Il packaging per l'ortofrutta a Km 0 - Studio per un servizio di filiera corta a contatto con il consumatore nella città di Bologna.

Partendo da un progetto su un servizio di trasporto di beni ortofrutticoli tramite bus, il mio progetto di tesi è andato a concentrarsi sui contenitori in cui si collocano frutta e verdura, tenendo in particolare considerazione la protezione degli stessi e un trasporto facilitato da parte dell'utente. Nel documento sono inoltre presenti la relazione del tirocinio svolto presso Open Project S.r.l. e la spiegazione sul progetto del portfolio lavori.

Analisi e ottimizzazione del flusso di approvvigionamento in una produzione su commessa: il caso CT Pack S.r.l.

La tesi ha l'obiettivo di analizzare e ottimizzare i flussi di approvvigionamento in un'azienda che produce su commessa: CT Pack S.r.L, specializzata nella realizzazione di macchine automatiche per il packaging di biscotti, gelato e cioccolato. Per raggiungere l'obiettivo si è preso come riferimento il modello proposto dal BPR (Business Process Reengineering): sono stati analizzati i principali attori coinvolti, in particolare fornitori e magazzino, mediante l'uso di KPI definiti ad hoc. Sulla base di questi sono stati individuati due processi critici: il primo riguarda la gestione del magazzino, che presenta un'elevata quantità di codici non movimentati anche a causa del processo di gestione del materiale avanzato al termine di ciascuna commessa; il secondo riguarda il materiale a consumo, che impiega i magazzinieri per un tempo eccessivo, è caratterizzato da giacenze per il 30% non movimentate e da supermarket collocati in officina ridondanti e caratterizzati da bassi tassi di utilizzo (anche sotto il 50%). Per risolvere questi problemi ed effettuare una riprogettazione si fa affidamento agli strumenti proposti dal project management: si imposta quindi un progetto che ha l'obiettivo di ridurre nel breve periodo il valore di magazzino mediante lo smaltimento attraverso diverse vie di codici non utilizzati e agisce nel lungo periodo per evitare che le criticità si ripropongano. Mediante la riprogettazione della gestione dei resi di produzione si prevede un maggior controllo, grazie al lavoro congiunto di ufficio tecnico e ufficio acquisti. La nuova gestione del materiale a consumo ha in se alcune delle tecniche proposte dalla lean production (il kanban, per esempio) e integra il fornitore nella catena di approvvigionamento, garantendo un maggior controllo sulle quantità, un risparmio di circa 7 h/mese di lavoro per i magazzinieri e una riduzione delle giacenze del 46%.

Nuovo copoliestere multiblocco a base di acido 2,5-furandicarbossilico contenente sequenze PEG-like per la realizzazione di film compostabili per il packaging flessibile ecosostenibile

La società civile pone oggi particolare attenzione al tema della sostenibilità ambientale, di qui la crescente necessità di progettare e sviluppare imballaggi ecosostenibili e/o biodegradabili con elevate prestazioni. I materiali polimerici, in particolare i poliesteri, presentano sicuramente una valida soluzione. Un monomero proveniente da fonti rinnovabili che consente la realizzazione di polimeri dalle eccellenti proprietà meccaniche e barriera è l'acido 2,5-furandicarbossilico. Tuttavia, i poliesteri furan-based non possiedono le caratteristiche di biodegradabilità desiderate, inoltre sono materiali duri e fragili e quindi non idonei per l’imballaggio flessibile. In tale contesto si inserisce il presente lavoro di tesi che ha come scopo la realizzazione di un nuovo poli(estere uretano) multiblocco a base di acido 2,5-furandicarbossilico, caratterizzato da proprietà migliorate rispetto all’omopolimero di partenza (poli(esametilene 2,5-furanoato)), il quale presenti una maggiore velocità di degradazione, combinata con un comportamento meccanico elastomerico, e eccellenti proprietà barriera. Per questo sono state prese in considerazione due diverse unità copolimeriche: una cosiddetta “hard” il poli(esametilene 2,5-furanoato) e l’altra “soft” il poli(trietilene 2,5-furanoato). L’alternanza di queste due porzioni ha permesso di realizzare un copolimero tenace, con un’elevata temperatura di fusione (dovuta all’elevato grado di cristallinità del segmento hard), e con un basso modulo elastico ed un elevato allungamento a rottura (tipici invece del segmento soft). I risultati ottenuti hanno evidenziato come la copolimerizzazione abbia aumentato la flessibilità del materiale, la velocità di degradazione, entrambi grazie al ridotto grado di cristallinità. Infine il copolimero presenta eccellenti proprietà barriera, grazie alla presenza di una fase bidimensionale ordinata (mesofase).

