精釀啤酒裝備的環境影響及敏感性分析

高秀玲，田瑋*，孟獻昊，戴曉勇，張安朝

1. 天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監控重點實驗室，天津科技大學機械工程學院（天津 300222）；2. 寧波瀘港食品機械制造有限公司（寧波 315721）

啤酒生產包含復雜的生化反應過程，主要由制麥、糖化、發酵、清酒等環節組成，其中糖化與發酵是兩道關鍵的工序[1-2]。由于糖化與發酵過程能耗、耗水且排污量大，因此，節能、降耗、減排、增效和低碳已成為當前中國啤酒釀造設備發展的新主題[3]。目前研究主要集中在對啤酒工藝的環境影響評估。楊靜靜等[4]對國內外啤酒生產從原料、包裝物、工廠等環節的碳足跡進行了綜述和比較，確定節能減碳的關鍵點。Talve等[5]評估了生命周期內啤酒不同子系統對環境的影響，提出了改善啤酒廠產品和環境績效的建議。Koroneos等[6]用生命周期評價（Life cycle assessment，LCA）方法辨識和量化了希臘啤酒產品全生命周期內對環境的影響，研究發現啤酒瓶制造、啤酒釀造、啤酒包裝、原材料獲取是啤酒生命周期中依次對環境造成影響較大的階段。從啤酒裝備LCA研究現狀可以看出，現階段關于啤酒產品的研究成果大部分聚集在啤酒生產的工藝，涉及啤酒裝備的環境影響評價研究很少。在此次研究中，為全面了解啤酒裝備在其生命周期中對環境的影響，對啤酒裝備的全生命周期過程進行系統評價，分析其對環境的影響。同時采用敏感性分析方法，確定啤酒裝備環境影響的主要因素，這方面的研究成果對于與啤酒裝備相關的LCA研究以及其他類產品的生命周期評價具有一定的參考意義。

1 研究方法

1.1 精釀啤酒裝備的生命周期評價方法

生命周期評價的步驟包括目標與范圍界定、清單分析、影響評價、結果解釋四個部分，以下三個小節依次討論前三個部分，第四個部分在“結果與討論”中說明。

1.1.1 研究目標與范圍界定

對一套精釀啤酒裝備全生命周期進行環境影響分析，根據評價結果確定啤酒裝備生命周期的主要環境影響階段或環節，分析啤酒裝備生命周期中能耗高、物耗高、污染重的階段，提供方向性的改進建議，有效推動啤酒行業的清潔生產和可持續發展。功能單位定義為生產一套500 L的精釀啤酒裝備。

圖1為啤酒裝備系統邊界，包括原材料生產制造、包裝、使用、維護及廢棄處理這五個階段。原材料的生產階段主要指不銹鋼、銅及其輔助材料生產過程，制造階段包括主要設備的制造安裝過程，使用階段主要指糖化發酵過程。啤酒裝備每運行一次都需要清洗，能耗較多。回收處理階段主要考慮不銹鋼、銅、巖棉的回收循環利用過程。以上各階段數據由寧波某啤酒公司提供。

圖1 基于全生命周期的精釀啤酒裝備的系統邊界

1.1.2 生命周期清單分析方法

清單分析主要是計算產品整個生命周期階段的能源輸入、資源消耗以及排放的各種環境負荷物質。為減少結果不確定度，增加計算結果可靠性，選用由億科環境開發的生命周期評價軟件eBalance中國基礎數據庫（Chinese Life Cycle Database，CLCD）和其內置Ecoinvent數據庫。討論啤酒裝備的生產制造、包裝、使用維護和廢棄處理四個不同階段。

在生產制造階段，精釀啤酒裝備主要由不銹鋼制成，其中糖化系統使用銅外包。原材料生產加工階段中資源消耗為生產不銹鋼材料所需的鐵礦石、石灰石及其他輔助材料，如表1所示。精釀啤酒裝備主要系統及制造安裝過程中資源、能源消耗如表2所示，其中氬氣作為電弧焊接不銹鋼過程中的保護氣體。

