食品和包裝機械的生態(tài)設(shè)計方法和關(guān)鍵技術(shù)

戴宏民，戴佩華

(1.重慶工商大學(xué)綠色包裝研究所，重慶400067;2.重慶工商大學(xué)經(jīng)濟學(xué)院，重慶400067)

1 EUP指令在全世界掀起生態(tài)設(shè)計風(fēng)暴

2005年7月，歐盟頒布《用能產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計框架指令》(簡稱EUP指令，用能產(chǎn)品指一旦上市或開始使用時，依靠輸入能源才能正常工作的產(chǎn)品和用于產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換以及測量該能源的產(chǎn)品)。該指令的核心是首次對耗能產(chǎn)品提出須實行以節(jié)能為中心的生態(tài)設(shè)計。指令的制定者認為，產(chǎn)品的能效及其對環(huán)境的影響取決于產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計，因此對產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計提出技術(shù)要求即抓住了根本，輔之以生產(chǎn)和流通領(lǐng)域中企業(yè)、消費者和政府機構(gòu)的監(jiān)督，便形成了產(chǎn)品從設(shè)計到生產(chǎn)、使用、報廢、處理、再利用的全生命周期環(huán)境保護生態(tài)鏈。2008年1月，歐盟又發(fā)布在2008和2009年對電冰箱、電視機和洗衣機等20種機電產(chǎn)品進行生態(tài)設(shè)計的實施措施［1］。通過生態(tài)設(shè)計、符合性檢測(生產(chǎn)商對產(chǎn)品滿足EUP指令實施措施的要求所進行的自我評估)和CE標簽認證等要求，歐盟再次提高了機電產(chǎn)品的準入門檻，在歐盟范圍內(nèi)建立起新的、更高要求的綠色貿(mào)易壁壘。

EUP指令涵蓋的產(chǎn)品范圍非常廣泛，原則上包括了除汽車運輸工具外的所有使用電能、固體燃料、液體燃料和氣體燃料的用能產(chǎn)品，從而在全世界掀起了一股巨大的綠色風(fēng)暴。這場綠色風(fēng)暴對占歐盟出口機電產(chǎn)品80%的中國企業(yè)產(chǎn)生了巨大的沖擊，有可能給中國家電業(yè)帶來500億元的損失［2］;中國生產(chǎn)的電子產(chǎn)品、熱水器、電動發(fā)動機系統(tǒng)、照明設(shè)備、暖氣、通風(fēng)設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)均是首批須符合實施標準的類別產(chǎn)品［3］。因此，對于中國企業(yè)來說，這是一場全面的挑戰(zhàn)和嚴峻的考驗。耗能巨大的食品和包裝機械雖暫未頒布生態(tài)設(shè)計的實施措施，也應(yīng)盡早未雨綢繆，適應(yīng)生態(tài)設(shè)計這一世界環(huán)保發(fā)展趨勢。

2 生態(tài)設(shè)計的背景、理念和要求

自上世紀八十年代全球掀起環(huán)保大潮以來，人們對環(huán)境的關(guān)注度與日俱增，各國政府為使社會可持續(xù)發(fā)展，在制定政策時更多考慮環(huán)保因素。用能產(chǎn)品在生產(chǎn)、配送、使用、廢棄各個階段均會對環(huán)境造成若干影響，如氣候變遷、溫室效應(yīng)、霧霾、能源和資源消耗、毒性廢棄物等問題。德國環(huán)保署2000年統(tǒng)計資料表明，超過80%的環(huán)境沖擊跟產(chǎn)品設(shè)計有關(guān)［1］，因此在產(chǎn)品開發(fā)階段改進減少產(chǎn)品對環(huán)境的沖擊，就能明顯提高產(chǎn)品的環(huán)境績效，導(dǎo)致近年許多工業(yè)發(fā)達國家紛紛制定產(chǎn)品環(huán)境績效的改善目標和標準，正是這種趨勢形成了歐盟規(guī)范機電產(chǎn)品環(huán)境化設(shè)計的基礎(chǔ)。早在本世紀初，歐盟就制定了集成產(chǎn)品策略，該策略可分析確定產(chǎn)品在全生命周期對環(huán)境影響的潛在可能性、以及對該影響可能性涉及到生命周期各階段相關(guān)人員的責(zé)任。EUP指令就是作為集成產(chǎn)品策略框架的一部分頒布的。

