鸡蛋包装生产工艺的生命周期评价

霍李江 赵 昱

大连工业大学

轻工与化学工程学院

辽宁 大连 116034

0 引言

鸡蛋作为居民日常的刚性需求食品，消费量一直较大。2020年，我国鸡蛋食用量为2336.53万吨，相当于人均每1.3天消费1个鸡蛋。鸡蛋的市场需求量较大，其包装流通量也随之不断增长；而因蛋壳易碎，鸡蛋物流对包装要求较高。目前，市场上最常见的鸡蛋包装形式是蛋托，对蛋托包装的大量使用带来的环境负荷，可以借助生命周期评价（life cycle assessment，LCA）方法进行量化分析[1-7]。LCA是一种用于评价产品或服务相关的环境因素及其整个生命周期环境影响的工具[8-9]。该方法的最大优势在于对环境影响的测算不仅体现在生产过程，还包括运输、销售、废弃物处置等整个生命周期过程，可避免环境影响在不同生命周期不同过程之间的转移。它可以对包装产品从设计源头到废弃处理的生命周期各个阶段进行有关环境负荷与影响的评价，从而有针对性地进行包装设计与制造技术改进，实现包装绿色化。

国内外相关学者进行了产品包装LCA研究与实践，例如牙膏软管生产工艺[10]、聚乳酸快递包装[11]、纳米复合活性包装[12-14]、瓦楞纸板生产工艺[15]、纸塑铝复合包装材料[16]等实践研究。本文采用LCA方法，分别测量由纸浆模塑和聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）两种不同材料设计与制造的蛋托产生的环境负荷，以优化鸡蛋包装技术方案，降低鸡蛋包装带来的环境负荷。

1 鸡蛋包装生命周期评价工具与指标选取

依据ISO 14040-2006《环境管理 生命周期评价 原则与框架》，生命周期评价技术框架包括目标与范围的确定、清单分析、生命周期影响评价、结果解释等4个部分。在此技术框架下，本研究利用eFootprint在线LCA分析软件和中国生命周期核心数据库（Chinese Reference Life Cycle Database,CLCD）、欧盟数据库（European Reference Life Cycle Database, ELCD）、瑞士Ecoinvent 3.1数据库，并基于网络在线平台，完成相关供应链的数据调查、LCA建模与分析、数据发布等工作[17-19]。

在评价过程中，评价对象生产物料中未涉及稀贵或高纯成分物料，忽略物料质量与产品总质量之比小于1%的生产物料，且忽略物料的总质量不超过产品总质量的5%，符合CLCD取舍规则。在生命周期影响评价环节，量化结果包含非生物资源消耗潜值（abiotic depletion potential，ADP）、全球变暖潜值（global warming potential，GWP）、水资源消耗（water use，WU）、 酸 化（acidification potential，AP）、富营养化潜值（eutrophication potential，EP）、可吸入无机物（respiratory inorganics，RI）、臭氧层消耗 （ozone depletion potential，ODP）、光化学臭氧 合 成（photochemical ozone formation potential，POFP）、初级能源消耗（primary energy demand，PED）等9种类型的评价指标[20-22]。

2 评价目标和清单分析

2.1 评价目标

2.1.1 功能单位

功能单位反映了最终用户消费的方式，一般指某一特定产品的有意义数量[23]。本研究的功能单位为可容装30枚鸡蛋的单个蛋托，其内装物以五行六列的方式进行排列。蛋托的尺寸为长292 mm、宽245 mm、高35 mm，其示意图见图1、图2。

图1 纸浆模塑蛋托示意图Fig.1 Schematic diagram of pulp molded tray for eggs

图2 PVC蛋托示意图Fig.2 Schematic diagram of polyvinyl chloride tray for eggs

2.1.2 系统边界

确定系统边界便于计算具体产品、物流过程对环境的影响。系统边界确定了评价研究目标，规定了评价中具体研究的范围，明确了评价中的输入和输出源[24-25]。本研究的系统边界始于蛋托生产原材料，终于蛋托成品装箱完成。

