STRESZCZENIE: Od wielu lat wiodącym materiałem opakowaniowym są tworzywa sztuczne. O ich powszechnym zastosowaniu decydują właściwości fizykomechaniczne i chemiczne, łatwość formowania oraz niski koszt wytwarzania. Największe zastosowanie w krajowej branży opakowań z tworzyw sztucznych, około 91% udziału, mają cztery polimery: polipropylen, polietylen, poli(tereftalan etylenu) oraz polistyren. Znaczącym odbiorcą opakowań jest przemysł spożywczy. Materiały opakowaniowe i opakowania jednostkowe z tworzyw sztucznych przeznaczone do kontaktu z żywnością muszą spełniać wymagania licznych rozporządzeń UE odnośnie bezpieczeństwa zdrowotnego żywności oraz konsumenta. Świadomość ekologiczna i troska o przyszłość środowiska naturalnego powoduje konieczność transformacji przemysłu opakowaniowego w kierunku gospodarki o obiegu zamkniętym (GOZ). Opakowania po ich zużyciu podlegają obowiązkowi odzysku i recyklingu, zgodnie z ustawą dla opakowań z tworzyw sztucznych obecnie poziom recyklingu wynosi 23,5%. Nowoczesne opakowania zrównoważone są już formowane z tworzyw sztucznych pochodzących częściowo lub całkowicie z recyklingu, a ich odpady ponownie poddawane recyklingowi. Pewną alternatywą dla tworzyw sztucznych wytwarzanych z surowców ropopochodnych są biotworzywa. Biotworzywa są produkowane z naturalnych surowców odnawialnych, a ich odpady ulegają procesowi biodegradacji z wytworzeniem produktów bezpiecznych dla ludzi i środowiska.
ABSTRACT: The prevalent packaging materials are plastics. Their common use is determined by their physico-mechanical and chemical properties, ease of forming and low manufacturing costs. The biggest applications in the domestic plastic packaging industry, about 91% share, have four polymers: polypropylene, polyethylene, poly(ethylene terephthalate) and polystyrene. The food industry is a significant recipient of packaging. The plastics packaging materials and packaging intended to come into contact with food must meet the requirements of UE regulations regarding the health safety of food and the consumer. Ecological awareness and concern for the future of the natural environment necessitates the transformation of the packaging industry towards a circular economy (GOZ). Packaging after use should be obligatory subjected to the recovery and recycling, according to the law for plastic packaging, the recycling level is currently 23.5%. Modern sustainable packaging is already formed from partially or completely recycled plastic and their waste is recycled again. A certain alternative to plastics made from petroleum raw materials are bioplastics. Bioplastics are produced from natural renewable resources and their wastes are biodegradable and products of this process are safe for people and the environment.
Wstęp
Rola nowoczesnych opakowań jest wielofunkcyjna i ewolucyjna. Oprócz podstawowego zadania ochrony przed uszkodzeniem mechanicznym czy zanieczyszczeniem chemicznym i mikrobiologicznym produktu podczas transportu czy przechowywania, opakowania spełniają również funkcję narzędzia informacyjnego, marketingowego czy reklamowego. Podstawowe elementy opakowania jednostkowego: kształt, kolor, grafika, ergonomika, etykieta stanowią o jego atrakcyjności w budowaniu strategii marki produktu. Istotnym parametrem, który wpływa na wygodę użytkownika oraz bezpieczeństwo opakowania jest rodzaj zastosowanego materiału opakowaniowego. Największy udział w przemyśle opakowaniowym, zarówno światowym jak i krajowym, zajmują tworzywa sztuczne. Strukturę materiałową światowego i krajowego rynku opakowań w 2016 roku oraz prognozę do roku 2020 przedstawiono w tabelach 1 i 2 [1]. W 2016 roku wykorzystanie tworzyw sztucznych w światowym rynku opakowań stanowiło 46,6% z prognozą wzrostu do 2020 do 47,1%. W Polsce zużycie tworzyw sztucznych w przemyśle opakowaniowym jest nieco niższe i wynosi odpowiednio 37,4% w 2016 z tendencją wzrostową w 2020 do 38,8%.
