barriere
14 agosto 2020
barriere

Raccomandazione del professor Abbott per la protezione del caffè verde.

Le cellule non sono solo sacche d'acqua; sono soluzioni altamente complesse e concentrate contenenti speciali molecole progettato per mantenere proteine e nucleotidi in forma e dimensioni controllate. Se li disidratate con noncuranza, questo può creare scompiglio. Ma le cellule nei semi, proprio come quelle dei tardigradi (a un estremo) o (un estremo minore) degli animali in letargo, sono progettate per spegnersi in modo controllato in modo che siano a un'attività molto bassa (ibernazione) o completamente spente. (tardigradi). Un modo per farlo in laboratorio è aggiungere uno zucchero chiamato trealosio. Non cristallizza mai (a differenza del saccarosio), quindi non danneggia mai le cellule. Forma solo un vetro duro che congela tutto nel suo stato stabile, pronto per tornare in azione quando l'acqua viene aggiunta delicatamente.

Quindi i semi sono da qualche parte tra zero e un'attività super bassa. Per trasportarli è necessario tenere O2 perché in genere può reagire con cose biologiche. In una cella attiva, il danno ossidativo viene eliminato automaticamente, ma questa non è un'opzione quando le cose sono spente. Allo stesso modo, non vuoi che l'acqua arrivi quando il resto del sistema non è preparato per l'azione (ad esempio, non c'è abbastanza O2 o CO2 per la sopravvivenza) perché le proteine, ecc., possono iniziare a muoversi, ma senza il flusso delle sostanze chimiche necessarie per funzionare correttamente.

Una borsa con basso O2 e dove l'acqua non può sfuggire (non vogliamo disidratarci oltre ciò che la cellula ha fatto per il seme) né entrare manterrà le cose a posto, essenzialmente per sempre.

 

Tenere l'ossigeno e l'acqua fuori da una bustina di caffè

Ecco un compito apparentemente semplice: hai il caffè in un sacchetto e devi assicurarti che durante lo stoccaggio e la spedizione non vi siano perdite di ossigeno o acqua nel contenuto con la possibilità di danneggiare il sapore e la consistenza. Perché vuoi essere ecologico, devi farlo con la quantità minima di materiale, preferibilmente completamente riciclabile, che comunemente significa "materiale unico".

Si scopre che solo un singolo materiale pratico può farlo, e questo è il foglio di alluminio. Finché riesci a sigillare i bordi del foglio e puoi assicurarti che il foglio non si strappi, la barriera sia all'acqua che all'O2 è essenzialmente perfetto. E l'alluminio è completamente riciclabile. Ma per molte ragioni, questa non è una soluzione che la maggior parte delle persone troverebbe accettabile.

Un polimero clorurato come il PVDC è di per sé un materiale barriera straordinariamente buono, ma il polimero non è conveniente per l'imballaggio generale e, in ogni caso, i polimeri clorurati sono giustamente banditi dall'uso occasionale da parte dei consumatori a causa del loro terribile impatto sul riciclaggio.

Il PET, come nelle bottiglie per bevande gassate, è quasi abbastanza buono da solo, ma non è abbastanza buono come materiale per sacchetti sottile ed è relativamente costoso.

Alcuni polimeri sono una buona barriera per l'acqua ma non per l'ossigeno, e alcuni sono il contrario. Molti sono intermedi. In generale, vogliamo buone barriere per entrambi, e nessun singolo polimero può raggiungere questo obiettivo. (Se potesse, lo useremmo tutti).

Che ne dici di creare una barriera migliore tramite un film più spesso? Supponiamo di aver bisogno di una barriera 2 volte migliore. Ok, possiamo immaginare di usare il doppio dello spessore. Ma per l'imballaggio, generalmente abbiamo bisogno di 100 volte meglio e non possiamo usare 100 volte lo spessore!

Quindi dobbiamo andare a una barriera multistrato e la nostra decisione è quindi una bilancia di priorità.

 

Borse multi-polimero

Ecco perché abbiamo bisogno di più livelli. Per molte ragioni, il polietilene, PE, è un materiale per borse eccellente e pratico. È resistente, leggero e realizzato in modo efficiente con materie prime comuni su vasta scala.1 È totalmente resistente all'acqua e quindi un'ottima soluzione pratica per quando le borse potrebbero essere esposte, ad esempio, alla pioggia, ed è un'ottima barriera al vapore acqueo. Ecco il problema: è una barriera super povera per l'ossigeno. Nemmeno il più umile film di imballaggio utilizzato nei supermercati può essere realisticamente realizzato in PE perché la velocità con cui O2 passa è inaccettabilmente alto.