EUP的生態(tài)設(shè)計概念，是指將環(huán)境因素融入到產(chǎn)品的設(shè)計中，從源頭入手，在包括設(shè)計、制造、使用、維護、回收、后期處理的生命周期內(nèi)，不僅要考慮功能、性能、材料、結(jié)構(gòu)、外觀、通用性、安全性、包裝、成本等常規(guī)因素，同時還要考慮產(chǎn)品生命周期對能源、環(huán)境、自然資源的影響，目的是在產(chǎn)品整個生命周期中全方位監(jiān)控產(chǎn)品對環(huán)境的影響，減少對環(huán)境的破壞，改善和提高產(chǎn)品的環(huán)境性能。它標志著歐盟把控制工業(yè)產(chǎn)品對環(huán)境污染的焦點從產(chǎn)品生命周期的終點向前延伸至產(chǎn)品的起點，即產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計階段。

生態(tài)設(shè)計的要求分為一般生態(tài)設(shè)計要求和特殊生態(tài)設(shè)計要求。一般生態(tài)設(shè)計要求指定性的環(huán)保指標，不對具體數(shù)值作出限值規(guī)定;特殊生態(tài)設(shè)計要求則是針對某些重要的環(huán)境影響指標，提出可量化/可量測的生態(tài)化設(shè)計規(guī)定，目前主要是能效要求(以能源投入/績效產(chǎn)出作為計算單位)［1］。2010年11月歐盟發(fā)布的家用洗碗機的一般生態(tài)設(shè)計要求為:家用洗碗機顯示面板的程序選擇裝置上應(yīng)清晰標識適合臟污餐具常規(guī)清洗的標準餐具洗滌程序，從耗電和耗水的角度綜合考量，該程序是清洗這類餐具效率最高的程序;特殊生態(tài)設(shè)計要求為:所有洗碗機的能效指數(shù)(EEI)應(yīng)小于71，額定放置容量為10套、機身寬度≤45cm的洗碗機能效指數(shù)(EEI)應(yīng)小于80，所有洗碗機的清潔指數(shù)(IC)應(yīng)大于1.12;從2013年12月1日起，則額定放置容量≥11套或者額定放置容量等于10套、機身寬度大于45cm的洗碗機的能效指數(shù)(EEI)應(yīng)小于63，額定放置容量≥8套的洗碗機的干燥指數(shù)(ID)應(yīng)大于1.08，額定放置容量小于8套的洗碗機的干燥指數(shù)(ID)應(yīng)大于0.86［4］。

3 食品和包裝機械的生態(tài)設(shè)計參數(shù)及五步設(shè)計法

3.1 食品和包裝機械的生態(tài)設(shè)計參數(shù)

食品和包裝機械的傳統(tǒng)設(shè)計以經(jīng)濟性能為中心，設(shè)計過程中主要考慮產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、工藝性、安全性、成本等因素。生態(tài)設(shè)計則既要考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟性能，又要考慮產(chǎn)品的資源環(huán)境性能;設(shè)計參數(shù)除考慮上述經(jīng)濟性能參數(shù)外，還需引進體現(xiàn)生態(tài)特性的生態(tài)參數(shù)。

首先確定產(chǎn)品生命周期各階段(EUP簡化為原材料選擇和使用階段、產(chǎn)品制造階段、產(chǎn)品包裝、運輸和銷售階段、產(chǎn)品安裝和維護階段、產(chǎn)品使用階段、產(chǎn)品廢棄及回收階段等6階段)應(yīng)評估的生態(tài)參數(shù)。

生態(tài)(環(huán)境)參數(shù):包括能源與資源之預(yù)期消耗量;對于空氣/水體/土壤之預(yù)期污染物排放量(如空氣污染物排放、水污染物排放、固體廢棄物排放、金屬微粒排放);噪音/振動/輻射等可能造成之污染;廢棄物預(yù)期產(chǎn)生量;資源/能源回收與再利用之可行性。

改善產(chǎn)品環(huán)境性能可使用的生態(tài)參數(shù):產(chǎn)品體積/重量;使用之回收材料數(shù)量;能源/資源消耗量;危害性物質(zhì)使用量;使用/維修所需之消耗品;回收/再利用之容易性;回收組件納入程度;避免使用會妨礙進行回收之技術(shù);廢棄物產(chǎn)生量;對空氣/水體/土壤之污染物排放量［1］。

