張峻霞，田愷，宋雅慧

天津科技大學(xué)（天津 300222）

再制干酪（Processed cheese），是一種利用不同成熟時(shí)期的同種或2種以上天然奶酪作為主要加工原料，輔以標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的添加物，經(jīng)過(guò)特殊條件下的一系加工工藝而形成的一類乳制品[1-4]。和天然奶酪相比，再制干酪具有更加豐富的營(yíng)養(yǎng)和口味，且產(chǎn)品儲(chǔ)藏時(shí)間久[5-6]，越來(lái)越受到消費(fèi)群體青睞。由于缺乏天然優(yōu)質(zhì)奶源，中國(guó)干酪制品制造行業(yè)生產(chǎn)的該類產(chǎn)品均為再制干酪。有研究表明，干酪生產(chǎn)碳排放在乳制品生產(chǎn)行業(yè)中屬中等偏上，與液態(tài)奶占乳制品生產(chǎn)碳排放的1/3[7-8]。隨著再制干酪產(chǎn)品產(chǎn)量與消費(fèi)量日益提升，該行業(yè)對(duì)全球氣候變化的影響也得到國(guó)內(nèi)外各政府、國(guó)際組織及乳制品行業(yè)企業(yè)廣泛關(guān)注。

因此，研究選取再制干酪作為乳制品全生命周期碳足跡分析的研究對(duì)象，展開(kāi)產(chǎn)品碳足跡分析清單研究，并結(jié)合研究結(jié)果選取其中生產(chǎn)加工階段碳足跡結(jié)果較為嚴(yán)重的單元過(guò)程中的生產(chǎn)設(shè)備，針對(duì)性展開(kāi)設(shè)備綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)，充實(shí)乳制品碳足跡研究?jī)?nèi)容，為行業(yè)綠色優(yōu)化發(fā)展提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外乳制品碳足跡的研究進(jìn)展

一些國(guó)家政府、民間組織和再制干酪生產(chǎn)企業(yè)自身已建立嚴(yán)格的監(jiān)管和控制措施，實(shí)施控制乳制品生產(chǎn)加工過(guò)程甚至于產(chǎn)品全生命周期的碳排放情況。如愛(ài)爾蘭政府通過(guò)有力措施和嚴(yán)格監(jiān)管做到每噸乳制品能源消耗量下降16%，單位工廠的碳排放量下降26%[9]。在加拿大，相關(guān)組織研究發(fā)現(xiàn)利用畜牧業(yè)作物排放估算系統(tǒng)可完成乳制品行業(yè)溫室氣體排放計(jì)算，而研究結(jié)果表明，從奶源（約占整體研究90%）到加工再到出口，除地區(qū)特點(diǎn)差異和環(huán)境區(qū)別外，酸奶每千克碳排放高于液態(tài)奶，而黃油每千克產(chǎn)品碳排放量則為最高[10]。西班牙相關(guān)組織研究發(fā)現(xiàn)奶源和加工階段的碳排放占整個(gè)行業(yè)生產(chǎn)碳排放的80%～96%，因此該國(guó)依照ISO/TS 14067標(biāo)準(zhǔn)的體系框架建立適用于該國(guó)乳制品行業(yè)特點(diǎn)和自身發(fā)展情況的奶制品監(jiān)管體系，并設(shè)有專門(mén)的奶制品審核部門(mén)嚴(yán)格監(jiān)測(cè)該國(guó)乳制品企業(yè)的環(huán)境影響[11]。

在中國(guó)，廣州風(fēng)行牛奶有限公司于2013年啟動(dòng)其旗下巴氏殺菌鮮牛奶946 mL系列產(chǎn)品的碳足跡評(píng)價(jià)和碳標(biāo)簽認(rèn)證工作，屬中國(guó)首家乳制品生產(chǎn)行業(yè)產(chǎn)品首次展開(kāi)碳足跡標(biāo)簽工作的企業(yè)[12]。該體系具有明確的乳制品巴氏殺菌牛奶生產(chǎn)系統(tǒng)邊界、行業(yè)全生命周期及各個(gè)階段數(shù)據(jù)收集要求、質(zhì)量及內(nèi)容報(bào)告，并配備有驗(yàn)證該生產(chǎn)領(lǐng)域的碳足跡研究?jī)?nèi)容的專業(yè)方法。研究發(fā)現(xiàn)，不同類別乳制品碳排放均較高，而其中奶酪的碳排放更是居世界食物碳排放量第三，僅次于牛肉和羊肉[8]。

