Serdeczne podziękowania składam

2

Serdeczne podziękowania składam Promotorowi Panu dr. hab. inż. Andrzejowi Tomporowskiemu, za motywację i pomoc w określeniu właściwego kierunku badań oraz za wsparcie i życzliwość okazaną mi podczas pisania tej pracy.

Dziękuję również mojej Promotor Pomocniczej Pani dr. hab. Katarzynie Markowskiej, za wyrozumiałość i wsparcie merytoryczne i duchowe, jak też cenne uwagi.

Wyrażam wielką wdzięczność Panu Prof. dr. hab. inż. Józefowi Flizikowskiemu za pomoc i rady podczas prowadzenia eksperymentów oraz cenne sugestie i wskazówki dotyczące prawidłowej interpretacji wyników.

Dziękuję również Panu dr. inż. Robertowi Kasnerowi za pomoc przy analizie i interpretacji wyników.

Wyrazy wszelkiej wdzięczności kieruję do P.T. Pracowników przedsiębiorstwa produkcyjnego w którym realizowałam badania przemysłowe, w szczególności zaś dziękuję: Panu Piotrowi Balcerzakowi, Panu Tomaszowi Banaszakowi, Panu Januszowi Czaczykowi, Pani Magdalenie Rychlickiej.

Szczególne słowa podziękowania kieruję do moich najbliższych: Rodziców i Męża za ogromną życzliwość, wsparcie i motywację.

3

Spis treści

STRESZCZENIE ... 5

SUMMARY ... 6

PODSTAWOWE OZNACZENIA ... 7

INDEKSY ... 8

STOSOWANE SKRÓTY ... 8

PODSTAWOWE OKREŚLENIA ... 9

1. Wprowadzenie ... 10

1.1. Tło i problematyka pracy ... 10

2. Aktualny stan wiedzy i praktyki w zakresie oceny skuteczności kształtowania butelek do napojów ... 13

2.1. Wprowadzenie w problematykę badawczą ... 13

2.2. Zarządzanie cyklem życia opakowań ... 16

2.3. Funkcje opakowań ... 18

2.4. Konstrukcyjne cechy materiałowe opakowań ... 21

2.5. Skuteczność wybranych faz przetwórstwa pierwotnego i wtórnego ... 22

2.6. Skuteczność doboru technik ochrony środowiskowej w przemyśle spożywczym ... 26

3. Cel i problem pracy ... 31

4. Metody oceny skuteczności kształtowania opakowań ... 33

4.1. Metodyka badawcza ... 33

4.1.1. Metody badań fenomenów ... 34

4.1.2. Metody badań produkcyjnych ... 39

4.1.3. Metody badań cyfrowych ... 40

4.1.3.1. Wprowadzenie do metody oceny cyklu życia (LCA) ... 40

4.1.3.2. Niepewność w modelowaniu stochastycznym metodyki LCA ... 43

4.1.3.3. Określenie celu i zakresu analizy ... 46

4.1.3.4. Zakres prowadzonej analizy ... 46

4.1.3.5. Funkcja i jednostka funkcjonalna ... 46

4.1.3.6. Granice przyjętego systemu ... 47

4.1.3.7. Alokacja danych ... 47

4.1.3.8. Analiza zbioru wejść i wyjść (LCI) ... 47

4.1.3.9. Ocena wpływu cyklu życia (LCIA) ... 49

4.1.3.10.Metoda ReCiPe 2016 ... 49

4.1.4. Analiza niepewności wg metody Monte Carlo... 55

5. Kryteria oceny uciążliwości ekologicznej procesu powstawania butelek ... 56

5.1. Model zapotrzebowania na moc w procesie skutecznego kształtowania butelek do napojów ... 58

5.2. Model wydajności masowej procesu kształtowania produktów użytecznych i nieużytecznych ... 59

5.3. Model jednostkowego zużycia energii procesu kształtowania produktów użytecznych i nieużytecznych ... 60

5.4. Model skuteczności materiałowej pozytywnej i negatywnej procesu kształtowania butelek do napojów ... 61

5.5. Model oceny negatywnego nadmiaru produkowanego produktu ... 62

5.6. Model skumulowanej ilości generowanych braków powstałych podczas procesu kształtowania butelek do napojów... 63

5.7. Model całkowity procesu kształtowania butelek ... 65

6. Charakterystyka obiektu badań ... 68

4

7. Wyniki i analiza kształtowania butelek do napojów ... 88

7.1. Wyniki badań fenomenów ... 88

7.2. Wyniki badań produkcyjnych ... 90

7.3. Wyniki badań cyfrowych ... 95

7.4. Analiza niepewności metodą Monte Carlo ... 127

8. Zalecenia doskonalące w procesie skutecznego kształtowania butelek do napojów ... 141

9. Podsumowanie ... 143

10. Wnioski ... 145

10.1. Wnioski poznawcze ... 145

10.2. Wnioski aplikacyjne ... 147

10.3. Wnioski do dalszych badań ... 147

Literatura ... 149

SPIS TABEL ... 155

SPIS RYSUNKÓW ... 157

SPIS ZAŁĄCZNIKÓW ... 160

ZAŁĄCZNIKI ... 162

Załącznik 1: Wyniki porównań charakteryzowania następstw środowiskowych w metodzie ReCiPe 2016 ... 163

Załącznik 2: Wyniki charakteryzowania procesu kształtowania butelek wg metody Monte Carlo ... 190

Załącznik 3: Wyniki charakteryzowania procesu kształtowania butelek wg metody Monte Carlo dla DOI = 5 ... 193

Załącznik 4: Wyniki histogramów prawdopodobieństwa procesu kształtowania butelek PLA ... 194

Załącznik 5: Wyniki histogramów prawdopodobieństwa procesu kształtowania butelek PET ... 198

5

Patrycja Bałdowska-Witos

Ocena skuteczności materiałowej wybranych faz cyklu produkcyjnego kształtowania butelek do napojów z PET i PLA

STRESZCZENIE

Przedstawiona rozprawa doktorska została poświęcona zagadnieniom analizy, badań i oceny skuteczności materiałowej procesów wytwórczych maszyn i urządzeń. Celem szczegółowym były: poznanie, analiza i rozwój materiałowych skutków pozytywnych i negatywnych operacji jednostkowych procesu kształtowania butelek do napojów oraz próba opisania wpływu tego procesu na stan i przemiany środowiska naturalnego. Przedstawiono tło i genezę podjętej tematyki oraz zakres analizowanych zagadnień. Zaprezentowano aktualny stan wiedzy o zarządzaniu cyklem życia opakowań oraz skuteczności ich kształtowania. Dokonano charakterystyki metody badań oceny skuteczności materiałowej wybranych faz cyklu produkcyjnego kształtowania butelek do napojów wytworzonych z PET i PLA. Proces technologiczny zdekomponowanego do sześciu operacji technologicznych: poboru, nagrzewania, rozciągania, ciśnieniowego kształtowania preform oraz do odgazowania i chłodzenia ukształtowanych butelek. W oparciu o zastosowaną metodę oceny cyklu życia tworzyw oraz przeprowadzoną analizę statystyczną i merytoryczną otrzymanych rezultatów, dokonano wyboru parametrów przetwórstwa tworzyw gwarantujących wysoką jakość produktu (butelek), wysoką efektywność procesu (w tym skuteczność kształtowania butelek), nieszkodliwość produktu (butelek) i procesu (od wytwarzania, poprzez użytkowanie, aż do recyklingu). Na przykładzie przyjętego procesu produkcyjnego określono modele matematyczne: zapotrzebowania na moc dla produktów użytecznych i nieużytecznych, wydajności masowej produktów użytecznych i nieużytecznych, jednostkowego zużycia energii dla produktów celowych, emisji i szkodliwości, skuteczności materiałowej pozytywnej i negatywnej. Ponadto przeprowadzono symulację metodą Monte Carlo w odniesieniu do określonych kategorii wpływów środowiskowych. Zebrane wyniki danych przemysłowych oraz oszacowane wyniki badań cyfrowych pozwoliły zidentyfikować operacje technologiczne stanowiące obciążenia środowiskowe w całym cyklu istnienia rozdmuchiwarki butelek do napojów.

Wskazano ponadto dalsze kierunki prac oraz badań w zakresie ocen minimalizacji negatywnych wpływów środowiskowych dla procesów technologicznych przemysłu spożywczego.

