Food packaging equipment

Food packaging equipment

Cosa è un packaging alimentare?

Il packaging alimentare è un insieme di operazioni che coinvolge tanti piccoli passaggi che hanno un ruolo essenziale nelle fasi di produzione, distribuzione e commercializzazione sino al consumatore finale perché ha un'influenza anche su di esso. Dalla produzione al consumatore, vi sono delle aspettative e delle necessità che devono essere soddisfatte. La produzione richiede un imballaggio che sia adatto ad ogni specifico prodotto e deve essere economico, altrimenti i costi eccessivi si ripercuotono sul consumatore e il prodotto non viene acquistato. I macchinari e le tecnologie devono essere in grado di ottimizzare la produzione in modo da rendere efficiente tutto il processo. La shelf life deve essere il più lunga possibile per facilitare la distribuzione. Il packaging deve promuovere la vendita del prodotto, quindi deve avere un effetto sul marketing. Il consumatore è attento ad un prodotto di buona qualità e che sia sicuro, quindi il packaging deve rappresentare questo. Inoltre, deve essere facile da aprire, economico e sostenibile dal punto di vista ambientale.

Le funzioni del packaging

• Contenimento - Funzione base del packaging dove all'interno vengono messi i prodotti free-flowing, quindi prodotti liquidi o solidi che non posseggono un volume proprio e tendono a fluire. Pertanto, si mettono all'interno di un packaging che li racchiude. Diventa base di tutte le altre funzioni.
• Protezione - Due livelli: 1. contro danni fisici e meccanici dovuti a urti; 2. danni di tipo ambientale come umidità, micro o a livello chimico.
• Comunicazione - Sempre più importante perché deve comunicare una serie di informazioni obbligatorie stabilite dalla legge, che possono essere diverse tra paesi diversi. Deve identificare il prodotto, chi lo produce, le informazioni nutrizionali e la gestione dei rifiuti. Queste informazioni sono date o con un testo scritto o con disegni. Fornisce anche collegamenti alla logistica come QR CODE.
• Marketing - È definito come venditore silente perché ha lo scopo di attrarre l'attenzione del consumatore in modo da convincerlo e attrarlo a comprare quel prodotto. I claims possono essere uno slogan, una particolarità di un prodotto o claims nutrizionali come gluten-free o basso tenore di grassi, che sono regolamentati dalla legge.
• Logistica - Deve facilitare il trasporto e la movimentazione del prodotto durante tutto il percorso dal produttore fino alla tavola del consumatore.
• Tracciabilità - Tre scopi:
  • Logistica: alcuni sistemi di tracciabilità aiutano la gestione della logistica perché aiutano a capire dove andrà il prodotto.
  • Può facilitare la tracciabilità all'indietro, fondamentale per ritirare un prodotto dal mercato perché non è conforme.
  • Differenziare e proteggere il prodotto nel mercato; è noto che ci siano tante imitazioni di prodotti italiani, per cui questo serve per far capire al consumatore qual è il prodotto italiano.
• Utility - Migliora l'utilizzo del prodotto alimentare e del packaging, ad esempio le confezioni apri e chiudi.
• Trasferire al consumatore dei premi, dei coupon o dei buoni come fanno le uova di Pasqua.

Consumer science

Studia il comportamento del consumatore all'acquisto di un prodotto, per cui centra anche il packaging.

Quattro livelli di packaging

1. Packaging primario - Direttamente a contatto con il prodotto, esplica le condizioni di contenimento e prodotto. Non deve essere tossico e deve essere compatibile con l'alimento. Non deve causare alterazioni del prodotto ma deve essere inerte rispetto al prodotto; alle volte, però, il packaging va ad agire in modo positivo come allungare la shelf life, quindi alle volte diventa inerte. Il packaging primario è spesso l'unità di vendita.
2. Secondario - Racchiude e contiene più packaging primari; anche questo può essere un'unità di vendita se pensiamo ad esempio ad una confezione di brioche che all'interno contiene monoporzioni. Ha una funzione di protezione meccanica e da fattori ambientali come polvere e sporcizia. Un esempio sono le confezioni realizzate per le bevande avvolte da un film termoretraibile (tecnica shrink-wrapped bottles).
3. Terziario - È per la spedizione del materiale; contiene una certa quantità di imballaggi primari e secondari. Protegge dal punto di vista fisico i prodotti durante la distribuzione e deve agevolare dal punto di vista della logistica. Sono considerati terziari i pallet che contengono un certo numero di scatole o gli scatoloni di cartone. I pallet vengono detti unità di carico.
4. Quaternario - Non sempre si parla di questo; ad esempio, la legge italiana non lo contempla. È riferito sia all'unità di carico che al container di metallo che contiene un certo numero di pallet.