O szerokim zastosowaniu tworzyw sztucznych w przemyśle opakowań decydują ich właściwości fizykomechaniczne i chemiczne, łatwość przetwarzania oraz stosunkowo niski koszt wytwarzania. Właściwości mechaniczne takie jak wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na rozerwanie, termozgrzewalność, udarność to cechy, które determinują parametry użytkowe opakowań. Większość tworzyw sztucznych stosowanych w przemyśle opakowaniowym jest przezroczysta, ich powierzchnia jest gładka, łatwa do zadruku. Zróżnicowane właściwości barierowe tworzyw sztucznych, wartości przenikalności pary wodnej oraz gazów, zwłaszcza tlenu i ditlenku węgla, są wykorzystywane przy produkcji opakowań o kontrolowanej atmosferze wewnętrznej.
Opakowania z tworzyw sztucznych
W przemyśle opakowaniowym powszechne zastosowanie mają następujące polimery [2]:
– polipropylen (PP)
– polietylen: dużej gęstości (PE-HD), małej gęstości (PE-LD), liniowy małej gęstości (PE-LLD)
– poli(tereftalan etylenu) (PET)
– polistyren (PS)
– poli(chlorek winylu) (PVC)
– poliwęglan (PC)
– kopolimer etylen-alkohol winylowy (EVOH)
– poliamid (PA).
Procentowe wykorzystanie poszczególnych polimerów w krajowym przemyśle opakowań w 2016 roku przedstawiono na rysunku 1 [3].
Zużycie czterech tworzyw, to jest polipropylenu, polietylenu, poli (tereftalanu etylenu) oraz polistyrenu stanowiło około 91% zapotrzebowania na tworzywa sztuczne w krajowej branży opakowaniowej. W mniejszych ilościach w produkcji opakowań stosowany jest poli (chlorek winylu) i poliwęglan, natomiast kopolimer etylen-alkohol winylowy oraz poliamid jest używany jako warstwy wysokobarierowe w foliach wielowarstwowych z udziałem warstw poliolefinowych.
Ze względu na formę i sposób ich wytwarzania wyróżnia się cztery grupy opakowań z tworzyw sztucznych [4]:
– opakowania giętkie
– opakowania formowane z rozdmuchem
– opakowania formowane wtryskowo
– opakowania termoformowane.
Procentowy udział grup w krajowym rynku opakowań z tworzyw sztucznych w 2016 roku przedstawiono na rysunku 2.
Największą grupę krajowego rynku opakowań z tworzyw sztucznych stanowią opakowania giętkie (42,4%). Są to folie rozciągliwe z PE różnych odmian, folie orientowane i wylewane (cast) z PP, folie termokurczliwe z PVC oraz współwytłaczane folie wielowarstwowe z warstwami funkcjonalnymi.
Druga znacząca grupa opakowań z tworzyw sztucznych (33,4%) to opakowania formowane z rozdmuchem: butelki z PET, PP i HDPE oraz w mniejszej ilości z PC.
Metodą formowania wtryskowego (15,2%) z PP lub HDPE produkowane są zamknięcia oraz opakowania jednostkowe: pudełka, tacki, wiaderka oraz opakowania transportowe np. skrzynki.
Z folii sztywnych z PP, PS, PET metodą formowania w wysokich temperaturach (9,0% rynku) produkowane są tacki, kubki, pudełka, itp.
Struktura odbiorców opakowań jest zróżnicowana. W tabeli 3 przedstawiono krajowych odbiorców opakowań w 2016 roku z podziałem na branże [5].
Zdecydowanie największym odbiorcą opakowań jest przemysł spożywczy. Opakowania do produktów spożywczych oraz napojów stanowiły 65% krajowej produkcji opakowań.
Opakowania z tworzyw sztucznych do żywności
Materiały opakowaniowe i wyroby przeznaczone do bezpośredniego lub pośredniego kontaktu z żywnością, w tym także wykonane z tworzyw sztucznych, muszą spełniać wymagania przepisów prawnych. Zgodnie z Rozporządzeniem (WE) Nr 1935/2004 Parlamentu Europejskiego i Rady muszą być produkowane zgodnie z dobrą praktyką produkcyjną (GMP) tak, aby w normalnych lub możliwych do przewidzenia warunkach użytkowania nie dochodziło do migracji ich składników do żywności, które mogłyby:
– stanowić zagrożenia dla zdrowia człowieka
– powodować niemożliwe do przyjęcia zmiany w składzie żywności
– powodować pogorszenia jej cech organoleptycznych [6].
Wielkocząsteczkowe tworzywa sztuczne charakteryzują się dużą odpornością chemiczną, jednak zagrożenie dla bezpieczeństwa żywności oraz zdrowia konsumenta mogą stanowić małocząsteczkowe substancje chemiczne: resztkowe monomery lub inne substancje wyjściowe oraz substancje celowo wprowadzane do tworzyw jako środki pomocnicze. Wyróżnia się dwie grupy środków pomocniczych:
– dodatki przetwórcze wpływające na przebieg procesów przetwarzania
– dodatki funkcjonalne modyfikujące właściwości użytkowe.