為保證食品和包裝機械的食品安全性，在生態(tài)設(shè)計時還必須同時考慮其衛(wèi)生性能，從原材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計上避免可能“遷移”的有害化學(xué)物質(zhì)和細菌滋長量超過“安全衛(wèi)生規(guī)定”。

3.2 食品和包裝機械生態(tài)設(shè)計的五步設(shè)計法

生態(tài)設(shè)計以生態(tài)參數(shù)為設(shè)計重點。在方法上須以并行工程為設(shè)計思想，即從設(shè)計開始就要同時考慮原材料選用、加工制造、包裝物流、使用維護、回收利用等各個環(huán)節(jié)、使資源消耗、環(huán)境污染最小化;同時以生命周期評價LCA為設(shè)計工具，LCA的技術(shù)框架由目標和范圍界定、數(shù)據(jù)清單分析、影響評價、結(jié)果解釋4部分組成。其中清單分析是通過收集數(shù)據(jù)，對產(chǎn)品、工藝在其整個生命周期各階段的資源、能源投入和向環(huán)境的“三廢”排放(產(chǎn)出)進行數(shù)據(jù)量化分析。影響評價是通過分類、特征化、量化“三步走”模型，對清單分析中可能產(chǎn)生環(huán)境影響或造成環(huán)境問題的全部輸入、輸出數(shù)據(jù)進行的定量評價［5］。產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的步驟可分為5步。

3.2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計 按照生態(tài)原則和衛(wèi)生原則選用原材料、進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計(見食品和包裝機械生態(tài)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù))。但這僅為初步設(shè)計，還需按照生命周期評價法對初設(shè)產(chǎn)品建立生態(tài)檔案、進行生態(tài)診斷、依據(jù)實施措施再評價等步驟。

3.2.2 建立生態(tài)檔案 依據(jù)產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計要求，確定LCA的評價范圍，進行清單分析，對產(chǎn)品在整個生命周期各階段內(nèi)的投入與產(chǎn)出的生態(tài)參數(shù)進行量化記載，建立起產(chǎn)品的生態(tài)檔案。

3.2.3 進行生態(tài)診斷 依據(jù)產(chǎn)品生態(tài)檔案，對在生命周期各階段內(nèi)的投入與產(chǎn)出進行影響評價，據(jù)此分析:產(chǎn)品在各階段的資源能源消耗情況;投入及排放的生態(tài)參數(shù)可能造成的主要環(huán)境問題;對環(huán)境產(chǎn)生負面影響最嚴重的階段;以及在生命周期各階段造成的主要環(huán)境問題等。依據(jù)分析，即可判斷產(chǎn)品中耗能大、資源消耗多、廢棄物嚴重、對環(huán)境影響最大的階段及工序，以及耗能和產(chǎn)生污染最嚴重的零部件等。然后，針對造成環(huán)境負面影響最嚴重的階段、工序及零部件，通過改變產(chǎn)品零部件的材料成分、結(jié)構(gòu)、或改變生產(chǎn)工藝，制定出新的產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)工藝方案［5－6］。

同時，依據(jù)食品和包裝機械的衛(wèi)生性能要求，分析預(yù)測因“遷移”可能產(chǎn)生有害化學(xué)物質(zhì)的原材料和滋長細菌的結(jié)構(gòu)，并進行改進。

3.2.4 依據(jù)實施措施再評價 EUP通過頒布各類產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的實施措施，對產(chǎn)品提出生態(tài)設(shè)計的一般和特殊要求，這些實施措施就是衡量產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的標準。

產(chǎn)品生態(tài)診斷后，對改進后新的產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)工藝方案還需再次進行生命周期評價。評價后的結(jié)果若達到產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計實施措施，則完成生態(tài)設(shè)計;若仍未達到產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計實施措施，則需繼續(xù)改進產(chǎn)品的原材料、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，并再一次進行生命周期評價，直到達到產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計實施措施為止。

3.2.5 綠色成本分析 按傳統(tǒng)核算，生態(tài)設(shè)計的產(chǎn)品成本一般會有所提高;但企業(yè)也會因節(jié)約能源、節(jié)約資源、減少對環(huán)境的污染、以及回收再利用資源等而帶來綠色收益。