6

Patrycja Bałdowska-Witos

Evaluating the material effectiveness of selected phases of the production cycle for shaping PET and PLA beverage bottles

SUMMARY

The focus of the doctoral dissertation presented is on the analysis, tests and assessment of the material effectiveness of machinery production processes. Specific objectives included: the identification, analysis and development of positive and negative material-related effects of specific operations within the process of blow moulding beverage bottles, as well as an attempt to describe the impact of this process on the condition and transformations of the natural environment. The background and the scope of the problems discussed is presented. The paper describes the current state of knowledge about the packaging materials life cycle and the effectiveness of moulding them. Characterised is the method of analysing the assessment of material-related effectiveness of selected phases in the production cycle of blow moulding PET and PLA beverage bottles. The blow moulding process is decomposed down to six technological operations: extrusion, heating, stretching, pressure shaping of pre-moulds, as well as degassing and cooling the moulded bottles. Based on the applied method of assessing the lifecycle of plastic materials, as well as the statistical and substantive analysis of the results, material processing parameters were selected so as to guarantee high quality of the product (bottles), high efficiency of the process (including the effectiveness of bottle moulding), as well as product (bottle) and process harmlessness (from production, through use, up to recycling). Based on the production process chosen for the analysis, the following mathematical models are defined: power demand for usable and non-usable products, mass efficiency of usable and non-usable products, unit energy consumption for target products, emission and harmfulness, positive and negative material efficiency.

Furthermore, a Monte Carlo simulation is used for certain categories of environmental impacts. The industrial data results obtained and the estimated results of digital analyses allow the identification of the technological operations that represent environmental loads throughout the entire life cycle of the beverage bottle blow moulding machine. Moreover, further directions of study are indicated to assess the minimizing of negative environmental impacts for technological processes in the food industry.

7

PODSTAWOWE OZNACZENIA

𝐶ℎ𝑃 - chłodzenie produktu

𝐶_𝐾𝑃 - ciśnieniowe kształtowanie preform 𝐶_𝑚 - cechy materiałowe

𝐶_𝑝 - cykl produkcyjny

𝐸𝑗_𝑚 - jednostkowe masowe zapotrzebowanie energii 𝐹_𝐶Ż - fazy cyklu życia

𝐽_𝑒𝑚𝑖 - jednostkowe emisje szkodliwości 𝐽_𝐸𝑄 - jednostkowe zużycie energii 𝐾𝐵 - kształtowanie butelek

𝑚_𝑄 - wydajność masowa produktów celowych 𝑚_𝑛𝑄 - wydajność masowa emisji i braków

𝑛_𝑇𝐾 - nowe tworzywo konstrukcyjne 𝑁𝑃 - nagrzewanie preform

𝑂𝑃 - odgazowanie preformy 𝑃𝑃 - pobór preform

𝑃_𝑝𝑙 - parametry pracy linii 𝑃_𝐶 - moc całkowita 𝑃_𝑢 - moc użyteczna 𝑃_𝑁−𝑢 - moc nieużyteczna

𝑅𝑊𝑃 - rozciąganie i wydłużanie preformy 𝑆_𝐾 - skuteczność kształtowania

𝑊_𝑖 - wydajność ilościowa 𝑊_𝑘 - wskaźnik

𝑊_𝑚 - wydajność materiałowa 𝑊_𝑃 - wydajność procesu 𝑍_𝑚 - zmienne

8

INDEKSY

CO2 - dwutlenek węgla SOx - tlenki siarki NOx - tlenki azotu NH3 - amoniak

SO2 - dwutlenek siarki CO - tlenek węgla

STOSOWANE SKRÓTY

AP - efekt zakwaszenia (acidication potential)

CAP - pakowanie w atmosferze kontrolowanej (controlled atmosphere packaging) CIP - myte na miejscu (clean in place)

EP - efekt eutrofizacji (eutrophisation potential)

GWP - potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (global warming potential)

IPCC - międzyrządowy zespół ds. zmian klimatu (intergovermential panel for climate changes)

ISO - międzynarodowa organizacja normalizacyjna (international organization for standardization)

LCA - analiza pełnego cyklu istnienia (life cycle assessment) LCI - analiza zbioru w cyklu życia (life cycle inventory)

LCIA - ocena wpływu cyklu życia (life cycle impact assessment)

MAP - pakowanie w atmosferze modyfikowanej (modified atmosphere packaging) MC - Monte Carlo

9

PODSTAWOWE OKREŚLENIA

Ocena – określenie zakresu skuteczności analizowanego procesu, dokonywana w wyniku prowadzonych analiz.

PLA – polilaktyd (poli(kwas mlekowy), PLA z ang. polylactic acid, polylactide) – polimer należący do grupy poliestrów alifatycznych. Jest w pełni biodegradowalny.

Otrzymuje się go z odnawialnych surowców naturalnych, takich jak np.: mączka kukurydziana.

PET – związek o nazwie poli(tereftalan etylenu); termoplastyczny polimer z grupy poliestrów stosowany na dużą skalę do produkcji włókien syntetycznych i butelek do napojów.

Skuteczność – określana jako kryterium operacyjne związane z organizacją, przebiegiem i uzyskiwaniem użytecznych i nieużytecznych produktów działania.

Materiały – dane wejściowe do procesu produkcyjnego kształtowania butelek m.in.

surowce używane do produkcji, odpady poprodukcyjne oraz towarzyszące im emisje związków.

Fazy cyklu produkcyjnego – etapy formułowania potrzeb, projektowania, konstruowania, wytwarzania, inwestowania, użytkowania, obsługiwania, zasilania, zagospodarowania poużytkowego przez recykling i/lub składowanie.

Butelka tworzywowa i jej kształtowanie – rodzaj naczynia, najczęściej z tworzywa polimerowego. Ma kształt walca zamkniętego u dołu, a u góry stożkowato zwężającego się tak, że tworzy otwarty wylot butelki. Szyjka ma znacznie mniejszą średnicę niż średnica walca. Butelki służą najczęściej do przechowywania różnego rodzaju płynów. Są zamykane są zakrętką zapobiegającą wylewaniu się płynu z butelki podczas transportu, a także zabezpieczają płyn przed kontaktem z powietrzem, które w większości przypadków może negatywnie wpływać na przechowywaną zawartość.

Emisje – związki wprowadzone bezpośrednio lub pośrednio, w wyniku działalności człowieka, do powietrza, wody, gleby lub ziemi, substancje i energie. Substancje rozumiane jako pierwiastki chemiczne oraz ich związki, mieszaniny lub roztwory występujące w środowisku lub powstałe w wyniku działalności człowieka.

10

1. Wprowadzenie

1.1. Tło i problematyka pracy

W państwach Unii Europejskiej, już w latach 80. ubiegłego wieku odnotowano znaczący wzrost zużycia opakowań jednorazowego użytku. Ich różnorodność materiałowa stanowiła znaczącą barierę dla recyklingu, powodując przeciążenie składowisk odpadów. Te narastające, negatywne aspekty środowiskowe uwidoczniły potrzebę wdrażania przemysłowych metod wykorzystywania zwiększającej się masy odpadów opakowaniowych [25, 36].

W kolejnych latach problemy te stały się powszechnie zauważalne i dominujące wśród zagadnień związanych z opakowaniami - aspekcie ochrony środowiska. Należy podkreślić, że zagadnienia związane z opakowaniami w ujęciu środowiskowym mają szerszy zakres niż gospodarka odpadami. Rozwój wiedzy w dziedzinie ochrony środowiska w ostatnich latach, pokazał, iż wpływ poużytkowych opakowań na środowisko należy rozpatrywać w całym cyklu ich życia, biorąc pod uwagę wiele czynników stanowiących obciążenia i zagrożenia ekologiczne, wśród których należy wyróżnić emisje do atmosfery gazów zawierających substancje niebezpieczne, emisje gazów cieplarnianych, zanieczyszczenia wód i gleb oraz nadmierne wykorzystanie zasobów naturalnych [7, 15]. Z tego względu dużego znaczenia nabrały właściwie zaprojektowane procesy wytwarzania i użytkowania opakowań oraz postępowania z odpadami, które powinny uwzględniać zasadę zrównoważonego rozwoju. W praktyce przemysłowej wielkich koncernów coraz powszechniej wprowadzane są standardy wyższe niż przewidują to obowiązujące przepisy prawne. Wiele przedsiębiorstw działających na rynkach światowych stosuje znormalizowaną metodę oceny cyklu życia (Life Cycle Assessment, LCA), przeprowadza badania pod kątem rozwiązań technicznych i materiałowych, wykazując w ten sposób najmniejszy wpływ środowiskowy.

