精酿啤酒装备的环境影响及敏感性分析

高秀玲，田玮*，孟献昊，戴晓勇，张安朝

1. 天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津科技大学机械工程学院（天津 300222）；2. 宁波泸港食品机械制造有限公司（宁波 315721）

啤酒生产包含复杂的生化反应过程，主要由制麦、糖化、发酵、清酒等环节组成，其中糖化与发酵是两道关键的工序[1-2]。由于糖化与发酵过程能耗、耗水且排污量大，因此，节能、降耗、减排、增效和低碳已成为当前中国啤酒酿造设备发展的新主题[3]。目前研究主要集中在对啤酒工艺的环境影响评估。杨静静等[4]对国内外啤酒生产从原料、包装物、工厂等环节的碳足迹进行了综述和比较，确定节能减碳的关键点。Talve等[5]评估了生命周期内啤酒不同子系统对环境的影响，提出了改善啤酒厂产品和环境绩效的建议。Koroneos等[6]用生命周期评价（Life cycle assessment，LCA）方法辨识和量化了希腊啤酒产品全生命周期内对环境的影响，研究发现啤酒瓶制造、啤酒酿造、啤酒包装、原材料获取是啤酒生命周期中依次对环境造成影响较大的阶段。从啤酒装备LCA研究现状可以看出，现阶段关于啤酒产品的研究成果大部分聚集在啤酒生产的工艺，涉及啤酒装备的环境影响评价研究很少。在此次研究中，为全面了解啤酒装备在其生命周期中对环境的影响，对啤酒装备的全生命周期过程进行系统评价，分析其对环境的影响。同时采用敏感性分析方法，确定啤酒装备环境影响的主要因素，这方面的研究成果对于与啤酒装备相关的LCA研究以及其他类产品的生命周期评价具有一定的参考意义。

1 研究方法

1.1 精酿啤酒装备的生命周期评价方法

生命周期评价的步骤包括目标与范围界定、清单分析、影响评价、结果解释四个部分，以下三个小节依次讨论前三个部分，第四个部分在“结果与讨论”中说明。

1.1.1 研究目标与范围界定

对一套精酿啤酒装备全生命周期进行环境影响分析，根据评价结果确定啤酒装备生命周期的主要环境影响阶段或环节，分析啤酒装备生命周期中能耗高、物耗高、污染重的阶段，提供方向性的改进建议，有效推动啤酒行业的清洁生产和可持续发展。功能单位定义为生产一套500 L的精酿啤酒装备。

图1为啤酒装备系统边界，包括原材料生产制造、包装、使用、维护及废弃处理这五个阶段。原材料的生产阶段主要指不锈钢、铜及其辅助材料生产过程，制造阶段包括主要设备的制造安装过程，使用阶段主要指糖化发酵过程。啤酒装备每运行一次都需要清洗，能耗较多。回收处理阶段主要考虑不锈钢、铜、岩棉的回收循环利用过程。以上各阶段数据由宁波某啤酒公司提供。

图1 基于全生命周期的精酿啤酒装备的系统边界

1.1.2 生命周期清单分析方法

清单分析主要是计算产品整个生命周期阶段的能源输入、资源消耗以及排放的各种环境负荷物质。为减少结果不确定度，增加计算结果可靠性，选用由亿科环境开发的生命周期评价软件eBalance中国基础数据库（Chinese Life Cycle Database，CLCD）和其内置Ecoinvent数据库。讨论啤酒装备的生产制造、包装、使用维护和废弃处理四个不同阶段。

在生产制造阶段，精酿啤酒装备主要由不锈钢制成，其中糖化系统使用铜外包。原材料生产加工阶段中资源消耗为生产不锈钢材料所需的铁矿石、石灰石及其他辅助材料，如表1所示。精酿啤酒装备主要系统及制造安装过程中资源、能源消耗如表2所示，其中氩气作为电弧焊接不锈钢过程中的保护气体。