干酪生產(chǎn)碳排放在乳制品生產(chǎn)行業(yè)中屬中等偏上，與液態(tài)奶占乳制品生產(chǎn)碳排放的三分之一，具有較高研究意義[7-8]。由于缺乏天然優(yōu)質(zhì)奶源，中國(guó)干酪制品制造行業(yè)生產(chǎn)的該類產(chǎn)品均為再制干酪。

2 再制干酪全生命周期的碳足跡計(jì)算和分析

研究以PAS 2050準(zhǔn)則體系為碳足跡核算依據(jù)建立再制干酪碳足跡系統(tǒng)邊界，根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際情況在準(zhǔn)則中選取對(duì)應(yīng)計(jì)算依據(jù)，代入相關(guān)數(shù)據(jù)完成再制干酪生命周期內(nèi)碳足跡計(jì)算。

2.1 再制干酪碳足跡系統(tǒng)邊界的確立

按照原料獲取-產(chǎn)品加工生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷(xiāo)售和回收處理的全生命周期，根據(jù)研究對(duì)象自身特點(diǎn)以及行業(yè)要求，在確保各環(huán)節(jié)連續(xù)性的同時(shí)，深入了解產(chǎn)品各階段特點(diǎn)和內(nèi)容，整理形成產(chǎn)品生命周期流程框架。該框架是碳足跡分析的基礎(chǔ)，為研究確定系統(tǒng)邊界和內(nèi)容、找出碳足跡排放節(jié)點(diǎn)提供支持。

研究目的是進(jìn)行以乳制品生產(chǎn)設(shè)備綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)，再制干酪全生命周期碳足跡分析的系統(tǒng)邊界劃分和評(píng)價(jià)模型建立，是基于指導(dǎo)判斷再制干酪生產(chǎn)設(shè)備碳排放較大、有待綠色優(yōu)化改進(jìn)意義的基礎(chǔ)。其中，為重點(diǎn)突出該階段研究對(duì)于后續(xù)產(chǎn)品綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)的作用和指導(dǎo)，再制干酪全生命周期碳足跡分析重點(diǎn)涉及方面如圖1所示。

圖1 再制干酪的系統(tǒng)邊界模型

為盡可能保證碳足跡結(jié)果對(duì)生產(chǎn)設(shè)備選取的針對(duì)性，碳足跡模型僅就各單元過(guò)程中的能源消耗展開(kāi)研究，由于物料產(chǎn)生的碳排放可能增加結(jié)果數(shù)值，影響綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象的選擇結(jié)果，故忽略不計(jì)。

2.2 再制干酪碳足跡的計(jì)算

能源排放的碳足跡。再制干酪能源排放主要涉及的單元過(guò)程為原材料獲取和產(chǎn)品生產(chǎn)加工，主要能源為電力和蒸汽。按照PAS 2050準(zhǔn)則關(guān)于產(chǎn)品碳足跡計(jì)算的規(guī)定，再制干酪原材料獲取階段即利用初級(jí)數(shù)據(jù)或次級(jí)數(shù)據(jù)乘以活動(dòng)數(shù)排放因子進(jìn)而轉(zhuǎn)換為溫室氣體排放量，記為產(chǎn)品單位功能單元的溫室氣體排放量。單位功能單元的溫室氣體排放量之和，即為該階段整體碳足跡結(jié)果，具體見(jiàn)式（1）。

式中：Ei為第i類能源實(shí)物量；ai為第i類能源生產(chǎn)排放因子。

廢水排放處理的碳足跡。結(jié)合國(guó)家要求和企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)于廢水處理的措施，主要涉及廢水的輸出及企業(yè)關(guān)于廢水厭氧處理排放，其排放污染物為生物需氧量BOD，排放的溫室氣體為甲烷。按照聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）和中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)（NDRC）的推薦，關(guān)于廢水的甲烷排放計(jì)算如式（2）～（4）所示。

