基于碳足跡的再制干酪混合機綠色設計

張峻霞，田愷，宋雅慧

天津科技大學（天津 300222）

再制干酪（Processed cheese），是一種利用不同成熟時期的同種或2種以上天然奶酪作為主要加工原料，輔以標準范圍內的添加物，經過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養和口味，且產品儲藏時間久[5-6]，越來越受到消費群體青睞。由于缺乏天然優質奶源，中國干酪制品制造行業生產的該類產品均為再制干酪。有研究表明，干酪生產碳排放在乳制品生產行業中屬中等偏上，與液態奶占乳制品生產碳排放的1/3[7-8]。隨著再制干酪產品產量與消費量日益提升，該行業對全球氣候變化的影響也得到國內外各政府、國際組織及乳制品行業企業廣泛關注。

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象，展開產品碳足跡分析清單研究，并結合研究結果選取其中生產加工階段碳足跡結果較為嚴重的單元過程中的生產設備，針對性展開設備綠色優化設計，充實乳制品碳足跡研究內容，為行業綠色優化發展提供參考。

1 國內外乳制品碳足跡的研究進展

一些國家政府、民間組織和再制干酪生產企業自身已建立嚴格的監管和控制措施，實施控制乳制品生產加工過程甚至于產品全生命周期的碳排放情況。如愛爾蘭政府通過有力措施和嚴格監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，相關組織研究發現利用畜牧業作物排放估算系統可完成乳制品行業溫室氣體排放計算，而研究結果表明，從奶源（約占整體研究90%）到加工再到出口，除地區特點差異和環境區別外，酸奶每千克碳排放高于液態奶，而黃油每千克產品碳排放量則為最高[10]。西班牙相關組織研究發現奶源和加工階段的碳排放占整個行業生產碳排放的80%～96%，因此該國依照ISO/TS 14067標準的體系框架建立適用于該國乳制品行業特點和自身發展情況的奶制品監管體系，并設有專門的奶制品審核部門嚴格監測該國乳制品企業的環境影響[11]。

在中國，廣州風行牛奶有限公司于2013年啟動其旗下巴氏殺菌鮮牛奶946 mL系列產品的碳足跡評價和碳標簽認證工作，屬中國首家乳制品生產行業產品首次展開碳足跡標簽工作的企業[12]。該體系具有明確的乳制品巴氏殺菌牛奶生產系統邊界、行業全生命周期及各個階段數據收集要求、質量及內容報告，并配備有驗證該生產領域的碳足跡研究內容的專業方法。研究發現，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]。

干酪生產碳排放在乳制品生產行業中屬中等偏上，與液態奶占乳制品生產碳排放的三分之一，具有較高研究意義[7-8]。由于缺乏天然優質奶源，中國干酪制品制造行業生產的該類產品均為再制干酪。

2 再制干酪全生命周期的碳足跡計算和分析

研究以PAS 2050準則體系為碳足跡核算依據建立再制干酪碳足跡系統邊界，根據產品實際情況在準則中選取對應計算依據，代入相關數據完成再制干酪生命周期內碳足跡計算。

2.1 再制干酪碳足跡系統邊界的確立

按照原料獲取-產品加工生產、運輸、銷售和回收處理的全生命周期，根據研究對象自身特點以及行業要求，在確保各環節連續性的同時，深入了解產品各階段特點和內容，整理形成產品生命周期流程框架。該框架是碳足跡分析的基礎，為研究確定系統邊界和內容、找出碳足跡排放節點提供支持。

研究目的是進行以乳制品生產設備綠色優化設計，再制干酪全生命周期碳足跡分析的系統邊界劃分和評價模型建立，是基于指導判斷再制干酪生產設備碳排放較大、有待綠色優化改進意義的基礎。其中，為重點突出該階段研究對于后續產品綠色優化設計的作用和指導，再制干酪全生命周期碳足跡分析重點涉及方面如圖1所示。

圖1 再制干酪的系統邊界模型

為盡可能保證碳足跡結果對生產設備選取的針對性，碳足跡模型僅就各單元過程中的能源消耗展開研究，由于物料產生的碳排放可能增加結果數值，影響綠色優化設計對象的選擇結果，故忽略不計。