Wykorzystując metodę LCA, przedsiębiorstwa deklarują ograniczanie wpływu na środowisko w większym zakresie niż konkurencja, a wyniki oceny kształtują nowe kierunki produkcji, uwzględniające takie czynniki, jak: źródła pochodzenia materiałów, przydatność do recyklingu i wykorzystanie surowców z recyklingu, ograniczanie wskaźników emisji gazów cieplarnianych [16, 44]. W literaturze naukowej niejednokrotnie można spotkać wyniki analiz oddziaływań środowiskowych różnych obiektów, procesów produkcji czy opakowań [1, 32, 45, 49]. Zdecydowaną większość opracowano w oparciu o koncepcję analizy cyklu życia. Można zauważyć, iż największą

11

uciążliwość środowiskową stanowi etap eksploatacji obiektów technicznych. Z uwagi na pewne ograniczenia i brak dostępności większość badań skupia się na analizie procesów wytwórczych maszyn i urządzeń. Powodem tych ograniczeń jest przede wszystkim zróżnicowany sposób ich eksploatacji, który wymaga różnorodności i wieloaspektowego podejścia w celu zdiagnozowania wszystkich oddziaływań. Co gorsza, przedsiębiorstwa nie wykazują zainteresowania wykonywaniem takich analiz, czego powodem jest brak odpowiednich regulacji prawnych wymuszających tego typu działania. Trudności i problemy w przygotowaniu rzetelnych i miarodajnych opracowań wynikają także z niechęci użytkowników i producentów do udzielania informacji na temat wytwarzanych i użytkowanych maszyn i urządzeń. Niedostateczna ilość informacji w ocenie skuteczności materiałowej wybranych faz cyklu produkcyjnego kształtowania butelek do napojów z PET i PLA stała się przesłanką do podjęcia przedmiotowej problematyki badawczej. Doprowadziło to do opracowania autorskiej oryginalnej metodyki badań naukowych i przemysłowych procesów kształtowania butelek do napojów z PET i PLA [42, 50].

Praca składa się z dziesięciu rozdziałów. W pierwszym omówiono tło i problematykę pracy, a w rozdziale drugim problematykę badawczą. Przedstawiono główne idee opakowań oraz sposoby zarządzania cyklem ich życia. Wskazano konstrukcyjne cechy materiałowe oraz parametry oceny skuteczności przetwórstwa pierwotnego i wtórnego.

W rozdziale trzecim w oparciu o przeprowadzony przegląd literatury przedmiotu sformułowano cel główny oraz określono zadania naukowe, wskazując kryteria ich osiągnięcia.

W czwartym rozdziale zaprezentowano wykorzystane metody badań z uwzględnieniem przyjętych badań fenomenów, badań cyfrowych i produkcyjnych.

W rozdziale piątym przedstawiono autorskie modele matematyczne opisujące zależności analizowanego procesu.

Dokładny opis przedmiotu badań wraz z jego charakterystyką ujęto w rozdziale szóstym rozprawy.

W rozdziale siódmym przedstawiono wyniki przeprowadzonych analiz ekobilansowych, a także zrealizowanych badań fenomenów, badań cyfrowych i produkcyjnych.

Zalecenia doskonalące w procesie skutecznego kształtowania opakowań do napojów opisano w rozdziale ósmym.

12

Treść dziewiątego i dziesiątego rozdziału stanowi podsumowanie pracy zawierające wnioski poznawcze, aplikacyjne, jak również kierunki/propozycje dalszych badań i analiz.

Elementem uzupełniającym pracy są streszczenia w języku polskim i angielskim, spis literatury oraz wyniki badań przedstawione w pięciu załącznikach.

Ponadto dla zachowania porządku redakcyjnego w rozprawie zamieszczono spis tabel i rysunków.

13

2. Aktualny stan wiedzy i praktyki w zakresie oceny skuteczności kształtowania butelek do napojów

2.1. Wprowadzenie w problematykę badawczą

W opinii Polskiej Izby Opakowań specyfiką polskiego przemysłu opakowań jest stosunkowo wysoki stopień koncentracji produkcji. Świadczy o tym fakt, iż z 2300 producentów niecałe 300 zaspokaja w 70% potrzeby krajowego rynku opakowań. Jest to rezultatem głębokiej restrukturyzacji polskiej gospodarki, charakteryzującej się radykalnymi przekształceniami własnościowymi z udziałem zagranicznych inwestorów strategicznych, reprezentujących duże koncerny i grupy kapitałowe. Koncentracja ta dotyczy w mniejszym stopniu producentów opakowań z tworzyw sztucznych; liczba firm produkujących tego typu opakowania wynosi około 1150. Dynamiczny rozwój produkcji opakowań obserwowano w latach 1998÷2008, a tempo wzrostu produkcji w zależności od rodzaju opakowań wynosiło 5÷8% rocznie. Dotyczyło to w szczególności produkcji opakowań z tworzyw polimerowych. Ekspansja tego typu produktów sprzyjała rozbudowie i unowocześnieniu potencjału produkcyjnego [2, 3].

Wielka popularność tworzyw polimerowych w zastosowaniach do produkcji opakowań ma również konsekwencje negatywne. Do najczęstszych zalicza się uciążliwość dla środowiska [1]. Wzrost zainteresowania polimerami biodegradowalnymi w branży opakowaniowej spowodował, że w czasie recesji ekonomicznej rynek polimerów biodegradowalnych pozostał stabilny. Przeszkodami, które w dużym stopniu ograniczają szersze wprowadzenie na rynek polimerów biodegradowalnych, są procedury legislacyjne, ceny polimerów uzależnione od wielkości produkcji oraz konieczny rozwój infrastruktury niezbędnej do recyklingu organicznego [2]. W obliczu potrzeby ochrony środowiska i rosnących kosztów ropy naftowej, polimery biodegradowalne powoli, ale stale przenikają na światowy rynek. Możliwość wprowadzania innowacyjnych rozwiązań przez producentów opakowań biodegradowalnych zależy przede wszystkim od oczekiwań końcowych użytkowników oraz rosnącej świadomości ekologicznej konsumentów. Jak długo grupy te nie są przekonane o korzyściach ekonomicznych i ekologicznych wynikających z wprowadzenia biodegradowalnych opakowań i półproduktów, osiągnięcie masy krytycznej umożliwiającej znaczne obniżenie kosztów produkcji będzie niemożliwe. Europa pozostaje nadal największym rynkiem dla polimerów biodegradowalnych. Wśród kluczowych czynników odpowiedzialnych za utrzymanie dominującej pozycji Europy na rynku polimerów biodegradowalnych

14

wymienić należy: wyczerpującą się pojemność składowisk odpadów komunalnych, zależność od paliw gazowych i kopalnych spoza Europy, rosnącą potrzebę zahamowania emisji gazów cieplarnianych oraz istniejące, już regulacje prawne w zakresie certyfikacji i komercjalizacji nowych polimerów biodegradowalnych jak również zwiększające się zainteresowanie konsumentów problematyką zrównoważonego rozwoju. Ponadto, znacząca liczba kompostowni w krajach Europy Zachodniej przyczynia się również do wzrostu rynkowego znaczenia opakowań z tworzyw polimerowych ulegających recyklingowi organicznemu. Z kolei w Europie Środkowej, pomimo istnienia silnej i wyspecjalizowanej bazy badawczej w dziedzinie polimerów biodegradowalnych, prace badawcze i rozwojowe nad nowymi rozwiązaniami oraz ich zastosowaniem w praktyce nie postępują w tempie proporcjonalnym do posiadanego potencjału naukowego i możliwości produkcyjnych polimerów biodegradowalnych. W Polsce produkcja i wykorzystanie tworzyw biodegradowalnych są marginalne. Wprowadzanie ekologicznych rozwiązań, zwłaszcza w zakresie materiałów i opakowań ulegających biodegradacji, jest trudne do realizacji przy braku współdziałania podmiotów w całym łańcuchu wartości [2, 114–116].

