Quelle grandeur utiliser et quand ?
Mesures de perméabilité gazeuse pour la conservation des aliments emballés

1 - Introduction à l’emballage

• 1.1 - Limitation des transferts gazeux
• 1.2 - Emballage retenant une atmosphère modifiée : MAP ou sous vide
• 1.3 - Contrôle de la respiration des fruits et des légumes frais
  Figure 2 - Échanges gazeux par perméation à travers l’emballage

2 - Théorie de la diffusion : états transitoire et stationnaire

Tableau 1

• 2.1 - Coefficient de perméabilité …
  Tableau 2 Tableau 3
• 2.2 - Activation des phénomènes de perméation par la température
  Figure 7 - Le coefficient de perméabilité est fonction de la température Figure 8 - La stérilisation dans une autoclave nécessite un séchage pour que les emballages recouvrent leurs propriétés de barrière à l’O2. Tableau 4
• 2.3 - Sélectivité gazeuse
• 2.4 - Phénomènes de plastification par le CO2 ou par l’eau
  Figure 9 - Le transport d’un gaz peut dépendre de la concentration locale en plastifiant (ici, l’eau)

3 - Modulation des Pe

• 3.1 - Principaux facteurs contrôlant le coefficient de perméabilité
  Figure 10 - Les thermoplastiques sont une classe de matériaux divisés en deux familles les amorphes (absence d’ordre ou de zones cristallines) et les semi-cristallins (présence de zones cristallines à chaines repliées et de désordre). Quand la température augmente, les forces intermoléculaires (liaisons de Van der Waals et hydrogène, s’il y a lieu) s’affaiblissent, car l’agitation thermique provoque un éloignement des chaînes (dilatation). L’énergie des forces faibles décroît, car elle est inversement proportionnelle à la distance intermoléculaire à la puissance 6. C’est le passage de la température de transition vitreuse : les chaînes se mettent en mouvement (mouvements globaux), pour quitter l’état vitreux et entrer dans l’état caoutchoutique. Ces mouvements profitent à la diffusion du perméat, qui migre plus aisément à l’état caoutchoutique (macromolécules mobiles). Pour les matériaux semi-cristallins, la fraction semi-cristalline reste immobile (le matériau a une température d’usage située sous la température de transition vitreuse ou entre celle-ci et la température de fusion) Tableau 5
• 3.2 - Modèle série d’emballage complexe
• 3.3 - Modèle parallèle ou contribution de divers éléments d’un emballage
• 3.4 - Nature du perméat et nature du polymère

4 - Cartographies : transferts d’eau, de O2 et de CO2

• 4.1 - Modèles eau et oxygène
• 4.2 - Propriétés barrière requises par typologie de produits alimentaires
  Figure 11 - Composition de l’atmosphère modifiée recommandée pour la conservation de quelques fruits et légumes [3] Figure 12 - Exigences en matière d’emballage pour certaines denrées alimentaires. En pointillés, le domaine des produits dits sensibles [10] [11] Figure 13 - Cartographies des transferts de O2 et de H2O pour des polymères monocouches (échelle de gauche pour un film de 100 μm d’épaisseur) [12]. Un complexe PE/PA (même épaisseur) est positionné (approximativement) au point de convergence des flèches vertes (le matériau le plus barrière contrôle le flux du complexe). Figure 14 - Propriétés barrières O2 et eau des matériaux métallisés classiques

5 - Quelle grandeur utiliser et quand ?

• 5.1 - Quantité transportée Q, OTR, WVTR, perméance, géométrie et temps
  Tableau 6
• 5.2 - Outils accessibles de calculs ou de dimensionnement

6 - Techniques de mesures et unités

• 6.1 - Appareillages commerciaux à balayage gazeux
  Figure 15 - Principe du perméamètre à balayage dynamique de gaz. Il faut un perméamètre par type de gaz testé. Le matériel est immobilisé pour un film ou un emballage donné (duplicat) de un jour à une semaine. Le perméamètre procède en deux étapes. Ces perméamètres fonctionnent avec un différentiel constant de pression partielle en O2 et un différentiel de pression totale nul.
• 6.2 - Appareillages commerciaux à remontée de pression
  Figure 16 - Perméamètre à remontée de pression. Un seul gaz est au contact de la membrane, ici l’O2, mais tous les gaz peuvent être testés séparément en procédant en deux étapes successives. La résistance mécanique de la membrane à ces deux étapes est déterminante Figure 17 - Une nouvelle génération complète les dispositifs de mesures de perméabilité à l’O2. Un capteur luminescent (taille d’un confetti) est collé à l’intérieur d’une cellule où il peut être lu quelques milliers de fois par un optode (fibre optique). En effet, le capteur est composé de substances fluorescentes excitées dont le temps de vie de fluorescence est lié à la teneur locale en O2. Figure 18 - Capteurs luminescents apposés à l’intérieur d’un sachet (lors du conditionnement) : l’échantillon et l’espace de tête peuvent être analysés
• 6.3 - Montages de laboratoire par accumulation de perméat
• 6.4 - Convertir pour comparer
  Tableau 7

7 - Contribution des fuites ou des perforations

• 7.1 - Micro et macroperforations intentionnelles
  Figure 20 - Microperforation d’un emballage plastique Tableau 8
• 7.2 - Perméation ou transport via les fuites
  Figure 21 - Transport des gaz et des vapeurs par des fuites

8 - Prédire une durée de vie contrôlée par les transports gazeux

Tableau 9

• 8.1 - Modes de vieillissement accéléré
• 8.2 - Vieillissement thermique ou vieillissement accéléré par la température
• 8.3 - Vieillissement accéléré sous pression partielle augmentée : cas d’O2
  Figure 23 - Vieillissement accéléré par augmentation de la pression partielle de O2 transmembranaire. Pour un même système emballage/produit, on a représenté en vert le flux et le vieillissement en condition réelle (différence de pression partielle transmembranaire de 0,2 bar), et en violet le flux et le vieillissement en condition accélérée (différence de pression partielle transmembranaire accélérée de 1 bar), en négligeant le régime transitoire. Tableau 10
• 8.4 - Vieillissement accéléré sous pression partielle et température augmentées : cas de l’eau
  Figure 24 - Facteur d’accélération atteint sous une différence de pressions partielles d’eau augmentée Figure 25 - Facteur d’accélération atteint en condition de vieillissement accéléré par la température et l’augmentation de différences de pressions partielles d’eau. L’essai global se divise en trois tests. Trois co-facteurs composent le facteur global d’accélération : 1,77 pour l’augmentation des Pe (pour l’exemple, 0,33 g.cm.m2.j–1.atm–1 à 30°C contre 0,18 à 20°C [13]) ; 1,8 pour le rapport des pressions de vapeur d’eau saturante à 30 et 20°C (42,4 et 23,4 mbar respectivement) ; 2 pour le rapport des ΔHR (figure 24).

9 - Conclusion