Process Design and Optimisation supported by Life Cycle Assessment for a Sustainable Plastic Value Chain
Loading...
Date
Authors
Si, Chunyan
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Výzvy udržitelnosti napříč hodnotovým řetězcem plastů – od těžby surovin až po nakládání na konci životního cyklu – zůstávají zásadní překážkou pro rozvoj oběhového hospodářství. Ačkoli je posuzování životního cyklu (LCA) široce využíváno k vyčíslování environmentálních dopadů, často nedokáže postihnout dynamickou, víceaktérovou a vícerozměrnou povahu rozhodovacích procesů. Tato dizertační práce řeší tuto mezeru vývojem integrovaného metodologického rámce, který kombinuje LCA s doplňkovými analytickými nástroji na podporu kontextově specifických rozhodnutí o udržitelnosti. Rámec je strukturován podle klíčových fází hodnotového řetězce plastů: výroba surovin, výroba produktů, spotřeba a užívání, a nakládání na konci životního cyklu (EOL). Ve fázi výroby surovin byla provedena systematická rešerše literatury a metaanalýza 130 recenzovaných studií hodnocení životního cyklu (LCA), aby byly identifikovány výkonnostní kompromisy bioplastů ve srovnání s plasty na bázi fosilních paliv. Fáze výroby produktů je zkoumána pomocí modelu systémové dynamiky, který simuluje časovou zpětnou vazbu mezi tokem materiálu, environmentálními dopady a zásahy do produktových strategií. Zapojení spotřebitelů je řešeno pomocí Stackelbergova herního modelu, který zkoumá interakci mezi regulátory a spotřebiteli v rámci různých motivačních schémat. Ve fázi konce životnosti (EOL) je použit kooperativní herní přístup k spravedlivějšímu rozdělení environmentálních zátěží mezi zúčastněné strany v systému nakládání s plastovým odpadem, aby se zvýšil jejich podíl na recyklaci plastů. Posouzení sociálních dopadů je provedeno v celém hodnotovém řetězci a komplexní hodnocení udržitelnosti je vytvořeno integrací environmentálních, ekonomických a sociálních dimenzí za účelem podpory vyváženého rozhodování. Klíčová zjištění ukazují na značnou variabilitu environmentální výkonnosti bioplastů, která je ovlivněna typem surovin a metodickými volbami; nelineární dopady zásahů do produktových strategií na dlouhodobé přechody materiálových toků; zásadní roli sladění pobídek při snižování úniku plastů a podpoře udržitelné spotřeby; a důležitost přijatelných mechanismů rozdělování zátěží pro podporu dlouhodobé spolupráce mezi aktéry v oblasti recyklace plastů. Hodnocení sociálních dopadů dále identifikuje zranitelnost specifických skupin zúčastněných stran, zatímco integrované hodnocení udržitelnosti umožňuje lepší pochopení kompromisů a synergických efektů mezi environmentálními, ekonomickými a sociálními dimenzemi. Tato dizertace přispívá jak k teoretickému, tak praktickému rozvoji tím, že integruje LCA s dynamickými a strategickými modelovacími nástroji a nabízí přenositelný rámec pro řešení složitých problémů udržitelnosti v materiálových systémech. Získané poznatky mají za cíl podpořit výzkumníky, tvůrce politik a průmyslové aktéry při vývoji adaptivnějších a inkluzivnějších strategií pro udržitelné řízení plastů a dalších oblastí.
The sustainability challenges across the plastic value chain, ranging from raw material extraction to end-of-life management, remain a critical barrier to circular economy advancement. While Life Cycle Assessment (LCA) has been widely adopted to quantify environmental impacts, it often falls short in addressing the dynamic, multi-actor, and multi-dimensional nature of decision-making. The current thesis addresses this gap by developing an integrated methodological framework that combines LCA with complementary analytical tools to support context-specific sustainability decisions. The framework is structured around the key stages of the plastic value chain, i.e., raw material production, product manufacturing, consumption and use, and end-of-life (EOL) treatment. For raw material production stage, a systematic literature review and meta-analysis of 130 peer-reviewed LCA studies is conducted to identify performance trade-offs of bioplastics compared to fossil-based plastics. The product manufacturing stage is examined using a system dynamics model that simulates temporal feedback among material flows, environmental impacts, and product strategy interventions. Consumer engagement is addressed through a Stackelberg game-theoretic model that explores the interaction between regulators and consumers under different incentive schemes. In the EOL phase, a cooperative game-theoretic approach is applied to allocate environmental burdens more fairly among stakeholders in the plastic waste management system to increase their contribution for plastic recycling. A social impact assessment is conducted across the entire value chain, and a holistic sustainability evaluation is developed by integrating environmental, economic, and social dimensions to support balanced decision-making. The findings highlight the substantial variation in the environmental performance of bioplastics, driven by differences in feedstock types and methodological choices; the non-linear impact of product strategy interventions on long-term material transitions; the critical role of incentive alignment in reducing plastic leakage and fostering sustainable consumption; and the importance of accepted burden allocation mechanisms in supporting long-term collaboration among stakeholders in plastic recycling. The social impact assessment further identifies stakeholder-specific vulnerabilities, while the integrated sustainability evaluation enables a clearer understanding of trade-offs and synergies across environmental, economic, and social dimensions. This thesis contributes to both theoretical and practical advancements by integrating LCA with dynamic and strategic modelling tools, offering a transferable framework for tackling complex sustainability issues in material systems. The insights aim to support researchers, policymakers, and industry stakeholders in developing more adaptive and inclusive strategies for sustainable plastic governance and beyond.
