌بندی‌ها و کیسه‌های مواد غذایی انعطاف‌پذیر: بسته‌بندی نانوایی، بسته‌بندی ساندویچ و کاغذ اغذیه‌فروشی از پوشش‌های PHA برای جایگزینی موانع گریس مبتنی بر PFAS استفاده می‌کنند. این پوشش بسته بندی نان و شیرینی را بدون چربی نگه می دارد در حالی که در پایان عمر قابل کمپوست باقی می ماند.
• کارتن نوشیدنی و تخته بسته بندی مایع: تولید کنندگان عمده تخته های بسته بندی مایع در حال توسعه لایه های مانع مبتنی بر PHA برای کارتن های نوشیدنی به عنوان جایگزینی طولانی مدت برای پوشش های LDPE هستند که در حال حاضر بازیافت کارتن را از نظر لجستیکی چالش برانگیز می کند.
• تولید و بسته بندی مواد غذایی تازه: کاغذ و تخته با روکش PHA برای سینی ها و پنت های محصولات تازه آزمایش می شوند، جایی که رطوبت و عملکرد سد گازی کافی را فراهم می کنند و در عین حال اجازه می دهند بسته بندی همراه با ضایعات مواد غذایی ارگانیک کمپوست شود.
• کیسه‌های چاشنی یک‌بار مصرف و بسته‌های بسته: کیسه‌های با پوشش PHA با فرمت کوچک برای سس‌ها، سس‌ها و چاشنی‌های کنترل شده در حال توسعه هستند که حجم عظیمی از کیسه‌های پلاستیکی غیرقابل بازیافت مورد استفاده در خدمات غذایی را بررسی می‌کنند.

گواهینامه هایی که برای بسته بندی با پوشش PHA اهمیت دارند

ادعاهای مربوط به تجزیه پذیری زیستی و کمپوست پذیری در بسته بندی به شدت مستعد شستشوی سبز است. هنگام ارزیابی پوشش PHA برای بسته بندی مواد غذایی و نوشیدنی ، به جای تکیه بر زبان بازاریابی به طور خاص به دنبال گواهینامه های شخص ثالث زیر باشید:

• OK Compost Industrial (TÜV Austria): تأیید می کند که محصول بسته بندی شده کامل - بستر به اضافه پوشش - در یک مرکز کمپوست صنعتی ظرف 12 هفته در دمای بالاتر از 58 درجه سانتیگراد تجزیه می شود. این رایج ترین گواهی کمپوست پذیری برای بسته بندی خدمات مواد غذایی در اروپا است.
• OK Compost HOME (TÜV Austria): گواهی سختگیرانه تر که تجزیه زیستی را در شرایط کمپوست خانگی (تا 20 درجه سانتیگراد) تایید می کند. پوشش های بسیار کمی به این امر دست می یابند، اما PHA یکی از موادی است که می تواند. این امر به ویژه در بازارهایی که زیرساخت های تولید کمپوست صنعتی محدود است ارزشمند است.
• OK Biodegradable SOIL (TÜV Austria): تخریب زیستی در محیط های خاک را تایید می کند. مربوط به کاربردهای خدمات کشاورزی یا خدمات غذایی در فضای باز که ممکن است بسته بندی به جای جریان زباله وارد زمین شود.
• OK آب زیست تخریب پذیر / دریایی (TÜV اتریش): تجزیه زیستی را در آب شیرین یا محیط های دریایی تأیید می کند. PHA یکی از معدود خانواده‌های پلیمری است که می‌تواند به این گواهینامه دست یابد و آن را برای خدمات غذایی ساحلی، پذیرایی دریایی یا کاربردهای صنعت ماهیگیری ارزشمند می‌کند.
• گواهی BPI (موسسه محصولات زیست تخریب پذیر، آمریکای شمالی): معادل گواهینامه کمپوست پذیری صنعتی در آمریکای شمالی، که به طور گسترده توسط تاسیسات کمپوست و مارک های مواد غذایی فعال در ایالات متحده و کانادا شناخته شده است.
• ISCC PLUS یا REDcert² (محتوای مبتنی بر زیست): پایداری و قابلیت ردیابی مواد اولیه زیستی مورد استفاده برای تولید رزین PHA را تأیید می‌کند و تضمین می‌کند که ادعای مبتنی بر زیست واقعی است و از محصولات متضاد با کاربری زمین منشأ نمی‌شود.

محدودیت ها و چالش های فعلی پوشش PHA

پوشش PHA یک فناوری قانع کننده است، اما بدون محدودیت واقعی نیست که خریداران و برندهای بسته بندی قبل از تعهد به آن باید درک کنند.

