Na podstawie umowy z Ministrem Nauki i Szkolnictwa Wyższego, w latach 2008-2010 został zrealizowany przez firmę GTX Hanex Plastic Sp. z o.o. wspólnie z COBRO Projekt Celowy pt. „Optymalizacja konstrukcji i redukcja masy gwintów i butelek” [1]. Przedmiotem badań i wdrożeń Projektu Celowego były butelki z politereftalanu etylenu (PET), a zakres Projektu był znacznie szerszy niż wynikałoby to z jego tytułu.
Zgodnie z tytułem, jednym z głównych celów Projektu Celowego była optymalizacja konstrukcji i wdrożenie produkcji wytwarzanych wtryskowo preform i rozdmuchiwanych z tych preform butelek PET, o zredukowanej masie główek z nowymi gwintami, dostosowanymi do niższych zamknięć o obniżonej masie.
W ramach Projektu realizowano ponadto dwa inne bardzo istotne cele. Jednym z nich był wybór systemu podwyższania barierowości butelek PET, uzasadnionego w warunkach produkcyjnych firmy GTX Hanex Plastic, a drugim wdrożenie produkcji butelek z PET o podwyższonej barierowości.
Do zadań projektu należało ponadto obniżenie zawartości aldehydu octowego w wyrobach z PET, wytwarzanych w firmie GTX Hanex Plastic.
Osiągnięcia w zakresie redukcji masy gwintów i butelek
Od czasu, kiedy pierwsze butelki z PET pojawiły się na rynku krajowym, ich masa uległa wydatnemu ograniczeniu: przykładowo z początkowej masy. w przypadku półtoralitrowej butelki do napojów, wynoszącej 42-48 g, do aktualnie osiąganej 25-30 gramów.
Tendencja do obniżania masy opakowań doprowadziła do sytuacji, w której często dalsze obniżanie grubości ścianek butelki nie jest już możliwe ze względów wytrzymałościowych, a także użytkowych.
W ostatnich latach w segmencie butelek z PET uwaga koncentruje się na skracaniu główek i zmniejszaniu ich masy, w wytwarzanych wtryskowo preformach, stanowiących pierwszą fazę procesu wytwarzania butelek. Podkreślić należy, że masa i wymiary główek nie zmieniają się już w dalszej fazie produkcji, to jest podczas rozdmuchu butelek.
Zmiany w konstrukcji główek w butelkach z PET wiążą się ze zmianami w konstrukcji zamknięć do tych butelek połączonej z obniżaniem ich masy.
Efekt prac Projektu związany ze zmniejszaniem masy „gwintów” stanowi wdrożenie w preformach i wykonywanych z tych preform butelkach, nowych, lżejszych główek z gwintami o przyjętych oznaczeniach: PCO 1881, HPCO 1881 oraz HDN, zastępujących najbardziej rozpowszechnione we wcześniejszym okresie główki z gwintem PCO 1810.
Na rys. 1 przedstawiono zarys kształtu główki dotychczasowej, w porównaniu z rozwiązaniem lżejszej główki z nowym gwintem.
Na rys. 2 przedstawiano butelki z PET do napoju Coca Cola z lekkimi główkami i dostosowanymi do nich niższymi i lżejszymi zakrętkami oraz preformy do rozdmuchu butelek.
Nowe główki zostały w pierwszej kolejności zastosowane w preformach i butelkach do wody i napojów.
Zmieniona konstrukcja główki i gwintu umożliwia obniżenie masy główki i tym samym znaczne oszczędności materiałowe granulatu PET.
Nowe główki wymagały opracowania i wdrożenia dostosowanych do nich niższych i lżejszych zakrętek, co zapewniło zmniejszenie masy kompletnego opakowania, a więc dalsze oszczędności materiałowe.
W nowych rozwiązaniach łączne zmniejszenie masy główki i zakrętki szacuje się do ~ 40% w porównaniu z wcześniejszymi rozwiązaniami.
