Что такое PHA-покрытие для упаковки продуктов питания и напитков и стоит ли вам беспокоиться?

Что такое PHA и как он действует в качестве покрытия?

PHA означает полигидроксиалканоат, семейство встречающихся в природе биополимеров, вырабатываемых бактериями во время ферментации органического сырья, такого как растительные сахара, растительные масла или даже потоки пищевых отходов. В отличие от обычных пластиков, полученных из нефтехимии, ПГА полностью синтезируется живыми микроорганизмами, что делает его одним из немногих действительно биологических и биоразлагаемых материалов, доступных сегодня в коммерческих масштабах.

При использовании в качестве покрытия на упаковке пищевых продуктов и напитков ПГА наносится в виде тонкой пленки — обычно толщиной от 10 до 30 микрон — на такую ​​подложку, как картон, крафт-бумага или формованное волокно. Покрытие связывается с поверхностью и создает функциональный барьерный слой, защищающий основной материал от влаги, жира и кислорода. Это ту же фундаментальную роль, которую полиэтиленовые (ПЭ) покрытия на протяжении десятилетий играли на бумажных стаканчиках, пищевых лотках и картонных коробках, за исключением того, что покрытия на основе ПГА разработаны так, чтобы их можно было компостировать, а в некоторых составах - биоразлагать в домашних условиях, не оставляя после себя стойкого микропластика.

Наиболее коммерчески значимые варианты PHA, используемые в покрытиях для упаковки пищевых продуктов, включают PHB (полигидроксибутират), PHBV (полигидроксибутират-ковалерат) и PHB4B (полигидроксибутират-ко-4-гидроксибутират). Каждый вариант предлагает немного разный баланс гибкости, барьерных свойств, температуры плавления и скорости биоразложения. ПГБВ, например, более гибкий и менее хрупкий, чем чистый ПГБ, что делает его более подходящим для покрытий, которым необходимо изгибаться, не растрескиваясь, когда бумага сгибается, надрезается или мнется во время производства упаковки.

Почему промышленность по упаковке продуктов питания и напитков нуждается в PHA-покрытии

Индустрия упаковки пищевых продуктов на протяжении большей части двадцатого века полагалась на тонкие пластиковые покрытия, поскольку они решают реальную и сложную инженерную проблему: бумага и волокна впитывают жидкости, жир и запахи, что делает их непригодными сами по себе для прямого контакта с пищевыми продуктами без защитного барьера. Полиэтиленовое покрытие блестяще решило эту проблему, но с огромными экологическими издержками. Бумага с полиэтиленовым покрытием не подлежит вторичной переработке в стандартных бумажных потоках и не подлежит биологическому разложению. Покрытие загрязняет бумажное волокно во время производства целлюлозы, что делает всю упаковку проблемой утилизации отходов.

Покрытия PLA (полимолочная кислота) стали первой широко распространенной альтернативой на биологической основе и остаются популярными на кофейных чашках, контейнерах для холодных напитков и упаковке общественного питания. Однако у PLA есть существенный недостаток: он разлагается только в условиях высокой температуры на промышленных предприятиях по компостированию (обычно выше 58°C в течение длительного периода времени) и не разлагается в домашнем компосте, почве или морской среде в течение любого практического периода времени. Это означает, что упаковка с PLA-покрытием, несмотря на ее биологическое происхождение, часто оказывается на свалке, где ведет себя так же, как обычный пластик.

Покрытие PHA напрямую устраняет этот пробел. Сертифицированные покрытия PHA могут биоразлагаться в промышленном компосте, домашнем компосте, почве и, что особенно важно, в морской среде. Это делает упаковку для пищевых продуктов и напитков с PHA-покрытием действительно гибкой в ​​конце срока службы, с которой не могут сравниться ни PE, ни PLA. Для брендов, стремящихся к ужесточению законодательства о расширенной ответственности производителя (EPR) в ЕС, Великобритании и Северной Америке, покрытие PHA представляет собой надежный путь к упаковке, которая является одновременно функционально защитной и экологически безопасной.

Как покрытие PHA действует как барьерный материал

Производительность — это первый вопрос, который задаст любой покупатель упаковки или бренд продуктов питания, и это правильно. Покрытие, которое биоразлагается, но не защищает продукты питания, не является жизнеспособным решением. Вот как покрытие PHA соответствует ключевым барьерным свойствам:

Барьер от влаги и водяного пара

Покрытия PHA обеспечивают скорость пропускания водяного пара (WVTR) от умеренной до хорошей. Чистый ПГБ имеет относительно низкий показатель WVTR, что означает, что он пропускает меньше влаги, что делает его пригодным для применения в сухих пищевых продуктах, таких как упаковка для закусок, пакеты для выпечки и пакеты для галантерейных товаров. Смеси PHBV обеспечивают несколько более высокий показатель WVTR, но их можно регулировать с помощью веса покрытия и соотношения смеси. Для применений, контактирующих с жидкостью, таких как вкладыши для горячих чашек или покрытия для контейнеров для супа, ПГА часто используется в сочетании с другими барьерными слоями или с покрытием более высокой плотности для достижения необходимого удержания жидкости.