式中：ED為廢水甲烷排放量；EDt為廢水處理過(guò)程中甲烷排放量；EDd為直接排放廢水所造成甲烷排放量；BODDt為有氧環(huán)境下，廢水處理時(shí)可生物降解有機(jī)物含量；BODDd為有氧環(huán)境下，直接排放廢水時(shí)可生物降解有機(jī)物含量；BO為甲烷回收量，為0；MCF為甲烷最大生產(chǎn)力，0.6 kg CH4/kg BOD；R為甲烷修正系數(shù)，廢水處理為0.458，直接排放廢水為0.1。

基于中國(guó)甲烷回收工作仍不成熟，無(wú)法構(gòu)成足夠規(guī)模，因此，研究中加完回收量設(shè)為0[13]。按照PAS 2050規(guī)范中廢棄物產(chǎn)生的非二氧化碳排放量時(shí)要求，將甲烷排放量折算成二氧化碳當(dāng)量，如式（5）所示。

式中：Oj為排放的第j類溫室氣體實(shí)物量；GWPj為第j類氣體的全球變暖潛能值，取25。

按照研究采用的PAS 2050規(guī)范，將時(shí)間跨度設(shè)定為100年，即甲烷的全球變暖潛能值的參照值為25。

運(yùn)輸過(guò)程的碳足跡。該階段整體涉及的能源主要為汽油和柴油，物料輸入方面主要是天然干酪、黃油、成品及其包裝以及廢棄包裝材料物（紙盒）。按照PAS 2050準(zhǔn)則關(guān)于產(chǎn)品碳足跡計(jì)算規(guī)定，再制干酪運(yùn)輸階段碳排放即初級(jí)數(shù)據(jù)或次級(jí)數(shù)據(jù)乘以不同物料輸入對(duì)應(yīng)的不同運(yùn)輸距離再乘以交通工具運(yùn)輸?shù)奶寂欧乓蜃舆M(jìn)而轉(zhuǎn)換為溫室氣體排放量，記為產(chǎn)品單位功能單元的溫室氣體排放量。單位功能單元的溫室氣體排放量之和，即為該階段整體碳足跡結(jié)果，如式（6）所示。

式中：Mk為第k類運(yùn)輸產(chǎn)品的質(zhì)量；Dk為第k類產(chǎn)品的運(yùn)輸距離；γk為第k類產(chǎn)品所用交通運(yùn)輸工具產(chǎn)品的碳排放因子；Ol為排放的第1類溫室氣體實(shí)物量；GWPl為第1類氣體全球增暖潛勢(shì)。

按照企業(yè)1年生產(chǎn)2.1×104t再制干酪，每月24 d、每天24 h的工作時(shí)間的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算得：再制干酪原材料獲取階段原材料驗(yàn)收碳足跡為983.059 t CO2eq，原材料儲(chǔ)存單元過(guò)程中碳足跡為1 732.650 t CO2eq；再制干酪生產(chǎn)加工階段原材料預(yù)處理單元過(guò)程中碳足跡為1 799.611 t CO2eq，混合機(jī)混合單元過(guò)程中碳足跡為7 366.964 t CO2eq，結(jié)構(gòu)破解、乳化及巴氏殺菌單元過(guò)程中碳足跡為4 123.486 t CO2eq，灌裝單元過(guò)程中碳足跡為2 123.654 t CO2eq，包裝單元過(guò)程中碳足跡為1 563.442 t CO2eq，冷藏單元過(guò)程中碳足跡為1 761.954 t CO2eq；產(chǎn)品運(yùn)輸階段碳足跡為1 777.525 t CO2eq。再制干酪運(yùn)輸階段配送及銷(xiāo)售碳足跡為646.965 t CO2eq，供應(yīng)鏈及銷(xiāo)售終端碳足跡為635.942 t CO2eq，廢棄回收運(yùn)輸碳足跡為494.619 t CO2eq。