Przy typowej 1,5-litrowej butelce do wody mineralnej zmniejszenie masy kompletnego opakowania wraz z zakrętką szacowane jest na 7 ~ 10%.
Co oszczędność ta może oznaczać przy dalszym upowszechnieniu nowych rozwiązań wystarczy wspomnieć, że zużycie butelek PET do wody i napojów w skali kraju liczy się w mld sztuk.
Przeprowadzone badania wykazały, że nowe główki i gwinty nie ustępują właściwościami mechanicznymi użytkowanym dotychczas, znacznie cięższym od nich.
Badania te wykazały również, że z punktu widzenia pakowanego produktu i konsumenta, butelki z nowymi główkami i zakrętkami są całkowicie bezpieczne.
Preformy i wykonane z nich butelki z nowo opracowanymi gwintami zostały z pozytywnym wynikiem przetestowane na liniach zainstalowanych w szeregu krajowych firm produkujących wody i napoje, między innymi w Muszyniance, Ustroniance, Piwniczance, Bewie i Jurajskiej, które przygotowywały się do zastosowania preform z lekkimi gwintami w roku 2011.
Preformy z lżejszymi główkami z gwintami PCO 1881 oraz HDN są dostarczane przez GTX Hanex Plastic do polskiego oddziału firmy Coca Cola, do firm Zbyszko, Kinga Pienińska i TG Bewa.
Już w roku 2010 brano pod uwagę przeniesienie doświadczeń wynikających z wdrażania preform z lżejszą główką do butelek do innych zastosowań, to jest do olejów, soków, napojów energetycznych oraz do produktów mlecznych.
Sprzedaż nowej konstrukcji preform wielokrotnie przekroczyła przewidywaną w parametrach wdrożenia.
W wyniku wdrożenia preform z lżejszą główką, w skali GTX Hanex Plastic, zmniejszenie zużycia surowca PET osiągnięto na poziomie kilkunastu cystern rocznie. Pojemność cysterny wynosi ~ 20 ton, o wartości granulatu PET od 26 000 do 30 000 Euro (przy uwzględnieniu wahań cen w lutym 2012 roku).
Osiągnięcia w zakresie podwyższania barierowości butelek z PET
Uwzględniając asortyment produktów wytwarzanych przez odbiorców firmy GTX Hanex, skoncentrowano się na podwyższaniu barierowości preform oraz butelek z PET, w stosunku do tlenu.
Barierowość politereftalanu etylenu (PET) w stosunku do tlenu, kwalifikująca się do średniej jest zadowalająca w przypadku butelek do produktów, takich jak różne gatunki wody mineralnej, napoje niegazowane, a również i gazowane o nieznacznym stopniu nasycenia CO2, a także oleje jadalne.
Barierowość PET jest jednak nie zadowalająca i wymaga podwyższenia, w przypadku takich produktów, jak np. świeże soki owocowe, ketchup czy też piwo.
Podwyższanie grubości ścianek opakowania w pewnym stopniu rzutuje na wzrost barierowości i np. grubość ścianek opakowania do ketchupu może być nawet 7-krotnie wyższa w porównaniu z butelką do wody niegazowanej. Tego rodzaju działania są jednak często sprzeczne z preferowaną przepisami WE minimalizacją zużycia materiałowego.
We wcześniejszym artykule w czasopiśmie Opakowanie [2] omówiono metody podwyższania barierowości butelek z PET, stosowane w technice światowej.
Przy wyborze systemu podwyższania barierowości butelek
z PET, dokonanym w ramach realizacji Projektu Celowego kierowano się:
n uwarunkowaniami technologicznymi uniemożliwiającymi w przypadku GTX Hanex Plastic np. zastosowania preform wielowarstwowych,
n względami ekonomicznymi podważającymi celowość stosowania blend z tworzywami wysokobarierowymi, których ceny są kilkakrotnie wyższe w porównaniu z PET,
n możliwością wdrożenia systemu bez dodatkowych nakładów inwestycyjnych, wymaganych np. w przypadku powlekania gotowych butelek,
n europejskimi przepisami sanitarno-higienicznymi, nie uwzględniającymi dotychczas możliwości wykorzystania nanokompozytów, których status w przypadku materiałów i wyrobów przeznaczonych do bezpośredniego kontaktu z żywnością nie jest jeszcze uregulowany.