Opakowania odgrywają ważną rolę w gospodarce każdego kraju, a przemysł opakowaniowy zajmuje znaczące miejsce wśród innych dziedzin produkcji. Pierwszy obszar aktualnego stanu wiedzy dotyczył określenia idei opakowań. Definicja wg ustawy z dnia 11 maja 2001 o opakowaniach i odpadach opakowaniowych definiuje opakowanie jako: „wprowadzone do obrotu wyroby wykonane z jakichkolwiek materiałów, przeznaczone do przechowywania, ochrony, przewozu, dostarczania lub prezentacji wszelkich produktów, od surowców do towarów przetworzonych” [3]. Natomiast definicja wg PN-EN 14182:2005 Opakowania - Terminologia - Terminy podstawowe i definicje definiuje je jako: „każdy wyrób wykonany z każdego rodzaju materiału, przeznaczony do przechowywania, ochrony, transportu, dostarczania i prezentacji wszelkich towarów, od surowców do produktów przetworzonych, od producenta do użytkownika lub konsumenta. Jednostki „bezzwrotne” przeznaczone do tych samych celów uważa się również za opakowania” [4]. Opakowania są wyrobami przemysłowymi, zaprojektowanymi i wytworzonymi w celu umożliwienia dokonania transakcji sprzedaży innych wyrobów oraz zapewnienia ich właściwej jakości w różnych kanałach dystrybucji na drodze od producenta do ostatecznego nabywcy. Z tego względu opakowania stały się niezbędnymi elementami obrotu towarowego we współczesnej gospodarce rynkowej. Produkcja opakowań, jak większości wyrobów przemysłowych,

15

niesie ze sobą pewne obciążenia, uciążliwości czy zagrożenia dla środowiska naturalnego. Mogą one powstać w różnych fazach cyklu życia opakowań, na przykład podczas wytwarzania opakowań, pakowania, użytkowania oraz procesów odzysku lub unieszkodliwiania odpadów opakowaniowych. Obciążenia i zagrożenia środowiskowe wynikające z całego cyklu życia opakowań należy postrzegać w aspekcie zrównoważonego rozwoju i przeciwdziałania nadmiernej eksploatacji zasobów naturalnych oraz wykorzystywanych maszyn i urządzeń [5]. Ocenę skuteczności materiałowej wybranych faz cyklu produkcyjnego kształtowania butelek do napojów z PET i PLA oparto o określenie wskaźników skuteczności procesu produkcyjnego, zdefiniowanych jako wartości mocy produktów użytecznych, wartości mocy produktów nieużytecznych, wydajności masowej produktów użytecznych, wydajności masowej produktów nieużytecznych i emisji, jednostkowego zużycia energii, emisji szkodliwości - jako miar skutków pozytywnych i negatywnych. Relacje zmiennych procesowych wejściowych, ocenę właściwości mechanicznych badanych materiałów opakowaniowych oraz rodzaje emisji towarzyszące różnym procesom w całym cyklu życia opakowań, w tym takie, które mogą wpływać na powstanie zagrożeń w skali globalnej (rys. 1).

Rysunek 1. Przykłady zagrożeń środowiskowych, jakie mogą powstawać w różnych procesach całego cyklu życia opakowań

Efekt cieplarniany

Zakwaszenie atmosfery

Zniszczenie krajobrazu Zniszczenie ekosystemów Negatywny wpływ na

zdrowie ludzkie

Niszczenie warstwy ozonowej

Smog

Skażenia substancjami niebezpiecznymi

✓ Emisje wprowadzane są bezpośrednio lub pośrednio do powietrza, wody, gleby i ziemi w postaci:

1. Substancji, w tym niebezpiecznych, takich jak: tlenki siarki, dwutlenek węgla, tlenki azotu, freony, metan, węglowodory i ich pochodne, w szczególności niebezpieczne są wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne czy chlorowcopochodne, które odpowiadają za zubożenia warstwy ozonowej.

Ponadto występują również metale ciężkie, pyły, dioksyny i inne zanieczyszczenia.

2. Emisje energii, w tym energii ciepła, hałasu czy pola elektromagnetycznego.

✓ Szczególne niebezpieczne jest nadmiernie eksploatowane zużycie surowców pochodzenia naturalnego.

✓ Zagrożeniem środowiskowym stało się również niewłaściwe postępowanie z odpadami komunalnymi, przemysłowymi, chemicznymi, stanowiącymi szczególnie niebezpieczną grupę odpadów.

16

Odpady opakowaniowe powstałe na różnych etapach użytkowania wyrobu generowane są u producentów, w jednostkach handlowych oraz u ostatecznych konsumentów w gospodarstwach domowych (rys. 2) [6–8].

Rysunek 2. Miejsca powstawania odpadów opakowaniowych [9]

2.2. Zarządzanie cyklem życia opakowań

W przypadku opakowań cyklem życia określa się kolejne, powiązane ze sobą procesy, począwszy od pobrania ze środowiska surowców do wytwarzania materiałów, poprzez fazę produkcji i dystrybucji, aż do etapu powstania odpadów opakowaniowych oraz procesów ich odzysku lub unieszkodliwiania [102]. W uproszczeniu cykl życia opakowania obejmuje następujące etapy:

• wydobycie i przetwarzanie surowców mineralnych,

• wytwarzanie,

• dystrybucję,

• transport,

• użytkowanie,

• powtórne użycie (w przypadku opakowań wielokrotnego użycia),

• recykling lub inne metody odzysku odpadów,

• unieszkodliwianie odpadów.

Wymienione etapy cyklu życia opakowań w powiązaniu z zawartymi w nich towarami przedstawiono schematycznie na rysunku 3. Należy podkreślić, że długość cyklu życia opakowań zależy od wielu czynników: rodzaju zawartości, kategorii opakowania i jego przeznaczenia do użytku jednorazowego bądź wielorazowego czy kanałów dystrybucji sprzedawanych towarów.

Wytwórca surowców

Wytwórca opakowań

Wytwórca wyrobów

Jednostka handlowa

Konsument

17

Rysunek 3. Główne fazy cyklu życia opakowań w powiązaniu z zawartością [9]

W pośrednich kanałach dystrybucji okres cyklu życia opakowań transportowych zazwyczaj jest krótszy niż w przypadku opakowań jednostkowych, które z towarem podlegają sprzedaży detalicznej. Powstałe z opakowań transportowych odpady wymagają zagospodarowania na terenie hurtowni i jednostek handlowych, natomiast odpady z opakowań jednostkowych wytwarzane są dopiero w gospodarstwach domowych. Etapy cyklu życia opakowań są ściśle związane z systemami dystrybucji towarów (rys. 3).

Zdecydowana większość opakowań towarzyszy towarom we wszystkich etapach ich obrotu rynkowego [3].

Na potrzeby niniejszego opracowania cykl życia opakowania został zdekomponowany do sześciu autorskich operacji technologicznych, szczegółowo opisanych w rozdziale 6.

CYKL ŻYCIA OPAKOWAŃ SUROWCE Z RECYKLINGU

Pozyskiwanie surowców

Produkcja materiałów

Produkcja opakowań Produkcja towarów

Pakowanie

Dystrybucja towarów

Użytkowanie

Wykorzystanie / zużycie lub odzysk i unieszkodliwienie odpadów z towarów Odzysk

i unieszkodliwienie odpadów opakowaniowych

Odzysk energii Unieszkodliwienie Recykling

organiczny Recykling materiałowy

18 2.3. Funkcje opakowań

Opakowanie jest wyrobem przemysłowym, zaprojektowanym i wytworzonym w celu umożliwienia obrotu rynkowego zawartości i dokonania transakcji sprzedaży, a jego funkcje są podporządkowane temu celowi. Wiele pozycji literaturowych opisujących problematykę opakowań nieco odmiennie definiuje funkcje, jaką powinno spełniać opakowanie. Nie zawsze te funkcje da się uogólnić do wszystkich kategorii opakowań jednostkowych, zbiorczych czy transportowych. Z tego względu warto spojrzeć na funkcje opakowań w sposób bardziej ogólny i interdyscyplinarny, uwzględniając definicję opakowania zawartą w dyrektywie 94/62/WE, obowiązującą w Polsce na podstawie ustawy o gospodarce opakowaniami i odpadami opakowaniowymi [10]. Definicja ta określa, że jest to wyrób przeznaczony do przechowywania, ochrony, przewozu, dostarczania i prezentacji produktów. Z definicji tej wynikają podstawowe funkcje:

• ochrona,

• prezentacja,

• przewożenie i dostarczanie, czyli system logistyczny i informacyjny,

• przechowywanie, czyli użytkowanie.

