Evaluación de los impactos ambientales derivados de nanomateriales aplicados al envase y embalaje

Abstract

[EN] The main objective of this thesis is to provide knowledge about the influence of nanomaterials as additives for food packaging purposes. Their influence on final packaging performance and also on the environmental impact of the whole packaging & product system, waste management once the packaging is empty. Besides, the environmental impacts not only considering global environmental impacts but ecotoxicity effects are analysed when nanomaterials are incorporated as additives for packaging. The common link between the research articles is according to the main objective intended of this thesis. This objective is to provide novel data and specific research work and results regarding nanomaterials on their application to packaging from different perspectives; functional but mainly environmental. The research activities carried out and detailed in each one of the published papers aim at providing valuable scientific contribution to such ambitious objective commented. Thus, it was considered a key starting point to carry out an exhaustive analysis of the State-of-the-Art on nanomaterials and their applications to food packaging. Due to the huge diversity of existing nanomaterials and that they can be applied not only to the package but to the food product, the analysis was made considering the final properties improvement of the package compared to those only considering conventional materials. The analysis considered three main categories for the properties studied: Technical, active and intelligent. The qualitative evaluation results were grouped to identify the ones with the most relevant potential actual and future for food packaging. That was made applying Multicriteria Decision Analysis (MCDA). Although some constraints were identified, such as no availability of specific applications for some nanomaterials, case by case analysis demands, it could be concluded that those nanomaterials have had been focused on barrier properties improvement, microbial activity reduction, mechanical functionality, and water permeability minimisation. Among the more than 84 publications reviewed, it could be observed that the one with the highest application potential was calcium carbonate or the chitosan, due to their combination of active and improved properties. Besides, nanoclays (caolinite), carbon nanotubes/nanofibres, and nanobiocomposites based on bioplastics like PLA and PHB were in the first ranking positions of the MCDA. Nonetheless the good ranking carbon nanotubes/nanofibres, there are still great uncertainties due to their citotoxicity and the non-desired migration potential to the food product. Another interesting result was that metallic particles like ZnO, TiO2 and Ag were not in the first ranking positions of the MCDA carried out. The potential influence of the presence of nanomaterials in the packaging recycling process as well as their influence on the final recycled material properties were evaluated in the second paper. Combinations of three different film polymers (polyethylene (PE), polypropylene (PP) y polyethilenterephtalate (PET) reinforce with four different nanomaterials (nanoclays, calcium carbonate, zinc dioxide and nano silver) were anaylised. Tested combinations were: PE-nanoclay, PE-CaCO3, PP-Ag, PET-ZnO, PET-Ag, PET-nanoclay. The experimental recycling tests show that smells and degradation fumes appears in the processing of PET reinforced with nanoclay, as well as increasing number of pinholes when this polymer is reinforced with Ag.

[ES] La presente tesis tiene como objetivo principal conocer la repercusión que la aplicación de nanomateriales como aditivos puede tener sobre las propiedades de los envases en los que se aplican, sobre los impactos ambientales del sistema de envase, así como en la gestión de los residuos generados una vez se han consumido los productos contenidos. Consecuencia de la investigación realizada en el marco de esta tesis, se han preparado tres artículos científicos que se adjuntan como anejos en su totalidad. El primero de ellos, se publicó en la revista ¿Packaging Technology and Science¿, el segundo en la revista ¿Waste Management¿ y el tercero en la revista ¿Journal of Cleaner Production¿. La selección de las revistas se realizó en base a la temática de cada artículo. El nexo de los artículos refleja de forma fiel los objetivos pretendidos en la tesis. Así, se consideró un buen punto de partida realizar un exhaustivo análisis del estado del arte de los nanomateriales empleados en envase alimentario. Debido a la enorme variedad de nanomateriales, y al hecho que pueden ser utilizados en algunos casos, tanto en el propio envase como sobre el propio producto contenido, el análisis se abordó desde el punto de vista de las propiedades mejoradas respecto a los materiales convencionales. El estudio, se basó en la valoración cualitativa de las propiedades mejoradas clasificadas en tres grupos: propiedades técnicas, activas e inteligentes. A pesar de las limitaciones observadas, tales como la ausencia de aplicaciones concretas para algunos nanomateriales, y la necesidad de análisis caso por caso, pudo concluirse que dichos materiales se han enfocado a la mejora de propiedades barrera, la reducción de la actividad microbiana, la mejora de las propiedades mecánicas y la reducción de la permeabilidad al agua. Las implicaciones derivadas de la presencia de nanomateriales en los procesos de reciclado de envases plásticos fueron evaluadas en el segundo trabajo. Se analizaron combinaciones de tres films plásticos polietileno (PE), polipropileno (PP) y polietiléntereftalato (PET) reforzados con cuatro nanomateriales diferentes (nanoarcilla, carbonato cálcico, óxido de zinc, y nanoplata).