Substancjami pomocniczymi są: plastyfikatory, środki smarujące, napełniacze, antystatyki, środki rozjaśniające, modyfikatory udarności, środki spieniające, antyutleniacze, środki opóźniające palenie, środki bakteriobójcze, i inne. W trakcie procesu produkcji i stosowania materiałów z tworzyw sztucznych mogą powstawać również nie zamierzone produkty reakcji i rozpadu tzw. substancje NIAS (non-intentionally added substance).
Substancje małocząsteczkowe obecne w materiale opakowaniowym mogą migrować z opakowania i stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa zdrowotnego żywności. W ocenie potencjalnego ryzyka w kontakcie opakowanie-produkt spożywczy oprócz właściwości materiału, jego składu i zastosowanych dodatków uwzględnia się także proces migracji szacowany na podstawie wyników badania migracji globalnej oraz specyficznej. Rozporządzenie (UE) Nr 10/2011 z dnia 14 stycznia 2011 roku wraz z jego kolejnymi dziewięcioma zmianami jest dokumentem prawnym, który określa zasady prowadzenia badań migracji globalnej i specyficznej z materiałów i opakowań z tworzyw sztucznych przeznaczonych do żywności [7-16]. W celu wykazania zgodności materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych w badaniu migracji globalnej lub/i specyficznej stosowane są płyny modelowe imitujące żywność:
– płyn modelowy A – etanol 10% (v/v),
– płyn modelowy B – kwas octowy 3% (m/v),
– płyn modelowy C – etanol 20% (v/v),
– płyn modelowy D1 – etanol 50% (v/v),
– płyn modelowy D2 – olej roślinny,
– płyn modelowy E – poli(tlenek 2,6-difenylo-p-fenylenu).
Płyny modelowe A, B, C, D są stosowane w zależności od hydrofilnego lub lipofilnego charakteru żywności, natomiast substancja modelowa E jest przeznaczona do badania migracji specyficznej dla żywności suchej.
Rozporządzenie (UE) Nr 10/2011 wraz z jego zmianami zawiera listę pozytywną substancji chemicznych dozwolonych do stosowania w produkcji materiałów i opakowań z tworzyw sztucznych przeznaczonych do żywności wraz z indywidualnymi limitami migracji specyficznej. Lista zawiera ponad 1000 związków i podlega stałej weryfikacji nadzorowanej przez Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności (EFSA) na podstawie badań toksykologicznych prowadzonych we współpracy z Panelem Naukowym ds. materiałów przeznaczonych do kontaktu z żywnością, enzymów, aromatów i substancji pomagających w przetwarzaniu (CEF) Europejskiego Urzędu ds. Bezpieczeństwa Żywności (EFSA).
Recykling opakowań z tworzyw sztucznych
Każde opakowanie, nawet nowoczesne i atrakcyjne, szybko staje się odpadem opakowaniowym, który niewłaściwie składowany może stanowić zagrożenie środowiska. Proces rozkładu opakowań z tworzyw sztucznych trwa setki lat, natomiast utylizacja poprzez spalenie może generować toksyczne substancje. Ustawa o gospodarce opakowaniami i odpadami opakowaniowymi z dnia 13 czerwca 2013 roku ze zmianą z dnia 12 października 2017 roku wprowadza w kraju obowiązek odzysku i recyklingu odpadów opakowaniowych na ustawowo określonych poziomach [17,18]. Poziomy odzysku i recyklingu odpadów opakowaniowych zamieszczono w tabeli 4.
Dla opakowań wykonanych z tworzyw sztucznych określony ustawą poziom recyklingu wynosi 23,5%. Dla uproszczenia zbiórki i segregacji opakowań z tworzyw sztucznych wprowadzono specjalne kody oznakowania materiału, umieszczone na spodzie opakowania [19]. Na rysunku 3 przedstawiono kody polimerów najczęściej stosowanych w przemyśle opakowaniowym. Symbole graficzne w kształcie trójkąta zawierają cyfrę określającą użyty materiał oraz jego skrót literowy.