评价对象的具体系统边界和主要输入输出物质流描述见图3和图4。

图3 纸浆模塑蛋托系统边界Fig.3 System boundary of pulp molding tray for eggs

图4 PVC蛋托系统边界Fig.4 System boundary of polyvinyl chloride tray for eggs

2.2 清单分析

清单分析需要收集评价对象足够详细的输入输出数据信息，并对这些信息进行分类与处理[26]。清单分析阶段，数据收集的准确性、有效性对最终LCA结果的准确性有显著影响[27-28]。

本文通过调研相关包装材料和包装生产企业原始数据，并利用eFootprint软件、数据库以及行业文献、行业标准中的数据进行清单分析，分别统计功能单位的产品在每个阶段生产过程中的消耗与排放，最后汇总计算得到该产品生产过程的生命周期清单数据。为提高数据的准确性及结果的可靠度，本研究在环境影响评价阶段进行了灵敏度分析和数据质量评估。PVC蛋托、纸浆模塑蛋托输入数据清单见表1和表2，纸浆模塑蛋托、PVC蛋托排放数据清单见表3和表4。

表1 PVC蛋托输入数据清单Table 1 Data list of input by polyvinyl chloride tray for eggs

表2 纸浆模塑蛋托输入数据清单Table 2 Data list of input by pulp molding tray for eggs

表3 纸浆模塑蛋托排放数据清单Table 3 Data list of emission by pulp molding tray for eggs

表4 PVC蛋托排放数据清单Table 4 Data list of emission by polyvinyl chloride tray for eggs

3 蛋托生命周期影响评价

3.1 LCA结果与分析

基于eFootprint软件及数据库，将上述清单分析计算结果特征化，获得ADP、GWP、WU、AP、EP、RI、ODP、POFP、PED等环境影响评价结果，两个评价对象的环境影响结果见表5。

由表5可知，两种材质的评价对象均在GWP、WU和PED三个方面对环境的影响较大，尤其以PED更为显著，而在ADP、AP、EP、RI、ODP和POFP六个方面对环境的影响较小，因此应重点分析GWP、WU和PED这三个方面的环境影响。

表5 纸浆模塑蛋托与PVC蛋托环境影响评价结果Table 5 Result of environment impact by trays made of pulp molding and polyvinyl chloride for eggs

3.2 过程累计贡献分析

过程累积贡献是指该过程直接贡献及其所有上游过程的贡献（即原料消耗所有贡献）的累加值。由于过程通常包含多条清单数据，所以过程贡献分析其实是多项清单数据灵敏度的积累。纸浆模塑蛋托累积贡献见表6，PVC蛋托累积贡献见表7。

表6 纸浆模塑蛋托累积贡献Table 6 List of cumulative contribution by pulp molding tray for eggs %

表7 PVC蛋托累积贡献Table 7 List of cumulative contribution by polyvinyl chloride tray for eggs %

由表6可以看出，纸浆模塑蛋托中废纸原料在GWP、WU、PED三个方面的贡献均为最大，分别为92.56%, 65.36%, 51.33%。由表7可以看出，PVC蛋托中聚氯乙烯树脂颗粒原料在WU和PED方面的贡献最大，分别为68.65%, 67.22%；而在GWP方面，181稳定剂的贡献最大，为79.64%。

3.3 清单数据灵敏度分析

清单数据灵敏度是指清单数据单位变化率引起的相应指标变化率。通过分析清单数据对各指标的灵敏度，并配合改进潜力评估，从而辨识最有效的改进点。纸浆模塑蛋托中GWP灵敏度大于0.5%的清单数据见表8，PVC蛋托中GWP灵敏度大于0.5%的清单数据见表9。

表8 纸浆模塑蛋托GWP灵敏度大于0.5%的清单数据Table 8 List of GWP sensitivity more than 0.5% by pulp molding tray for eggs