[CA] La present tesi te com a principal objectiu conèixer la repercussió de la aplicació de nanomaterials com additius sobre les propietats finals d¿un envàs en la seua aplicació al sector alimentari, així com proporcionar les dades concretes del potencial de reciclat dels mateixos i els impactes ambientals en termes no únicament mediambientals, sinó també en relació amb la toxicitat que deriva de estes substancies. El nexe de unió dels articles manifesta de forma ferma els objectius proposats en la tesis, sent el objectiu final la aportació de dades i estudis concrets dins del camp dels nanomaterials aplicats a l¿envàs i la seua repercussió no sols funcional, sinó també i fonamentalment ambiental. Les investigacions plantejades i detallades en cadascú dels articles pretenen contribuir parcialment a un objectiu tan ambiciós com el que planteja aquest treball. Així mateix, es va considerar com a punt de partida portar a terme un exhaustiu anàlisis de l¿estat de l¿art dels nanomaterials incorporats en envasos per al sector alimentari. A causa de la varietat de nanomaterials, i pel fet de que en algunes ocasions es poden utilitzar tant en el envàs com sobre el propi producte contingut, el anàlisis es va afrontar des del punt de vista de les propietats millorades respecte als materials convencionals. La valoració qualitativa de les propietats millorades és va classificar en tres grups: propietats tècniques, actives e intel·ligents. Aquestes valoracions qualitatives es van agrupar posteriorment per a quantificar les propietats amb un major potencial actual i futur dels nanomaterials en el camp del envàs alimentari. Aquesta quantificació es va portar a terme mitjançant la tècnica de anàlisi multi criteri (MCDA en anglès). Malgrat les limitacions observades, com es la absència de aplicacions concretes per a alguns nanomaterials i la necessitat d¿analitzar cas per cas, si que es va poder concloure que els materials considerats en l¿anàlisi estaven enfocats a la millora de les propietats barrera, la reducció de l¿activitat microbiana, la millora de les propietats mecàniques i la reducció de la permeabilitat a l¿aigua. Entre els més de 84 materials referenciats, es va observar que els que presentaven un major potencial de aplicació eren el nanocarbonat càlcic o el quitosà, a causa de la possible combinació de propietats millorades i propietats actives. També de esta manera, les nanoargiles (caolinita), els nanotubs/nanofibres de carboni i els nanobiocomposites basats en bioplàstics com l¿Àcid Polilactic (PLA) i el polihidroxibutirat (PHB) figuren en els primers llocs de la llista de l¿anàlisi MCDA. Però malgrat la bona posició dels nanotubs/nanofibres de carboni, existeixen encara molts dubtes sobre la citoxicitat i la possibilitat de migració no desitjada cap al producte alimentari envasat. Com a resultat destacable del anàlisis, una gran part de les nanopartícules metàl·liques, tals com el ZnO, TiO2 i el Ag no van estar incloses entre els primers llocs de la llista de l¿anàlisi MCDA. Les limitacions derivades de la presència de nanomaterials en els processos de reciclat de envasos de plàstic van ser avaluades en el segon treball. Es van analitzar combinacions de tres films plàstics, polietilè (PE), polipropilè (PP) i polietilentereftalat (PET). Tots ells reforçats amb quatre nanomaterials diferents (nanoargila, carbonat càlcic, òxid de zinc, i nanoplata). Concretament, les combinacions testades van ser PE- nanoargila, PE-CaCO3, PP-Ag, PET-ZnO, PET-Ag, PET-nanoargila.