هزینه همچنان یک مانع مهم است

رزین PHA در حال حاضر بین 4 تا 8 دلار به ازای هر کیلوگرم در مقیاس تجاری هزینه دارد، در مقایسه با 1 تا 1.5 دلار در هر کیلوگرم برای LDPE و 2 تا 3 دلار در هر کیلوگرم برای PLA. این حق بیمه هزینه تا حد زیادی ناشی از پیچیدگی و شدت انرژی تخمیر باکتریایی و پردازش پایین دست است. با این حال، چندین تولیدکننده PHA در مقیاس بزرگ - از جمله Danimer Scientific، Newlight Technologies، و سرمایه‌گذاری‌های تحت حمایت TeraCycle - سرمایه‌گذاری زیادی روی ظرفیت مقیاس‌گذاری انجام می‌دهند و انتظار می‌رود که قیمت رزین تا نیمه دوم سال 2020 با افزایش حجم تولید به میزان قابل توجهی کاهش یابد.

پردازش و سازگاری با تجهیزات موجود

پوشش های PHA پنجره پردازش باریک تری نسبت به PE دارند و نیاز به کنترل دقیق دمای اکستروژن و خنک کننده دارند. اگر دمای مذاب از محدوده بهینه خود فراتر رود، PHB به ویژه مستعد تخریب حرارتی است که می تواند باعث شکنندگی در پوشش نهایی شود. مبدل‌هایی که از پوشش PE یا PLA به پوشش PHA تغییر می‌کنند ممکن است نیاز به تنظیم تنظیمات اکستروژن، پیکربندی قالب و سرعت خط داشته باشند که می‌تواند مستلزم خرابی و سرمایه‌گذاری فنی باشد. پیشرفت های فرمولاسیون - از جمله ترکیب PHA با پلیمرهای زیستی دیگر مانند PBAT یا TPS (نشاسته ترموپلاستیک) - به مسئله شکنندگی می پردازد، اما این یک حوزه فعال توسعه فنی باقی می ماند.

شکاف های زیرساخت کمپوست

حتی تایید شده ترین بسته بندی های پوشش داده شده با PHA تنها در صورتی مزایای زیست محیطی خود را به ارمغان می آورد که مصرف کننده نهایی به درستی آن را به جریان کمپوست جدا کند - و اگر این جریان به تاسیساتی منتهی شود که پلیمرهای زیستی را می پذیرد. در بسیاری از بازارها، زیرساخت های کمپوست صنعتی تکه تکه است و برخی از تأسیسات هنوز مواد پوشش داده شده با PHA را به دلیل عدم اطمینان در مورد میزان آلودگی یا تخریب رد می کنند. مزیت کمپوست‌پذیری خانگی PHA واقعی است، اما بستگی به این دارد که مصرف‌کننده واقعاً در خانه کمپوست می‌کند، که بر اساس جغرافیا و رفتار خانوار بسیار متفاوت است.

قابلیت بازیافت محدود در جریان کاغذ

در حالی که پوشش PHA در فرآیندهای خمیر مجدد کاغذ پراکنده تر از PE در برخی از تنظیمات آسیاب است، در جریان های بازیافت کاغذ به طور جهانی پذیرفته نشده است. گواهی‌های مربوط به قابلیت بازیافت کاغذ با پوشش‌های PHA هنوز توسط نهادهایی مانند CEPI (کنفدراسیون صنایع کاغذ اروپا) در حال توسعه و تأیید است. تا زمانی که استانداردهای قابل بازیافت واضحی ایجاد و توسط کارخانه‌ها تصویب نشود، بسته‌بندی کاغذی با پوشش PHA باید به جای بازیافت کاغذ به سمت کمپوست‌سازی هدایت شود.

چگونه پوشش PHA را برای بسته بندی خود منبع و مشخص کنید

اگر صاحب برند، خریدار بسته بندی یا مبدل هستید که پوشش PHA را برای بسته بندی مواد غذایی و نوشیدنی در نظر می گیرد، در اینجا یک چارچوب عملی برای نزدیک شدن به فرآیند مشخصات و منبع آورده شده است:

• ابتدا الزامات سد خود را مشخص کنید: دقیقاً مشخص کنید که پوشش باید چه کاری انجام دهد - مانع بخار آب، نگهداشتن مایعات، مقاومت در برابر چربی، مانع اکسیژن - و در چه سطوحی. این درجه PHA، وزن پوشش، و اینکه آیا یک لایه PHA کافی است یا یک ساختار چند لایه لازم است را تعیین می کند.
• هدف پایان عمر خود را روشن کنید: تصمیم بگیرید که آیا کمپوست‌پذیری صنعتی، کمپوست‌پذیری خانگی یا بازیافت کاغذ اولویت بازار و مصرف‌کننده شماست. این مشخص می کند که کدام درجه و گواهینامه PHA برای درخواست شما مرتبط است.
• درخواست افشای کامل ترکیب از تامین کنندگان: اطمینان حاصل کنید که فرمول پوشش PHA عاری از PFAS، روغن های معدنی، فلزات سنگین و سایر مواد نگران کننده است. از مقررات اتحادیه اروپا 10/2011 یا FDA 21 CFR برای مواد تماس با غذا درخواست کنید.
• آزمایش بر روی بستر واقعی و فرآیند تبدیل: ارقام عملکرد مانع از برگه های داده بر روی بسترهای استاندارد تحت شرایط کنترل شده اندازه گیری می شوند. همیشه قبل از نهایی کردن مشخصات، عملکرد پوشش را روی مقوای خاص، الیاف قالب‌گیری شده یا سایر بسترها در سرعت‌ها و شرایط واقعی خط تأیید کنید.
• بررسی کنید که بسته کامل - نه فقط پوشش - دارای گواهی است: گواهی‌های کمپوست‌پذیری باید کل مجموعه بسته شامل جوهرها، چسب‌ها و هر جزء دیگر را پوشش دهد. یک پوشش PHA تایید شده روی یک بستر غیر تایید شده، بسته نهایی را تایید نمی کند.
• کار با مبدل های باتجربه در پوشش اکستروژن بیوپلیمری: همه امکانات تبدیل دارای تنظیمات تجهیزات یا تخصص فنی برای پردازش صحیح PHA نیستند. همکاری با مبدلی که قبلاً با PHA یا سایر پوشش‌های بیوپلیمری کار کرده است، ریسک فنی را کاهش می‌دهد و جدول زمانی توسعه را کوتاه می‌کند.

باد رگولاتوری پشت پذیرش پوشش PHA

فشار قانونی یکی از قوی ترین محرک های پذیرش پوشش PHA در بسته بندی مواد غذایی و نوشیدنی است و در حال تشدید است. دستورالعمل پلاستیک های یکبار مصرف اتحادیه اروپا قبلاً طیف وسیعی از اقلام بسته بندی پلاستیکی یکبار مصرف را محدود یا ممنوع کرده است و مارک ها را به سمت جایگزین های بدون پلاستیک یا دارای گواهینامه قابل کمپوست سوق می دهد. مقررات بسته بندی و ضایعات بسته بندی اتحادیه اروپا (PPWR) که از سال 2025 در مراحل نهایی تصویب قرار دارد، الزامات بازیافت و کمپوست پذیری اجباری را برای بسته بندی های عرضه شده در بازار اتحادیه اروپا با اهداف مرحله ای معرفی می کند که توجیه لیوان های کاغذی و ظروف غذا با پوشش پلی اتیلن را به طور فزاینده ای دشوار می کند.

در بریتانیا، طرح مسئولیت توسعه‌یافته تولیدکننده، هزینه‌های بسته‌بندی را به گونه‌ای تغییر ساختار می‌دهد که مواد غیرقابل بازیافت و غیرقابل کمپوست‌سازی را جریمه می‌کند - ایجاد انگیزه مالی مستقیم برای روی آوردن به پوشش‌هایی با اعتبار پایان عمر بهتر. در آمریکای شمالی، SB 54 کالیفرنیا و قوانین مشابه در سطح ایالت، آستانه‌های قابل بازیافت و کمپوست‌پذیری سخت‌گیرانه‌ای را برای بسته‌بندی مواد غذایی تعیین می‌کنند و برندها و خرده‌فروشان را به سمت پوشش‌های قابل کمپوست تایید شده سوق می‌دهند.

حذف تدریجی PFAS یکی دیگر از عوامل اصلی نظارتی است. الزامات گزارش PFAS EPA ایالات متحده و محدودیت REACH اتحادیه اروپا در مورد مواد per- و polyfluoroalkyl دسته ای از پوشش های مانع چربی را که به طور گسترده استفاده می شود را از بسته بندی مواد غذایی حذف می کند. پوشش PHA یکی از معتبرترین جایگزین های بدون PFAS است، به این معنی که تقاضا از دو جهت به طور همزمان کشیده می شود - اهداف پایداری و رعایت مواد شیمیایی - ایجاد یک مورد تجاری قوی برای سرمایه گذاری در فناوری پوشش PHA حتی با هزینه های فعلی.