Il ruolo degli imballaggi di cellulosa per la riduzione dei cambiamenti climatici

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Le materie plastiche hanno consentito lo sviluppo di nuovi tipi di imballaggi e nuovi tipi di processi produttivi. Tra gli imballaggi plastici più sofisticati, vi sono le strutture multistrato, che hanno proprietà barriera molto elevate, ma che purtroppo sono difficili da valorizzare nei processi di riciclo.

In assenza di sistemi efficaci per la gestione dei rifiuti, gli imballaggi in plastica spesso si accumulano nelle discariche, nei fiumi e negli oceani e rappresentano uno dei principali problemi ambientali. Pertanto, molte grandi aziende hanno iniziato a sostituire gli imballaggi in plastica con materiali a base di fibre cellulosiche (carta, cartone, pasta di cellulosa, cartone ondulato), perché la maggior parte di questi materiali è riciclabile in infrastrutture ormai consolidate in molti paesi.

Tuttavia, l’utilizzo dei materiali cellulosici va pianificato molto bene altrimenti si corre il rischio di generare problemi ambientali comparabili o addirittura superiori rispetto a quelli derivanti dagli imballaggi in plastica. Questo aspetto è preso in considerazione da una recentissima comunicazione, frutto della collaborazione tra Nestlé Research (Svissera) e NPTC Waters (Francia) (Urs Schenker et al., Carbohydrate Polymers 254, 2021, 117248), in cui si esamina l’impatto ambientale dei materiali da imballaggio alimentare a base di fibre cellulosiche che si stanno avvicinando alle plastiche convenzionali in termini di funzionalità e che hanno già raggiunto un elevato livello di preparazione tecnologica (Technological Readiness Level, TRL) con applicazioni industriali previste in un breve orizzonte temporale.

L’attenzione è concentrata sull’impatto dei materiali di imballaggio sui cambiamenti climatici, calcolato utilizzando il metodo di valutazione IPCC 2013.In questo studio si sottolinea che un passaggio mal pianificato ai materiali in fibra cellulosica potrebbe avere esiti ambientali negativi e che i passaggi sui quali l’attenzione deve essere elevata sono quelli dell’approvvigionamento e della produzione.

Approvvigionamento responsabile 

L’approvvigionamento è una fase delicata perché può comportare un aumento della deforestazione nei paesi con una legislazione ambientale debole. Per evitare un uso intensivo del suolo e i conseguenti impatti significativi sull’ecosistema, dovrebbe essere promossa una forte strategia di approvvigionamento responsabile per i prodotti forestali all’interno delle aziende che aspirano ad aumentare la loro quota di imballaggi cellulosici a base di fibre.

La soluzione può venire dall’uso di fibre cellulosiche di riciclo e provenienti da fonti certificate come ad esempio il Forest Stewardship Council (FSC) o il Programma per l’approvazione degli schemi di certificazione forestale (PEFC). Questa soluzione appare praticabile, poiché attualmente le fibre di riciclo sono generalmente disponibili in buona quantità con picchi in Europa, dove il riciclo della carta è vicino all’85%. La tecnologia di processo è un altro punto delicato perché per la produzione di carta e cartone sono necessarie quantità significative di energia e acqua.

Il conseguente impatto ambientale può essere notevolmente ridotto usando delle cartiere integrate, in cui la combustione dei residui di lavorazione produce vapore ed energia che vengono riutilizzati nel processo stesso. Un altro aspetto critico è legato al fatto che i materiali cellulosici non hanno le stesse funzionalità della plastica, soprattutto in termini di proprietà barriera, e quindi spesso sono richiesti pesi maggiori per svolgere la stessa funzione.

Inoltre, è difficile chiudere ermeticamente contenitori e buste di fibra di cellulosa. Infine, i materiali vengono forniti come fogli piani o in rotoli, che possono essere trasformati in oggetti tridimensionali solo con l’aiuto di adesivi e/o per mezzo di ripiegature. Quindi, la sostituzione di imballaggi in plastica da parte delle fibre può avvenire solo cambiando le tecnologie di processo e riducendo al minimo la quantità di composti non cellulosici utilizzati. Solo in questo modo si potrà produrre un materiale da imballaggio che combina le funzionalità desiderate con scenari ottimali di fine vita, riducendo al minimo il suo impatto ambientale.

La produzione di carta estensibile e lo stampaggio della polpa di carta sembrano essere le tecnologie principali per consentire questa transizione. Ad esempio, per quanto riguarda lo stampaggio della polpa di carta, sono già in produzione articoli 3D, che sono esteticamente e meccanicamente superiori ai materiali plastici (Pulpworksinc). Il substrato cellulosico puro può essere ulteriormente lavorato con laminazione o rivestimento a spruzzo per ottenere alte barriere sia al vapore acqueo (WVTR <50 g/m2/d a 23°C 85% RH) sia all’ossigeno (OTR <100 cc/m2/d a 23°C 50% RH). Per questi materiali sono già state proposte alcune applicazioni per l’imballaggio di alimenti deperibili e di liquidi.

Air-layed cellulose

Lo stampaggio della polpa è ancora limitato in termini di efficienza produttiva rispetto alla termoformatura dei polimeri; tuttavia, una potenziale soluzione può derivare dall’utilizzo del processo di formatura a secco in cui si ha lo stampaggio della polpa secca. Mentre i processi di termoformatura convenzionale agiscono sulla polpa umida, e quindi richiedono diverse fasi di preparazione, il processo di stampaggio della polpa secca utilizza un tappeto di fibra (noto anche come “air-layed cellulose”), ottenuto mediante cardatura meccanica della polpa e quindi elimina tutte le fasi di preparazione mirate alla disidratazione e all’essiccazione del materiale.

La cellulosa “air-layed” viene quindi immessa in un’unità di termoformatura, che dà forma al materiale pressandolo in uno stampo riscaldato. In tal modo, si ottiene un oggetto di cellulosa rigido e in tre dimensioni. Le prestazioni dei materiali così ottenuti in termini di sostenibilità sono state studiate utilizzando il Life Cycle Assessment (LCA), per confrontare ciascuna soluzione tecnologica con la sua controparte basata sui materiali convenzionali di derivazione fossile.

Questo tipo di valutazione ha confermato che i materiali a base di fibre cellulosiche hanno un impatto ambientale ridotto rispetto alle controparti a base fossile, a parità di peso dell’imballaggio. Infatti, tutti gli impatti della plastica sono compresi tra 3 e 5 kg CO2 eq/kg, mentre tutti gli impatti dei materiali a base di fibre cellulosiche sono inferiori a 1,5 kg CO2 eq/kg. Questi risultati consentono di concludere che esiste già un numero significativo di tecnologie pre-commerciali disponibili per colmare il divario in termini di prestazioni e produttività tra la fibra cellulosica e gli imballaggi a base di plastica. Tuttavia, la possibile industrializzazione sarà in gran parte determinata dall’efficienza produttiva di tali imballaggi.

Riferimenti bibliografici: Urs Schenker et al., Carbohydrate Polymers 254, 2021, 117248

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