Biorąc pod uwagę wszystkie wyżej wymienione czynniki dokonano wyboru systemu z wykorzystaniem scavenger’ów, stanowiących tzw. barierę aktywną, wyrażającą się nie tylko w obniżaniu przenikalności tlenu przez opakowanie, ale także w wychwytywaniu tlenu zawartego w opakowaniu, zarówno w produkcie, jak i w przestrzeni nad produktem tzw. headspace.
W wykonanych badaniach wykorzystano wytypowane na podstawie testów wstępnych scavenger’yValor firmy Valspar.
Główne kryterium oceny skuteczności działania scavengerów stanowi okres czasu, po upływie którego zawartość tlenu w opakowaniu utrzymuje się na poziomie nie przekraczającym określonej wartości. Poziom ten jest uzależniony od rodzaju produktu i np. w przypadku piwa wynosi zaledwie 1 ppm (części na milion).
W celu wykonywania badań przenikalności tlenu przez butelki PET skonstruowano w COB
RO specjalną przystawkę, tworzącą układ pomiarowy z aparatem OXTRAN 2/20, firmy Mocon.
Do oznaczania zawartości tlenu zarówno w wodzie, wypełniającej butelkę, jak i w przestrzeni headspace, to jest nad
poziomem cieczy, użyto aparatu OxySense® 210T (producent Oxysense, Inc).
Aparat OxySense wykorzystuje nie niszczącą metodę optyczną, umożliwiającą określenie stężenia tlenu wewnątrz szczelnie zamkniętego, przezroczystego lub półprzezroczystego opakowania, poprzez pomiar fluorescencji, generowanej po oświetleniu błony wrażliwej na tlen, w postaci tzw. czujnika O2xyDot® [3].
Przygotowanie butelek do pomiarów zawartości tlenu polega na wklejeniu w wewnętrzną stronę ścianki butelki czujnikówO2xyDot®, jednego w części przewidzianej do wypełnienia wodą oraz drugiego nad lustrem wody, to jest w przestrzeni headspace.
W wykonanych badaniach, przy wykorzystaniu aparatu OxySense® 210T potwierdzono skuteczny wpływ oddziaływania scavenger’ów zarówno na obniżanie zawartość tlenu w wodzie zawartej w butelce, jak i w przestrzeni headspace.
Skuteczność tę potwierdzono w długim wielomiesięcznym okresie, mijającym od czasu wyprodukowania butelek ze scavenger’ami.
Wybór aktywnego systemu podwyższania barierowości, przy wykorzystaniu scavenger’ów, to jest substancji wychwytujących tlen, w znacznym stopniu podyktowany uwarunkowaniami technologicznymi firmy GTX Hanex Plastic okazał się uzasadniony również z punktu widzenia jego wszechstronnej funkcjonalności.
Słuszność tego wyboru potwierdziły zarówno badania barierowości na tlen butelek wytworzonych z udziałem wytypowanych scavenger’ów, jak i testy w warunkach przemysłowych.
Na rys. 3 przedstawiono udostępniony przez firmę Mocon sześciostanowiskowy aparat OX -TRAN Model 2/61, w trakcie wykonywania pomiarów szybkości przenikania tlenu przez butelki, przeznaczone do soków owocowych.
O efektywności zastosowanych scavenger’ów świadczyć może fakt uzyskania aż 25-krotnego obniżenia przenikalności
tlenu w opakowaniach do soków owocowych.