2.3 關(guān)于再制干酪碳足跡計(jì)算結(jié)果的分析

研究結(jié)果表明，企業(yè)1年生產(chǎn)2.1×104t的再制干酪條件下，在研究設(shè)定的系統(tǒng)邊界內(nèi)全生命周期的碳足跡23 232.381 t CO2eq，如圖2～圖5所示。其中，原材料獲取階段碳足跡合計(jì)2 715.745 t CO2eq，即生產(chǎn)1 t的再制干酪原材料獲取階段排放0.13 t的二氧化碳當(dāng)量；再制干酪生產(chǎn)和加工階段碳足跡合計(jì)18 739.11 t CO2eq，即生產(chǎn)1 t的再制干酪在生產(chǎn)加工階段排放0.89 t的二氧化碳當(dāng)量；運(yùn)輸階段碳足跡合計(jì)1 777.525 t CO2eq，即生產(chǎn)1 t再制干酪排放0.085 t的二氧化碳當(dāng)量。

圖2 再制干酪原料獲取階段碳足跡

圖3 再制干酪生產(chǎn)加工階段碳足跡

圖4 各階段涉及運(yùn)輸環(huán)節(jié)的碳足跡

圖5 再制干酪生命周期碳足跡總體情況

3 再制干酪混合機(jī)的綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合再制干酪生命周期內(nèi)的碳足跡計(jì)算和結(jié)果分析得再制干酪生產(chǎn)加工階段產(chǎn)品混合機(jī)混合單元過(guò)程的碳排放量在整個(gè)生產(chǎn)加工階段處于較高排放量。因此，研究選取該階段作為再制干酪生產(chǎn)設(shè)備綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)研究重點(diǎn)，建立再制干酪混合機(jī)綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3.1 再制干酪混合機(jī)原材料的綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)

再制干酪混合機(jī)的原材料目前主要采用的是Q245碳素結(jié)構(gòu)鋼。在確保原材料的基本性能和保證食品安全的基礎(chǔ)上，更換使用率或者是廢棄回收率更加優(yōu)化的原材料，綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)方案給出幾方面設(shè)計(jì)內(nèi)容。

1) 考慮應(yīng)用較為廣泛且利用率高的原材料。良好的加工性能能夠確保材料在加工、使用環(huán)節(jié)更少地出現(xiàn)漏洞，提高產(chǎn)品成型率的同時(shí)也是節(jié)約能源消耗的隱性表征之一。設(shè)計(jì)促進(jìn)產(chǎn)品性能優(yōu)化的最大效率發(fā)揮，提升設(shè)備的使用年限，從而達(dá)成產(chǎn)品綠色優(yōu)化效果。狹義上講，前者是能源效率的優(yōu)化，后者則是物料效率提升的設(shè)計(jì)。

2) 原材料廢棄途徑較為成熟且回收率較高。原材料回收處理率較高，擁有良好且壯大的回收處理再利用市場(chǎng)，回收率隨回收處理技術(shù)發(fā)展而提升，表明該材料對(duì)相關(guān)模塊零件的報(bào)廢回收有較為積極綠色的影響。

原材料綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)一方面是能源節(jié)約型設(shè)計(jì)，在提升零件加工剛性方面得到應(yīng)用，另一方面則是材料節(jié)約型設(shè)計(jì)。在擋圈結(jié)構(gòu)綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，兩項(xiàng)兼顧的設(shè)計(jì)結(jié)果恰好滿足資源節(jié)約型設(shè)計(jì)要求，更加貼合于綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于Q345B性能的優(yōu)化，該材料在價(jià)格上會(huì)比Q245碳素材料略貴一些，但是，綜合產(chǎn)品的綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)和綜合環(huán)境指標(biāo)性能改善后性價(jià)比提升，在原材料選購(gòu)上有一定優(yōu)勢(shì)。

3.2 再制干酪混合機(jī)制造加工的綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)