Composizione chimica e caratteristiche tecnologiche

Le caratteristiche chimiche sono date sia dagli alimenti che la costituiscono sia dalla loro conformazione spaziale. Gli elementi possono essere:

• Organici - Cellulosa, plastica ecc. hanno una densità, un punto di fusione e una resistenza ai solventi inferiori ai materiali inorganici. Questo è legato alle proprietà dei legami che si instaurano tra gli atomi e molecole rispetto alle proprietà fisiche dei legami. I legami tra atomi influenzano ad esempio gli stati di aggregazione della materiale e le proprietà meccaniche. I legami delle molecole invece influiscono sulle proprietà di superficie come la coesione e l'adesione.
• Inorganici - Vetro e metalli.

Organizzazione delle molecole

• Strutture cristalline - Le molecole sono ordinate in modo periodico e simmetrico, determinando elevate prestazioni meccaniche. È tipica di alcuni materiali plastici e materiali a base di cellulosa. Un esempio è il Quarzo.
• Amorfa - Le molecole sono disposte in modo casuale e disordinate come nel vetro e alcune materie plastiche. Conferisce al materiale una elevata inerzia chimica e trasparenza, ma ha meno prestazioni meccaniche.
• Semicristallina - Regioni in cui le molecole sono organizzate in modo cristallino ma intorno sono organizzate in modo amorfo. Questo avviene perché nel processo di raffreddamento delle molecole di grandi dimensioni si organizzano in modo cristallino. Si può variare il grado di cristallinità in alcune materie plastiche, modificando le caratteristiche e avendo prestazioni diverse.

Proprietà fisiche

• Superficie
• Meccaniche
• Termiche
• Barriera/Diffusione - Relative al passaggio di sostanze gassose attraverso dei materiali, soprattutto plastici.

Superficie

Sono quelle che interessano l'interfaccia tra due differenti materiali solidi diversi. Un esempio sono diversi strati di materiali poli accoppiati alternati a fogli di alluminio o materiali a base di cellulosa. Un altro esempio, tra materiale solido e liquido, riguarda la deposizione dell'inchiostro della stampa, quindi si va a mettere l'inchiostro su una base (solida). Le proprietà di superficie interessano gli aspetti tecnologici e funzionali come la repellenza a grassi o a olii. Ci sono diverse proprietà di superficie ma quelle interessate all'imballaggio alimentare sono la bagnabilità e l'adesività, influenzate dalla tensione superficiale. Questa si manifesta quando c'è un'interfaccia tra un fluido e un altro materiale di diversa natura, ad esempio una goccia d'acqua su una superficie liscia come un tavolo circondata da una fase gassosa, quindi l'aria. Le molecole all'interno della goccia d'acqua sono tutte uguali, quindi della stessa natura, determinando una risultante complessiva delle forze = 0. Al contrario, nell'interfaccia tra la fase liquida e quella gassosa non si hanno molecole circondate da liquido ma solo in parte. Inoltre, l'interazione molecolare tra queste fasi è estremamente debole e questo induce la presenza di forze di coesione e la risultante complessiva delle forze non è più = 0. Queste forze di coesione fanno sì che le molecole disposte lungo l'interfaccia posseggano una maggiore energia libera e pertanto questa energia si trasforma in una deformazione superficiale che causa la formazione delle gocce - fenomeno della tensione superficiale, che può essere definita come il rapporto tra il lavoro di deformazione: la variazione della superficie indotta da questo lavoro di deformazione. La tensione è dovuta a delle forze di coesione che si stabiliscono tra l'interfaccia gassosa e liquida. Oltre alle forze di coesione si manifestano anche forze di adesione tra l'interfaccia della superficie solida e la fase liquida. Questa formazione viene detta tensione interfacciale perché rispetto a ciò che accade prima le forze di interazione tra la fase liquida e solida è maggiore. Questo effetto dovuto alla duplice azione di forze di coesione e adesione determina l'angolo di contatto che viene misurato.

