食品和包装机械的生态设计方法和关键技术

2013-04-07戴宏民戴佩华

食品工业科技 2013年19期

戴宏民，戴佩华

(1.重庆工商大学绿色包装研究所，重庆400067;2.重庆工商大学经济学院，重庆400067)

1 EUP指令在全世界掀起生态设计风暴

2005年7月，欧盟颁布《用能产品生态设计框架指令》(简称EUP指令，用能产品指一旦上市或开始使用时，依靠输入能源才能正常工作的产品和用于产生、转换以及测量该能源的产品)。该指令的核心是首次对耗能产品提出须实行以节能为中心的生态设计。指令的制定者认为，产品的能效及其对环境的影响取决于产品的生态设计，因此对产品的生态设计提出技术要求即抓住了根本，辅之以生产和流通领域中企业、消费者和政府机构的监督，便形成了产品从设计到生产、使用、报废、处理、再利用的全生命周期环境保护生态链。2008年1月，欧盟又发布在2008和2009年对电冰箱、电视机和洗衣机等20种机电产品进行生态设计的实施措施［1］。通过生态设计、符合性检测(生产商对产品满足EUP指令实施措施的要求所进行的自我评估)和CE标签认证等要求，欧盟再次提高了机电产品的准入门槛，在欧盟范围内建立起新的、更高要求的绿色贸易壁垒。

EUP指令涵盖的产品范围非常广泛，原则上包括了除汽车运输工具外的所有使用电能、固体燃料、液体燃料和气体燃料的用能产品，从而在全世界掀起了一股巨大的绿色风暴。这场绿色风暴对占欧盟出口机电产品80%的中国企业产生了巨大的冲击，有可能给中国家电业带来500亿元的损失［2］;中国生产的电子产品、热水器、电动发动机系统、照明设备、暖气、通风设备和空调系统均是首批须符合实施标准的类别产品［3］。因此，对于中国企业来说，这是一场全面的挑战和严峻的考验。耗能巨大的食品和包装机械虽暂未颁布生态设计的实施措施，也应尽早未雨绸缪，适应生态设计这一世界环保发展趋势。

2 生态设计的背景、理念和要求

自上世纪八十年代全球掀起环保大潮以来，人们对环境的关注度与日俱增，各国政府为使社会可持续发展，在制定政策时更多考虑环保因素。用能产品在生产、配送、使用、废弃各个阶段均会对环境造成若干影响，如气候变迁、温室效应、雾霾、能源和资源消耗、毒性废弃物等问题。德国环保署2000年统计资料表明，超过80%的环境冲击跟产品设计有关［1］，因此在产品开发阶段改进减少产品对环境的冲击，就能明显提高产品的环境绩效，导致近年许多工业发达国家纷纷制定产品环境绩效的改善目标和标准，正是这种趋势形成了欧盟规范机电产品环境化设计的基础。早在本世纪初，欧盟就制定了集成产品策略，该策略可分析确定产品在全生命周期对环境影响的潜在可能性、以及对该影响可能性涉及到生命周期各阶段相关人员的责任。EUP指令就是作为集成产品策略框架的一部分颁布的。

EUP的生态设计概念，是指将环境因素融入到产品的设计中，从源头入手，在包括设计、制造、使用、维护、回收、后期处理的生命周期内，不仅要考虑功能、性能、材料、结构、外观、通用性、安全性、包装、成本等常规因素，同时还要考虑产品生命周期对能源、环境、自然资源的影响，目的是在产品整个生命周期中全方位监控产品对环境的影响，减少对环境的破坏，改善和提高产品的环境性能。它标志着欧盟把控制工业产品对环境污染的焦点从产品生命周期的终点向前延伸至产品的起点，即产品的开发设计阶段。

生态设计的要求分为一般生态设计要求和特殊生态设计要求。一般生态设计要求指定性的环保指标，不对具体数值作出限值规定;特殊生态设计要求则是针对某些重要的环境影响指标，提出可量化/可量测的生态化设计规定，目前主要是能效要求(以能源投入/绩效产出作为计算单位)［1］。2010年11月欧盟发布的家用洗碗机的一般生态设计要求为:家用洗碗机显示面板的程序选择装置上应清晰标识适合脏污餐具常规清洗的标准餐具洗涤程序，从耗电和耗水的角度综合考量，该程序是清洗这类餐具效率最高的程序;特殊生态设计要求为:所有洗碗机的能效指数(EEI)应小于71，额定放置容量为10套、机身宽度≤45cm的洗碗机能效指数(EEI)应小于80，所有洗碗机的清洁指数(IC)应大于1.12;从2013年12月1日起，则额定放置容量≥11套或者额定放置容量等于10套、机身宽度大于45cm的洗碗机的能效指数(EEI)应小于63，额定放置容量≥8套的洗碗机的干燥指数(ID)应大于1.08，额定放置容量小于8套的洗碗机的干燥指数(ID)应大于0.86［4］。