Effective procedure for the optimization of the linear controller in an industrial drive for a nonlinear mechanism

Il progetto di tesi è incentrato sull’ottimizzazione del procedimento di taratura dei regolatori lineari degli anelli di controllo di posizione e velocità presenti negli azionamenti usati industrialmente su macchine automatiche, specialmente quando il carico è ad inerzia variabile in dipendenza dalla posizione, dunque non lineare, come ad esempio un quadrilatero articolato. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con l’azienda G.D S.p.A. ed il meccanismo di prova è realmente utilizzato nelle macchine automatiche per il packaging di sigarette. L’ottimizzazione si basa sulla simulazione in ambiente Matlab/Simulink dell’intero sistema di controllo, cioè comprensivo del modello Simulink degli anelli di controllo del drive, inclusa la dinamica elettrica del motore, e del modello Simscape del meccanismo, perciò una prima necessaria fase del lavoro è stata la validazione di tali modelli affinché fossero sufficientemente fedeli al comportamento reale. Il secondo passo è stato fornire una prima taratura di tentativo che fungesse da punto di partenza per l’algoritmo di ottimizzazione, abbiamo fatto ciò linearizzando il modello meccanico con l’inerzia minima e utilizzando il metodo delle formule di inversione per determinare i parametri di controllo. Già questa taratura, seppur conservativa, ha portato ad un miglioramento delle performance del sistema rispetto alla taratura empirica comunemente fatta in ambito industriale. Infine, abbiamo lanciato l’algoritmo di ottimizzazione definendo opportunamente la funzione di costo, ed il risultato è stato decisamente positivo, portando ad un miglioramento medio del massimo errore di inseguimento di circa il 25%, ma anche oltre il 30% in alcuni casi.

Nuovi copoliesteri statistici 100% biobased con eccellenti proprietà meccaniche e barriera, per un packaging ecosostenibile

L’incremento mondiale nel consumo di materie plastiche registrato negli ultimi ottant’anni, ha portato all’insorgere di diverse problematiche ambientali, legate allo smaltimento dei rifiuti e all’eccessivo sfruttamento dei giacimenti petroliferi. La situazione risulta particolarmente difficoltosa nel settore di massimo utilizzo delle plastiche: il food packaging. Una delle possibili soluzioni è l’utilizzo di bioplastiche, soprattutto quelle derivanti da biomassa. Fra queste, di particolare interesse sono i biopolimeri a base di acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), come il poli(butilene furanoato) (PBF) dotato di ottime proprietà meccaniche, termiche e barriera, ma caratterizzato al contempo da eccessiva rigidità. Il presente lavoro di Tesi Magistrale si propone di modulare le proprietà del PBF, mediante copolimerizzazione con acido isoftalico, monomero biobased e in grado di conferire buone proprietà barriera al materiale finale. I due monomeri aromatici, in diversa percentuale molare, sono stati polimerizzati con 1,4-butandiolo, ottenendo un sistema copolimerico poli(butilene furanoato-co-isoftalato) 100% biobased. I materiali sintetizzati sono stati sottoposti a caratterizzazione molecolare (1H-NMR, 13C-NMR e GPC), termica (TGA e DSC), diffrattometrica (WAXS), analisi meccanica e prove barriera. Essi hanno mostrato ottime proprietà meccaniche, con riduzione del modulo elastico e aumento dell’allungamento a rottura all’aumentare della percentuale di unità isoftalica impiegata, ottima stabilità termica (oltre 350°C) e proprietà barriera confrontabili con quelle dei polimeri di derivazione petrolchimica, attualmente utilizzati nel campo degli imballaggi. I risultati ottenuti mostrano come la copolimerizzazione abbia permesso di migliorare le proprietà non soddisfacenti del PBF, senza andare a detrimento di quelle già buone, nell’ottica dell’applicazione finale.