Bagnabilità

Si manifesta quando una fase liquida e una superficie solida vengono a contatto e si ha un equilibrio tra le forze di coesione e adesione che si stabilizzano. Si definisce un grado di bagnabilità, la tendenza di un solido ad essere bagnato da un liquido. Un solido si definisce bagnabile quando la tensione superficiale di un liquido è inferiore alla tensione superficiale critica della superficie solida. Questa viene definita come tensione superficiale di un liquido che riesce a bagnare completamente un solido. La bagnabilità influenza il grado di repellenza ad acqua e ad oli con materiali di cellulosa oppure influenza la possibilità di utilizzare gli inchiostri da stampa su differenti materiali. La bagnabilità è definita dall'ampiezza dell'angolo di contatto; se questo è minore di 90 gradi, il liquido bagna la superficie, mentre se è maggiore di 90 gradi, forma gocce più sferiche; quando è uguale a 0, bagna tutta la superficie.

Adesività

È determinata dalla forza dei legami che si stabiliscono tra due superfici oppure tra una superficie, materiale adesivo o un coating (materiale con consistenza di una vernice che vengono applicati sulla superficie per modificarne la proprietà). Per ottenere un buon grado di adesività bisogna avere molta affinità tra i materiali di tipo molecolare in modo che si instaurino forti legami chimici e anche una forte rugosità superficiale. Per migliorare le proprietà di superficie di un materiale vengono messe in opera dei trattamenti che modificano le proprietà di superficie. Una prima serie di tecnologie sono:

• Trattamenti superficiali - Trattamenti chimici e fisici, modificano SOLO la superficie senza alterare le proprietà fondamentali.
• Additivi - Durante il processo si aggiungono questi per ridurre la tensione superficiale (es. film antinebbia nelle vaschette che contengono prodotti a base carne/formaggi/ortofrutticoli, vengono tipicamente refrigerati quindi il vapore condensa sulla superficie del film formando delle piccole gocce. Questo non è desiderato ed è per questo che si utilizza il film antinebbia perché evitano la formazione di gocce).
• Rivestimenti - Si aggiungono alla superficie del materiale un'altra sostanza che cambia le caratteristiche come l'inerzia con un altro alimento. Sono applicati come liquido perché assomigliano ad una vernice. Si mettono alla fine del processo con dei flussi di aria calda in modo da far evaporare il solvente che è su questa vernice.

Proprietà meccaniche

Queste descrivono il comportamento di un materiale solido soggetto a delle:

• Forze esterne
• Forze statiche (costanti nel tempo, applicate in un certo periodo di tempo su un oggetto fermo)
• Forze dinamiche: estrema variabilità nel tempo, impulsive, breve durata applicata su un oggetto fermo o in movimento
• Forze di trazione: un film che viene utilizzato per avvolgere un prodotto
• Resistenza allo strappo
• Proprietà ammortizzanti
• Forza di compressione

1. Resistenza a trazione

Si usa per materiali grezzi che vengono sottoposti a trasformazioni. I test vengono praticati su dei provini con forme e dimensioni standard, questo provino viene sottoposto a trazione, la forza viene misurata attraverso delle celle di carico e delle apposite pinze tengono il provino sottoposto a trazione. Si valuta l'allungamento prodotto dalla prova. Ci sono due principali regioni:

• Regione con comportamenti elastico in cui l'oggetto si comporta come una molla; dopo aver eliminato la forza di attrazione, l'oggetto torna alle dimensioni originali.
• Regione plastica: la deformazione è permanente; eliminando la forza di trazione, il provino non torna più alle caratteristiche originali. C’è un massimo che viene utilizzato come indice alla resistenza alla trazione.

2. Resistenza alla compressione

Si fa riferimento ai manufatti nella loro forma finale. Si valuta direttamente la loro capacità di resistenza ad essere impilati, ad esempio durante uno stoccaggio di prodotto o un caricamento di un pallet.