3 食品和包装机械的生态设计参数及五步设计法

3.1 食品和包装机械的生态设计参数

食品和包装机械的传统设计以经济性能为中心，设计过程中主要考虑产品的性能、质量、工艺性、安全性、成本等因素。生态设计则既要考虑产品的经济性能，又要考虑产品的资源环境性能;设计参数除考虑上述经济性能参数外，还需引进体现生态特性的生态参数。

首先确定产品生命周期各阶段(EUP简化为原材料选择和使用阶段、产品制造阶段、产品包装、运输和销售阶段、产品安装和维护阶段、产品使用阶段、产品废弃及回收阶段等6阶段)应评估的生态参数。

生态(环境)参数:包括能源与资源之预期消耗量;对于空气/水体/土壤之预期污染物排放量(如空气污染物排放、水污染物排放、固体废弃物排放、金属微粒排放);噪音/振动/辐射等可能造成之污染;废弃物预期产生量;资源/能源回收与再利用之可行性。

改善产品环境性能可使用的生态参数:产品体积/重量;使用之回收材料数量;能源/资源消耗量;危害性物质使用量;使用/维修所需之消耗品;回收/再利用之容易性;回收组件纳入程度;避免使用会妨碍进行回收之技术;废弃物产生量;对空气/水体/土壤之污染物排放量［1］。

为保证食品和包装机械的食品安全性，在生态设计时还必须同时考虑其卫生性能，从原材料选择和结构设计上避免可能“迁移”的有害化学物质和细菌滋长量超过“安全卫生规定”。

3.2 食品和包装机械生态设计的五步设计法

生态设计以生态参数为设计重点。在方法上须以并行工程为设计思想，即从设计开始就要同时考虑原材料选用、加工制造、包装物流、使用维护、回收利用等各个环节、使资源消耗、环境污染最小化;同时以生命周期评价LCA为设计工具，LCA的技术框架由目标和范围界定、数据清单分析、影响评价、结果解释4部分组成。其中清单分析是通过收集数据，对产品、工艺在其整个生命周期各阶段的资源、能源投入和向环境的“三废”排放(产出)进行数据量化分析。影响评价是通过分类、特征化、量化“三步走”模型，对清单分析中可能产生环境影响或造成环境问题的全部输入、输出数据进行的定量评价［5］。产品生态设计的步骤可分为5步。

3.2.1 产品结构设计按照生态原则和卫生原则选用原材料、进行结构设计和工艺设计(见食品和包装机械生态设计的关键技术)。但这仅为初步设计，还需按照生命周期评价法对初设产品建立生态档案、进行生态诊断、依据实施措施再评价等步骤。

3.2.2 建立生态档案依据产品生态设计要求，确定LCA的评价范围，进行清单分析，对产品在整个生命周期各阶段内的投入与产出的生态参数进行量化记载，建立起产品的生态档案。

3.2.3 进行生态诊断依据产品生态档案，对在生命周期各阶段内的投入与产出进行影响评价，据此分析:产品在各阶段的资源能源消耗情况;投入及排放的生态参数可能造成的主要环境问题;对环境产生负面影响最严重的阶段;以及在生命周期各阶段造成的主要环境问题等。依据分析，即可判断产品中耗能大、资源消耗多、废弃物严重、对环境影响最大的阶段及工序，以及耗能和产生污染最严重的零部件等。然后，针对造成环境负面影响最严重的阶段、工序及零部件，通过改变产品零部件的材料成分、结构、或改变生产工艺，制定出新的产品设计和生产工艺方案［5－6］。

同时，依据食品和包装机械的卫生性能要求，分析预测因“迁移”可能产生有害化学物质的原材料和滋长细菌的结构，并进行改进。

3.2.4 依据实施措施再评价 EUP通过颁布各类产品生态设计的实施措施，对产品提出生态设计的一般和特殊要求，这些实施措施就是衡量产品生态设计的标准。

产品生态诊断后，对改进后新的产品设计和生产工艺方案还需再次进行生命周期评价。评价后的结果若达到产品生态设计实施措施，则完成生态设计;若仍未达到产品生态设计实施措施，则需继续改进产品的原材料、结构和生产工艺，并再一次进行生命周期评价，直到达到产品生态设计实施措施为止。

3.2.5 绿色成本分析按传统核算，生态设计的产品成本一般会有所提高;但企业也会因节约能源、节约资源、减少对环境的污染、以及回收再利用资源等而带来绿色收益。

4 食品和包装机械生态设计的关键技术

4.1 生命周期评价

生命周期评价LCA可发现产生污染最严重的阶段和污染最严重的生态参数，从而可寻找改善环境影响的机会，提高产品的环境性能。

生命周期评价的优点是科学全面和量化计算，被ISO14000列为子系统之一，故对产品环境性能评价具有权威性;但缺点是计算繁琐，工作量大。为此，一是要根据评价目的界定好评价范围的广度和深度，尽力减少计算工作量;二是企业采集产品的投入及排放数据要准确，数据决定了评价的精确性;三是使用商用评价软件，但数据要尽量接近本企业所在地域和采用的生产工艺。