Determinazione gascromatografica di composti organici volatili e semi-volatili (VOCs e SVOCs) in poliolefine ed effetti delle condizioni di lavorazione

A relevant problem of polyolefins processing is the presence of volatile and semi-volatile compounds (VOCs and SVOCs) such as linear chains alkanes found out in final products. These VOCs can be detected by customers from the unpleasant smelt and can be an environmental issue, at the same time they can cause negative side effects during process. Since no previously standardized analytical techniques for polymeric matrix are available in bibliography, we have implemented different VOCs extraction methods and gaschromatographic analysis for quali-quantitative studies of such compounds. In literature different procedures can be found including microwave extraction (MAE) and thermo desorption (TDS) used with different purposes. TDS coupled with GC-MS are necessary for the identification of different compounds in the polymer matrix. Although the quantitative determination is complex, the results obtained from TDS/GC-MS show that by-products are mainly linear chains oligomers with even number of carbon in a C8-C22 range (for HDPE). In order to quantify these linear alkanes by-products, a more accurate GC-FID determination with internal standard has been run on MAE extracts. Regardless the type of extruder used, it is difficult to distinguish the effect of the various processes, which in any case entails having a lower-boiling substance content, lower than the corresponding virgin polymer. The two HDPEs studied can be distinguished on the basis of the quantity of analytes found, therefore the production process is mainly responsible for the amount of VOCs and SVOCs observed. The extruder technology used by Sacmi SC allows to obtain a significant reduction in VOCs compared to the conventional screw system. Thus, the result is significantly important as a lower quantity of volatile substances certainly leads to a lower migration of such materials, especially when used for food packaging.

Shelf Life Assessment of Fresh Poultry Meat Packaged in Novel Bionanocomposite of Chitosan Incorporated with ZnO nanoparticles synthesized using food industry by-products

Nel settore alimentare viene utilizzata un’elevata quantità di materie plastiche per conservare i prodotti e facilitarne la distribuzione. L’utilizzo di questi polimeri ha un costo ambientale piuttosto elevato, per questo trovare surrogati ecosostenibili diventa sempre più importante. In questa tesi abbiamo testato l’efficacia del confezionamento di un prodotto altamente deperibile, quale carne di pollo, con un biofilm a base di chitosano. Il chitosano è polisaccaride largamente presente in natura, dotato di caratteristiche chimico-fisiche che permettono l’ottenimento di un film con proprietà meccaniche e di barriera simili ai polimeri tradizionali, oltre a possedere attività antibatterica. Abbiamo realizzato film contenenti chitosano e altri biocomposti, quali montmorillonite, nanoparticelle di ossido di zinco e olio essenziale di rosmarino, per un totale di 6 film con diversa composizione. Tramite analisi microbiologiche e chimico-fisiche abbiamo confrontato l’efficacia dei diversi film prodotti rispetto ad un controllo (carne conservata in un contenitore asettico). Le analisi sono state svolte in doppio, a 0, 3, 7, 10, 15 giorni di conservazione ad una temperatura di 4°C. In diversi film abbiamo ottenuto una riduzione significativa rispetto al controllo (p<0,05) della conta totale dei microrganismi mesofili aerobici (TMAM) e delle Enterobacteriaceae. La rilevazione del pH e dell’acidità titolabile ha fornito risultati in linea a quelli microbiologici. I campioni nel biofilm hanno spesso subito una variazione significativa (p<0,05) dell’umidità rispetto al controllo, a causa dell’elevata permeabilità al vapore acqueo. L’analisi dei TBARS non ha spesso riportato differenze significative rispetto al controllo (p>0,05), e quando presenti, è perché il campione era più ossidato del controllo (p<0,05). Invece, è stato ottenuto un miglioramento significativo (p<0,05) dello Hue angle tra i film e il controllo. I risultati ottenuti forniscono le basi per studi aggiuntivi.