表9 PVC蛋托GWP灵敏度大于0.5%的清单数据Table 9 List of GWP sensitivity more than 0.5% by polyvinyl chloride tray for eggs

由表8可知，纸浆模塑蛋托对GWP灵敏度影响最大的两个清单数据中，废纸原料的灵敏度最高，为65.36%；其次是填充料，为33.00%。废纸作为纸浆模塑蛋托生产过程中最主要的原材料，其消耗量特别大，且其为后续所有加工流程的载体，因此将其作为改进点的可能性不高。填充料作为纸浆模塑生产过程中的一种填充物质，具有较大的改进潜能。可通过更换填充料的材质，选择更加环保的材料，来达到降低GWP灵敏度的目的。由表9可知，PVC蛋托对GWP灵敏度影响较大的清单数据是聚氯乙烯树脂颗粒原料和电力消耗，分别为68.65%,25.26%，其余两个数据均小于5%。聚氯乙烯树脂颗粒作为PVC蛋托整个生产流程的载体，其消耗数量巨大，改进的可能性不高；而电力、MBS树脂（助剂）、181稳定剂均具有改进潜力。可通过使用清洁能源进行发电、减少有害助剂使用量等方式降低PVC蛋托的GWP灵敏度。

3.4 数据质量评估与分析

数据质量是指目标代表性与实际代表性之间的差异，差异越大，数据质量越差。可从数据来源不确定度、数据库匹配度和数据库基础不确定度等方面对清单数据进行质量评估。对各清单评估完成后，将不确定度传递到指标结果中，得到各指标的数据质量评估结果[29]。

本研究采用CLCD评估方法对模型清单数据的不确定度进行评估，研究类型为行业LCA，代表特定技术/全行业/市场平均水平，两种材料评价对象的数据质量评估结果见表10。

表10 两种材料评价对象的数据质量评估结果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，纸浆模塑蛋托的LCA结果优于PVC蛋托的相关结果；在AP、EP、ODP方面，PVC蛋托的LCA结果优于纸浆模塑蛋托的相关结果。从整体上来看，GWP、WU、PED三个方面的LCA结果数值较大，而功能单位与系统边界相同的两种评价对象在这三个方面则表现为纸浆模塑蛋托的环境影响优于PVC蛋托的环境影响。

在结果不确定度方面，纸浆模塑蛋托和PVC蛋托的结果不确定度均小于10%，说明两种材料均具有较高的可信度。其中，纸浆模塑材料中AP的不确定度相对较高，这是由于废纸原料数据采用的是行业标准数据而非行业普查数据；PVC蛋托中ADP的不确定度相对较高，则是由聚氯乙烯树脂颗粒原料所连接的上游数据库年代比较久远所造成的。可通过修改原始数据来源、追溯原料的上游生产过程等方式，来降低LCA结果的不确定度，进而确保两种材料LCA结果的准确性。

4 结语

通过对纸浆模塑和PVC两种材料的蛋托进行LCA量化对比分析，结果发现，纸浆模塑蛋托比PVC蛋托对环境产生的影响更小，应优先选择纸浆模塑蛋托。进一步研究发现，纸浆模塑蛋托在制浆过程中消耗的能量较多，在烘干过程中排放的废固、废气较多；PVC蛋托挤出工艺消耗的能量较多、排放的废固和废气较多，吸塑成型工艺次之。可见，在进行蛋托生产时，生产工艺和能源消耗对环境影响起着决定性作用。因此，在保证产品质量的前提下，应优先选择对环境影响小的材料以及助剂进行产品设计、生产。另外，考虑到包装物的安全及稳定性能，市场上的PVC蛋托大多进行了加盖设计，但会造成原材料的浪费。可通过选择更高克重的PVC材料、修改蛋托结构设计等方式，降低鸡蛋包装产品环境的负面影响。