4 食品和包裝機械生態(tài)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 生命周期評價

生命周期評價LCA可發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生污染最嚴重的階段和污染最嚴重的生態(tài)參數(shù)，從而可尋找改善環(huán)境影響的機會，提高產(chǎn)品的環(huán)境性能。

生命周期評價的優(yōu)點是科學(xué)全面和量化計算，被ISO14000列為子系統(tǒng)之一，故對產(chǎn)品環(huán)境性能評價具有權(quán)威性;但缺點是計算繁瑣，工作量大。為此，一是要根據(jù)評價目的界定好評價范圍的廣度和深度，盡力減少計算工作量;二是企業(yè)采集產(chǎn)品的投入及排放數(shù)據(jù)要準確，數(shù)據(jù)決定了評價的精確性;三是使用商用評價軟件，但數(shù)據(jù)要盡量接近本企業(yè)所在地域和采用的生產(chǎn)工藝。

4.2 原材料選用技術(shù)

生態(tài)材料強調(diào)不破壞生態(tài)。食品和包裝機械的原材料主體是金屬，為此應(yīng)選用可薄型化而又有足夠強度和剛度的材料;也可通過回收性設(shè)計、模塊化設(shè)計，使材料易于回收再利用。其它使用的材料還有塑料、陶瓷等，以及使用的塑、紙等包裝材料，這些材料首先應(yīng)滿足其成分及含量不對人體造成危害;對有害物質(zhì)(如鉛、鎘、汞和六價鉻，氯乙烯單體、多氯聯(lián)苯、偶氮及揮發(fā)性有機物等)超標、排放時可能對環(huán)境產(chǎn)生嚴重負面影響的原材料，需換用適合的代用材料，如用安全的 PET替代 PVC，用 PP替代PS;同時在材料廢棄后也需回收再利用。紙包裝材料應(yīng)盡量采用快速林或植物纖維造紙。

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)

生態(tài)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅關(guān)系著產(chǎn)品功能的實現(xiàn)，而且關(guān)系著材料的使用量、產(chǎn)品維修性及廢棄后的回收性。

4.3.1 減量化設(shè)計 生態(tài)設(shè)計遵循“簡而美”原則。減少資源消耗，能耗和廢棄物也就減少。故在不影響功能的情況下，產(chǎn)品應(yīng)去除多余功能，減少產(chǎn)品零部件數(shù)量。

4.3.2 可拆卸設(shè)計 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)充分考慮拆卸性能，以便于使用過程中的維修以及廢棄處理時的回收?？刹鹦对O(shè)計應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)可拆卸原則，拆卸易于操作原則和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可預(yù)估性原則。

4.3.3 節(jié)能設(shè)計 EUP強調(diào)節(jié)約能源。減量化、可拆卸和可回收性設(shè)計可節(jié)約能源，但從提高產(chǎn)品能效出發(fā)進行節(jié)能設(shè)計更直接有效。食品和包裝機械的主軸、冷卻單元、冷卻液、伺服驅(qū)動、液壓5個主要分系統(tǒng)耗用了80%以上的電力，可通過合理確定各數(shù)控軸的電動機類型和功率，選用高能效的液壓和氣動裝置，提高加工過程的效率，以及借助人機過程提高機械的易操作性，采用LED照明及節(jié)省能源的冷卻裝置，減少待機、空轉(zhuǎn)時間等方面去提高機床能效［7］。

4.3.4 模塊化設(shè)計 模塊化設(shè)計指對不同功能、性能、規(guī)格的食品和包裝機械，在功能分析基礎(chǔ)上劃分出一系列功能模塊，再通過選擇與組合模塊，構(gòu)成不同的產(chǎn)品和形成系列。模塊化可使模塊中的零部件或材料在產(chǎn)品達到預(yù)期壽命時回收并重復(fù)利用;或通過更換某模塊而使產(chǎn)品升級，減少開發(fā)費用;從而達到節(jié)約資源與成本，減少廢棄物，保護環(huán)境的目的。

4.3.5 可回收性設(shè)計 指充分考慮零件或材料的回收性，包括回收難易程度、回收處理方法(重用或再生)、回收價值和回收成本等有關(guān)問題，以實現(xiàn)資源能源利用最大化和環(huán)境污染最小化?？苫厥招栽O(shè)計要著重考慮并解決可回收的工藝與方法，可回收材料標識，回收成本分析等問題［8］。