The sustainability challenges across the plastic value chain, ranging from raw material extraction to end-of-life management, remain a critical barrier to circular economy advancement. While Life Cycle Assessment (LCA) has been widely adopted to quantify environmental impacts, it often falls short in addressing the dynamic, multi-actor, and multi-dimensional nature of decision-making. The current thesis addresses this gap by developing an integrated methodological framework that combines LCA with complementary analytical tools to support context-specific sustainability decisions. The framework is structured around the key stages of the plastic value chain, i.e., raw material production, product manufacturing, consumption and use, and end-of-life (EOL) treatment. For raw material production stage, a systematic literature review and meta-analysis of 130 peer-reviewed LCA studies is conducted to identify performance trade-offs of bioplastics compared to fossil-based plastics. The product manufacturing stage is examined using a system dynamics model that simulates temporal feedback among material flows, environmental impacts, and product strategy interventions. Consumer engagement is addressed through a Stackelberg game-theoretic model that explores the interaction between regulators and consumers under different incentive schemes. In the EOL phase, a cooperative game-theoretic approach is applied to allocate environmental burdens more fairly among stakeholders in the plastic waste management system to increase their contribution for plastic recycling. A social impact assessment is conducted across the entire value chain, and a holistic sustainability evaluation is developed by integrating environmental, economic, and social dimensions to support balanced decision-making. The findings highlight the substantial variation in the environmental performance of bioplastics, driven by differences in feedstock types and methodological choices; the non-linear impact of product strategy interventions on long-term material transitions; the critical role of incentive alignment in reducing plastic leakage and fostering sustainable consumption; and the importance of accepted burden allocation mechanisms in supporting long-term collaboration among stakeholders in plastic recycling. The social impact assessment further identifies stakeholder-specific vulnerabilities, while the integrated sustainability evaluation enables a clearer understanding of trade-offs and synergies across environmental, economic, and social dimensions. This thesis contributes to both theoretical and practical advancements by integrating LCA with dynamic and strategic modelling tools, offering a transferable framework for tackling complex sustainability issues in material systems. The insights aim to support researchers, policymakers, and industry stakeholders in developing more adaptive and inclusive strategies for sustainable plastic governance and beyond.
Description
Keywords
Plastový hodnotový řetězec, Posuzování životního cyklu (LCA), Metodiky specifické pro jednotlivé fáze, Zapojení zúčastněných stran, Řízení konce životnosti, Udržitelné rozhodování, Plastic Value Chain, Life Cycle Assessment (LCA), Stage-specific Methodologies, Stakeholder Engagement, End-of-Life (EOL) Management, Sustainable Decision-Making
Citation
SI, C. Process Design and Optimisation supported by Life Cycle Assessment for a Sustainable Plastic Value Chain [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2025.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
bez specializace
Comittee
prof. Ing. Petr Stehlík, CSc., dr. h. c. (předseda)
Xuexiu JIA, MSc, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Pavel Ditl, DrSc. (člen)
prof. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Martin Pavlas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vítězslav Máša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Jícha, CSc. (člen)
doc. Ing. Vojtěch Turek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radovan Šomplák, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Buzík, Ph.D. (člen)
Prof. Dr. Kathleen B. Aviso (člen)
Date of acceptance
2025-09-24
Defence
The dissertation explores strategies for improving the supply chain of plastics through Life Cycle Assessment, dynamic simulation and consumer engagement approaches. The thesis demonstrates a high level of scientific quality, originality and social relevance. The overall contribution is strong and merits recognition. In future work, a quantitative integration method should be further explored to cover the three dimension of sustainability.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení