Acronimul: BIOAMBREG
Autoritatea contractanta: CENTRUL
NATIONAL DE MANAGEMENT PROGRAME - CNMP
Programul: PARTENERIATE IN DOMENIILE PRIORITARE
Domeniul: 3 MEDIU
Contract
nr. 31039/14.09.2007
Perioada
de derulare: 2007 - 2010
PARTENERI:
CO-INSTITUTUL NAŢIONAL DE CERCETARE-DEZVOLTATE
PENTRU MAŞINI ŞI INSTALAŢII DESTINATE AGRICULTURII ŞI INDUSTRIEI
ALIMENTARE/INMA BUCUREŞTI, cu sediul în Bucureşti, B-dul Ion Ionescu de
Director de proiect: Nicolae CIOICA, tel./fax:
0264-418162, email: inmacj@clicknet.ro
Partener 2 - UNIVERSITATEA ”BABES BOLYAI” – UBB, cu sediul in
Cluj-Napoca, Str.Mihail Kogalniceanu, nr. 1, tel. 0264-405300, fax 0264-591906,
e-mail: cercetare@staff.ubbcluj.ro
Responsabil de proiect : Prof. Univ. Dr. Maria Tomoaia Cotişel tel. 0264-593833, Fax: 0264-590818, email: mcotisel@yahoo.com
Partener 3 – INCDO – INOE2000 filiala Institutul de
Cercetări pentru Instrumentaţie Analitică –ICIA, cu sediul in Cluj-Napoca, str. Donath nr. 67,cod
400293 tel: 0264-420590. fax: 0264-420667 e-mail: icia@icia.ro,
Responsabil de proiect: Oana CADAR, tel.0264/420590, fax: 0264420667, e-mail:
oana.cadar@icia.ro
Partener
4 - UNIVERSITATEA TEHNICA CLUJ – NAPOCA –UTC-N cu sediul in Cluj-Napoca, str. C.Daicoviciu nr.15, tel: 0264-401202. fax:
0264-592055, e-mail: Radu.Munteanu@mas.utcluj.ro
Responsabil de proiect: Gavril Bâlc, tel.0264/401600, fax:
0264/599371, e-mail: balcgabi@yahoo.com
OBIECTIV GENERAL
Dezvoltarea unei tehnologii inovative de realizare a unor
produse ecologice, din materiale biodegradabile, destinate realizarii de
ambalaje si elemente de protectie antisoc.
OBIECTIVE SPECIFICE
· Fabricarea de produse ecologice biodegradabile destinate realizarii de ambalaje si elemente de protectie;
· Înlocuirea materiilor prime sintetice cu materii prime de tipul polimerilor biodegradabili;
· Înlocuirea ambalajelor si elementelor de protectie din materiale plastice cu produse similare din materiale biodegradabile.
ETAPELE DE DERULARE ALE PROIECTULUI
Etapa I: Stadiul
actual in domeniul cercetarii, producerii si caracterizarii ambalajelor si
elementelor de protectie biodegradabile. Termen: 15.12.2007
A.I.1.
Stadiul actual al cercetarilor in domeniu (CO)
A.I.2. Stadiul
actual privind fabricarea ambalajelor si elementelor de protectie
biodegradabile (P4)
A.I.3.
Cercetarea si evaluarea metodelor fizice si chimice privind caracterizarea
materiilor prime utilizate (P2)
A.I.4.
Cercetarea si evaluarea metodelor fizice si chimice privind caracterizarea ambalajelor de protectie
biodegradabile (P2)
Etapa II: Elaborarea tehnologiilor de fabricatie,
control si analiza a materialelor si a ambalajelor biodegradabile
expandate pe baza de amidon. Termen: 31.07.2008
A.II.1.
Stabilirea tehnologiei de fabricatie (CO)
A.II.2.
Stabilirea retetei de fabricatie si a metodologiei de control si analiza a
materiilor prime (P2)
A.II.3.
Stabilirea metodologiei de control si analiza a ambalajului (P2)
A.II.4.
Stabilirea metodologiei de control a biodegradabilitatii si realizarea instalatiei
pentru evaluarea biodegradabilitatii (P3)
A.II.5.
Stabilirea programului de experimentari si incercari pentru produs (CO)
Etapa III: Realizarea
ambalajului de protectie biodegradabil.
Termen: 28.02.2009
A.III.1.
Achizitionarea si analiza materiilor
prime; Obtinerea materialului biodegradabil si caracterizarea reologica a
acestuia (P2)
A.III.2.
Caracterizarea tribologica si tehnologica a materiilor prime si a materialului
biodegradabil (CO)
A.III.3.
Realizarea ambalajului biodegradabil (CO)
A.III.4.
Caracterizarea fizico-mecanica si termica a ambalajului biodegradabil (P4)
A.III.5.
Incercari de biodegradabilitate a ambalajului (P3)
A.III.6. Analize
termofizice si de structura ale materiilor prime, materialului si ambalajului
biodegradabil (P2)
Etapa IV: Definitivarea tehnologiei de fabricare a ambalajelor de protectie
biodegradabile. Termen: 15.12.2009
A.IV.1.
Definitivarea tehnologiei de fabricatie (CO)
Etapa V: Definitivarea tehnologiei de control a ambalajelor de protectie biodegradabile.
Comunicarea si publicarea nationala si internationala a rezultatelor. Termen:
31.05.2010
A.V.1. Definitivarea metodologiei de control si analiza a
materiilor prime, materialului si ambalajului biodegradabil. Diseminarea pe
scara larga a rezultatelor (P2)
A.V.2.
Definitivarea metodologiei si a instalatiei
de testare a biodegradabilitatii ambalajului. Diseminarea pe scara larga
a rezultatelor (P3)
A.V.3.
Definitivarea metodologiei de caracterizare
fizico-mecanica si termica a ambalajului biodegradabil. Diseminarea pe
scara larga a rezultatelor (P2)
A.V.4.
Prezentarea tehnologiei. Diseminarea pe scara larga a rezultatelor (CO)
REZUMATUL PROIECTULUI
Integrarea Romaniei in Uniunea
Europeana implica rezolvarea unor probleme legate de respectarea normelor de
protectie a mediului. Cresterea volumului deseurilor nedegradabile, din
plastic, cheltuielile mari necesare recuperarii acestora si limitarea
terenurilor disponibile pentru depozitarea lor, conduc la necesitatea
dezvoltarii si in tara noastra a materialelor de ambalare si protectie
biodegradabile si reciclabile. Dezvoltarea acestor materiale implica realizarea
unor tehnologii adaptate calitatii materiilor prime autohtone pentru realizarea
si in acest domeniu a unor produse ecologice de calitate cautate pe piata
interna si externa. Se asigura in acest fel valorificarea superioara a
materiilor prime biodegradabile din tara intr-o directie de mare perspectiva.
Tema propusa este de mare complexitate
si prezintă caracter multidisciplinar, de noutate şi originalitate,
prin identificarea si controlul unor fenomene la nivel nanostructural care sa
faca posibila realizarea cu succes a unei tehnologii de obtinere a ambalajelor
si elementelor de protectie (aplicabila si la alte produse expandate care au un
continut de aer in structura de pana la 90% si pot inlocui cu succes
polistirenul) din surse regenerabile pe baza de amidon.
Tehnologia aplicata va permite obtinerea
unui ambalaj biodegradabil de protectie antisoc definit de proprietati de
structura si mecanice specifice, din amidon si plastifianti naturali in
proportii bine stabilite.
Principalii utilizatori ai rezultatelor
proiectului vor fi fabricile de amidon din tara, unitatile care detin utilaje
de extrudare, in special cele din industria maselor plastice, precum si fabricantii de produse fragile care necesita
astfel de ambalaje de protectie.