表1 精酿啤酒装备原材料及其质量

表2 精酿啤酒装备组成及资源能源消耗

在啤酒装备的包装阶段，机械设备包装材料使用完直接丢弃，造成材料浪费。啤酒装备包装使用珍珠棉与缠绕棉作为包装材料，消耗珍珠棉0.5 kg，缠绕棉每个罐子0.1 kg，共0.9 kg。

使用阶段是啤酒装备产生排放的主要阶段，包括糖化过程锅炉耗电量及发酵工段麦汁冷却过程制冷机耗电量，麦汁冷却方式采用一段式冷却以获得最佳节能效果[7]。按1 d糖化2次，每次消耗水约500 kg，耗电约120 kW·h。啤酒装备正常运行25年，每年按355 d计算，维护过程每次消耗水约500 kg，耗电约50 kW·h，耗氢氧化钠约3 kg，年平均清洗次数为40～50次。

在回收处理阶段，不锈钢钢材的95%[8]采用熔化炉（耗电量为600 kW·h/t钢材）熔化循环再利用，剩下的钢材采取填埋处理[9-10]。由于铜的回收eBalance软件中没有相应的背景数据，因此采用再生铜的背景数据，回收率为95%。岩棉的回收采用冲天炉，约为30%[11]，平均生产1 t的岩棉制品可回收冲天炉能量的60%～70%，岩棉冲天炉的总能量为4.886×103kW·h/t[12]，其他材料填埋处理。

1.1.3 影响评价方法

影响评价是根据清单分析提供的资源、能源消耗及排放数据对产品造成的环境影响定性定量评估，基于矩阵算法在R语言中计算啤酒装备的LCA，确定各种环境问题造成的潜在环境影响大小和重要性。影响评价主要包括分类、特征化、标准化和加权。

分类是将清单分析中所得排放物对应到不同环境影响类型，使评价结果更加直观反映其与环境的关系。特征化是指利用不同特征化因子将清单分析结果换算成统一单位进行计算，并将同一类型换算结果累加得出量化的指标结果。根据中点环境影响评价方法——CML 2001 Dec 07模型[13]，选择了7种普遍使用的影响类别：①初级能源消耗潜值（Primary Energy Demand，PED），包括原煤、石油、天然气，其中原煤是由褐煤与煤矿瓦斯气折算而来，以标准煤（ce）当量表示；②全球变暖潜值（Global Warming Potential，GWP），包括CO、CO2等气体，以CO2为当量；③酸化潜值（Acidification Potential，AP），以SO2为当量；④富营养化潜值（Eutrophication Potential，EP），以NO3为当量；⑤臭氧耗竭潜值（Ozone Depletion Potential，ODP），以CFC-11为当量；⑥光化学污染（Photochemical Oxidation Potential，POCP），以C2H4为当量；⑦人体健康的指标采用人体损害潜值（Human Toxicity Potential，HTP），以水为当量。环境影响类型清单物质分类和特征化因子见表3。

标准化目的是得出不同种类影响生命周期结果的相对大小，以便于比较不同类别的环境影响，通过特征化结果与标准化基准值的比值得出。采用的各环境影响类型的标准化基准值为1990年中国人均当量基准值，其中GWP、AP、EP、POCP的标准化基值主要参考文献[14]，ODP与HTP标准化基值参考文献[15]。

标准化结果乘以权重因子可以得出单一的环境影响指标值，称为加权影响，反映整个生命周期过程对潜在环境影响的相对度量。为使不同种类的影响能够得以量化，根据Saaty的1～9级标度[16]，通过专家打分，得出7种环境影响类型间的权重。权重计算在R软件中利用pmr包[17]中分析层次过程模型，基于Saaty[16]和Koczkodaj等[18]的不一致性分析，提高分析结果可靠性。