W zależności od kategorii opakowania, strategii rynkowej producentów towarów, w której opakowanie odgrywa istotną rolę, a także z uwagi na rodzaj zawartości niektóre funkcje stają się pierwszoplanowe. Rozpatrując rolę opakowań w gospodarce rynkowej, należy wymienić następujące funkcje, zilustrowane na rysunku 4. W określonych etapach cyklu życia, w zależności od rodzaju zawartości, a także kategorii opakowania, niektóre funkcje mogą mieć większe znaczenie [5, 13].

Funkcja informacyjna wymaga, aby opakowania były nośnikiem wielu informacji nanoszonych na zasadach dobrowolnych lub obligacji prawnej w formie nadruku, etykiet, znaków, piktogramów, dotyczących: zawartości, warunków transportu i magazynowania oraz samego opakowania, a także danych informacyjnych, np. kodów kreskowych, etykiet logistycznych ściśle związanych z gospodarką magazynową oraz dystrybucją w nowoczesnych systemach logistycznych. Warto podkreślić, ze przekazanie informacji użytkownikowi może się odbywać tradycyjnie - za pośrednictwem zmysłów, takich jak np. powonienie i dotyk, ale również poprzez użycie urządzeń elektronicznych, np.

skanerów kodów kreskowych.

19

Rysunek 4. Funkcje opakowań w poszczególnych etapach cyklu życia [opracowanie własne]

Funkcja ochronna to podstawowa funkcja opakowań, która ma zapewnić określoną jakość zapakowanych produktów. Opakowania podczas transportu i dystrybucji rynkowej powinny zabezpieczyć wyroby przed zniszczeniem oraz oddziaływaniami różnorodnymi warunków atmosferycznych związanych z wilgotnością powietrza, temperaturą, czy światłem słonecznym, a także czynnikami fizykomechanicznymi, chemicznymi i biologicznymi. Szczególną rolę ochronną w tym przypadku pełnią opakowania transportowe, które powinny wykazywać odpowiednią wytrzymałość przy czynnościach manipulacyjnych i piętrzeniu. Specyficzne wymagania odnoszą się do opakowań jednostkowych żywności oraz żywności utrwalanej różnymi metodami. Powinny wykazywać szczelność, barierowość, zabezpieczyć żywność przed zepsuciem i utratą cech organoleptycznych oraz działaniem takich czynników, jak:

ochronna

logistyczna

marketingowa

informacyjna użytkowa

promocyjna

produkcja materiałów sozologiczna

FUNKCJE OPAKOWAŃ

produkcja opakowania

pakowanie

dystrybucja rynkowa

użytkowanie

opakowania poużytkowe SUROWCE

odbiór odpadów

Recykling Odzysk energii Unieszkodliwianie ETAPY CYKLU ŻYCIA OPAKOWAŃ

20

wilgoć, tlen, temperatura, światło itp.. W systemach pakowania próżniowego, w kontrolowanej atmosferze (CAP - Controlled Atmosphere Packaging) oraz w modyfikowanej atmosferze (MAP - Modified Atmosphere Packaging) istotne znaczenie mają barierowość i szczelność połączeń zgrzewanych [13, 14].

Funkcja promocyjno-marketingowa dotyczy przede wszystkim opakowań jednostkowych, niekiedy zbiorczych i transportowych, których oryginalność konstrukcji, estetyka działająca na wyobraźnię, niepowtarzalna szata graficzna i atrakcyjność formy oraz zgodność z gustami potencjalnych nabywców zwiększają popyt na określone grupy wyrobów. Opakowania te mogą być jednocześnie narzędziem reklamowym do walki konkurencyjnej wśród producentów o zdobycie nowych konsumentów. Walory wyglądu zewnętrznego, kolorystyka działająca na emocje oraz rozpoznawalne logo mogą skutecznie promować markę, zapewniając jej wysoką pozycję rynkową.

Funkcja logistyczna dotyczy przemieszczania towarów w tym transportu, magazynowania i dystrybucji rynkowej, w tym konfekcjonowania wyrobu w celu sprzedaży detalicznej. Kształt, konstrukcja i wymiary opakowania powinny być dostosowane do znormalizowanego systemu wymiarowego, umożliwiać układanie ładunku w warstwy, wykorzystanie przestrzeni magazynowej oraz środków transportu.

Funkcja użytkowa to zapewnienie bezpiecznego oraz wygodnego przemieszczania i użytkowania zawartości, np. łatwego otwierania, powtórnego zamknięcia, zabezpieczenia przed podrabianiem, zabezpieczenia przed niepożądanym otwarciem oraz kradzieżą, ale uwzględniająca także wskaźniki temperatury i wilgotności, ułatwiające przygotowanie i późniejszą konsumpcję.

Funkcja sozologiczna opakowań związana z ochroną środowiska dotyczy przede wszystkim możliwości właściwego postępowania z opakowaniem po jego zużyciu, a także eliminacji innych obciążeń środowiskowych. Odnosi się to do zmian w składzie materiałowym, konstrukcji, doborze elementów, które sprzyjają odzyskowi odpadów. Obecnie ochrona środowiska przed odpadami jest ważnym aspektem, zwłaszcza w kontekście nowego modelu gospodarki w obiegu zamkniętym, oznaczającym odejście od gospodarki liniowej, opartej na zasadzie „weź — wyprodukuj

— zużyj — wyrzuć”, w której odpady są traktowane jako ostatni etap cyklu życia produktu, a przejście na model cyrkularny. Funkcja sozologiczna może być realizowana poprzez opakowania wielokrotnego użycia, aby przeciwdziałać powstawaniu odpadów opakowaniowych. Wśród takich opakowań należy wyróżnić opakowania przydatne do odzysku poprzez recykling materiałowy, recykling organiczny charakteryzujący się

21

doborem materiałów biodegradowalnych przydatnych do kompostowania i biometanizacji, przydatnych do odzysku energii, czyli takich, które cechują się wysoką wartością opałową oraz zawierających materiały ze źródeł odnawialnych [5].

2.4. Konstrukcyjne cechy materiałowe opakowań

Technologiczność wyrobu to proces polegający na wprowadzeniu do konstrukcji wyrobu modyfikacji umożliwiających jego wykonanie lub poprawiających warunki formowania wyrobu tak, aby otrzymany wyrób był jak najwyższej jakości. Postulowany stan wysokiej jakości produktu można uzyskać poprzez ocenę zmiennych i wskaźników wybranych faz cyklu życia ilościowych następstw środowiskowych technologii kształtowania butelek do napojów [7]. Do podstawowych cech decydujących o technologiczności wyrobu zalicza się:

• podatność na uformowanie,

• zmieniającą się grubość ścianki,

• odpowiednią grubość ścianki, nie mniejszą od dopuszczalnej dla danego tworzywa.

Pod pojęciem jakość wyrobów należy rozumieć szereg cech wyrobu odnoszących się do:

• stabilności wymiarów geometrycznych butelki dla przyjętego pola tolerancji,

• stabilnej masy butelki,

• wytrzymałości mechanicznej określonej w karcie wyrobu,

• odpowiedniego stanu powierzchni.

Głównymi przyczynami powstawania wad wyrobów są:

• projekt wyrobu (konstrukcja nietechnologiczna),

• wady konstrukcyjne narzędzia (formy),

• źle dobrany materiał (polimer),

• nieprawidłowy proces technologiczny,

• nieprawidłowa eksploatacja wyrobu.

Kryteria oceny jakości butelek obejmują ocenę cech:

• geometrycznych (wymiarowe, kształtowe),

• materiałowych (strukturalne, masowe)

• wytrzymałościowych,

• organoleptycznych,

• technologicznych.

