Conception raisonnée d’emballages alimentaires plastiques sûrs – SafeFoodPack Design

Le projet contribue à la production des données d’entrée nécessaires aux outils de simulation numérique mis en œuvre dans la plateforme de conception SAFEFOODPACK DESIGN: données de composition des emballages, lois fondamentales d’activation (par la température ou la plastification) des propriétés de transferts (coefficients de diffusion et d’activité principalement) dans les matrices polymères. Les effets spécifiques liés à la structure chimique des contaminants sont étudiés expérimentalement via des séries homologues de molécules et de manière théorique par modélisation moléculaire. L’ensemble des données est intégré dans un même système expert capable d’extrapoler statistiquement les propriétés disponibles à une famille ou de molécules ou de matériaux.
Une approche de type « Failure Mode Effects and Criticality Analysis » (FMECA) est adaptée des pratiques de l’industrie aéronautique pour fournir une mesure quantitative de la criticité des éléments de désign (ex. un assemblage de matériaux), des substances utilisées, des étapes industrielles et domestiques… vis-à-vis du risque de contamination des aliments. Une implémentation numérique de la méthode au sein de la plate-forme SAFEFOODPACK DESIGN permet d’effectuer ses tâches fastidieuses en quelques minutes. En relation avec l’industrie et les centres techniques, plusieurs contextes d’utilisation de la plate-forme sont pris en compte : ingénierie concurrente de systèmes d’emballages (quel est le plus sûr ?, quelle partie doit être optimisée ?), veille sanitaire de matériaux d’emballage sur le marché (lequel doit être contrôlé ?)…

Avec l’aide des industriels de l’agro-alimentaire, le projet a collecté de nombreux échantillons représentatifs des principales applications des emballages alimentaires afin d’alimenter, après déformulation, une base de données d’occurrence des substances et des concentrations utilisées dans les matériaux. A cette fin, des méthodes de déformulation rapide (RMN, spectrométrie de masse) ont été développées.
L’approche FMECA proposée est aujourd’hui implémentée numériquement dans un outil open-source appelé FMECAengine. Un langage simplifié a notamment été développé pour coder en quelques minutes un diagramme industriel complet et pour décrire les assemblages complexes de matériaux.
Les lois d’activation de la diffusion de molécules de types additifs en fonction de la température dans les polymères caoutchoutiques (T=Tg) et les élastomères ont été élucidées pour des molécules homologues linéaires et aromatiques. Des lois d’échelles universelles, dépendant de la température, ont été mises en évidence pour les matrices polymères aliphatiques et expliquées par simulation de la dynamique moléculaire. L’extension au domaine vitreux (T<Tg) de ces lois est en cours. Les effets de la plastification due à la sorption d’eau et de dioxyde de carbone font également l’objet d’études spécifiques via a une cellule de sorption sous pression dédiée, qui permet de reproduire les conditions de pressions rencontrées par exemple dans une boisson carbonatée (0,7 MPa).<br />La modélisation des coefficients d’activité dans les polymères et les liquides simulateurs de l’aliment est en cours d’extension pour les copolymères et polymères blocks.

Le projet vise à développer la coopération entre les acteurs industriels, entre l’industrie et les centres techniques, entre l’industrie et les autorités de contrôle et de veille sanitaire. Une discussion avec les élus et les associations sera organisée pour identifier les garanties attendues par les consommateurs.
La Direction Générale de la Santé et de la Protection des Consommateurs de la Commission Européenne, qui participe au comité de pilotage du projet, regarde avec attention les conclusions du projet. Elles pourraient servir de prototype pour de futures règles pour les seize catégories – sur les dix-sept recensées – de matériaux au contact des aliments sans règlementation spécifique.

Outre les différentes conférences, où les résultats en cours d’acquisition ont été présentés, le détail de la méthode FMECA quantitative a été soumis pour publication à AIChE Journal. Les lois d’échelles de la diffusion et leur interprétation à l’échelle à la moléculaire font l’objet d’une publication soumise à Macromolecules.
Le projet open-source FMECAengine et sa documentation associée sont téléchargeables librement sur : github.com/ovitrac/FMECAengine

Le projet vise à développer un cadre général scientifique et technique pour la conception raisonnée de matériaux d’emballage barrières sûrs. Du fait de la réutilisation des nombreux résultats obtenus par les précédents programmes européens, les objectifs poursuivis sont complémentaires de l’effort de recherche européen dirigé préférentiellement vers l’amont : industries chimiques lourdes (producteurs de résines ou d’additifs) et autorités règlementaires. Le paradigme est toute fois modifié : i) en introduisant l’emballage comme une composante de l’ingénierie de l’aliment (« sûr par conception » en lieu et place de « sûr car contrôlé ») et ii) en intégrant le risque de migration des constituants de l’emballage dans l’aliment de manière compatible avec les derniers standards mondiaux de sécurité sanitaire des aliments (ex. normes ISO 22000-22000x). En particulier, le projet cherchera à développer i) des méthodes qui favorisent la coopération entre acteurs en amont et en aval de la filière emballage ainsi que ii) des obligations ou spécifications vérifiables.

L’ensemble des résultats seront intégrés dans une plateforme logicielle client-serveur libre SafeFoodPack Design comprenant des outils i) de conception sûrs (approche dédiée "Failure Mode Effects and Critical Analysis)", ii) outils de simulation pour optimiser les propriétés barrières et minimiser les risques de migration pour un usage donné (de vie du produit, température de stockage, réchauffage…), iii) de base de données (règles de formulation, données physico-chimiques) et iv) de gestion de la traçabilité. Parce que la plateforme repose sur des standards ouverts, elle pourra être aisément intégrée aux outils existants des entreprises et des laboratoires ainsi que favoriser l'émergence de formats de données standards entre acteurs. Cette démarche devrait par ailleurs permettre d’intégrer de manière plus efficace des contraintes de coûts (réduction de la masse des matériaux et donc des déchets à la source), environnementales (utilisation de matériaux recyclés, utilisation de matériaux alternatifs biosourcés, biodégradables), et de procédés ou d'utilisation (remplissage à chaud, traitement aseptique,...).

Par sa construction, le projet appuyé par le Réseau Mixte Technologique PROACKFOOD est représentatif de l’ensemble de la filière emballage en France et comprend : les associations professionnelles majeures de l’emballage et des industries alimentaires, les laboratoires nationaux de référence et de contrôle et les principales unités de recherche impliquées dans les aspects « emballage alimentaire ». Un pool d’industriels proéminents (extérieurs au projet) sera créé pour assurer une dissémination rapide et efficace des concepts développés et appliqués lors de sessions de formation. En conséquence, une interaction efficace avec les utilisateurs finaux est attendue ainsi qu’un impact significatif sur les acteurs en amont de la filière (industrie chimique, autorités de contrôle et de surveillance). Les associations de consommateurs seront invitées à participer à nos débats.