Nuovo copolimero multiblocco a base di acido polilattico e acido 2,5-furandicarbossilico 100% biobased e compostabile per packaging sostenibile

Questo progetto di tesi sperimentale è incentrato sulla sintesi di un copolimero multiblocco alifatico/aromatico a partire da reagenti aventi origine da fonti rinnovabili. L’applicazione proposta per il prodotto è nell’ambito del packaging sostenibile. E’ stato prima sintetizzato il poli(pentametilene furanoato) idrossil-terminato (PPeF-OH) a partire dall’acido 2,5-furandicarbossilico; esso è stato poi sottoposto ad una reazione di estensione di catena con acido poli-L-lattico (PLLA) parzialmente depolimerizzato. L’innovativa strategia di sintesi utilizzata è in linea con i principi della green chemistry, partendo da building block bio-based ed evitando l’uso di solventi. Il copolimero finale, definito P(LLA50PeF50)-CE, è stato caratterizzato dal punto di vista molecolare, strutturale e termico attraverso, rispettivamente, analisi NMR e GPC, WAXS, TGA e DSC. Sono state anche effettuate prove a trazione, test delle proprietà barriera e valutazione della compostabilità. I risultati dimostrano che la stabilità termica del PLLA è stata migliorata, determinando anche un allargamento della finestra di processabilità del materiale; la rigidità e la fragilità del PLLA sono state ridotte, rendendo il nuovo materiale idoneo alla realizzazione di film per imballaggi flessibili. La permeabilità all’ossigeno del PLLA è stata migliorata del 40% circa e un analogo miglioramento è stato riscontrato anche rispetto all’anidride carbonica. Infine, la compostabilità del PLLA non è stata compromessa.

Natural Wax-Based Water Vapour Barrier Coatings on PLA for MAP Food Packaging

PLA is a bio-based polymer that is obtained from renewable resources and it is very promising for a sustainable packaging manufacturing. However, its gas and vapour barrier properties are not enough to comply with the requirements of MAP packaging of fresh foods, which need specific concentration of water and oxygen to avoid spoilage and to keep the organoleptic properties unaltered throughout their shelf-life. The use of waxes from natural renewable sources such as plants (e.g., candelilla wax, carnauba wax, rice bran wax, sunflower wax) or animals (e.g., beeswax) could tackle down the permeation of water vapour through the packaging without affecting its bio-based content. The core of this work is developing wax-based coatings with enhanced thermo-mechanical properties so that they can undergo thermoforming and a proper adhesion to the PLA substrate can be ensured. Chemical modifications and crosslinking of waxes are performed to produce wax-based alkyd resins. The synthesised materials are characterised both by DSC and FTIR. Films of the wax-based alkyds are produced in order to assess their water vapour permeability.

Nuovi copoliesteri statistici cicloalifatici contenenti acido canforico per applicazioni nel food packaging

Il presente progetto di Tesi ha come obiettivo il design di nuovi copolimeri statistici bio-based, caratterizzati da idonee proprietà meccaniche e barriera per impieghi come film sottili nell’imballaggio alimentare. I materiali sintetizzati appartengono alla classe dei poliesteri alifatici, caratterizzati dalla facilità di sintesi in assenza di solventi, relativamente economici, caratterizzati da proprietà modulabili in funzione della struttura chimica. Come omopolimero di partenza è stato scelto il poli(butilene trans-1,4-cicloesanoato) (PBCE), un poliestere potenzialmente bio-based con elevata resistenza ad alte temperature, umidità, radiazioni UV e buone proprietà meccaniche e barriera, e, benchè non ancora disponibile in commercio, molto interessante. Esso risulta troppo rigido per la realizzazione di film flessibili. Il PBCE è stato quindi copolimerizzato introducendo l’(1R,3S)-(+)-Acido Canforico, un monomero bio-based ottenibile dalla canfora. L’obiettivo del lavoro è modulare la cristallinità, le proprietà termiche, meccaniche e barriera dell’omopolimero di partenza. Dopo la sintesi, effettuata mediante policondensazione in massa a due stadi, tali copolimeri sono stati sottoposti a caratterizzazioni molecolari, termiche e meccaniche per valutare l’effetto dell’introduzione di comonomero nella catena macromolecolare del PBCE.