4.2 原材料选用技术

生态材料强调不破坏生态。食品和包装机械的原材料主体是金属，为此应选用可薄型化而又有足够强度和刚度的材料;也可通过回收性设计、模块化设计，使材料易于回收再利用。其它使用的材料还有塑料、陶瓷等，以及使用的塑、纸等包装材料，这些材料首先应满足其成分及含量不对人体造成危害;对有害物质(如铅、镉、汞和六价铬，氯乙烯单体、多氯联苯、偶氮及挥发性有机物等)超标、排放时可能对环境产生严重负面影响的原材料，需换用适合的代用材料，如用安全的 PET替代 PVC，用 PP替代PS;同时在材料废弃后也需回收再利用。纸包装材料应尽量采用快速林或植物纤维造纸。

4.3 结构设计技术

生态产品的结构设计不仅关系着产品功能的实现，而且关系着材料的使用量、产品维修性及废弃后的回收性。

4.3.1 减量化设计生态设计遵循“简而美”原则。减少资源消耗，能耗和废弃物也就减少。故在不影响功能的情况下，产品应去除多余功能，减少产品零部件数量。

4.3.2 可拆卸设计产品结构设计应充分考虑拆卸性能，以便于使用过程中的维修以及废弃处理时的回收。可拆卸设计应遵循结构可拆卸原则，拆卸易于操作原则和产品结构可预估性原则。

4.3.3 节能设计 EUP强调节约能源。减量化、可拆卸和可回收性设计可节约能源，但从提高产品能效出发进行节能设计更直接有效。食品和包装机械的主轴、冷却单元、冷却液、伺服驱动、液压5个主要分系统耗用了80%以上的电力，可通过合理确定各数控轴的电动机类型和功率，选用高能效的液压和气动装置，提高加工过程的效率，以及借助人机过程提高机械的易操作性，采用LED照明及节省能源的冷却装置，减少待机、空转时间等方面去提高机床能效［7］。

4.3.4 模块化设计模块化设计指对不同功能、性能、规格的食品和包装机械，在功能分析基础上划分出一系列功能模块，再通过选择与组合模块，构成不同的产品和形成系列。模块化可使模块中的零部件或材料在产品达到预期寿命时回收并重复利用;或通过更换某模块而使产品升级，减少开发费用;从而达到节约资源与成本，减少废弃物，保护环境的目的。

4.3.5 可回收性设计指充分考虑零件或材料的回收性，包括回收难易程度、回收处理方法(重用或再生)、回收价值和回收成本等有关问题，以实现资源能源利用最大化和环境污染最小化。可回收性设计要着重考虑并解决可回收的工艺与方法，可回收材料标识，回收成本分析等问题［8］。

4.4 卫生设计技术

食品和包装机械的卫生危险隐患源自材质选择和结构设计，一是由于机械和包装材料、镀(涂)层上有害化学物质可能向被包装食品“迁移”，尤其是在加热状态下更易发生迁移，故材料中有害成分含量必须在限定范围内，其潜在的迁移值须符合对总迁移极限和特定迁移极限的规定;包装材料上使用的油墨、粘结剂、涂料也须是环保型的。二是由于机械结构设计不合理而导致细菌滋长，或加工过程中人手操作导致加工的食品微生物超标，为此与食品接触表面的结构材料应无毒、无异味、耐热、耐磨、耐腐蚀、无吸收性、易于清洗和消毒;机械及零部件的构造避免凹坑、折痕、断裂、裂缝等缺陷，并易于清洗、杀菌、消毒、拆卸和检查、适应在线清洗方式;输送管道和连接部分不应有凹陷及死角，避免滞留食品;提高自动化程度，避免人手操作［9］。

4.5 生产工艺设计

生态设计后的产品须实行预防污染产生的清洁生产。实现清洁生产的关键，一是对工艺流程进行审计，测算每一操作单元的物料和能量平衡，确定废弃物的数量、成分、去向;再依据物质守恒定律，分析和确定物料和能量损失的原因，提出多个改进方案，筛选评估后选定最佳方案。二是建立生产闭合圈，即将加热中挥发或沉淀的物料，或在生产过程中由管道或设备中滴漏或流失的物料进行回收，并返回到工艺流程中或经适当的处理后作为原材料回用，或将废料经处理后作为其它企业或其它生产过程的原料应用［10］。

4.6 绿色成本分析

绿色成本分析是在传统成本项目基础上考虑资源环境得失(联合国环境与综合经济核算体系提出应考虑3个变量，即资源耗减、环境保护支出和环境退化成本)后的核算。在对绿色成本核算尚无成熟的计算方法前，生态产品的成本核算在传统项目基础上，至少应考虑:因减量化、节约能源资源和节约人力及时间而带来的收益，因资源回收和再利用的收益，因减少对环境污染而带来的环保收益等。