Zastosowane w produkcji preform do butelek PET scavenger’y Valor, w wyniku dostępnych wersji z udziałem bariery pasywnej, zapewniły ponadto w wymaganych przypadkach, nie tylko wydatne obniżenie przenikalności tlenu i jego zawartości w opakowaniu, ale również podwyższenie barierowości w stosunku do ditlenku węgla.
Dzięki temu uzyskano możliwość wykorzystania butelek PET z tego rodzaju scavenger’ami do rozlewu piwa, produktu o szczególnie rygorystycznych wymaganiach zarówno w zakresie dostępu tlenu do opakowania, jak też przed utratą ditlenku węgla.
Pozytywne wyniki testów wdrożeniowych butelek z PET z zastosowaniem scavenger’ów uzyskano w Browarach Staropolskich, w zastosowaniu do piwa oraz w przypadku napojów energetycznych w firmie Food Care.
Perspektywicznie przewiduje się promowanie butelekz PET o podwyższonej barierowości w zastosowaniu do: ketchupu, sosów, mleka i jego przetworów oraz do napojów izotonicznych i funkcjonalnych.
Osiągnięcia w zakresie obniżania zawartości aldehydu octowego w wyrobach z PET (przyjęty w opisie z ang. skrót AA – acetaldehyde)
Dotychczasowe doświadczenia w przetwórstwie PET wskazują, że obecność AA w wyrobach z PET jest nie do uniknięcia.
Dążenie do minimalizacji zawartości tej substancji w wytwarzanych wyrobach jest jednak konieczne i w pełni uzasadnione.
Wysoka twardość i wytrzymałość mechaniczna PET, przy szczególnie wysokiej lotności AA sprawiają, że już samo wykonanie oznaczeń zawartości tego aldehydu w wyrobach z PET, a w szczególności przygotowanie próbek do badań stanowi zadanie trudne i wymagające ścisłego przestrzegania ustalonych warunków przygotowywania próbek i wykonywania oznaczeń.
Podczas mielenia próbek, dla uniknięcia strat AA konieczne jest maksymalne ograniczenie nagrzewania w wyniku generowania ciepła w procesie mielenia, co osiąga się poprzez mielenie wstępnie rozdrobnionych wyrobów z PET, w atmosferze ciekłego azotu.
Na podstawie wykonanych w ramach Projektu Celowego licznych badań zawartości AA w preformach i butelkach PET określono warunki przygotowania próbek do badań oraz przeprowadzenia chromatograficznych oznaczeń zawartości tej substancji.
Ścisłe przestrzeganie warunków, ustalonych w wyniku wykonanych prac, a w szczególności zachowania stałego okresu czasu od zmielenia próbki do umieszczenia jej w fiolce do badań chromatograficznych jest niezbędne dla uzyskiwania porównywalnych wyników badań, realizowanych w różnych laboratoriach.
W ramach Projektu Celowego prace nad redukcją zawartości AA w wyrobach z PET realizowano zarówno poprzez optymalizację procesu wtrysku wytwarzanych preform, jak też w wyniku stosowania substancji przeciwdziałających powstawaniu AA, tzw. bloker’ów.
Najważniejszym parametrem w procesie produkcyjnym, mającym wpływ na zawartość AA w preformach jest temperatura wtrysku.
Wykazano między innymi, że przegrzanie PET i zbyt długi czas przetrzymywania uplastycznionego tworzywa przed wtryskiem powoduje drastyczny wzrost zawartości AA w wytwarzanych preformach. Przegrzewanie w gniazdach formy w zbyt
wysokiej temperaturze wpływa również na podwyższenie zawartości AA.
W wyniku badań przeprowadzonych w preformach zawierających bloker AA z granulatem PET pochodzącym od dwu producentów, uzyskano zdecydowane obniżenie zawartości AA.
W oznaczeniach AA w preformach nie zawierających bloker’a stwierdzano ponad dwukrotnie wyższą zawartość AA w porównaniu z preformami z tego samego granulatu, zawierającego blokerAA.
