Recycling of Post-Consumer Poly(ethylene terephthalate) for Direct Food Contact Application - a Feasibility Study Using a Simplified Challenge Test

The question of recyclability of post-consumer poly(ethylene terephthalate) PET into new packaging materials for direct food contact is still an active part of research. In order to protect consumers' health, effective recycling processes and economic challenge tests to varify the cleansing efficiency of these processes are necessary. The aim of this work was to draw up a modified challenge test scheme for PET material from used soft drink bottles as recycling substrate. The intention was to make the test more economic as well as environmentally and user-friendly compared to proposed FDA test schemes and to apply the challenge test to a commercial recycling process for PET. The recycling process consists essentially of three steps including (i) conventional washing of PET flakes, (ii) remelting and extrusion of PET granules and (iii) additional solid-phase post-condensation of the PET granules. With the aid of several model contaminants possessing different physico-chemical properties, the purification efficiency of each step of the recycling process was determined. The challenge test was carried out at three different contamination levels, i.e. applying three different initial concentrations. In comparison to the initial contaminant (surrogate) concentrations as recommended by the FDA guidelines the actually applied concentrations of the surrogates in our challenge tests are equivalent. It could be shown that soaking of the PET flakes in excessive volumes of solvents and the washing step before remelting as proposed by FDA is not necessarily to be carried out. This reduces the amount of used chemicals and hazardous waste significantly. As expected, there is a great difference in removal potential of the process for volatiles compared to non-volatile substances. Volatile substances are already efficiently removed by the normal remelting/extrusion step to torm granules. For the non-volatile compounds a conventional extrusion process decreases concentrations of these compounds in the granules only such that 50 % to 25 % of the initial concentrations was remained in the PET material. The additional post-condensation step leads to a further decrease of the surrogates. For the most challenging surrogates, benzophenone, only 8 % of the initial concentration was found in the post-condensed final product. The overall cleansing efficiency of the whole PET recycling process (inclusive washing of the PET material) was found to be more than 99 % for the most challenging surrogate. Given cleansing efficiencies as obtained in this study and taking account of real-life contamination levels which are expected to be much lower than those applied to the challenge test, the qualities of recycled PET material can be expected such that they fulfill the legal requirements given by the US-FDA threshold-of-regulation principle. Consequently, such PET recyclate qualities should be suitalble again for direct food contact applications.

Die Frage nach der Wiederverwertbarkeit von "post-consumer" Polyethylenterephthalat PET in neuen Verpackungsmaterialien in direktem Kontakt mit demLebensmittel ist nach wie vor ein aktiver Forschungsbereich. Um den Verbraucherschutz zu gewährleisten, sind effektive Recyclingprozesse und ökonomische Testverfahren, z. B. sogenannte "Challenge Tests" erforderlich. Die Testverfahren beurteilen die Reinigungseffektivität von Recyclingprozessen. Das Ziel dieser Arbeit war es, einen veränderten Challenge-Test für das Recycling von gebrauchten PET-Getränkeflaschen aufzuzeigen, der im Vergleich zu dem von der FDA vorgeschlagenen Testverfahren ökonomischer, ökologischer und damit anwenderfreundlicher ist. Dieses Testverfahren wurde auf einen kommerziellen Recyclingprozeß für PET angewandt. Der Recyclingprozeß besteht im Wesentlichen aus drei Prozeßschritten: (i) herkömmliches Waschen der PET Flakes, (ii) Schmelzen und Extrudieren zu Granulat und (iii) zusätzliches Nachkondensieren des PET-Granulats. Mit Hilfe von mehreren Modellkontaminanten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften wurde dieReinigungseffizienz jedes einzelnen Prozeßschrittes bestimmt. Im Vergleich zu den von der FDA geforderten Ausgangskonzentrationen wurden in unserem Challenge Test gleiche Konzentrationen verwendet. Es konnte gezeigt werden, daß das Durchtränken der PET Flakes in großen Mengen an Lösungsmitteln und anschließendes Waschen, wie es von der FDA vorgeschlagen wird, nicht notwendig ist. Dies reduziert die benötigte Chemikalienmenge und den kontaminierten Abfall erheblich. Wie erwartet unterscheidet sich das Reinigungspotential des Prozesses bezüglich der leichtflüchtigen und der schwerflüchtigen Kontaminanten erheblich. Leichtflüchtige Substanzen werden durch den herkömmlichen Extrusionsschritt bereits effizient entfernt. Die Konzentrationen der schwerflüchtigen Substanzen werden durch das Extrudieren verringert, es verbleiben jedoch zwischen 50 % und 25 % der Anfangskonzentrationen im PET Material. Das zusätzliche Nachkondensieren führt zu einer weiterenVerringerung der Konzentrationen. Benzophenon, die am schwierigsten aus dem PET Material zu entfernen war, lag mit einer Konzentration von lediglich 8 % der Ausgangskonzentration im nachkondensierten Endprodukt vor. Die Reinigungseffizienz des gesamten PET Recyclingprozesses, inklusive des Waschschrittes, erreichte für Benzophenon mehr als 99 %. Die hier erhaltenen Reinigungseffizienzen ergeben unter Berücksichtigung der wesentlich niedrigeren "realen" Kontaminationslevel eine Recyclatqualität, die den Anforderungen des FDA "Threshold-of-Regulation" Prinzips genügt. Folglich sollten solche PET Recyclate für erneute Anwendungen im direkten Kontakt zum Lebensmittel geeignet sein.