1.2 精酿啤酒装备环境影响的敏感性分析方法

生命周期评价结果受多种因素的影响，包括研究范围、数据来源、数据缺失、模型方法以及假设条件等，主要表现为生命周期清单数据的不确定性，这直接影响数据质量和评价结果的可信度。因此，采用基于树型高斯过程的全局性敏感性分析方法，对生命周期参数进行敏感性分析，以确定影响评价结果可靠性的主要因素，选定与精酿啤酒装备相关的16个输入变量，根据数据估算过程误差大小和数据来源可靠性[19-20]，取其不确定度，分别为5%，10%和15%，不锈钢[8]、铜、岩棉[11]这三个因素回收率在其实际变化范围波动，详细取值见表3。

应用基于蒙特卡罗抽样的敏感性分析方法，基本步骤为：确定输入变量变化范围或分布（如表3所示）；基于拉丁超立方法抽样产生输入变量的组合；运行模拟结果；运行敏感性分析。通过比较不同抽样次数所得结果稳定性，抽样次数选定为500次。敏感性分析采用树型高斯过程法，属于全局敏感性分析方法，具有计算结果准确和可视化方便的优点。具体计算采用两步法，首先基于树型高斯过程方法得到啤酒装备环境影响的元模型，然后用方差分析的全局敏感性方法得到不同变量的敏感性指标。

表3 敏感性分析的输入变量

2 结果与讨论

2.1 不同生命周期阶段对于环境影响

表4列出精酿啤酒装备在不同生命周期阶段的不同环境影响类型的最终计算值（侧重从不同生命周期阶段的角度进行分析），图2表示精酿啤酒装备不同生命周期阶段对于环境影响的百分比。可以看出，除人体健康损害影响HTP外，对于其他环境影响类型，使用阶段明显高于其他阶段的影响，这是由于使用过程中对电力的需求较大，电力的生产过程对煤、原油、天然气的需求较高，对环境有非常明显的影响。由表4可以看出，除去废弃处理回收阶段对环境带来正面影响外，精酿啤酒装备在使用阶段占所有阶段的环境影响约78.16%。因此，为了减少精酿啤酒装备生命周期的环境影响，应重点分析如何减少在使用阶段的影响。

啤酒装备生产制造阶段的环境影响仅次于使用阶段，约占总环境影响的20.40%。虽然精酿啤酒装备主要由不锈钢制成（占啤酒装备总质量的83.57%），但是与铜相比（只占啤酒装备总质量的0.07%），不锈钢对环境的影响远远小于铜对环境的影响。生产阶段所使用的铜对环境影响最大，占生产阶段环境影响的95.17%，不锈钢次之，约占3.70%，其他材料在生产阶段具有相对低的能量消耗，仅占环境影响的1.13%。

设备维护和包装阶段对于环境的影响很少。维护阶段虽然所需水耗量较多，但环境影响排列第三，只占约1.44%。包装阶段的影响则可以忽略不计。

在废弃处理阶段，产生的环境影响为负，表明材料回收大于材料生产，主要由于不锈钢与铜的回收对环境产生积极作用，抵消了原材料生产过程对环境造成的不利影响，减轻了环境负担。

表4 精酿啤酒装备整个生命周期环境影响结果

图2 精酿啤酒装备在不同影响类型中不同生命周期阶段环境影响所占百分比

2.2 不同影响类型的环境影响分析

从不同影响类型的角度，分析精酿啤酒装备的环境影响，如图3所示。由表4可以看出，PED、HTP、GWP、AP是啤酒装备生命周期过程中最主要四个影响因素，分别占总环境影响结果的63.44%，14.94%，9.37%和9.08%，EP占总环境影响的2.53%，POCP和ODP对环境影响最少，这两个环境影响总和小于1%。

啤酒装备的初级能源消耗潜值PED如图3所示，在不同的生命阶段都有重要的环境影响，除废弃回收阶段对于环境有正面影响外，使用阶段占比最大。所以降低使用阶段的初级能源消耗潜值，将会明显减少啤酒装备的生命周期环境影响。