Polyhydroxyalkanoates production from salted food waste using mixed microbial cultures.

Plastic is an essential asset for the modern lifestyle, given its superiority as a material from the points of view of cost, processability and functional properties. However, plastic-related environmental pollution has become nowadays a very significant problem that can no longer be overlooked. For this reason, in recent decades, the research for new materials that could replace fossil fuel-based plastics has been focused on biopolymers with similar physicochemical properties to fossil fuel-based plastics, such as Polyhydroxyalkanoates (PHA). PHAs are a family of biodegradable polyesters synthesized by many microorganisms as carbon and energy reserves. PHA appears as a good candidate to substitute conventional petroleum-based plastics since it has similar properties, but with the advantage of being biobased and biodegradable, and has a wide range of applications (e.g., packaging). However, the PHA production cost is almost four times higher (€5/kg) than conventional plastic manufacturing. The PHA production by mixed microbial cultures (MMC) allows to reduce production costs as it does not require aseptic conditions and it enables the use of inexpensive by-products or waste streams as these cultures are more amenable to deal with complex feedstocks. Saline wastewaters (WWs), generated by several industries such as seafood, leather and dairy, are often rich in organic compounds and, due to a strong salt inhibition, the biological treatments are inefficient, and their disposal is expensive. These saline WWs are a potential feedstock for PHA production, as they are an inexpensive raw material. Moreover, saline WWs could allow the utilization of seawater in the process as dilution and cleaning agent, further decreasing the operational costs and the environmental burden of the process. The main goal of the current project is to assess and optimize the PHA production from a mixture of food waste and brine wastewater from the fishery industry by MMC.

Computer vision in aseptic pharmaceutical manufacturing: a deep learning-based approach to vial inspection and pack formation during a lyophilizer loading cycle

Vision systems are powerful tools playing an increasingly important role in modern industry, to detect errors and maintain product standards. With the enlarged availability of affordable industrial cameras, computer vision algorithms have been increasingly applied in industrial manufacturing processes monitoring. Until a few years ago, industrial computer vision applications relied only on ad-hoc algorithms designed for the specific object and acquisition setup being monitored, with a strong focus on co-designing the acquisition and processing pipeline. Deep learning has overcome these limits providing greater flexibility and faster re-configuration. In this work, the process to be inspected consists in vials’ pack formation entering a freeze-dryer, which is a common scenario in pharmaceutical active ingredient packaging lines. To ensure that the machine produces proper packs, a vision system is installed at the entrance of the freeze-dryer to detect eventual anomalies with execution times compatible with the production specifications. Other constraints come from sterility and safety standards required in pharmaceutical manufacturing. This work presents an overview about the production line, with particular focus on the vision system designed, and about all trials conducted to obtain the final performance. Transfer learning, alleviating the requirement for a large number of training data, combined with data augmentation methods, consisting in the generation of synthetic images, were used to effectively increase the performances while reducing the cost of data acquisition and annotation. The proposed vision algorithm is composed by two main subtasks, designed respectively to vials counting and discrepancy detection. The first one was trained on more than 23k vials (about 300 images) and tested on 5k more (about 75 images), whereas 60 training images and 52 testing images were used for the second one.