表1 精釀啤酒裝備原材料及其質量

表2 精釀啤酒裝備組成及資源能源消耗

在啤酒裝備的包裝階段，機械設備包裝材料使用完直接丟棄，造成材料浪費。啤酒裝備包裝使用珍珠棉與纏繞棉作為包裝材料，消耗珍珠棉0.5 kg，纏繞棉每個罐子0.1 kg，共0.9 kg。

使用階段是啤酒裝備產生排放的主要階段，包括糖化過程鍋爐耗電量及發酵工段麥汁冷卻過程制冷機耗電量，麥汁冷卻方式采用一段式冷卻以獲得最佳節能效果[7]。按1 d糖化2次，每次消耗水約500 kg，耗電約120 kW·h。啤酒裝備正常運行25年，每年按355 d計算，維護過程每次消耗水約500 kg，耗電約50 kW·h，耗氫氧化鈉約3 kg，年平均清洗次數為40～50次。

在回收處理階段，不銹鋼鋼材的95%[8]采用熔化爐（耗電量為600 kW·h/t鋼材）熔化循環再利用，剩下的鋼材采取填埋處理[9-10]。由于銅的回收eBalance軟件中沒有相應的背景數據，因此采用再生銅的背景數據，回收率為95%。巖棉的回收采用沖天爐，約為30%[11]，平均生產1 t的巖棉制品可回收沖天爐能量的60%～70%，巖棉沖天爐的總能量為4.886×103kW·h/t[12]，其他材料填埋處理。

1.1.3 影響評價方法

影響評價是根據清單分析提供的資源、能源消耗及排放數據對產品造成的環境影響定性定量評估，基于矩陣算法在R語言中計算啤酒裝備的LCA，確定各種環境問題造成的潛在環境影響大小和重要性。影響評價主要包括分類、特征化、標準化和加權。

分類是將清單分析中所得排放物對應到不同環境影響類型，使評價結果更加直觀反映其與環境的關系。特征化是指利用不同特征化因子將清單分析結果換算成統一單位進行計算，并將同一類型換算結果累加得出量化的指標結果。根據中點環境影響評價方法——CML 2001 Dec 07模型[13]，選擇了7種普遍使用的影響類別：①初級能源消耗潛值（Primary Energy Demand，PED），包括原煤、石油、天然氣，其中原煤是由褐煤與煤礦瓦斯氣折算而來，以標準煤（ce）當量表示；②全球變暖潛值（Global Warming Potential，GWP），包括CO、CO2等氣體，以CO2為當量；③酸化潛值（Acidification Potential，AP），以SO2為當量；④富營養化潛值（Eutrophication Potential，EP），以NO3為當量；⑤臭氧耗竭潛值（Ozone Depletion Potential，ODP），以CFC-11為當量；⑥光化學污染（Photochemical Oxidation Potential，POCP），以C2H4為當量；⑦人體健康的指標采用人體損害潛值（Human Toxicity Potential，HTP），以水為當量。環境影響類型清單物質分類和特征化因子見表3。

標準化目的是得出不同種類影響生命周期結果的相對大小，以便于比較不同類別的環境影響，通過特征化結果與標準化基準值的比值得出。采用的各環境影響類型的標準化基準值為1990年中國人均當量基準值，其中GWP、AP、EP、POCP的標準化基值主要參考文獻[14]，ODP與HTP標準化基值參考文獻[15]。

標準化結果乘以權重因子可以得出單一的環境影響指標值，稱為加權影響，反映整個生命周期過程對潛在環境影響的相對度量。為使不同種類的影響能夠得以量化，根據Saaty的1～9級標度[16]，通過專家打分，得出7種環境影響類型間的權重。權重計算在R軟件中利用pmr包[17]中分析層次過程模型，基于Saaty[16]和Koczkodaj等[18]的不一致性分析，提高分析結果可靠性。