REZULTATE OBTINUTE
Etapa I
Obiectivul principal al etapei I a fost studiul aprofundat si documentar
al literaturii de specialitate pentru a cunoaste nivelul actual al cercetarilor
in domeniul tehnologiilor de realizare si a metodelor fizice si chimice privind
caracterizarea ambalajelor si elementelor de protectie biodegradabile pe plan
national si international.
Concluziile studiului tehnic efectuat au fost următoarele:
·
Bioplasticele, care sunt materiale biodegradabile
obţinute din polimeri naturali proveniţi din resurse agricole,
constituie o soluţie viabilă pentru rezolvarea problemelor create de
materialele plastice sintetice datorită consumului ridicat de
ţiţei, o resursă mereu mai deficitară şi mai
scumpă, necesar producerii lor şi datorită impactului negativ pe
care acestea il au asupra mediului, nefiind biodegradabile.
· Cercetările în acest domeniu sunt orientate spre
găsirea de soluţii de îmbunătăţire a
performanţelor tehnice şi de reducere a preţului de cost, pentru
ca bioplasticele pe bază de amidon să devină, în aplicaţii
similare, competitive cu plasticele sintetice.
·
Cercetările au arătat şi
experienţa a dovedit că ambalajele şi elementelor de
protecţie antişoc pe bază de amidon, destinate să
înlocuiască ambalajele similare din polistiren, toxice şi nedegradabile,
se pot realiza prin extrudare termoplastică.
·
Cercetările care vor fi efectuate în cadrul
acestui proiect vor fi orientate asupra realizării prin extrudare a
bioplasticelor pe bază de amidon utilizate la realizarea ambalajelor
şi elementelor de protecţie antişoc.
·
Metodele analizei termice instrumentalizate, în
special analiza calorimetrică dinamică diferenţială,
DSC, şi analiza termogravimetrică, TG, par cele mai
promiţătoare pentru studiul procesării materialelor
biodegradabile, dar şi pentru caracterizarea degradării lor în mediu.
·
Microscopia de forţă atomică va
putea fi folosită la caracterizarea materialelor iniţiale şi a
produselor biodegradabile, alături de celelalte metode microscopice:
microscopie optică, SEM, TEM. Aparatura necesară este
disponibilă.
·
Pentru
stabilirea măsurii în care materialele sunt cu adevărat ecologice va
trebui monitorizat procesul de biodegradabilitate.
Etapa II
Obiectivul principal al etapei II a fost elaborarea tehnologiei de fabricatie, control si
analiza a ambalajelor si elementelor de
protectie biodegradabile din amidon. Au fost stabilite retetele si tehnologia
de extrudare, metodologiile de control si analiza a materiilor prime si ambalajului precum si metodologia de
control a biodegradabilitatii. A fost achizitionat un extruder de laborator ZK
25 cu cilindrii de racire si sistem de granulare si s-a realizat o instalatie pentru evaluarea
biodegradabilitatii.