Устойчивость к смазке и маслу

Покрытия PHA хорошо справляются с жиром и маслом, что делает их пригодными для оберток фаст-фуда, коробок для пиццы, контейнеров для жарки и раскладушек для гамбургеров. В отличие от жировых барьеров на основе PFAS, которые в настоящее время постепенно выводятся из обращения в ЕС и США из-за их «вечного химического» статуса, PHA обеспечивает жиростойкость без попадания стойких фторированных соединений в пищевую цепь или окружающую среду. Это делает упаковку с покрытием PHA сильным кандидатом на замену бумаги, обработанной PFAS, в сфере общественного питания.

Кислородный барьер

Кислородный барьер покрытий PHA является умеренным при использовании отдельно, но его можно повысить за счет многослойных конструкций, сочетающих PHA с натуральными минеральными покрытиями или слоями других биополимеров. Для свежих продуктов, лотков для готовых блюд или MAP (упаковки в модифицированной атмосфере), где сильный кислородный барьер необходим для срока хранения, отдельных покрытий PHA может быть недостаточно, но PHA в качестве одного слоя в многослойной упаковке на биологической основе является растущей областью развития.

Теплостойкость и эффективность уплотнения

Покрытия PHA являются термосвариваемыми, что важно для упаковочных линий, которые используют оборудование для термосваривания пакетов, лотков или коробок. Температура плавления ПОБВ колеблется примерно от 140°C до 170°C в зависимости от содержания валерата, что совместимо со стандартным оборудованием для переработки упаковки пищевых продуктов. Покрытия PHA также выдерживают температуры, возникающие при горячей заливке (обычно 85–95 ° C), хотя длительное воздействие кипящих жидкостей может со временем ухудшить характеристики.

Покрытие PHA, покрытие PE и покрытие PLA: прямое сравнение

Чтобы понять, какое место PHA занимает в сфере покрытий для упаковки пищевых продуктов, полезно напрямую сравнить его с основными альтернативами:

Реальное применение покрытия PHA в упаковке продуктов питания и напитков

Покрытие PHA больше не является чисто лабораторной диковинкой. Он начал коммерческое использование в растущем спектре форматов упаковки продуктов питания и напитков:

• Стаканчики для горячих и холодных напитков: покрытие PHA используется в качестве внутренней облицовки бумажных стаканчиков вместо PE или PLA. Это одно из самых громких применений, поскольку крышки для чашек и одноразовые чашки строго регулируются в ЕС и Великобритании. Несколько производителей чашек выпустили линейку чашек с покрытием PHA, сертифицированных как компостируемые в промышленных и домашних условиях.
• Лотки и контейнеры для общественного питания: лотки из формованного волокна и картонные контейнеры, используемые в ресторанах быстрого обслуживания, столовых и службах доставки еды, покрываются PHA, чтобы обеспечить устойчивость к жиру и влаге во время приема пищи, не создавая при этом поток отходов, не поддающихся вторичной переработке или компостированию.
• Гибкая упаковка для пищевых продуктов и пакеты: упаковка для хлебобулочных изделий, упаковка для сэндвичей и деликатесная бумага содержат покрытия PHA, которые заменяют жирозащитные барьеры на основе PFAS. Покрытие защищает упаковку хлеба и кондитерских изделий от жира, сохраняя при этом возможность компостирования по окончании срока службы.
• Картонные коробки для напитков и картон для упаковки жидкостей. Крупнейшие производители картона для упаковки жидкостей разрабатывают барьерные слои на основе ПГА для картонных коробок для напитков в качестве долгосрочной альтернативы покрытиям из ПЭНП, которые в настоящее время затрудняют переработку картонных коробок с точки зрения логистики.
• Упаковка для продуктов и свежих продуктов питания: Бумага и картон с покрытием PHA проходят испытания для использования в лотках и корзинках для свежих продуктов, где они обеспечивают достаточные влаго- и газобарьерные характеристики, позволяя при этом компостировать упаковку вместе с органическими пищевыми отходами.
• Пакетики для приправ на одну порцию и порционные упаковки. Разрабатываются пакеты небольшого формата с PHA-покрытием для соусов, заправок и приправ с контролируемым количеством порций, что позволяет решить проблему огромного объема неперерабатываемых пластиковых пакетов, используемых в сфере общественного питания.