Si dà il caso che un altro polimero comune chiamato EVOH (polietilene vinil alcol) sia una sorta di mix di PE e del comunemente usato PVOH, polivinilalcol. Ha esattamente le proprietà opposte del PE. È un meraviglioso O2 barriera, ma è facilmente danneggiabile dall'acqua ed è una scarsa barriera al vapore acqueo.

Quindi, i film per imballaggio alimentare più comuni sono un sandwich di PE:EVOH:PE. Succede che EVOH è piuttosto costoso e, allo stesso tempo, anche uno strato supersottile (2-µm) è un'eccellente barriera, quindi se il PE esterno e quello interno hanno uno spessore di 25 µm, allora l'EVOH è di circa 4% di il totale. (Torneremo a breve su questa figura.)

Uno strato EVOH da 1 µm sarebbe ancora, in teoria, uno strato eccellente e il suo utilizzo dimezzerebbe il costo della porzione EVOH e lo ridurrebbe a 2% del totale. Ma in pratica, stendere uno strato così sottile in modo affidabile è molto difficile e si finisce con dei fori. Come vedremo, i fori sono un grosso problema quando si vuole una buona barriera.

La mia comprensione è che i sacchetti come quelli usati da GrainPro devono essere di questo tipo multistrato per fornire le proprietà pratiche della barriera. Il numero esatto, il tipo e lo spessore degli strati è meno importante per noi rispetto al principio generale di strati multipli che ciascuno risolve un problema che non può essere risolto dagli altri strati. Se qualsiasi materiale a strato singolo potesse fare il lavoro ed essere a basso costo, riciclabile, ecc., puoi essere certo che tutti lo userebbero, poiché l'aggiunta di strati aggiuntivi richiede attrezzature costose e complesse.

 

Strati di Al, AlOx e SiOx

Come accennato in precedenza, l'alluminio (Al) è un materiale barriera perfetto. Se il foglio di alluminio non è accettabile, l'alternativa è un sottile strato di alluminio. Quanto magro? Solo, diciamo, 20 nm, ovvero 100 volte meno materiale rispetto a un sacchetto di polimero multistrato. In termini di efficienza nell'uso dei materiali, è difficile da battere e, in termini di produzione di massa, l'industria dell'alluminio è sorprendentemente efficiente.

Poiché alle persone non piace l'aspetto lucido dell'alluminio e poiché spesso abbiamo buoni motivi per preferire imballaggi trasparenti, un'alternativa è quella di applicare strati di ossido di alluminio (AlOx) o di ossido di silicio (SiOx). Questi non sono materiali semplici. Se posate correttamente, queste sono barriere meravigliose. Ma c'è un problema: rendili troppo sottili e non sono una buona barriera. Fateli troppo spessi e poi sono troppo fragile e crepa mentre il film viene maneggiato. Si scopre che ottenere questo bilancia giusto e farlo a un costo interessante è difficile, quindi al momento in cui scriviamo, EVOH è ancora la tecnologia dominante, anche se AlOx e SiOx sono attraenti perché è richiesto così poco materiale.

Il problema che tutti devono affrontare è lo stesso delle barriere EVOH: i fori di spillo. Quindi dobbiamo spiegare perché i fori di spillo sono un grosso problema.

 

Il problema del foro di spillo

La scienza è più complessa di quanto illustra questo semplice esempio, ma possiamo ancora ottenere il principio. Prendiamo un film con una barriera EVOH, Al, AlOx o SiOx priva di difetti che lascia passare 1 molecola di O2 per cm² in un dato tempo, e quella tariffa è appena accettabile per il pacchetto. Ora, metti un foro nella barriera in modo che O2 può passare a 1 milione molecole per cm² di foro stenopeico. Se quel foro stenopeico ha un diametro di soli 20 µm, allora l'area è ~ 3 milionesimi di cm², quindi lascerà 3 molecole attraverso. Quindi solo un minuscolo foro stenopeico ha aumentato il nostro ossigeno diffusione tasso da 1 a 4, rendendolo inaccettabile.

Per EVOH, il solo rivestimento più spesso tende a ridurre i fori, quindi lo spessore extra "spreco" utilizzato nella maggior parte degli imballaggi. Per l'alluminio la situazione è più complicata, ma in generale è necessario uno strato più spesso di quanto teoricamente richiesto. Se potessi realizzare un alluminio senza fori per l'imballaggio, la sottigliezza dello strato lo farebbe sembrare scuro anziché lucido. E per AlOx e SiOx, l'aumento dello spessore colpisce il problema della fragilità.