Din activitatile realizate in aceasta etapa a
proiectului rezultă următoarele:
- Reteta de fabricatie a
polimerului biodegradabil din materii prime de tip amidonic cuprinde
amidon, glicerina, apa;
- Pentru caracterizarea
materialelor prime amidonice se poate aplica metodologia de analiza si de
control utilizand metode fizice şi chimice curente;
- Au fost detaliate două
grupe de metode, de importanţă particulară pentru scopul
propus, şi în domeniul cărora colectivul UBB Cluj-Napoca
posedă o bogată experienţă şi dispune de
aparatura necesară:
- Metode de microscopie:
microscopia optică în lumină naturală, microscopia
electronică de baleiaj, SEM, si microscopia de forta atomica, AFM,
- analiza termică
instrumentalizată a materialelor: analiza termică
diferenţială, DTA; analiza calorimetrică dinamică (de
baleiaj) diferenţială, DSC; si analiza termogravimetrică,
TG sau TGA,
- Procesul tehnologic, care va
fi utilizat la realizarea experimentarilor, cuprinde dozarea componentelor
conform retetei si omogenizarea acestuia, atat ca structura cat si ca ca
umiditate, alimentarea extruderului si extrudarea propriuzisa pe extruderul
achizitionat de INMA Bucuresti, filiala Cluj-Napoca;
- S-au stabilit
caracteristicile materiei prime si ale produsului finit care vor fi
determinate la experimentari precum si parametrii materiei prime ai
extruderului care vor fi modificati pe parcursul experimentarilor;
- Rezultatele obtinute vor fi prelucrate,
reprezentandu-se grafic si/sau interpretandu-se variatia caracteristicilor
produsului finit in functie de parametrii procesului in scopul
identificarii variantei optime de lucru;
- Metodologia de analiza si de
control a ambalajelor cuprinde metode fizice şi chimice curente,
aplicate pentru caracterizarea materialelor polimerice biodegradabile, în
special a celor folosite ca ambalaje şi elemente de protecţie;
- S-a dimensionat si realizat
instalatia pentru masurarea dioxidului de carbon degajat din materiale
plastice biodegradabile (biopolimeri) si masurarea cererii de oxigen
intr-un respirometru inchis;
- S-a stabilit metodologia de
evaluare a biodegradabilitatii aerobe finale in mediu apos a materialelor
de ambalare si a constituentilor lor prin: masurarea consumului de oxigen
intr-un respirometru inchis.
Etapa III
Obiectivul principal al etapei III a fost realizarea ambalajului de protectie
biodegradabil. S-au efectuat urmatoarele activitati: caracterizarea materiilor
prime; obtinerea si caracterizarea materialului biodegradabil; extrudarea
materialului biodegradabil; caracterizarea si determinarea biodegradabilitatii
ambalajului de protectie.
Din activitatile realizate in aceasta etapa a
proiectului rezultă următoarele:
- Deoarece extruderul cu doi
melci corotativi trebuie sa lucreze subalimentat, deci fara a exista
depozit de materie prima in palnia de alimentare, a fost necesara
proiectarea si executia unui dozator care sa asigure dozarea uniforma si
continua a materiilor prime, in functie de debitul acestuia, debit care
este determinat de turatia melcilor;
- Dozatorul volumetric nu
permite alimentarea continua si uniforma cu compozitia de amidon,
glicerina si apa, gata amestecate;
- Solutia aleasa a fost
alimentarea extruderului in doua puncte: amidonul, in palnia de
alimentare, cu ajutorul dozatorului iar amestecul de plastifianti la o
distanta de 170 mm de palnia de alimentare, cu ajutorul unei pompe
dozatoare. De mentionat ca extruderul permite acest lucru, fiind dotat cu
un stut pentru alimentarea cu lichide;
- Aplicarea acestei solutii a condus la
realizarea, pe baza adoua retete diferite, a doua sortimente de produse
expandate de forma cilindrica, cu sectiune constanta;
- Temperaturile de functionare
ale zonelor extruderului au fost stabilite pe baza rezultatelor analizelor
termofizice ale amestecurilor, efectuate prin metoda DSC;
- Caracterizarea
fizico-mecanica a celor doua categorii de ambalaje de protectie a scos in
evidenta o rezistenta la intindere si compresiune comparabile cu cele din
literature de specialitate. Proba de rezilienta a indicat insa o
fragilitate ridicata la probele prelevate din extrudatul cu un continut
scazut de glicerina.
- Analizele de structura,
efectuate prin tehnicile SEM si AFM au aratat o structura diferita a
probelor realizate pe baza celor doua retete, observandu-se o imbunatatire
a structurii si elasticitatii odata cu cresterea continutului de glicerina
din amestec;
- Incercarile de
biodegradabilitate au aratat un continut de bioxid de carbon in probe de
87% si o biodegradabilitate de 30% dupa 90 de zile.