3. Resistenza allo strappo

Importante per materiali sotto forma di film, fogli, cellulosa e poli accoppiati. Questi materiali sono forniti sotto forma di bobine che vengono poi srotolate dalla macchina. Due tipi di test: il primo misura la forza per cominciare lo strappo quindi per ottenerlo, e viene misurato con dei banchi prova utilizzati per valutare la meccanica, mentre il secondo valuta la forza per propagare lo strappo partendo da una discontinuità utilizzando dei pendoli dove si va a cambiare l'altezza della massa, quindi si cambia l'energia potenziale che verrà trasformata in energia cinetica e sarà utilizzata per colpire il provino e determinare lo strappo.

4. Resistenza a stress dinamici

Cause più frequenti di danni alimentari, soprattutto rigidi come i biscotti; questi stress avvengono durante la fase di trasporto, dovuti ad esempio a dei buchi nella strada. Le vibrazioni sono una tipologia di sollecitazione dinamica, caratterizzate da un comportamento oscillatorio descritto da un'ampiezza della forza che determina la sollecitazione e da una frequenza. I packaging alimentari devono avere delle caratteristiche meccaniche tali da poter assorbire questa vibrazione così da ridurre queste forze che sollecitano. Si fanno simulazioni con dei banchi prova appositi andando a riprodurre in modo artificiale delle vibrazioni che si potrebbero avere durante il trasporto. Oppure ci sono altri dovuti a contatti o forze impulsive dovuti a urti contro ad esempio carrelli di movimentazione. Sono danni meccanici. Tipicamente si ha la deformazione dei materiali, soprattutto degli scatoloni o barattoli in metallo. Due tipi di test: il primo è il test di resilienza che viene fatto su provini e serve a vedere quanto resiste ad un impatto di materiali grezzi che vengono utilizzati per produrre imballaggi alimentari; in questo caso si utilizzano sistemi che sfruttano un pendolo, il quale, posto ad una certa altezza, sfrutta l'energia che sarà trasformata in cinetica per andare a sbattere. Si valuta l'energia che serve per rompere. Una prova particolare da impatto è la prova del dardo: il dardo ha una punta semisferica in cui si possono aggiungere rondelle di metallo per aumentare la massa. Questo viene fatto cadere su un campione e si va a ripetere più volte il test valutando la % di campioni e provini che vengono rotti durante il test ponendo il dardo ad una certa altezza. Di solito si va a vedere qual è la massa del dardo che rompe almeno il 50% dei provini.

5. Proprietà ammortizzanti

(Soprattutto sollecitazioni dinamiche) È importante assorbire l'energia prodotta dalla sollecitazione stessa, il packaging deve essere in grado di assorbire questa energia proveniente da forze esterne per evitare danni al prodotto. Ci sono materiali ammortizzanti come la scatola dell'uovo fatta di cellulosa in modo da non rompere l'uovo all'interno. Devono assorbire l'energia.

Proprietà termiche

Queste proprietà sono importanti perché il packaging è sottoposto a diversi stress termici come durante la pastorizzazione, stoccaggio o la produzione stessa del packaging. Bisogna tenere conto che se escludiamo gli imballaggi a base di cellulosa, in tutti gli altri casi, gli imballaggi vengono realizzati con processi termici; in alcuni casi si parte da materiale allo stato fuso oppure formati a caldo. Il calore specifico è una delle prime proprietà che viene considerata, è la quantità di energia necessaria per aumentare di 1 grado centigrado o kelvin per 1kg di massa di materiale, ed è importante per i trattamenti termici poiché avere un basso valore specifico vuol dire ridurre la quantità di energia che serve per questo salto termico. Il vetro presenta un calore specifico più basso rispetto ai materiali plastici. La conducibilità termica è importante per i trattamenti termici poiché influenza l'efficienza e la rapidità dello scambio termico attraverso un materiale, si usano materiali con elevata conducibilità termica. Anche in questo caso i materiali inorganici hanno una conducibilità termica più elevata rispetto agli organici. La dilatazione termica - aumentando la temperatura aumenta lo spazio inter-atomico portando ad un aumento delle dimensioni del corpo solido; questa proprietà è importante sia per il materiale che per i materiali polimerici utilizzati per avvolgere i prodotti, provoca forti stress meccanici su questi film dovuti al cambiamento della temperatura. Transizione di fase - passaggio di fase (solido, liquida) per cui vengono definite delle transizioni e dipendono dalla struttura del materiale. La temperatura permane costante fino a quando questo non avviene il completo passaggio di stato. I solidi cristallini presentano questa precisa temperatura di fusione che rimane costante, mentre i materiali amorfi presentano.