22

2.5. Skuteczność wybranych faz przetwórstwa pierwotnego i wtórnego

Skuteczność kształtowania opakowań związana jest z uzyskiwaniem użytecznych i nieużytecznych produktów działania, definiowanych jako miara skutków pozytywnych i negatywnych. Materiały opakowaniowe pochodzenia naturalnego wytwarzane są przez organizmy roślinne, które absorbują z powietrza CO2, potrzebny w procesie fotosyntezy z wydzieleniem tlenu. Z tego względu, że rośliny podczas procesu fotosyntezy pochłaniają CO2 z powietrza, zakłada się dla etapu wytwarzania materiałów pochodzenia roślinnego zerowy ślad węglowy, a nawet ujemny, wynikający z ilości asymilowanego CO2 [17, 55]. Porównanie różnych modelowych opakowań do napojów ze względu na emisję CO2 wskazuje, że najwyższy poziom emitowanego do atmosfery CO2 w ilości 124 kg/1000 sztuk wydziela puszka z aluminium, nieco mniej, bo około 87 kg CO2/1000 sztuk, emituje butelka tworzywowa, najmniejsze emisje odnotowano dla butelki wielokrotnego użycia ze szkła 13 kg CO2/1000 sztuk produktu [46-48].

W ostatnich latach szczególną uwagę zwraca się na efekt cieplarniany, który jak podkreśla wielu naukowców, może bezpośrednio zagrozić znacznym obszarom kuli ziemskiej. Jest to zjawisko podwyższenia temperatury Ziemi spowodowane obecnością w atmosferze gazów cieplarnianych, takich jak: dwutlenek węgla (CO2), para wodna, ozon (O3), freony, grupa chloro- i fluoropochodnych węglowodorów alifatycznych (CFCs), metan (CH4), podtlenek azotu (N2O), halony. Ograniczenia w emisji gazów cieplarnianych spowodowały rozwój metod obliczania emisji w przeliczeniu na wyroby przemysłowe, w tym opakowania. Jedną z nich określa się pojęciem śladu węglowego.

W odniesieniu do opakowań ślad węglowy jest wskaźnikiem określającym całkowitą ilość wyemitowanego bezpośrednio lub pośrednio związku przez dany produkt podczas całego cyklu jego życia. Zwykle ślad węglowy wyraża się w tonach lub kilogramach CO2

lub w przeliczeniu na CO (np. kg CO eq.) w formie współczynników potencjału tworzenia efektu cieplarnianego WP (ang. Global Warming Potential). Wśród badań opublikowanych przez B. Aline, S. Nicoleta, and C. Philippe oraz M. Ozturk, I. Dincer [11, 12] znaleźć można opracowania odnoszące się do emisji dwutlenku węgla podczas procesu produkcji materiału opakowaniowego (rys. 5). Ślad węglowy może być obliczany przy wykorzystaniu analizy cyklu życia (LCA) z pominięciem innych wpływów środowiskowych. Ślad węglowy jest ważnym czynnikiem pomagającym zrozumieć wpływ każdego człowieka, procesu lub wyrobu na globalne ocieplenie, a praktycznie każda działalność wykonywana przez człowieka powoduje bezpośrednią

23

lub pośrednią emisję CO2 do otoczenia. Ograniczenie emisji gazów cieplarnianych to jedno z najważniejszych wyzwań, przed którymi stoi ludzkość. Toteż zasadnym było podjęcie tematyki oceny skuteczności kształtowania butelek do napojów, rozpatrywanej dla dwóch scenariuszy: skuteczności pozytywnej oraz skuteczności negatywnej, określanych dla dwóch procesów kształtowania butelek PET i PLA [78, 83].

Biorąc pod uwagę etap wytwarzania materiałów opakowaniowych, korzystniej w zakresie emisji CO2 wypadają materiały z surowców pochodzenia roślinnego, w tym polimery biodegradowalne, takie jak: polilaktyd (PLA), w porównaniu z produkcją klasycznych tworzyw sztucznych PET, czy PA. Porównanie wymienionych polimerów pod względem wskaźnika emisji gazów cieplarnianych przedstawiono na rysunku 5.

Rysunek 5. Emisje CO2 dla PLA w porównaniu z PET, wyrażone w kg CO2 eq/kg materiału opakowaniowego [7]

Postęp technologiczny w obszarze polimerów z surowców odnawialnych, jak również oczekiwania konsumentów na przyjazne środowisku polimery powodują rozwój strategicznych działań zmierzających do stopniowego zastępowania petrochemicznej bazy surowcowej przez inne źródła surowcowe dla produkcji polimerów. PLA posiada dobre właściwości fizyczne i mechaniczne, co czyni go dobrym kandydatem do zastępowania petrochemicznych termoplastów, a jego przetwórstwo może być prowadzone za pomocą istniejących maszyn, po odpowiednim ich przystosowaniu.

Omawiając aktualny stan wiedzy i techniki oraz perspektywy rynkowe PLA, należy zwrócić również uwagę na problem ceny tego materiału, która jest zależna od wielkości produkcji. Obecnie jeden z największych producentów PLA oferuje ten polimer odbiorcom hurtowym w cenie około 2,2 euro za kilogram. Cena folii z PLA wynosi około 5,5÷6 euro za kilogram. Spodziewana przez producenta cena PLA powinna osiągnąć poziom 1,2÷1,3 euro za kilogram, co uczyni PLA materiałem konkurencyjnym dla PET.

Kolejnym istotnym elementem jest poprawa właściwości mechanicznych oraz (bio)degradowalności PLA. W tym celu kwas mlekowy może być kopolimeryzowany z oksacyklicznymi monomerami bądź też PLA może być mieszany z innymi polimerami, przez co można osiągnąć poprawę niektórych właściwości PLA. Podczas gdy masę

0 5 10

kg CO2eq / kg

PET PLA

24

jakiegokolwiek materiału tworzywowego stanowi głównie polimer lub żywica, niewielką część stanowią też dodatki. Dodatki umożliwiają polepszanie właściwości przetwórczych, indeksu tlenowego, stabilności w UV, wytrzymałości i elastyczności oraz trwałości barwy. W przypadku PLA wymagane dodatki obejmują antystatyki, biodegradowalne pigmenty organiczne, tusze niezawierające metali ciężkich, biodegradowalne czynniki wspomagające odseparowanie materiału od formy. Istotne jest również zastosowanie dodatków polepszających takie właściwości mechaniczne, jak zbyt wysoka sztywność i kruchość dla niektórych zastosowań oraz co jest szczególnie ważne dodatków pozwalających modyfikować w kontrolowany sposób zdolność tego polimeru (i oczywiście gotowych wyrobów) do degradacji. Polilaktyd jest polimerem, który łatwo ulega procesowi degradacji hydrolitycznej, jednak poza tą korzystną cechą ma względnie wysoką temperaturę zeszklenia (55÷60^oC), jest dość sztywny i kruchy, a proces przetwarzania odbywa się w temperaturach bliskich temperaturze degradacji termicznej.

PET jest tworzywem polimerowym należącym do termoplastycznych poliestrów o wysokiej wytrzymałości mechanicznej oraz wysokiej stabilności wymiarowej. Jest poliestrem kwasu tereftalowego lub jego estru dimetylotereftalanu i glikolu etylenowego.

Jest to związek wielkocząsteczkowy o budowie liniowej, otrzymywany w reakcji polikondensacji [71, 95, 100]. W jej wyniku powstaje tworzywo termoplastyczne o licznych i różnorodnych zastosowaniach. Wykorzystuje się je jako materiał opakowaniowy ze względu na szereg istotnych właściwości tego polimeru, a szczególnie przezroczystości podobnej do szkła i niewielkiej masy, co w połączeniu z elastycznością i odpornością mechaniczną sprawia, że opakowania z tego tworzywa są odporne na stłuczenia. Stanowi dobrą barierę dla gazów i w związku z tym PET wykorzystuje się do produkcji opakowań przeznaczonych do pakowania i przechowywania napojów gazowanych.

Rysunek 6. Ślad węglowy dla etapu wytwarzania surowca stanowiącego materiał do produkcji polimeru w kg CO2 na 100 kg tworzywa [7]

0 100 200 300

kg CO2eq / kg

PET PLA

zerowy ślad węglowy

25

Skrobia pozyskiwana z kukurydzy stanowi surowiec do produkcji opakowań ze źródeł odnawialnych wytwarzany przez organizmy żywe absorbujące CO2 z powietrza.

W wyniku pochłaniania CO2 przez roślinę z powietrza wielu badaczy już na etapie wytwarzania materiałów pochodzenia roślinnego zakłada zerowy ślad węglowy (rys. 6) [83].