1.2 精釀啤酒裝備環境影響的敏感性分析方法

生命周期評價結果受多種因素的影響，包括研究范圍、數據來源、數據缺失、模型方法以及假設條件等，主要表現為生命周期清單數據的不確定性，這直接影響數據質量和評價結果的可信度。因此，采用基于樹型高斯過程的全局性敏感性分析方法，對生命周期參數進行敏感性分析，以確定影響評價結果可靠性的主要因素，選定與精釀啤酒裝備相關的16個輸入變量，根據數據估算過程誤差大小和數據來源可靠性[19-20]，取其不確定度，分別為5%，10%和15%，不銹鋼[8]、銅、巖棉[11]這三個因素回收率在其實際變化范圍波動，詳細取值見表3。

應用基于蒙特卡羅抽樣的敏感性分析方法，基本步驟為：確定輸入變量變化范圍或分布（如表3所示）；基于拉丁超立方法抽樣產生輸入變量的組合；運行模擬結果；運行敏感性分析。通過比較不同抽樣次數所得結果穩定性，抽樣次數選定為500次。敏感性分析采用樹型高斯過程法，屬于全局敏感性分析方法，具有計算結果準確和可視化方便的優點。具體計算采用兩步法，首先基于樹型高斯過程方法得到啤酒裝備環境影響的元模型，然后用方差分析的全局敏感性方法得到不同變量的敏感性指標。

表3 敏感性分析的輸入變量

2 結果與討論

2.1 不同生命周期階段對于環境影響

表4列出精釀啤酒裝備在不同生命周期階段的不同環境影響類型的最終計算值（側重從不同生命周期階段的角度進行分析），圖2表示精釀啤酒裝備不同生命周期階段對于環境影響的百分比。可以看出，除人體健康損害影響HTP外，對于其他環境影響類型，使用階段明顯高于其他階段的影響，這是由于使用過程中對電力的需求較大，電力的生產過程對煤、原油、天然氣的需求較高，對環境有非常明顯的影響。由表4可以看出，除去廢棄處理回收階段對環境帶來正面影響外，精釀啤酒裝備在使用階段占所有階段的環境影響約78.16%。因此，為了減少精釀啤酒裝備生命周期的環境影響，應重點分析如何減少在使用階段的影響。

啤酒裝備生產制造階段的環境影響僅次于使用階段，約占總環境影響的20.40%。雖然精釀啤酒裝備主要由不銹鋼制成（占啤酒裝備總質量的83.57%），但是與銅相比（只占啤酒裝備總質量的0.07%），不銹鋼對環境的影響遠遠小于銅對環境的影響。生產階段所使用的銅對環境影響最大，占生產階段環境影響的95.17%，不銹鋼次之，約占3.70%，其他材料在生產階段具有相對低的能量消耗，僅占環境影響的1.13%。

設備維護和包裝階段對于環境的影響很少。維護階段雖然所需水耗量較多，但環境影響排列第三，只占約1.44%。包裝階段的影響則可以忽略不計。

在廢棄處理階段，產生的環境影響為負，表明材料回收大于材料生產，主要由于不銹鋼與銅的回收對環境產生積極作用，抵消了原材料生產過程對環境造成的不利影響，減輕了環境負擔。

表4 精釀啤酒裝備整個生命周期環境影響結果

圖2 精釀啤酒裝備在不同影響類型中不同生命周期階段環境影響所占百分比

2.2 不同影響類型的環境影響分析

從不同影響類型的角度，分析精釀啤酒裝備的環境影響，如圖3所示。由表4可以看出，PED、HTP、GWP、AP是啤酒裝備生命周期過程中最主要四個影響因素，分別占總環境影響結果的63.44%，14.94%，9.37%和9.08%，EP占總環境影響的2.53%，POCP和ODP對環境影響最少，這兩個環境影響總和小于1%。

啤酒裝備的初級能源消耗潛值PED如圖3所示，在不同的生命階段都有重要的環境影響，除廢棄回收階段對于環境有正面影響外，使用階段占比最大。所以降低使用階段的初級能源消耗潛值，將會明顯減少啤酒裝備的生命周期環境影響。

