雞蛋包裝生產工藝的生命周期評價

霍李江 趙 昱

大連工業大學

輕工與化學工程學院

遼寧 大連 116034

0 引言

雞蛋作為居民日常的剛性需求食品，消費量一直較大。2020年，我國雞蛋食用量為2336.53萬噸，相當于人均每1.3天消費1個雞蛋。雞蛋的市場需求量較大，其包裝流通量也隨之不斷增長；而因蛋殼易碎，雞蛋物流對包裝要求較高。目前，市場上最常見的雞蛋包裝形式是蛋托，對蛋托包裝的大量使用帶來的環境負荷，可以借助生命周期評價（life cycle assessment，LCA）方法進行量化分析[1-7]。LCA是一種用于評價產品或服務相關的環境因素及其整個生命周期環境影響的工具[8-9]。該方法的最大優勢在于對環境影響的測算不僅體現在生產過程，還包括運輸、銷售、廢棄物處置等整個生命周期過程，可避免環境影響在不同生命周期不同過程之間的轉移。它可以對包裝產品從設計源頭到廢棄處理的生命周期各個階段進行有關環境負荷與影響的評價，從而有針對性地進行包裝設計與制造技術改進，實現包裝綠色化。

國內外相關學者進行了產品包裝LCA研究與實踐，例如牙膏軟管生產工藝[10]、聚乳酸快遞包裝[11]、納米復合活性包裝[12-14]、瓦楞紙板生產工藝[15]、紙塑鋁復合包裝材料[16]等實踐研究。本文采用LCA方法，分別測量由紙漿模塑和聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）兩種不同材料設計與制造的蛋托產生的環境負荷，以優化雞蛋包裝技術方案，降低雞蛋包裝帶來的環境負荷。

1 雞蛋包裝生命周期評價工具與指標選取

依據ISO 14040-2006《環境管理 生命周期評價 原則與框架》，生命周期評價技術框架包括目標與范圍的確定、清單分析、生命周期影響評價、結果解釋等4個部分。在此技術框架下，本研究利用eFootprint在線LCA分析軟件和中國生命周期核心數據庫（Chinese Reference Life Cycle Database,CLCD）、歐盟數據庫（European Reference Life Cycle Database, ELCD）、瑞士Ecoinvent 3.1數據庫，并基于網絡在線平臺，完成相關供應鏈的數據調查、LCA建模與分析、數據發布等工作[17-19]。

在評價過程中，評價對象生產物料中未涉及稀貴或高純成分物料，忽略物料質量與產品總質量之比小于1%的生產物料，且忽略物料的總質量不超過產品總質量的5%，符合CLCD取舍規則。在生命周期影響評價環節，量化結果包含非生物資源消耗潛值（abiotic depletion potential，ADP）、全球變暖潛值（global warming potential，GWP）、水資源消耗（water use，WU）、 酸 化（acidification potential，AP）、富營養化潛值（eutrophication potential，EP）、可吸入無機物（respiratory inorganics，RI）、臭氧層消耗 （ozone depletion potential，ODP）、光化學臭氧 合 成（photochemical ozone formation potential，POFP）、初級能源消耗（primary energy demand，PED）等9種類型的評價指標[20-22]。

2 評價目標和清單分析

2.1 評價目標

2.1.1 功能單位

功能單位反映了最終用戶消費的方式，一般指某一特定產品的有意義數量[23]。本研究的功能單位為可容裝30枚雞蛋的單個蛋托，其內裝物以五行六列的方式進行排列。蛋托的尺寸為長292 mm、寬245 mm、高35 mm，其示意圖見圖1、圖2。

圖1 紙漿模塑蛋托示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulp molded tray for eggs

圖2 PVC蛋托示意圖Fig.2 Schematic diagram of polyvinyl chloride tray for eggs

2.1.2 系統邊界

確定系統邊界便于計算具體產品、物流過程對環境的影響。系統邊界確定了評價研究目標，規定了評價中具體研究的范圍，明確了評價中的輸入和輸出源[24-25]。本研究的系統邊界始于蛋托生產原材料，終于蛋托成品裝箱完成。