Dla zapewnienia właściwej skuteczności procesu kształtowania i funkcjonalności opakowań powinno się uwzględniać:

1) zmniejszenie ilości, masy i obojętności opakowań na etapie produkcji,

2) stosowanie nowoczesnych technologii pakowania wykorzystujących nowe materiały opakowaniowe charakteryzujące się bardzo dobrymi właściwościami użytkowymi oraz małą masą,

3) dążenie do zmniejszenia zużycia mediów i surowców w procesie produkcyjnym, 4) identyfikację obszaru krytycznego przy zachowaniu najmniejszej masy

i objętości wyrobu z zachowaniem kryteriów użytkowych, 5) wykorzystanie odpadu jako źródła energii [30].

Poprzez skuteczność wybranych faz kształtowania butelek należy rozumieć skuteczność pozytywną i negatywną. W celu oceny tej skuteczności zaproponowano zmienne i wskaźniki odnoszące się do: wydajności masowej, jednostkowego zapotrzebowania energii oraz zapotrzebowania mocy. Równania opisujące te zależności przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Wskaźniki oceny skuteczności procesu kształtowania butelek

Cecha Model matematyczny Ref.

Wydajność masowa

𝑄_𝑚 =𝑚_𝑐 𝑡_𝑤 gdzie:

𝑄𝑚 – wydajność masowa, kg/s,

𝑚_𝐶 – całkowita masa produktów, braków i emisji, kg, 𝑡_𝑊 – czas wytworzenia, s.

(2.1)

Jednostkowe masowe zapotrzebowanie energii

𝐸𝑗_𝑚 = 𝑃_𝑐 𝑄𝑚

gdzie:

𝐸_𝑗𝑚− jednostkowe masowe zapotrzebowanie energii W/kg/s,

𝑃_𝐶− całkowita moc zużyta w procesie kształtowania, W, 𝑄_𝑚− wydajność masowa całkowita, kg/s.

(2.2)

Zapotrzebowanie na

moc 𝑃_𝑐 = 𝑃_𝑢+ 𝑃𝑛−𝑢 (2.3)

26 gdzie:

𝑃_𝑐 – zapotrzebowanie mocy, W, 𝑃_𝑢− moc użyteczna, W, Pn-u – moc nieużyteczna, W, Psch – moc strat chłodzenia, W.

2.6. Skuteczność doboru technik ochrony środowiskowej w przemyśle spożywczym

Najlepsze dostępne techniki, w rozumieniu przepisów unijnych i polskich, są takimi rozwiązaniami technologicznymi, technicznymi i organizacyjnymi, zastosowanymi w konkretnej instalacji, które przynoszą korzyści bez nadmiernych kosztów dla funkcjonowania instalacji. Wybór konkretnych najlepszych dostępnych technik w danym zakładzie produkcyjnym powinien sprowadzać się do trójetapowej oceny (rys. 7):

1) oceny techniki pod względem korzyści dla środowiska z uwzględnieniem efektów ubocznych,

2) oceny techniki w wymiarze wykonalności technicznej, 3) oceny techniki pod względem skutków finansowych.

Rysunek 7. Możliwości doboru najlepszej techniki środowiskowej

Wśród najczęstszych problemów, związanych z doborem najlepszej dostępnej techniki wskazać należy:

• ryzyko finansowe inwestycji o długim okresie zwrotu,

• wyższą rentowność inwestycji dla większych zakładów,

• oddziaływanie na jakość produktu, innowacyjność produkcji i moce produkcyjne,

• koszty i ryzyko związane z wprowadzaniem drobnych zmian w starej instalacji kontra koszty i korzyści całkowitej wymiany instalacji,

1. Korzyści dla środowiska 2. Skutki uboczne dla środowiska

KORZYŚCI DLA ŚRODOWISKA

1. Uwarunkowania i możliwości techniczne oraz organizacyjne 2. Wpływ na jakość produktu, dostępność produkcji, BHP, rynek

i zachowania konsumenta

3. Ocena korzyści, modernizacja kontra nowa instalacja

TECHNICZNA WYKONALNOŚĆ

1. Wskaźniki rentowności inwestycji i oszczędności 2. Ekonomiczny efekt skali

3. Wrażliwość kosztowa przy zmiennych warunkach i ryzykach

OPŁACALNOŚĆ EKONOMICZNA

27

• postęp w zakresie najlepszych dostępnych technik.

Zakres wykorzystania dostępnych technik należy oceniać poprzez pryzmat skuteczności w osiąganiu branżowych wskaźników charakterystycznych. Zakłady powinny mieć wdrożone systemy samodoskonalenia w zakresie ochrony środowiska.

System zarządzania powinien obejmować następujące elementy [124, 125]:

1) identyfikację i wdrożenie wymogów prawnych, 2) identyfikację i ocenę problemów środowiskowych,

3) cykliczne planowanie działań poprawy ochrony środowiska, z ustaleniem celów i zadań,

4) ustalenie zasad operacyjnych kontroli czynności o istotnym wpływie na środowisko, 5) przygotowanie i reagowanie na nadzwyczajne zagrożenia środowiska.

Branża rozlewnicza korzysta ze wspólnych doświadczeń pokrewnych branż spożywczych związanych z produktami płynnymi takimi, jak soki, piwo i mleko. Wśród tych technik znajdują się rozwiązania technologiczne oraz techniki optymalizacji zużycia zasobów wody i energii oraz zmniejszenia obciążenia ściekami.

Gospodarowanie energią ma na celu zmniejszanie energochłonności produkcji, a zarazem redukcję emisji typu energetycznego. Z analizy stanu techniki wynika, że producenci wybierają najczęściej najlepsze dostępne technologie w następujących obszarach [130, 131]:

• dostawa energii cieplnej ze źródeł o wysokiej sprawności produkcji i przesyłu oraz o dużej elastyczności na zmiany poboru ciepła,

• zastosowanie paliwa o niskiej zawartości substancji emitowanych do powietrza,

• powrót i odzysk ciepła z kondensatu,

• programy optymalizacji zużycia energii, w tym optymalizacja pracy kompresorów, automatyczne zawory,

• termomodernizacja rozumiana jako termoizolacja budynków czy linii przesyłowych,

• optymalizacja linii przesyłowych w celu uzyskania jak najkrótszych odległości pomiędzy liniami,

• optymalizacja procesów wentylacyjnych w celu zapewnienia możliwie najwyższej rekuperacji,

• odzysk ciepła odpadowego powstającego na skutek pracy sprężarek lub pieców do wydmuchu butelek PET.

28

Gospodarka wodno-ściekowa jest priorytetowym obszarem zmniejszania wpływu przemysłu rozlewniczego na środowisko. Zakłady osiągają znaczącą redukcję zużycia jednostkowego wody poprzez zastosowanie najlepszych dostępnych technik wyszczególnionych w tabeli 2.

Tabela 2. Dostępne techniki w zakresie gospodarowania wodą

Technika Efekt dla środowiska Ograniczenia

Optymalizacja zużycia wody, poprzez:

1) dostosowanie poboru wody do rzeczywistych potrzeb,

2) kontrolę strat przesyłu i pracy w trybie anormalnym (rozruch, awarie),

3) optymalizację planów produkcyjnych, 4) zastosowanie czujników przelania

w zbiornikach,

5) zastosowanie automatycznego odcięcia dopływu wody na wężach, urządzeniach pianujących (pistolety natryskowe).

redukcja zużycia wody

✓ rentowność inwestycji

✓ nadrzędne wymogi jakości produktu

Zalecane są ponadto następujące rozwiązania mające na celu ograniczenie ilości zużywanej wody i odprowadzanych ścieków, które można pogrupować wg związanych z nimi kosztów inwestycyjnych:

1. Brak kosztów lub niskie koszty inwestycyjne zapewnią:

• dobre gospodarowanie, uzyskiwane poprzez zakręcanie kranów oraz natychmiastowe powiadamianie o nieszczelnościach,

• instalowanie pistoletów natryskowych,

• poprawa zarządzania wodą kotłową,

• przekazanie odpowiedzialności za opracowanie planu zmniejszenia zużycia wody członkowi kierownictwa,

• szkolenia pracowników.

2. Umiarkowane koszty inwestycyjne odnoszą się do:

• instalacji zużycia wody w całym zakładzie lub miejscach o podwyższonym jej poborze,

• usprawnienia procedur czyszczenia maszyn,

• kontrolowania natężenia przepływu wody przy uszczelnianiu, chłodzeniu,

• opracowanie systemu zarządzania środowiskowego lub systemowej gospodarki wodno-ściekowej.