Development and scale-up studies of bio-based poly(ester-amide)s

Plastics are polymers of conventional and extensive use in our day-to-day life. This is due to their light weight, adaptability to different uses and low prices. A downside of such extensive use is the environmental pollution arising from plastic production and disposal. Indeed, many commodity polymers are produced from non-renewable resources while other do not bio-degrade after their end-of-life disposal. Consequently, the ideal polymer comes from renewable raw materials and bio-degrades after its disposal, meaning that it would do little or no harm to the environment from the beginning to the end of its life cycle. In this thesis project a class of bio-based and bio-degradable co-polymers, namely poly(ester-amide)s, was investigated because of their tunable mechanical and bio-degradation properties as well as their renewable origin. Such polymers were synthetized and characterized thermically and mechanically. Furthermore, a scale-up procedure was developed and applied to one polymer and processing trials were made with the material obtained after scale-up.

Efficientamento dell'attività di repackaging e del flusso logistico interno in uno stabilimento produttivo. Il caso Whirlpool EMEA S.p.A.

Tra le finalità della logistica vi è la riduzione del Material Handling che ha come ambizione la consegna diretta del materiale dal fornitore alle linee di produzione. Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo quello di attaccare determinate perdite messe in luce dal Cost Deployment Logistico, attraverso un progetto mirato, all’interno dello stabilimento produttivo di Whirlpool EMEA S.p.A. a Melano. Le perdite in questione riguardano l’inefficienza del flusso logistico interno relativo alle linee che producono piani cottura gas. In particolare, il Kaizen messo in atto va ad eliminare dal ciclo di lavoro dei repacker, alcune operazioni di riconfezionamento interno, che vengono riassegnate, in funzione della conformazione del packaging primario e secondario delle famiglie di componenti, rispettivamente agli operatori tuggeristi e carrellisti. In questo modo viene da un lato evitato il tocco superfluo di un operatore con conseguente riduzione del tempo di movimentazione totale di alcune famiglie di componenti, dall’altro vi è un maggior bilanciamento della saturazione di tutte le figure coinvolte nel processo di consegna materiale in senso lato. Il progetto ha portato dunque a una ridistribuzione delle attività tra gli operatori logistici coinvolti con conseguente necessità di un relayout delle aree picking gas. Grazie al progetto è stato diminuito il monte ore necessario all’attività di repackaging con corrispondente risparmio economico annuo. Il lavoro si è occupato anche dell’implementazione di un’automazione: due robot AMR. Gli AMR robot, oltre a permettere il raggiungimento degli obiettivi economici, hanno portato ad una migliore configurazione del ciclo dei tuggeristi, che risulta ridotto in termine di percentuale di operazioni a non valore aggiunto (NVAA).

Life cycle assessment (lca) of six separation methods of polyethylene and aluminum in tetra pak

In food and beverage industry, packaging plays a crucial role in protecting food and beverages and maintaining their organoleptic properties. Their disposal, unfortunately, is still difficult, mainly because there is a lack of economically viable systems for separating composite and multilayer materials. It is therefore necessary not only to increase research in this area, but also to set up pilot plants and implement these technologies on an industrial scale. LCA (Life Cycle Assessment) can fulfil these purposes. It allows an assessment of the potential environmental impacts associated with a product, service or process. The objective of this thesis work is to analyze the environmental performance of six separation methods, designed for separating the polymeric from the aluminum fraction in multilayered packaging. The first four methods utilize the chemical dissolution technique using Biodiesel, Cyclohexane, 2-Methyltetrahydrofuran (2-MeTHF) and Cyclopentyl-methyl-ether (CPME) as solvents. The last two applied the mechanical delamination technique with surfactant-activated water, using Ammonium laurate and Triethanolamine laurate as surfactants, respectively. For all six methods, the LCA methodology was applied and the corresponding models were built with the GaBi software version 10.6.2.9, specifically for LCA analyses. Unfortunately, due to a lack of data, it was not possible to obtain the results of the dissolution methods with the solvents 2-MeTHF and CPME; for the other methods, however, the individual environmental performances were calculated. Results revealed that the methods with the best environmental performance are method 2, for dissolution methods, and method 5, for delamination methods. This result is confirmed both by the analysis of normalized and weighted results and by the analysis of 'original' results. An hotspots analysis was also conducted.