Rational design of plastic packaging for alcoholic beverages

par Yan Zhu

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Olivier Vitrac.

Soutenue le 17-07-2019

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....) , en partenariat avec AgroParisTech (France) (établissement opérateur d'inscription) et de Ingénierie Procédés Aliments (2009-2019) (laboratoire) .

Le président du jury était Martine Decloux.

Le jury était composé de Martine Decloux, Éric Favre, Thomas Karbowiak, Bruno Guillemat, Catherine Joly.

Les rapporteurs étaient Éric Favre, Thomas Karbowiak.

  • Titre traduit

    Conception raisonnée d'emballages en plastique pour les boissons alcoolisées


  • Résumé

    La perception des emballages alimentaires est passée d’utile à source majeure de contaminants dans les aliments et menace pour l’environnement. La substitution du verre par des con-tenants en plastiques recyclés ou biosourcés réduit l’impact environnemental des boissons embouteillées. La thèse a développé de nouveaux outils de simulation 3D et d’optimisation pour accélérer le prototypage des emballages éco-efficaces pour les boissons alcoolisées. La durée de conservation des boissons, la sécurité sanitaire des matériaux plastiques recyclés, les contraintes mécaniques, et la quantité de déchets sont considérées comme un seul problème d'optimisation multicritères. Les nouvelles bouteilles sont générées virtuellement et itérativement en trois étapes comprenant : i) une [E]valuation multiéchelle des transferts de masse couplés ; ii) une étape de [D]écision validant les contraintes techniques (forme, capacité, poids) et réglementaires (durée de conservation, migrations); iii) une étape globale de ré[S]olution recherchant des solutions de Pareto acceptables. La capacité de prédire la durée de vie des liqueurs dans des conditions réelles a été testée avec succès sur environ 500 miniatures en PET (polyéthylène téréphtalate) sur plusieurs mois. L’ensemble de l’approche a été conçu pour gérer tout transfert de matière couplé (perméation, sorption, migration). La sorption mutuelle est prise en compte via une formulation polynaire de Flory-Huggins. Une formulation gros grain de la théorie des volumes libres de Vrentas et Duda a été développée pour prédire les propriétés de diffusion dans les polymères vitreux de l’eau et des solutés organiques dans des polymères arbitraires (polyesters, polyamides, polyvinyles, polyoléfines). 409 diffusivités issues de la littérature ou mesurées ont été utilisée pour validation. La contribution de la relaxation du PET vitreux a été analysée par sorption différentielle (binaire et ternaire) de 25 à 50 °C. Une partie du code source sera partagé afin d'encourager l'intégration de davantage de paramètres affectant la durée de conservation des boissons et des produits alimentaires (cinétique d'oxydation, piégeage d'arômes).


  • Résumé

    The view of plastic food packaging turned from useful to a major source of contaminants in food and an environmental threat. Substituting glass by recycled or biosourced plastic containers reduces environmental impacts for bottled beverages. The thesis developed a 3D computational and optimization framework to accelerate the prototyping of eco-efficient packaging for alcoholic beverages. Shelf-life, food safety, mechanical constraints, and packaging wastes are considered into a single multicriteria optimization problem. New bottles are virtually generated within an iterative three steps process involving: i) a multiresolution [E]valuation of coupled mass transfer; ii) a [D]ecision step validating technical (shape, capacity, weight) and regulatory (shelf-life, migrations) constraints; iii) a global [Solving] step seeking acceptable Pareto solutions. The capacity to predict shelf-life of liquors in real conditions was tested successfully on ca. 500 hundred bottle min iatures in PET (polyethylene terephthalate) over several months. The entire approach has been designed to manage any coupled mass transfer (permeation, sorption, migration). Mutual sorption is considered via polynary Flory-Huggins formulation. A blob formulation of the free-volume theory of Vrentas and Duda was developed to predict the diffusion properties in glassy polymers of water and organic solutes in arbitrary polymers (polyesters, polyamides, polyvinyls, polyolefins). The validation set included 433 experimental diffusivities from literature and measured in this work. The contribution of polymer relaxation in glassy PET was analyzed in binary and ternary differential sorption using a cosorption microbalance from 25 to 50°C. Part of the framework will be released as an open-source project to encourage the integration of more factors affecting the shelf-life of beverages and food products (oxidation kinetics, aroma scalping).


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