4.4 衛(wèi)生設(shè)計技術(shù)

食品和包裝機械的衛(wèi)生危險隱患源自材質(zhì)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計，一是由于機械和包裝材料、鍍(涂)層上有害化學(xué)物質(zhì)可能向被包裝食品“遷移”，尤其是在加熱狀態(tài)下更易發(fā)生遷移，故材料中有害成分含量必須在限定范圍內(nèi)，其潛在的遷移值須符合對總遷移極限和特定遷移極限的規(guī)定;包裝材料上使用的油墨、粘結(jié)劑、涂料也須是環(huán)保型的。二是由于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理而導(dǎo)致細菌滋長，或加工過程中人手操作導(dǎo)致加工的食品微生物超標，為此與食品接觸表面的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)無毒、無異味、耐熱、耐磨、耐腐蝕、無吸收性、易于清洗和消毒;機械及零部件的構(gòu)造避免凹坑、折痕、斷裂、裂縫等缺陷，并易于清洗、殺菌、消毒、拆卸和檢查、適應(yīng)在線清洗方式;輸送管道和連接部分不應(yīng)有凹陷及死角，避免滯留食品;提高自動化程度，避免人手操作［9］。

4.5 生產(chǎn)工藝設(shè)計

生態(tài)設(shè)計后的產(chǎn)品須實行預(yù)防污染產(chǎn)生的清潔生產(chǎn)。實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的關(guān)鍵，一是對工藝流程進行審計，測算每一操作單元的物料和能量平衡，確定廢棄物的數(shù)量、成分、去向;再依據(jù)物質(zhì)守恒定律，分析和確定物料和能量損失的原因，提出多個改進方案，篩選評估后選定最佳方案。二是建立生產(chǎn)閉合圈，即將加熱中揮發(fā)或沉淀的物料，或在生產(chǎn)過程中由管道或設(shè)備中滴漏或流失的物料進行回收，并返回到工藝流程中或經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砗笞鳛樵牧匣赜?，或?qū)U料經(jīng)處理后作為其它企業(yè)或其它生產(chǎn)過程的原料應(yīng)用［10］。

4.6 綠色成本分析

綠色成本分析是在傳統(tǒng)成本項目基礎(chǔ)上考慮資源環(huán)境得失(聯(lián)合國環(huán)境與綜合經(jīng)濟核算體系提出應(yīng)考慮3個變量，即資源耗減、環(huán)境保護支出和環(huán)境退化成本)后的核算。在對綠色成本核算尚無成熟的計算方法前，生態(tài)產(chǎn)品的成本核算在傳統(tǒng)項目基礎(chǔ)上，至少應(yīng)考慮:因減量化、節(jié)約能源資源和節(jié)約人力及時間而帶來的收益，因資源回收和再利用的收益，因減少對環(huán)境污染而帶來的環(huán)保收益等。

5 結(jié)論和應(yīng)對

5.1 EUP指令催化生態(tài)設(shè)計時代到來。生態(tài)設(shè)計符合人類保護環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展的崇高目標，因此必須積極適應(yīng)這一要求。食品和包裝機械自動化程度高、耗能巨大，雖暫未頒布生態(tài)設(shè)計的實施措施，也應(yīng)盡早未雨綢繆，為實行生態(tài)設(shè)計創(chuàng)造必要條件。

5.2 食品和包裝機械企業(yè)實行生態(tài)設(shè)計須搭建生態(tài)設(shè)計平臺，主要工作一是及早建立產(chǎn)品生態(tài)檔案，并進而建成清單數(shù)據(jù)庫，自行開發(fā)或購置LCA軟件，為采用生命周期評價進行生態(tài)設(shè)計做準備。二是積極建設(shè)企業(yè)綠色材料供應(yīng)鏈，加強材料成分檢測技術(shù)，確保生態(tài)設(shè)計順利實施。

5.3 食品和包裝機械關(guān)系著食品安全，國際標準化組織和我國均高度重視食品和包裝機械的安全衛(wèi)生設(shè)計，因此食品和包裝機械企業(yè)在積極準備生態(tài)設(shè)計的同時，應(yīng)按照ISO和國家《食品機械安全衛(wèi)生設(shè)計標準》，著力先行搞好與生態(tài)設(shè)計密切相關(guān)的衛(wèi)生設(shè)計。

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