Computer-aided design of safe food plastic packaging – 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

The primary aim of the research program is to develop a general framework to tailor the design of barrier and safe food packaging systems. As the project will reuse a significant amount of data and methods from basic research and previous EU research programs, it is complementary of the EU effort more specifically directed upstream towards chemical companies and regulatory authorities. The paradigm is however changed: i) by integrating the safety of packaging materials as a component of food engineering (i.e. safe by design instead of controlled as safe) and ii) by making it possible to integrate efficiently the risk of the migration of packaging constituents into food within international food safety standards (e.g. recent ISO 22000-2200x standards). In particular, the project will seek methods and tools that facilitate the cooperation between stakeholders (downstream and upstream) and generate auditable requirements.

Generated results and methods will be integrated into an open-source client-server platform, so-called SafeFoodPack Design, including: i) safe design methodologies (Failure Mode Effects and Critical Analysis), ii) simulations tools to optimize barrier properties and minimize the risk of migration of packaging constituent during specific conditions of use (product shelf-life, temperature of storage, hot filling, oven heating…), iii) databases (formulation rulebases, physico-chemical data) and iv) traceability management tools. As the platform will rely exclusively on open standards, it will make it possible to integrate it seamlessly within existing tools used in industries and laboratories, and to share common data formats between stakeholders. In particular, the whole approach will contribute to integrate more efficiently cost (mass reduction), environmental constraints (e.g. use of recycled materials, bio-sourced or biodegradable alternative materials), process constraints (hot filling, aseptic treatments...).

By its construction, the project, supported by the National thematic network PROPACKFOOD, is representative of the whole French food packaging sector including the leading professional associations of both Food and Packaging Industries, the national reference laboratories supporting the industry or acting as enforcement laboratory and the leading research laboratories in France on the topic. Rapid and efficient dissemination will be managed by creating a pool of companies (external to the project) that will profit along the project of the proposed framework and training sessions. In return, an efficient feedback from end-users is expected as well a significant impact on upstream stakeholders (Chemical Industry, EU regulatory and surveillance authorities). Customer associations will be invited to participate to our debates.