評價對象的具體系統邊界和主要輸入輸出物質流描述見圖3和圖4。

圖3 紙漿模塑蛋托系統邊界Fig.3 System boundary of pulp molding tray for eggs

圖4 PVC蛋托系統邊界Fig.4 System boundary of polyvinyl chloride tray for eggs

2.2 清單分析

清單分析需要收集評價對象足夠詳細的輸入輸出數據信息，并對這些信息進行分類與處理[26]。清單分析階段，數據收集的準確性、有效性對最終LCA結果的準確性有顯著影響[27-28]。

本文通過調研相關包裝材料和包裝生產企業原始數據，并利用eFootprint軟件、數據庫以及行業文獻、行業標準中的數據進行清單分析，分別統計功能單位的產品在每個階段生產過程中的消耗與排放，最后匯總計算得到該產品生產過程的生命周期清單數據。為提高數據的準確性及結果的可靠度，本研究在環境影響評價階段進行了靈敏度分析和數據質量評估。PVC蛋托、紙漿模塑蛋托輸入數據清單見表1和表2，紙漿模塑蛋托、PVC蛋托排放數據清單見表3和表4。

表1 PVC蛋托輸入數據清單Table 1 Data list of input by polyvinyl chloride tray for eggs

表2 紙漿模塑蛋托輸入數據清單Table 2 Data list of input by pulp molding tray for eggs

表3 紙漿模塑蛋托排放數據清單Table 3 Data list of emission by pulp molding tray for eggs

表4 PVC蛋托排放數據清單Table 4 Data list of emission by polyvinyl chloride tray for eggs

3 蛋托生命周期影響評價

3.1 LCA結果與分析

基于eFootprint軟件及數據庫，將上述清單分析計算結果特征化，獲得ADP、GWP、WU、AP、EP、RI、ODP、POFP、PED等環境影響評價結果，兩個評價對象的環境影響結果見表5。

由表5可知，兩種材質的評價對象均在GWP、WU和PED三個方面對環境的影響較大，尤其以PED更為顯著，而在ADP、AP、EP、RI、ODP和POFP六個方面對環境的影響較小，因此應重點分析GWP、WU和PED這三個方面的環境影響。

表5 紙漿模塑蛋托與PVC蛋托環境影響評價結果Table 5 Result of environment impact by trays made of pulp molding and polyvinyl chloride for eggs

3.2 過程累計貢獻分析

過程累積貢獻是指該過程直接貢獻及其所有上游過程的貢獻（即原料消耗所有貢獻）的累加值。由于過程通常包含多條清單數據，所以過程貢獻分析其實是多項清單數據靈敏度的積累。紙漿模塑蛋托累積貢獻見表6，PVC蛋托累積貢獻見表7。

表6 紙漿模塑蛋托累積貢獻Table 6 List of cumulative contribution by pulp molding tray for eggs %

表7 PVC蛋托累積貢獻Table 7 List of cumulative contribution by polyvinyl chloride tray for eggs %

由表6可以看出，紙漿模塑蛋托中廢紙原料在GWP、WU、PED三個方面的貢獻均為最大，分別為92.56%, 65.36%, 51.33%。由表7可以看出，PVC蛋托中聚氯乙烯樹脂顆粒原料在WU和PED方面的貢獻最大，分別為68.65%, 67.22%；而在GWP方面，181穩定劑的貢獻最大，為79.64%。

3.3 清單數據靈敏度分析

清單數據靈敏度是指清單數據單位變化率引起的相應指標變化率。通過分析清單數據對各指標的靈敏度，并配合改進潛力評估，從而辨識最有效的改進點。紙漿模塑蛋托中GWP靈敏度大于0.5%的清單數據見表8，PVC蛋托中GWP靈敏度大于0.5%的清單數據見表9。

表8 紙漿模塑蛋托GWP靈敏度大于0.5%的清單數據Table 8 List of GWP sensitivity more than 0.5% by pulp molding tray for eggs