- Pe baza rezultatelor acestei
etape, cercetarile urmeaza sa fie aprofundate in etapa urmatoare, etapa de
definitivare a tehnologiei de fabricare si control a ambalajelor biodegradabile
extrudate pe baza de amidon, prin completarea retetelor cu alti componenti
care sa asigure un produs corespunzator cerintelor pietii.
Etapa IV
Obiectivul principal al etapei IV a fost definitivarea tehnologiei de fabricare a
ambalajului de protectie antisoc biodegradabil.
Concluziile
rezultate in urma desfasurarii acestei etape sunt urmatoarele:
- Tehnologia aplicata permite
obtinerea unui ambalaj biodegradabil de protectie antisoc din urmatoarele
materii prime: amidon, glicerol si apa, utilizate in proportii bine
stabilite si definite de proprietati fizico-chimice si organoleptice
specifice;
- Echipamentele tehnice
utilizate in vederea obtinerii ambalajului prin tehnologia prezentata
permit realizarea succesiva a fazelor de executie specifice procesului tehnologic si realizarea si
mentinerea parametrilor de lucru (debit, temperatura si presiune) in toate
cele sase zone ale extruderului, asigurand conditiile necesare pentru
realizarea unui produs finit de calitate;
- Temperaturile de functionare
ale zonelor extruderului au fost stabilite pe baza rezultatelor analizelor
termofizice ale amestecului, efectuate prin metoda DSC;
- Tehnologia de fabricatie
aplicata a condus la realizarea, pe baza de reteta, a unui produs expandat
biodegradabil corespunzator scopului propus.
Etapa a V-a
A avut ca
obiective:
o definitivarea
tehnologiei de control a materiilor
prime si ambalajelor de protectie biodegradabile.
o comunicarea
si publicarea nationala si internationala a rezultatelor.
Concluziile rezultate in
urma desfasurarii acestei etape sunt urmatoarele:
·
Tehnologia de
analiza de structura si termica prevede utilizarea a două grupe de metode:
o metode de microscopie: microscopia electronică de
baleiaj, SEM, si microscopia de forta atomica, AFM
o analiza termică instrumentalizată a
materialelor: analiza calorimetrică dinamică (de baleiaj)
diferenţială, DSC.
·
Procentul de biodegradare
inregistrat pe durata experimantarilor si determinat prin metoda TIC-AS s-a
situat în jurul valorii de 56,5%. In consecinta, biopolimerii ce provin din
resurse regenerabile sunt biodegradabili, pot fi compostati cu usurinta, nu
contribuie la cresterea bioxidului de carbon atmosferic, asigurand astfel un sistem de management al
reziduurilor in vederea protejarii mediului;
·
Rezultatele
obtinute confirma posibilitatea realizarii prin aceasta tehnologie a
ambalajelor şi elementelor de protecţie antişoc, biodegradabile,
utilizand ca materie prima de baza amidonul autohton;
·
Mijloacele utilizate in
vederea diseminarii pe scara larga (pagina web, CD, prezentare PP, 6 lucrări stiintifice comunicate la Simpozioane,
Conferinte si Workshopuri nationale si internationale de specialitate, 11
lucrări publicate în reviste stiintifice de profil, permit
comunicarea la nivel naţional şi internaţional a rezultatelor
cercetarilor intreprinse pe durata desfasurarii proiectului.
REZULTATUL FINAL AL PROIECTULUI
Tehnologie de fabricatie, control si analiza a ambalajelor si elementelor de protectie
antisoc, biodegradabile, din amidon.
DATELE DE CONTACT ALE DIRECTORULUI DE PROIECT:
Dr. ing, Nicolae CIOICA - INMA BUCURESTI, Filiala
Cluj-Napoca
Tel./Fax: 0264418162
e-mail: inmacj@clicknet.ro; ncioica@yahoo.com