2.2 再制干酪碳足跡的計算

能源排放的碳足跡。再制干酪能源排放主要涉及的單元過程為原材料獲取和產品生產加工，主要能源為電力和蒸汽。按照PAS 2050準則關于產品碳足跡計算的規定，再制干酪原材料獲取階段即利用初級數據或次級數據乘以活動數排放因子進而轉換為溫室氣體排放量，記為產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果，具體見式（1）。

式中：Ei為第i類能源實物量；ai為第i類能源生產排放因子。

廢水排放處理的碳足跡。結合國家要求和企業實際生產過程中關于廢水處理的措施，主要涉及廢水的輸出及企業關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。按照聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）和中華人民共和國國家發展和改革委員會（NDRC）的推薦，關于廢水的甲烷排放計算如式（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為有氧環境下，廢水處理時可生物降解有機物含量；BODDd為有氧環境下，直接排放廢水時可生物降解有機物含量；BO為甲烷回收量，為0；MCF為甲烷最大生產力，0.6 kg CH4/kg BOD；R為甲烷修正系數，廢水處理為0.458，直接排放廢水為0.1。

基于中國甲烷回收工作仍不成熟，無法構成足夠規模，因此，研究中加完回收量設為0[13]。按照PAS 2050規范中廢棄物產生的非二氧化碳排放量時要求，將甲烷排放量折算成二氧化碳當量，如式（5）所示。

式中：Oj為排放的第j類溫室氣體實物量；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規范，將時間跨度設定為100年，即甲烷的全球變暖潛能值的參照值為25。

運輸過程的碳足跡。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準則關于產品碳足跡計算規定，再制干酪運輸階段碳排放即初級數據或次級數據乘以不同物料輸入對應的不同運輸距離再乘以交通工具運輸的碳排放因子進而轉換為溫室氣體排放量，記為產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果，如式（6）所示。

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

按照企業1年生產2.1×104t再制干酪，每月24 d、每天24 h的工作時間的實際生產數據計算得：再制干酪原材料獲取階段原材料驗收碳足跡為983.059 t CO2eq，原材料儲存單元過程中碳足跡為1 732.650 t CO2eq；再制干酪生產加工階段原材料預處理單元過程中碳足跡為1 799.611 t CO2eq，混合機混合單元過程中碳足跡為7 366.964 t CO2eq，結構破解、乳化及巴氏殺菌單元過程中碳足跡為4 123.486 t CO2eq，灌裝單元過程中碳足跡為2 123.654 t CO2eq，包裝單元過程中碳足跡為1 563.442 t CO2eq，冷藏單元過程中碳足跡為1 761.954 t CO2eq；產品運輸階段碳足跡為1 777.525 t CO2eq。再制干酪運輸階段配送及銷售碳足跡為646.965 t CO2eq，供應鏈及銷售終端碳足跡為635.942 t CO2eq，廢棄回收運輸碳足跡為494.619 t CO2eq。

2.3 關于再制干酪碳足跡計算結果的分析

研究結果表明，企業1年生產2.1×104t的再制干酪條件下，在研究設定的系統邊界內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2 715.745 t CO2eq，即生產1 t的再制干酪原材料獲取階段排放0.13 t的二氧化碳當量；再制干酪生產和加工階段碳足跡合計18 739.11 t CO2eq，即生產1 t的再制干酪在生產加工階段排放0.89 t的二氧化碳當量；運輸階段碳足跡合計1 777.525 t CO2eq，即生產1 t再制干酪排放0.085 t的二氧化碳當量。

圖2 再制干酪原料獲取階段碳足跡

圖3 再制干酪生產加工階段碳足跡

圖4 各階段涉及運輸環節的碳足跡

圖5 再制干酪生命周期碳足跡總體情況

3 再制干酪混合機的綠色優化設計

結合再制干酪生命周期內的碳足跡計算和結果分析得再制干酪生產加工階段產品混合機混合單元過程的碳排放量在整個生產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設備綠色優化設計研究重點，建立再制干酪混合機綠色優化設計方案。