在啤酒裝備生命周期過程中，GWP由使用階段主導，這是因為不銹鋼、銅的生產及啤酒生產過程消耗的能量最多，并產生大量的溫室氣體排放，如CO2、CH4等氣體。

AP的結果與GWP的趨勢基本一致，使用階段對AP影響最大，由于使用過程對電力的需求較高，電力的生產過程會釋放大量酸性氣體。在原材料采購階段，銅的生產釋放大量的SO2和NOx。包裝和清洗階段兩個過程中對AP影響較小。啤酒裝備整個生命周期中，AP對環境的影響僅次于GWP，占9.08%。

EP與NH4、COD及水的排放有關，而電力生產產生大量NH4和COD，使用階段對EP貢獻最大。啤酒裝備整個生命周期過程中，EP對環境影響排列第五，占總環境影響的2.53%。

POCP在使用階段占主導地位，由于不銹鋼與聚四氟乙烯等原材料生產會產生大量的CH4、CO等氣體，其他原材料生產過程中產生較少的CO與CH4，對POCP影響不大。

ODP在使用階段對環境的影響最大，主要原因是聚四氟乙烯與銅生產造成了相對較多的CFCs，其他材料的生產對ODP的貢獻特別小，啤酒裝備整個生命周期過程中ODP對總環境影響僅占0.12%。

HTP在生產制造階段對環境的影響最大，主要由銅的生產過程產生的Hg、Cr、As、Pb、CN的排放所引起。與其他階段相比，包裝與清洗階段對HT的影響最低，這是因為這兩個階段對Hg等影響HTP的排放很少。

2.3 敏感性結果分析

圖4是基于樹型高斯過程敏感性分析法得出的精釀啤酒裝備總的環境影響負荷重要性分析結果。由于最重要的前五個參數可以解釋99%以上的環境影響負荷變化，所以圖4只顯示這五個重要參數的計算結果。其他11個參數的變化對環境影響負荷的敏感性很低，對環境的影響占比小于1%，不會影響整個環境敏感性分析的可靠性。圖4（a）通過變量主效應表示五個因素變化對于環境影響的變化規律，圖4（b）通過箱線圖方式表示五個變量主效應可能的變化區間。

耗電量（Elec）對于環境影響最為重要，可用來解釋80%以上的環境影響變化，且為正向作用，即隨著耗電量的增加，環境影響負荷也增加。因此，為了減少精釀啤酒裝備的環境影響，應當增加設備使用效率，盡量減少耗電量。下一個重要的變量是不銹鋼回收率（RERs），約占總環境影響的10%，但其影響為負向作用。所以通過改進設備加工工藝和精細化管理設備加工過程，以加大不銹鋼回收率，能夠大大緩解精釀啤酒裝備對于環境的負面影響。其他3個變量對環境的影響明顯低于前兩個變量的影響，共占總環境影響的10%不到。

圖3 精釀啤酒裝備在不同生命周期中不同影響類型的環境影響所占百分比

圖4 精釀啤酒裝備前五個重要參數對總環境影響負荷重要性的敏感性分析結果

3 結論

此次研究對精釀啤酒裝備進行了生命周期的環境影響評價，評價結果表明：

1) 在精釀啤酒裝備的加工制造、使用、清洗維護、廢棄處理四個階段中，除廢棄處理階段由于回收材料對環境影響有正面作用外，使用階段占所有階段環境影響的78.16%，生產制造階段環境影響占總環境影響的20.40%，其他兩個階段占比較少。因此，通過提高設備使用效率，達到降低使用階段能源消耗，可減少啤酒裝備的全生命周期環境影響。

2) 在選定的7種影響類型中，初級能源消耗PED、人體健康影響HTP、全球變暖潛值GWP、酸化潛值AP是啤酒裝備主要的四個影響類型，分別占63.44%，14.94%，9.37%和9.08%。在PED中，主要的環境影響也發生在使用階段，所以降低使用階段的初級能源消耗，會明顯減少啤酒裝備的環境影響。

3) 通過全局敏感性分析，影響環境負荷最重要的兩個變量是精釀啤酒裝備耗電量和不銹鋼回收率。