表9 PVC蛋托GWP靈敏度大于0.5%的清單數據Table 9 List of GWP sensitivity more than 0.5% by polyvinyl chloride tray for eggs

由表8可知，紙漿模塑蛋托對GWP靈敏度影響最大的兩個清單數據中，廢紙原料的靈敏度最高，為65.36%；其次是填充料，為33.00%。廢紙作為紙漿模塑蛋托生產過程中最主要的原材料，其消耗量特別大，且其為后續所有加工流程的載體，因此將其作為改進點的可能性不高。填充料作為紙漿模塑生產過程中的一種填充物質，具有較大的改進潛能。可通過更換填充料的材質，選擇更加環保的材料，來達到降低GWP靈敏度的目的。由表9可知，PVC蛋托對GWP靈敏度影響較大的清單數據是聚氯乙烯樹脂顆粒原料和電力消耗，分別為68.65%,25.26%，其余兩個數據均小于5%。聚氯乙烯樹脂顆粒作為PVC蛋托整個生產流程的載體，其消耗數量巨大，改進的可能性不高；而電力、MBS樹脂（助劑）、181穩定劑均具有改進潛力。可通過使用清潔能源進行發電、減少有害助劑使用量等方式降低PVC蛋托的GWP靈敏度。

3.4 數據質量評估與分析

數據質量是指目標代表性與實際代表性之間的差異，差異越大，數據質量越差。可從數據來源不確定度、數據庫匹配度和數據庫基礎不確定度等方面對清單數據進行質量評估。對各清單評估完成后，將不確定度傳遞到指標結果中，得到各指標的數據質量評估結果[29]。

本研究采用CLCD評估方法對模型清單數據的不確定度進行評估，研究類型為行業LCA，代表特定技術/全行業/市場平均水平，兩種材料評價對象的數據質量評估結果見表10。

表10 兩種材料評價對象的數據質量評估結果Table 10 Evaluation result of data quality by evaluation objects made of two materials

由 表 10可 知， 在 ADP、GWP、RI、POFP、PED方面，紙漿模塑蛋托的LCA結果優于PVC蛋托的相關結果；在AP、EP、ODP方面，PVC蛋托的LCA結果優于紙漿模塑蛋托的相關結果。從整體上來看，GWP、WU、PED三個方面的LCA結果數值較大，而功能單位與系統邊界相同的兩種評價對象在這三個方面則表現為紙漿模塑蛋托的環境影響優于PVC蛋托的環境影響。

在結果不確定度方面，紙漿模塑蛋托和PVC蛋托的結果不確定度均小于10%，說明兩種材料均具有較高的可信度。其中，紙漿模塑材料中AP的不確定度相對較高，這是由于廢紙原料數據采用的是行業標準數據而非行業普查數據；PVC蛋托中ADP的不確定度相對較高，則是由聚氯乙烯樹脂顆粒原料所連接的上游數據庫年代比較久遠所造成的。可通過修改原始數據來源、追溯原料的上游生產過程等方式，來降低LCA結果的不確定度，進而確保兩種材料LCA結果的準確性。

4 結語

通過對紙漿模塑和PVC兩種材料的蛋托進行LCA量化對比分析，結果發現，紙漿模塑蛋托比PVC蛋托對環境產生的影響更小，應優先選擇紙漿模塑蛋托。進一步研究發現，紙漿模塑蛋托在制漿過程中消耗的能量較多，在烘干過程中排放的廢固、廢氣較多；PVC蛋托擠出工藝消耗的能量較多、排放的廢固和廢氣較多，吸塑成型工藝次之。可見，在進行蛋托生產時，生產工藝和能源消耗對環境影響起著決定性作用。因此，在保證產品質量的前提下，應優先選擇對環境影響小的材料以及助劑進行產品設計、生產。另外，考慮到包裝物的安全及穩定性能，市場上的PVC蛋托大多進行了加蓋設計，但會造成原材料的浪費。可通過選擇更高克重的PVC材料、修改蛋托結構設計等方式，降低雞蛋包裝產品環境的負面影響。