3.1 再制干酪混合機原材料的綠色優化設計

再制干酪混合機的原材料目前主要采用的是Q245碳素結構鋼。在確保原材料的基本性能和保證食品安全的基礎上，更換使用率或者是廢棄回收率更加優化的原材料，綠色優化設計方案給出幾方面設計內容。

1) 考慮應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、使用環節更少地出現漏洞，提高產品成型率的同時也是節約能源消耗的隱性表征之一。設計促進產品性能優化的最大效率發揮，提升設備的使用年限，從而達成產品綠色優化效果。狹義上講，前者是能源效率的優化，后者則是物料效率提升的設計。

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，回收率隨回收處理技術發展而提升，表明該材料對相關模塊零件的報廢回收有較為積極綠色的影響。

原材料綠色優化設計一方面是能源節約型設計，在提升零件加工剛性方面得到應用，另一方面則是材料節約型設計。在擋圈結構綠色優化設計方面，兩項兼顧的設計結果恰好滿足資源節約型設計要求，更加貼合于綠色優化設計目標。由于Q345B性能的優化，該材料在價格上會比Q245碳素材料略貴一些，但是，綜合產品的綠色優化設計和綜合環境指標性能改善后性價比提升，在原材料選購上有一定優勢。

3.2 再制干酪混合機制造加工的綠色優化設計

再制干酪混合機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、攪拌機和排水式攪拌機。為方便設備日常清洗、巡檢、維修和更換模塊等工作，提升工作效率，延長產品使用壽命，體現可持續的綠色設計原則。乳制品混合機的設計采用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模型

乳制品混合機的綠色優化設計的研究對象主要圍繞設備材料和結構展開，具體設計內容和方法主要從可拆卸設計、可回收設計、模塊化設計以及輕量化設計等方面入手展開產品綜合分析和綠色優化設計評估、分析，以資源節約型設計為研究目標，找到產品待開發的綠色優化內容，完成產品的設計。

1) 模塊組件間的可拆卸優化設計。如在奶酪桶底端設計腳踏裝置，如圖7所示，一方面便于產品模塊間的分離從而提升設備使用過程中的工作效率；另一方面可拆卸化的綠色優化設計能夠更加優化模塊間關系。先進的拆解方法有嵌入式可拆解設計和主動拆解設計。針對生產設備類產品，設計一般選用前者為依托手段，通過出發一個拆解特征，這里即通過腳踏裝置完成產品2個模塊間自我拆解。該設計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而形成的設計內容。

圖7 腳踏可拆卸滾筒裝置

2) 設備輕量化設計。通過優化設備制造過程中的加工工藝，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，提升設備生產效率，是對能源消耗碳排放的間接降低，從而達到設備綠色優化設計的效果。如輕量化設計即在滿足設備使用性能和效果基礎上，優化組件尺寸和各部分關系，節省使用材料且降低設備重量。

3.3 再制干酪混合機廢棄回收的綠色優化設計

結合乳制品混合機使用年限一般為15年的背景現狀，在混合機綠色優化設計初期即考慮產品報廢后的回收再利用是綠色優化設計的內容之一。然而，除了在不改變混合機工作運轉能效的基礎上對產品自身屬性的優化設計外，還包括突出產品可回收價值標識的設計。如設備外包裝將設計有可回收利用的標識等。

4 結語

隨著科學技術的飛速發展，原材料和生產加工技術也將快速升級。作為以生產再制干酪為目的的混合機，其在食品安全和環境要求等方面有著特殊需求。因此，在其綠色設計過程中則需要更加針對性優化，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上，選擇更加優化原材料，如選擇脫離不銹鋼領域原材料，升級選取使用壽命更長且使用率更高的材料作為未來設備綠色優化設計。此外，降低產品使用環節能耗、減少機器清洗頻率，或是提升使用效率等，如完善設備結構，提高清潔效率從而降低設備清洗用水等制造加工階段的優化，也是設備綠色設計發展方向之一。