再制干酪混合機(jī)各模塊間的分工較為清晰，主要有水平奶酪桶、封閉式奶酪桶、排水墊圈、鼓式排水器、攪拌機(jī)和排水式攪拌機(jī)。為方便設(shè)備日常清洗、巡檢、維修和更換模塊等工作，提升工作效率，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命，體現(xiàn)可持續(xù)的綠色設(shè)計(jì)原則。乳制品混合機(jī)的設(shè)計(jì)采用Solid Works建模完成，如圖6所示。

圖6 利用Solid Works建立的乳制品混合機(jī)模型

乳制品混合機(jī)的綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究對(duì)象主要圍繞設(shè)備材料和結(jié)構(gòu)展開(kāi)，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法主要從可拆卸設(shè)計(jì)、可回收設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)以及輕量化設(shè)計(jì)等方面入手展開(kāi)產(chǎn)品綜合分析和綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)評(píng)估、分析，以資源節(jié)約型設(shè)計(jì)為研究目標(biāo)，找到產(chǎn)品待開(kāi)發(fā)的綠色優(yōu)化內(nèi)容，完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

1) 模塊組件間的可拆卸優(yōu)化設(shè)計(jì)。如在奶酪桶底端設(shè)計(jì)腳踏裝置，如圖7所示，一方面便于產(chǎn)品模塊間的分離從而提升設(shè)備使用過(guò)程中的工作效率；另一方面可拆卸化的綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠更加優(yōu)化模塊間關(guān)系。先進(jìn)的拆解方法有嵌入式可拆解設(shè)計(jì)和主動(dòng)拆解設(shè)計(jì)。針對(duì)生產(chǎn)設(shè)備類產(chǎn)品，設(shè)計(jì)一般選用前者為依托手段，通過(guò)出發(fā)一個(gè)拆解特征，這里即通過(guò)腳踏裝置完成產(chǎn)品2個(gè)模塊間自我拆解。該設(shè)計(jì)是從模塊零件間的集合特征入手，在考慮組件、緊固件等部分的空間布局特點(diǎn)而形成的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

圖7 腳踏可拆卸滾筒裝置

2) 設(shè)備輕量化設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)備制造過(guò)程中的加工工藝，從而提升此階段的工作效率，能夠在耗能情況基本相同條件下，提升設(shè)備生產(chǎn)效率，是對(duì)能源消耗碳排放的間接降低，從而達(dá)到設(shè)備綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。如輕量化設(shè)計(jì)即在滿足設(shè)備使用性能和效果基礎(chǔ)上，優(yōu)化組件尺寸和各部分關(guān)系，節(jié)省使用材料且降低設(shè)備重量。

3.3 再制干酪混合機(jī)廢棄回收的綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合乳制品混合機(jī)使用年限一般為15年的背景現(xiàn)狀，在混合機(jī)綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)初期即考慮產(chǎn)品報(bào)廢后的回收再利用是綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容之一。然而，除了在不改變混合機(jī)工作運(yùn)轉(zhuǎn)能效的基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品自身屬性的優(yōu)化設(shè)計(jì)外，還包括突出產(chǎn)品可回收價(jià)值標(biāo)識(shí)的設(shè)計(jì)。如設(shè)備外包裝將設(shè)計(jì)有可回收利用的標(biāo)識(shí)等。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，原材料和生產(chǎn)加工技術(shù)也將快速升級(jí)。作為以生產(chǎn)再制干酪為目的的混合機(jī)，其在食品安全和環(huán)境要求等方面有著特殊需求。因此，在其綠色設(shè)計(jì)過(guò)程中則需要更加針對(duì)性優(yōu)化，如涉及溫度、濕度甚至于材料毒性等考慮。在不脫離基本要求的基礎(chǔ)上，選擇更加優(yōu)化原材料，如選擇脫離不銹鋼領(lǐng)域原材料，升級(jí)選取使用壽命更長(zhǎng)且使用率更高的材料作為未來(lái)設(shè)備綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，降低產(chǎn)品使用環(huán)節(jié)能耗、減少機(jī)器清洗頻率，或是提升使用效率等，如完善設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高清潔效率從而降低設(shè)備清洗用水等制造加工階段的優(yōu)化，也是設(shè)備綠色設(shè)計(jì)發(fā)展方向之一。