在啤酒装备生命周期过程中，GWP由使用阶段主导，这是因为不锈钢、铜的生产及啤酒生产过程消耗的能量最多，并产生大量的温室气体排放，如CO2、CH4等气体。

AP的结果与GWP的趋势基本一致，使用阶段对AP影响最大，由于使用过程对电力的需求较高，电力的生产过程会释放大量酸性气体。在原材料采购阶段，铜的生产释放大量的SO2和NOx。包装和清洗阶段两个过程中对AP影响较小。啤酒装备整个生命周期中，AP对环境的影响仅次于GWP，占9.08%。

EP与NH4、COD及水的排放有关，而电力生产产生大量NH4和COD，使用阶段对EP贡献最大。啤酒装备整个生命周期过程中，EP对环境影响排列第五，占总环境影响的2.53%。

POCP在使用阶段占主导地位，由于不锈钢与聚四氟乙烯等原材料生产会产生大量的CH4、CO等气体，其他原材料生产过程中产生较少的CO与CH4，对POCP影响不大。

ODP在使用阶段对环境的影响最大，主要原因是聚四氟乙烯与铜生产造成了相对较多的CFCs，其他材料的生产对ODP的贡献特别小，啤酒装备整个生命周期过程中ODP对总环境影响仅占0.12%。

HTP在生产制造阶段对环境的影响最大，主要由铜的生产过程产生的Hg、Cr、As、Pb、CN的排放所引起。与其他阶段相比，包装与清洗阶段对HT的影响最低，这是因为这两个阶段对Hg等影响HTP的排放很少。

2.3 敏感性结果分析

图4是基于树型高斯过程敏感性分析法得出的精酿啤酒装备总的环境影响负荷重要性分析结果。由于最重要的前五个参数可以解释99%以上的环境影响负荷变化，所以图4只显示这五个重要参数的计算结果。其他11个参数的变化对环境影响负荷的敏感性很低，对环境的影响占比小于1%，不会影响整个环境敏感性分析的可靠性。图4（a）通过变量主效应表示五个因素变化对于环境影响的变化规律，图4（b）通过箱线图方式表示五个变量主效应可能的变化区间。

耗电量（Elec）对于环境影响最为重要，可用来解释80%以上的环境影响变化，且为正向作用，即随着耗电量的增加，环境影响负荷也增加。因此，为了减少精酿啤酒装备的环境影响，应当增加设备使用效率，尽量减少耗电量。下一个重要的变量是不锈钢回收率（RERs），约占总环境影响的10%，但其影响为负向作用。所以通过改进设备加工工艺和精细化管理设备加工过程，以加大不锈钢回收率，能够大大缓解精酿啤酒装备对于环境的负面影响。其他3个变量对环境的影响明显低于前两个变量的影响，共占总环境影响的10%不到。

图3 精酿啤酒装备在不同生命周期中不同影响类型的环境影响所占百分比

图4 精酿啤酒装备前五个重要参数对总环境影响负荷重要性的敏感性分析结果

3 结论

此次研究对精酿啤酒装备进行了生命周期的环境影响评价，评价结果表明：

1) 在精酿啤酒装备的加工制造、使用、清洗维护、废弃处理四个阶段中，除废弃处理阶段由于回收材料对环境影响有正面作用外，使用阶段占所有阶段环境影响的78.16%，生产制造阶段环境影响占总环境影响的20.40%，其他两个阶段占比较少。因此，通过提高设备使用效率，达到降低使用阶段能源消耗，可减少啤酒装备的全生命周期环境影响。

2) 在选定的7种影响类型中，初级能源消耗PED、人体健康影响HTP、全球变暖潜值GWP、酸化潜值AP是啤酒装备主要的四个影响类型，分别占63.44%，14.94%，9.37%和9.08%。在PED中，主要的环境影响也发生在使用阶段，所以降低使用阶段的初级能源消耗，会明显减少啤酒装备的环境影响。

3) 通过全局敏感性分析，影响环境负荷最重要的两个变量是精酿啤酒装备耗电量和不锈钢回收率。