3. Wyższe koszty inwestycyjne powodowane są przez:

29

• zwiększenie zakresu użycia maszyn do czyszczenia instalacji,

• zastąpienie otwartych systemów wodnych systemami zamkniętymi i wprowadzenie recyrkulacji, recyklingu i wielokrotnego użycia wody,

• zmianę systemu oczyszczania ścieków w celu zmniejszenia kosztów ich odprowadzania lub ponownego wykorzystania.

Działania zapobiegawcze w gospodarce wodno-ściekowej wiążą się z pełniejszym wykorzystaniem środków myjących i przeciwdziałaniem stracie produktu.

Przy optymalizacji gospodarki ściekowej poprzez zamykanie obiegów zamkniętych oraz stosowanie wodooszczędnych rozwiązań technologicznych należy wziąć pod uwagę potencjalny wzrost ładunku zanieczyszczeń w ściekach [57, 63].

Ważnym elementem zapobiegającym nadmiernemu ładunkowi ścieków jest odpowiednia gospodarka obejmująca procesy transportu, czy magazynowania substancji pomocniczych i odpadów poprzez wyposażenie miejsc gromadzenia i przeładunku w zbiorniki oraz inne zabezpieczenia ograniczające niekontrolowane, awaryjne wycieki substancji. Ma to na celu redukcję i ograniczenie zanieczyszczenia zarówno ścieków produkcyjnych, jak również wód deszczowych. W zależności od lokalnych uwarunkowań odprowadzania ścieków do kanalizacji zewnętrznej lub bezpośrednio do wód powierzchniowych stosowane są różne stopnie oczyszczania ścieków zakładowych. We współpracy zakładu z oczyszczalnią zewnętrzną decyzja o rozwoju zaawansowanych urządzeń oczyszczania ścieków zależy od tolerancji oczyszczalni zewnętrznej i związanych z tym kosztów. Przepisy o pozwoleniach zintegrowanych nakładają tylko wymóg określenia w pozwoleniu warunków odprowadzania ścieków do kanalizacji zewnętrznej.

Gospodarka odpadami to zapobieganie powstawaniu odpadów, polega głównie na efektywnym wykorzystaniu surowców i ograniczaniu strat w produkcie. Typowe sposoby gospodarowania odpadami przedstawiono w tabeli 3.

W celu redukcji ilości wytwarzanych odpadów oraz minimalizacji ich wpływu zakłady powinny przestrzegać następujących zasad:

• powinny zapobiegać stratom produkcyjnym,

• powinny dążyć do redukcji masy opakowań przy zachowaniu wymagań bezpieczeństwa żywności oraz wykorzystać wszystkie możliwości odzyskania, ponownego użycia, recyklingu materiałów pomocniczych oraz opakowań w sposób technologicznie i ekonomicznie uzasadniony i możliwy,

30

• powinny segregować odpady na niebezpieczne i inne niż niebezpieczne.

Tabela 3. Typowe sposoby gospodarowania odpadami w zakładzie produkcyjnym Rodzaj odpadu Typowy sposób magazynowania Odpady

opakowaniowe Odpady opakowaniowe

(tworzywa polimerowe)

kontenery, luzem

✓ recykling i produkcja opakowań

W większości przypadków zakłady produkcyjne nie mają instalacji do odzysku odpadów we własnym zakresie. Z reguły odpady po odpowiednim zmagazynowaniu lub zmniejszeniu masy przez odwodnienie są odbierane przez profesjonalnych odbiorców odpadów. Optymalizacji gospodarki odpadami sprzyja opracowanie programu minimalizacji odpadów. Wdrożenie oraz skuteczne prowadzenie programu ograniczania uciążliwości gospodarki odpadami wymaga systematycznego podejścia, w tym między innymi:

• prowadzenia kontroli stanów magazynowych celem ograniczenia odpadów z niewykorzystanych surowców,

• zapewnienia świadomości aspektów środowiskowych wśród pracowników,

• utrzymania porządku i czystości w celu uniknięcia wypadków w zakładzie pracy,

• szkolenia dla pracowników w zakresie sposobów utrzymania czystości,

• ustalenia regularnych kontroli sprzętu, by zapobiec awariom,

• segregacji odpadów w celu ich odzysku i recyklingu.

Do każdego rodzaju zagrożeń środowiska zakład powinien przygotować działania zapobiegawcze i możliwości likwidacji skutków (tabela 4).

Tabela 4. Typowe techniki zapobiegania i reagowania na awarie

Obszar zagrożeń Działania zapobiegawcze Działania ograniczające skutki i je likwidujące

Pożar czujki przeciwpożarowe

✓ sprzęt gaśniczy, mobilny i stacjonarny

✓ służby wewnętrzne i zewnętrzne Wyciek substancji

niebezpiecznej

baseny i misy przeciwwyciekowe utwardzenie podłoża

✓ sorbenty, materiały izolujące kanalizację o grunt

Wyciek czynnika

chłodniczego monitoring -

31

3. Cel i problem pracy

W oparciu o przeprowadzoną analizę stanu wiedzy i praktyki, uznano że istnieje pilna potrzeba oszacowania wpływu cech materiałowych polilaktydu i politereftalanu etylenu na skuteczność wybranych faz cyklu produkcyjnego kształtowania butelek do napojów.

W świetle powyższych ustaleń za cele główne pracy przyjęto:

1. Opracowanie modeli skuteczności kształtowania wybranych faz cyklu życia produkcyjnego butelek do napojów.

2. Badania, analizę, ocenę zmiennych i wskaźników wybranych faz cyklu życia, ilościowych następstw środowiskowych technologii kształtowania butelek z PET i PLA.

Dla zrealizowania przyjętych celów rozprawy sformułowano następujące problemy badawcze:

1. Czy zastosowanie nowego tworzywa konstrukcyjnego PLA do produkcji butelek, spowoduje zmniejszenie jednostkowego zużycia energii oraz zwiększenie wydajności ich kształtowania w porównaniu z rozwiązaniem tradycyjnym?

2. Czy zastosowanie nowej konstrukcyjnej cechy materiałowej butelek do napojów wpłynie na zmniejszenie ilościowe następstw środowiskowych wybranych faz cyklu życia produkcyjnego w porównaniu z rozwiązaniem tradycyjnym?

Dla osiągnięcia celów i rozwiązania powyższych problemów badawczych przyjęto następujące zadania szczegółowe pracy:

1. Analiza stanu wiedzy zagadnienia, zebranie i uporządkowanie danych wejściowych wybranych faz cyklu życia procesu kształtowania butelek do napojów (w tym materiały i media).

2. Opracowanie modeli skuteczności kształtowania procesu produkcyjnego oraz oszacowanie wielkości parametrów poboru mocy (P^N, P^C, P^G, P^ch, P^sN, P^sC, P^sG, P^sch), określenie wielkości mas produktów dla oszacowania wydajności procesu (

m

, m

, m

, m

, m

, m

, m

, m

, m

3. Opracowanie metody badań pozwalającej na ilościowe określenie wielkości wpływów i szkód środowiskowych dla przyjętych do badań operacji oraz określenie emisji szkodliwości.

32

4. Ocena skuteczności materiałowej wybranych faz cyklu życia w procesie kształtowania butelek do napojów.

Dla rozwiązania sformułowanych problemów badawczych, osiągnięcia celów głównych pracy i zadań szczegółowych uznano konieczność i możliwość przeprowadzenia badań fenomenów, badań cyfrowych oraz przemysłowych (rys. 8).

Rysunek 8. Schemat strategii osiągnięcia celów rozprawy

Jeżeli zostaną uzyskane odpowiedzi, rozwiązania sformułowanych problemów, będzie można uznać, że cele rozprawy doktorskiej na temat: Ocena skuteczności materiałowej wybranych faz cyklu produkcyjnego kształtowania butelek do napojów z PET i PLA zostały osiągnięte.

Cele i modele skuteczności kształtowania butelek Modele matematyczne skuteczności

Badania fenomenów (Preforma PET, PLA,

Butelka)

Badania cyfrowe (ReCiPe 2016)

Badania przemysłowe (Linia technologiczna

produkcji butelek PET i PLA)

Osiągnięcie celów rozprawy