Dla odpadów z tworzyw sztucznych najczęściej stosowany jest recykling materiałowy. Główne etapy procesu recyklingu to: zbiórka i segregacja, sortowane, mielenie, mycie materiału pierwotnego, proces czyszczenia i finalnie przetwarzanie rozdrobnionego tworzywa w regranulat. Optymalny proces recyklingu materiałowego powinien być obiegiem zamkniętym. Recykling materiałowy, poza aspektem ekologicznym, ma także konkretny efekt ekonomiczny. Tworzywa sztuczne pochodzące z recyklingu są ponownie stosowane do produkcji różnych wyrobów, w tym także opakowań. Tworzywa sztuczne uzyskane w procesie recyklingu dopuszczone do wytwarzania materiałów i wyrobów przeznaczonych do kontaktu z produktami spożywczymi muszą spełniać wymagania Rozporządzenia (WE) Nr 282/2008 z dnia 27 marca 2008 roku w sprawie materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych pochodzących z recyklingu przeznaczonych do kontaktu z żywnością [20]. Surowcem w procesie recyklingu są zebrane i posegregowane, zużyte materiały i wyroby z tworzyw sztucznych lub skrawki, ścinki powstałe przy produkcji materiałów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością, a proces recyklingu musi posiadać zezwolenie wydane przez Komisję Europejską po pozytywnej ocenie merytorycznej udzielonej przez Panel Naukowy EFSA-Europejskiego Urzędu ds. Bezpieczeństwa Żywności.
Najbardziej rozpowszechniona jest technologia recyklingu butelek wykonanych z PET. W krajach europejskich o dużej świadomości ekologicznej poziom odzysku butelek PET utrzymuje się na poziomie 75-95% [21]. Tworzywo pochodzące z recyklingu tzw. RPET jest stosowane do produkcji butelek i innych opakowań jednostkowych. Recykling materiałowy stosowany jest, choć w mniejszym zakresie, dla PP, PE, PVC oraz PS. Wykorzystanie tworzyw sztucznych pochodzących z recyklingu do produkcji nowych opakowań jest zgodne z koncepcją zamkniętych obiegów w gospodarce, w której to odpady nie istnieją, a żadne surowce się nie marnują (rysunek 4).
Biotworzywa
Rozwój wiedzy na temat ochrony środowiska naturalnego przyczynił się zainteresowania biotworzywami. W produkcji biopolimerów i biokopolimerów wykorzystuje się naturalne surowce odnawialne, a ich odpady ulegają procesowi biodegradacji z wytworzeniem produktów bezpiecznych dla ludzi i środowiska. [22]
Jako materiały opakowaniowe duże zastosowanie mają następujące biomateriały [23]:
– polilaktyd (PLA)
– polihydroksymaślan (PHB)
– polihydroksyalkaniamy (PHA)
– poli(hydroksymaślan-co-hydroksywalerian) (PHBV)
Biomateriały te charakteryzują się wysoką odpornością chemiczną, odpowiednią sztywnością i elastycznością, mogą być przetwarzane na urządzeniach typowych dla tworzyw sztucznych na opakowania jednostkowe lub folie i mogą z powodzeniem zastąpić konwencjonalne tworzywa sztuczne produkowane z ropy naftowej. Jednak pewną barierą w powszechnym stosowaniu biomateriałów w przemyśle opakowaniowym jest ich cena, znacznie wyższa od petrochemicznych tworzyw sztucznych.
Podsumowanie
Tworzywa sztuczne są aktualnie wiodącym materiałem opakowaniowym z uwagi na ich niską cenę, oczekiwane właściwości fizykochemiczne oraz łatwość formowania, możliwą nawet w trakcie procesu pakowania. Świadomość ekologiczna i troska o przyszłość środowiska naturalnego powoduje konieczność transformacji przemysłu opakowaniowego w kierunku gospodarki o obiegu zamkniętym (GOZ). I tak nowoczesne opakowania zrównoważone produkowane są z tworzyw sztucznych pochodzących częściowo lub całkowicie z recyklingu. Coraz częściej surowce do produkcji tworzyw sztucznych dotychczas pozyskiwane z ropy naftowej zastępuje się odnawialnymi surowcami zielonymi. „Green PE” czy „green PP”, uznawane za biotworzywa, są wytwarzane zgodnie z zasadą gospodarki cyrkularnej.