Сертификаты, важные для упаковки с PHA-покрытием

Заявления о биоразлагаемости и компостируемости упаковки, как известно, склонны к «зеленому отмыванию». При оценке PHA-покрытие для упаковки пищевых продуктов и напитков. , обратите внимание на следующие сторонние сертификаты, а не полагайтесь только на маркетинговый язык:

• OK Compost Industrial (TÜV Austria): Подтверждает, что полностью упакованный продукт — субстрат плюс покрытие — биоразлагается на промышленном предприятии по компостированию в течение 12 недель при температуре выше 58°C. Это наиболее распространенный сертификат компостируемости упаковки для пищевых продуктов в Европе.
• OK Compost HOME (TÜV Austria): Более строгая сертификация, подтверждающая биоразложение компоста в домашних условиях (до 20°C). Очень немногие покрытия достигают этого, но PHA — один из материалов, который может это сделать. Это особенно ценно на рынках, где промышленная инфраструктура компостирования ограничена.
• OK Biodegradable SOIL (TÜV Austria): Сертификат биоразложения в почвенной среде. Актуально для сельского хозяйства или предприятий общественного питания на открытом воздухе, где упаковка может попасть в землю, а не в поток отходов.
• OK Биоразлагаемый ВОДА/Морской (TÜV Австрия): Подтверждает биоразложение в пресноводной или морской среде. PHA — одно из немногих семейств полимеров, которое может получить этот сертификат, что делает его уникально ценным для прибрежного общественного питания, морского кейтеринга или рыбной промышленности.
• Сертификация BPI (Институт биоразлагаемых продуктов, Северная Америка): Североамериканский эквивалент сертификации промышленной компостируемости, широко признанный предприятиями по компостированию и брендами пищевых продуктов, работающими в США и Канаде.
• ISCC PLUS или REDcert² (биологический контент): удостоверяет устойчивость и отслеживаемость биологического сырья, используемого для производства PHA-смолы, гарантируя, что заявление о биологической основе является подлинным и не получено из культур, конфликтующих с землепользованием.

Текущие ограничения и проблемы покрытия PHA

Покрытие PHA — это привлекательная технология, но она не лишена реальных ограничений, которые необходимо понять покупателям упаковки и брендам, прежде чем приступать к ее использованию.

Стоимость остается существенным барьером

PHA-смола в настоящее время стоит от 4 до 8 долларов США за килограмм в коммерческих масштабах по сравнению с 1–1,5 долларами США за килограмм ПЭВД и 2–3 доллара США за килограмм PLA. Эта надбавка к затратам во многом обусловлена ​​сложностью и энергоемкостью бактериальной ферментации и последующей переработки. Однако несколько крупных производителей ПГА, в том числе Danimer Scientific, Newlight Technologies и предприятия, поддерживаемые TeraCycle, вкладывают значительные средства в масштабирование мощностей, и ожидается, что цены на смолы значительно упадут во второй половине 2020-х годов по мере увеличения объемов производства.

Обработка и совместимость с существующим оборудованием

Покрытия PHA имеют более узкое окно обработки, чем PE, и требуют тщательного контроля температуры экструзии и охлаждения. ПГБ, в частности, склонен к термическому разложению, если температура плавления превышает оптимальный диапазон, что может привести к хрупкости готового покрытия. Переработчикам, переходящим с покрытия PE или PLA на покрытие PHA, может потребоваться корректировка настроек экструзии, конфигурации головок и скорости линии, что может повлечь за собой простои и технические инвестиции. Разработка рецептур, включая смешивание PHA с другими биополимерами, такими как PBAT или TPS (термопластичный крахмал), решает проблему хрупкости, но это остается активной областью технических разработок.

Пробелы в инфраструктуре компостирования

Даже самая сертифицированная упаковка с PHA-покрытием приносит пользу для окружающей среды только в том случае, если конечный потребитель правильно разделяет ее на поток компостирования — и если этот поток ведет к предприятию, принимающему биополимеры. На многих рынках промышленная инфраструктура компостирования неоднородна, а некоторые предприятия по-прежнему отказываются от материалов с покрытием PHA из-за неопределенности относительно скорости загрязнения или разложения. Преимущество PHA в компостировании в домашних условиях вполне реально, но оно зависит от того, действительно ли потребитель компостирует дома, что сильно зависит от географии и поведения домохозяйства.

