《International Journal of Sustainable Engineering》：Environmental footprint of cannabis production: life cycle assessment-driven evaluation of pretreatment and drying strategies
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本文通过生命周期评估（LCA）方法，系统比较了传统控制环境干燥（CED）与微波-红外（MI）、冷等离子体（CP）预处理联合CED对大麻生产的环境影响。研究发现，两种预处理技术均能显著降低干燥阶段的能耗及全球变暖潜能（GWP），其中MI-CED可减少约72%的CO2当量排放，CP-CED亦可降低约50%。研究为工业级大麻产后加工提供了低碳、节能的可持续技术框架。
摘要
随着加拿大等国家大麻合法化的推进，大麻产业在创造经济机遇的同时也引发了环境担忧。本研究旨在评估并比较三种干燥策略对环境的影响，以生产1公斤干重大麻为功能单位（FU）：传统控制环境干燥（CED）、微波-红外（MI）预处理后CED、以及冷等离子体（CP）预处理后CED。研究采用IMPACT 2002+方法，从气候变化、生态系统质量、人类健康和资源消耗四个维度进行影响评估。结果显示，与单独使用CED相比，两种预处理方法均能显著降低环境负担。在干燥阶段，CP-CED将环境影响降至CED的约50%，而MI-CED更是实现了约72%的降幅。就全球变暖潜能（GWP）而言，CED贡献了11.31公斤CO2当量，而CP-CED和MI-CED分别将其降至5.68公斤和3.25公斤CO2当量。这些减少主要归因于预处理带来的能耗和排放降低。总体而言，本研究强调了MI和非热CP预处理作为降低大麻干燥碳足迹的有效策略，为大麻工业的产后实践提供了节能且可持续的框架。
引言
大麻（Cannabis sativa L.）的合法化在全球范围内，尤其是在北美地区，势头强劲。这一转变影响了生产、消费和监管格局。合法化在带来经济和公共卫生效益的同时，也引发了关于使用量增加和环境影响的担忧。生命周期评估（LCA）是一种流行的技术，用于衡量特定过程（如排放）相关的环境影响，旨在评估其碳足迹并识别改进机会。
大麻生产主要包括四个阶段：克隆、育苗、开花以及干燥/固化。前三个阶段可概括为采收前或农业阶段，固化则为采后阶段。在采收前阶段，整体环境影响取决于多种因素，包括种植地点（室内/室外）、能源使用、水源供应、肥料、土壤等。目前，已有少数研究探讨大麻种植如何影响生态，例如改变施肥方案对室外种植的影响、加拿大不同省份的采暖、通风和空调（HVAC）能耗、美国室内种植的能源和材料消耗等。室内大麻种植尤其耗能，主要源于HVAC系统，导致更多温室气体排放。相比之下，室外种植的能源足迹通常较低，其碳排放可比室内种植低达50倍。然而，室外大麻种植导致的土壤侵蚀和沉积也会增加环境负担。考虑到大麻市场的持续扩张及其对环境的影响，行业内已采取不同举措推动可持续实践。
大麻的采后加工也会影响生态环境，主要发生在干燥和固化阶段，因为此过程中涉及能源利用、水分蒸发和植物化学物质损失。大麻通常在18–21°C和50–60%相对湿度的控制环境下干燥，此技术耗时超过一周才能将水分降至安全水平，需要大量能量维持干燥室条件。高能耗需求反过来要求采用替代的低能耗策略或使用可再生能源以抵消环境负担。尽管2024年全球可再生能源装机容量增长了50%，但整合节能干燥技术可进一步提升可持续性并减少与大麻干燥相关的环境负担。快速干燥方法可以作为低能耗生产的替代方案，但它们往往导致更高的脱羧反应和萜烯蒸发，从而影响产品质量。由于脱羧过程会释放CO2，可能进一步加剧全球变暖潜能。短时预处理后再进行低温干燥，有助于缩短干燥时间、降低能耗，同时保持产品质量。先前研究发现，短时微波-红外（MI）和冷等离子体（CP）预处理比完全使用微波和红外干燥等快速方法能更好地保留化学特征。然而，目前尚无研究探讨采后预处理在干燥前如何考虑能源利用、脱羧、挥发物和水分蒸发来影响环境。