Bibliografia
1. Biuletyn Opakowaniowy Polskiej Izby Opakowań 2017, 4, 4
2. A. Emblem, H. Emblem Technika opakowań. Podstawy, materiały, procesy wytwarzania, PWN, Warszawa 2014
3. Raport roczny 2016 Fundacji Plastics Europe Polska, Eurostat /Plastics Europe Market Research Group (PEMRG) /Conversio Market & Strategy GmbH, 2017
4. Czeniawski Bogdan 2018. Rynek opakowań z tworzyw sztucznych w kraju i prognoza jego rozwoju, Warszawa, COBRO-Instytut Badawczy Opakowań,
5. Raport ekspertów Equity Advisors „Branża opakowań w Polsce 2010-2016 i prognozy 2017-2020”, www.smitherspira.com/industry-market-reports /packaging/the-future-of-global-packaging-markets-to-2020, luty 2017, Plastics Europe Market Research Group (PEMRG) /Conversio Market & Strategy GmbH, 2017
6. Rozporządzenie (WE) Nr 1935/2004 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 października 2004 r. W sprawie materiałów i wyrobów przeznaczonych do kontaktu z żywnością oraz uchylające dyrektywy 80/590/EWG i 89/109/EWG.
7. Rozporządzenie Komisji (UE) Nr 10/2011 z dnia 14 stycznia 2011 r. w sprawie materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością
8. Rozporządzenie Wykonawcze Komisji (UE) Nr 321/2011 z dnia 1 kwietnia 2011 roku zmieniającego Rozporządzenie Komisji (UE) nr 10/2011w odniesieniu do ograniczeń stosowania bisfenolu A w butelkach z tworzyw sztucznych do karmienia niemowląt
9. Rozporządzenie Komisji (UE) Nr 1282/2011 z dnia 28 listopada 2011 r. w sprawie zmiany i sprostowania Rozporządzenie Komisji (UE) nr 10/2011 w sprawie materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością
10. Rozporządzenie Komisji (UE) Nr 1183/2012 z dnia 30 listopada 2012 r. w sprawie zmiany i sprostowania Rozporządzenia Komisji (UE) Nr 10/2011 w sprawie materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością
11. Rozporządzenie Komisji (UE) Nr 202/2014 z dnia3 marca 2014 r. zmieniające Rozporządzenie Komisji (UE) Nr 10/2011 w sprawie materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością
12. Rozporządzenie Komisji (UE) 2015/174 z dnia 5 lutego 2015 r. w sprawie zmiany i sprostowania rozporządzenia (UE) nr 10/2011 w sprawie materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością
13. Rozporządzenie Komisji (UE) 2016/1416 z dnia 24 sierpnia 2016 r. w sprawie zmiany i sprostowania rozporządzenia (UE) nr 10/2011 w sprawie materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością
14. Rozporządzenie Komisji (UE) 2017/752 z dnia 28 kwietnia 2017 r. w sprawie zmiany i sprostowania rozporządzenia (UE) nr 10/2011 w sprawie materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością
15. Rozporządzenie Komisji (UE) 2018/79 z dnia 18 stycznia 2018 r zmieniające rozporządzenie (UE) nr 10/2011 w sprawie materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością
16. Rozporządzenia Komisji (UE) 2018/213 z dnia 12 lutego 2018 r. w sprawie stosowania bisfenolu A w lakierach i powłokach przeznaczonych do kontaktu z żywnością oraz zmieniające rozporządzenie (UE) nr 10/2011 w odniesieniu do stosowania tej substancji w materiałach z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością
17. Ustawa z dnia 13 czerwca 2013 r. o gospodarce opakowaniami i odpadami opakowaniowymi (Dz. U. z 2016 poz. 1863)
18. Ustawa z dnia 12 października 2017 o zmianie Ustawy o gospodarce opakowaniami i odpadami opakowaniowymi oraz innych ustaw (Dz. U. z 2016 poz. 2056)
19. www.eko-znaki.pl
20. Rozporządzenie Komisji (WE) Nr 282/2008 z dnia 27 marca 2008 r. w sprawie materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych pochodzących z recyklingu przeznaczonych do kontaktu z żywnością oraz zmieniające rozporządzenie (WE) nr 2023/2006
21. www.recykling.pl
22. Penczek Stanisław, J. Pretula, P. Lewiński. 2013. „Polimery z odnawialnych surowców, polimery biodegradowalne”, Polimery, 11-12, 833-846
23. Frydrych Jacek, Kaczmarczyk M., Kaszuba A., Mężykowska A. Romanowska-Osuch A. 2015. „Materiały opakowaniowe z tworzyw biodegradowalnych o selektywnej przenikalności gazów”, Opakowanie, 11, 65-68
Monika Kaczmarczyk, Alicja Kaszuba, Adrianna Małkowska, Bogusław Zdanowski
Alfa-Print Sp. z o.o.
ul. Świętokrzyska 14A
00-050 Warszawa