 

Il problema della sigillatura

Un calcolo simile può essere fatto con i sigilli per sacchetti. Un errore apparentemente insignificante nella tenuta può consentire più O2 attraverso l'intera borsa stessa. Questa non è una semplice teoria. Sono stato coinvolto in problemi di deterioramento degli alimenti in cui tutti hanno accusato il materiale di imballaggio di non essere sufficientemente buono, quando si è scoperto che la scarsa manutenzione di un'umile unità di termosaldatura era la causa principale dell'ingresso di ossigeno.

Rimuovere l'aria da un sacchetto e quindi sigillarlo efficacemente è un compito molto più difficile di quanto la maggior parte delle persone possa immaginare. Forse non è così difficile da fare su una singola borsa. Ma farlo giorno dopo giorno, anno dopo anno, richiede un sistema intelligente e affidabile, che non è affatto facile da configurare.

 

Raccolta differenziata

Supponiamo di avere un modo per ottenere tutto il nostro plastica borse a un centro di riciclaggio. Nella maggior parte dei paesi questo non è semplicemente fattibile, quindi i dibattiti sulla riciclabilità intrinseca delle borse sono irrilevanti. L'unico dibattito è se vanno in discarica o al riciclo termico2 — con forti passioni espresse a favore e contro ciascuna parte. Questo dibattito è molto diverso da quello del riciclaggio della maggior parte dei plastica packaging, ovvero bottiglie in PE e PET, per le quali la scelta di riciclare è un gioco da ragazzi.

Le applicazioni industriali non hanno problemi a inviare grandi quantità dello stesso materiale con cui vengono ricostruiti i sacchi GrainPro per il riciclaggio. Pertanto, un torrefattore che riceve migliaia di sacchetti sarà molto sfortunato se non esiste un percorso di riciclaggio per questo materiale semplice e relativamente pulito.

Le agenzie di regolamentazione devono prendere decisioni difficili. Se dicono: "Solo i polimeri puri 100% possono essere riciclati", in pratica non verrebbe riciclato nessuno perché il materiale conterrà sempre alcuni contaminanti come la stampa necessaria sulla confezione o piccoli residui all'interno. Se dicono: "Permetteremo che 5% di spazzatura venga incluso nel riciclaggio", allora saranno attaccati dai puristi e accolti dai realisti. In pratica, i realisti sono stati soddisfatti e i bassi livelli di EVOH nei pacchetti multistrato sono considerati accettabili per i polimeri riciclati. Nessuno noterebbe mai bassi livelli di AlOx o SiOx, e cosa fare con i 20 nm di alluminio è incerto: potrebbe essere reso invisibile dalla sua rapida ossidazione ad AlOx.

 

I rifiuti di solito sono peggio che non riciclare

Probabilmente, un sacchetto di chicchi di caffè che deve essere scartato perché l'ossigeno penetrato attraverso l'imballaggio attraverso un foro o una chiusura scadente è una perdita maggiore per il pianeta rispetto a un po' di eccesso di multistrato plastica. E, visto che in molte parti del mondo si ricicla plastica le borse sono, in ogni caso, non pratiche o ecologiche, sii un po' più gentile con chi le fa e le usa.

Dobbiamo sempre stare attenti nelle nostre accuse sui problemi ambientali. Quando si tratta di fare una tazza di caffè, la parte della filiera che fa più CO2 il danno al pianeta siamo noi, dall'energia necessaria per riscaldare l'acqua per preparare il caffè. Questo va contro tutti i nostri istinti verdi - sicuramente è colpa dei fertilizzanti o dei trasporti o delle tostatrici o... No, per la stragrande maggioranza siamo noi.

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Informazioni sul professor Steven Abbott

Il professor Steven Abbott risorse online gratuite di app ed ebook sono un punto di riferimento per chiunque si occupi seriamente della scienza dell'estrazione. La sua straordinaria carriera lo ha portato in giro per il mondo, con concerti che hanno incluso il lavoro con i coltivatori di banane nelle Filippine, aziende di stampa in Colombia e una società di valvole per sacchetti di caffè negli Stati Uniti.

Abbott è un esperto mondiale di scienza dell'essiccazione e diffusione. Ha lavorato per molti anni nel settore dei rivestimenti e della stampa, specializzandosi in nanorivestimenti e nanostrutture. Ora lavora come consulente indipendente e divide il suo tempo tra la scrittura di app gratuite per i formulatori, la consulenza per l'industria e la gestione della sua attività di software tecnico. Gestisce tutto questo pur possedendo una passione per il buon caffè, in particolare il metodo di infusione Ibrik. 

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