Jednakże pomimo korzystnego obniżenia zawartości AA w preformach, w butelkach wytwarzanych z tych preform następował ponowny wzrost zawartości AA.
W praktyce spełnienie wymagań określonych w parametrach wdrożenia, dotyczących zawartości AA uzyskano w wyniku optymalizacji procesu wtrysku.
Dla optymalizacji procesu technologicznego wytwarzania preform, z punktu widzenia maksymalnego ograniczania zawartości AA, szczególnie korzystne okazało się zainstalowanie w GTX Hanex Plastic chromatografu gazowego oraz wykonywanie badań zawartości AA w preformach w laboratorium tej firmy, przy wykorzystaniu parametrów badań opracowanych w ramach prac COBRO.
Umożliwiło to bezpośrednie reagowanie na dokonywane zmiany w parametrach procesu wytwarzania preform oraz dokonanie optymalizacji parametrów tego procesu.
Nie tylko ze względów ekonomicznch (wyższe koszty wytwarzania preform zawierających bloker AA), ale także i z uwagi na ponowny wzrost zawartości AA w butelkach wytwarzanych z preform zawierających bloker AA, do praktyki przemysłowej wdrożono preformy uzyskiwane w wyniku optymalizacji procesu technologicznego ich wytwarzania.
Przepisy WE związane z bezpieczeństwem żywności nie zawierają wymagań odnośnie zawartości AA w wyrobach przeznaczonych do kontaktu z żywnością, podają natomiast limit migracji specyficznej (SML< 6 ppm – części na milion).
Podkreślić należy, że w wykonywanych w COBRO, w ramach Projektu Celowego, badaniach migracji specyficznej AA nie stwierdzano migracji tej substancji do wody mineralnej, przy poziomie detekcji 12 ppb (części na miliard).
Pomimo tego odbiorcy preform stawiają ich dostawcom wymagania w zakresie akceptowalnych zawartości AA, które przyjęto w parametrach wdrożenia na poziomie 4 ppm.
Obniżenie zawartości AA do wysokości zgodnej z założoną w parametrach wdrożenia stanowi zdecydowany postęp i jest z uznaniem przyjmowane przez odbiorców preform.
Dotychczas preformy o uzyskiwanym obecnie poziomie zawartości AA były stosowane głównie przez duże międzynarodowe koncerny, takie jak np. Danone czy Nestle.
Wytwarzane w GTX Hanex Plastic preformy o zredukowanej zawartości AA już w pierwszym roku wdrożeniowym dostarczano do firmy Nałęczów Zdrój (producent wody Cisowianka) w ilości kilkadziesiąt razy większej, w stosunku do zakładanej w parametrach wdrożenia.
Istotny wynik realizacji Projektu Celowego stanowi aktualna produkcja preform przeznaczonych do
butelek do napojów i wody mineralnej, w warunkach zoptymalizowanych z punktu widzenia maksymalnego obniżenia zawartości aldehydu octowego, kontrolowanej na bieżąco w laboratorium GTX Hanex Plastic.
Literatura
1. Raport końcowy z realizacji Projektu Celowego nr 6 zr. 9 2007 c/06993 pt. „Optymalizacja konstrukcji i redukcja masy gwintów i butelek” wykonanego w latach 2008-2010 w ramach umowy nr 04243/CZR9-6/2008, zawartej między Ministrem Nauki i Szkolnictwa Wyższego, a GTX HANEX PLASTIC Sp. z o.o. oraz Centralnym Ośrodkiem Badawczo-Rozwojowym Opakowań, Warszawa, styczeń 2011.
2. Czerniawski B.: Metody Podwyższania barierowości butelek z poli (tereftalanuetylenu), Opakowanie nr 6/ 2010.
3. Instrukcja obsługi aparatu O2xySenseTM 210T, Oxygen Analyzer System firmy OxySense, Inc. Dallas, (USA).