Ограниченная возможность переработки в бумажных потоках

Хотя покрытие PHA более диспергируется в процессах целлюлозы, чем PE, в некоторых конфигурациях предприятий, оно не является общепринятым в потоках переработки бумаги. Сертификаты на переработку бумаги с PHA-покрытиями все еще разрабатываются и проверяются такими организациями, как CEPI (Конфедерация европейской бумажной промышленности). До тех пор, пока на предприятиях не будут установлены и приняты четкие стандарты пригодности к вторичной переработке, бумажную упаковку с PHA-покрытием следует направлять на компостирование, а не на переработку бумаги.

Как найти и выбрать покрытие PHA для вашей упаковки

Если вы являетесь владельцем бренда, покупателем упаковки или переработчиком, рассматривающим возможность покрытия PHA для упаковки продуктов питания и напитков, вот практическая основа для подхода к процессу спецификации и поиска:

• Сначала определите требования к барьеру: определите, какие именно функции должно выполнять покрытие — паронепроницаемость, удержание жидкости, жиростойкость, кислородобарьерность — и на каких уровнях. От этого зависит марка ПГА, вес покрытия, а также достаточно ли одного слоя ПГА или необходима многослойная конструкция.
• Уточните свою цель по окончании срока службы: решите, является ли промышленное компостирование, домашнее компостирование или возможность вторичной переработки бумаги приоритетом для вашего рынка и потребительской базы. Это определяет, какой класс и сертификация PHA наиболее подходят для вашего применения.
• Запросите у поставщиков раскрытие полного состава. Убедитесь, что состав покрытия PHA не содержит ПФАВ, минеральных масел, тяжелых металлов и других вызывающих беспокойство веществ. Попросите обеспечить соответствие Регламенту ЕС 10/2011 или FDA 21 CFR для материалов, контактирующих с пищевыми продуктами.
• Испытайте свой реальный носитель и процесс преобразования: Показатели эффективности барьера, приведенные в технических характеристиках, измерены на стандартизированных носителях в контролируемых условиях. Всегда проверяйте характеристики покрытия на конкретном картоне, формованном волокне или другом носителе при реалистичных скоростях линии и условиях, прежде чем окончательно доработать спецификацию.
• Убедитесь, что вся упаковка, а не только покрытие, имеет сертификат: Сертификаты компостируемости должны охватывать всю упаковку в сборе, включая чернила, клеи и любые другие компоненты. Сертифицированное PHA-покрытие на несертифицированной основе не делает сертифицированной готовую упаковку.
• Работайте с переработчиками, имеющими опыт нанесения биополимерных экструзионных покрытий. Не все перерабатывающие предприятия имеют необходимое оборудование или технические знания для правильной обработки ПГА. Партнерство с переработчиком, который уже работал с PHA или другими биополимерными покрытиями, снизит технический риск и сократит сроки разработки.

Регуляторное регулирование, стоящее за внедрением PHA-покрытий

Законодательное давление является одним из самых сильных факторов, способствующих внедрению PHA-покрытий в упаковке продуктов питания и напитков, и оно усиливается. Директива ЕС об одноразовых пластиковых упаковках уже ограничила или запретила ряд одноразовых пластиковых упаковочных материалов и подталкивает бренды к использованию альтернатив, не содержащих пластика, или сертифицированных компостируемых альтернатив. Регламент ЕС об упаковке и упаковочных отходах (PPWR), который находится на заключительной стадии принятия с 2025 года, вводит обязательные требования к переработке и компостированию упаковки, размещаемой на рынке ЕС, с поэтапными целями, которые сделают бумажные стаканы с полиэтиленовым покрытием и пищевые контейнеры все более трудными для обоснования.

В Великобритании схема расширенной ответственности производителя реструктурирует плату за упаковку таким образом, чтобы наказывать материалы, не поддающиеся вторичной переработке и компостированию, создавая прямой финансовый стимул для перехода на покрытия с лучшими характеристиками по окончании срока службы. В Северной Америке закон SB 54 штата Калифорния и аналогичные законы на уровне штата устанавливают строгие пороговые значения для переработки и компостирования упаковки пищевых продуктов, подталкивая бренды и розничных продавцов к использованию проверенных компостируемых покрытий.

Поэтапный отказ от ПФАС является еще одним важным фактором регулирования. Требования Агентства по охране окружающей среды США к отчетности по PFAS и ограничение ЕС REACH на пер- и полифторалкильные вещества исключают широко используемый класс жирозащитных покрытий из упаковки пищевых продуктов. Покрытие PHA является одной из наиболее надежных альтернатив, не содержащих PFAS, а это означает, что спрос снижается одновременно с двух направлений — целей устойчивого развития и соблюдения требований к химическому составу — что создает убедительное коммерческое обоснование для инвестиций в технологию покрытия PHA даже при текущих надбавках к затратам.