不同行业的工艺设计通常侧重于技术和经济方面，以确保产品成功并最大化利润。环境考量同样重要，应融入现代设施的设计中。因此，本研究旨在进行LCA，评估两种预处理方法（CP和MI）结合控制环境干燥（CED，25°C，50%相对湿度）的环境影响，并与单独的CED进行比较，使用实验室规模的数据。通过分析这些技术的环境绩效，本研究为大麻行业选择环保的采后方法以实现可持续生产，并识别其运营中环境优化的潜在领域提供了宝贵信息。
方法论
目标与范围
LCA的首要步骤是明确目标，它设定了分析的边界和进行整个分析的基准量。本研究的目标是评估大麻干燥过程的环境影响，并与另外两种预处理后干燥的方法进行比较，为行业寻找合适的实践方案。研究范围是“从摇篮到大门”，即从大麻植物种植开始到生产出干燥花序作为最终产品。该范围涵盖了从种植阶段到干燥大麻所产生的排放。为理解干燥策略如何进一步提升大麻生产的环境可持续性，本研究重点对干燥阶段进行了详细分析。
功能单位与系统边界
功能单位（FU）通过提供可衡量的共同产出，使得不同情景之间能够进行一致比较。本研究的功能单位定为1公斤干燥大麻花序，与先前研究保持一致。系统边界定义了环境影响分析中包含或排除的过程和生命周期阶段。本研究的系统边界基于位于加拿大萨斯喀彻温省北巴特尔福德的大麻种植设施以及在萨斯卡通市附近的加工过程。输入数据已相应调整，例如用萨斯喀彻温省特定的发电率替代电力数据，以尽可能准确地反映当地条件。生产干燥大麻花序的子系统边界包括所有投入物的负担，包括原料运输、干燥以及废物处置。
假设与不确定性
为在本研究范围内进行LCA，做出了若干假设，这些假设可能引入影响结果的不确定性。主要假设包括：1) 进入干燥过程的新鲜大麻性质（初始水分、大麻素和萜烯含量）对所有三种干燥策略相似，最终水分含量也假设相似，但实验最终水分存在微小变异，假定其对相对影响参数的影响可忽略。2) 假定所有预处理和干燥策略所使用的设备具有可比的生产1公斤干重大麻的能力，工业规模处理可能使用不同设备，导致能耗差异，从而带来结果不确定性。3) 加工过程中产生的副产物包括茎和叶。由于叶片含有相当水平的植物化学物质且常被增值利用，故被排除在系统边界外；而茎秆按现行行业惯例作为废物通过填埋处理，因此茎秆处置相关的排放被包含在系统边界内。4) 包装、运输至零售商及消费后阶段的环境影响被排除在系统边界外，因本研究仅侧重于比较三种干燥策略。
预处理与大麻干燥
为获取LCA数据，进行了实验室规模的干燥和预处理。花序购自Klonetics Plant Science Inc.，初始湿基水分含量为78.88 ± 1.10%。预处理和干燥条件数据来自先前研究。简要来说，花序在25°C和50%相对湿度的控制环境室中干燥至质量变化≤1.0毫克，CED总干燥时间为1260分钟，平衡湿基水分含量为16.66 ± 1.39%。MI预处理在实验室规模的微波和红外加热系统上进行，优化条件为：微波功率210 W，红外功率225 W，持续时间3.36分钟。CP预处理使用定制实验室系统，功率400 W，气流35 L/min，持续30秒。两种预处理后的样品均在相同CED条件下进一步干燥至约16%水分含量。使用能量计监测控制环境室的实时功率消耗，每种干燥策略的总能耗通过公式计算。
生命周期清单
LCA研究的输入和输出数据见补充文件。农业阶段所需数据从文献中收集，针对室外种植、氮钾比1:1（11.8克/盆）和重复使用盆栽介质的情况。种植设施与干燥/加工设施之间的距离假定约为100公里，废物处置距离假定约为25公里。预处理和干燥数据来自实验室分析和质量能量衡算。水分蒸气、萜烯和CO2的释放也被考虑在内。所有输入输出均基于1公斤干重大麻生产的功能单位。
影响分析
使用SimaPro软件中的IMPACT 2002+方法评估和比较三种干燥策略的环境影响。该方法遵循中点-终点相结合的方式，首先将清单结果表征为多个中点影响类别，随后汇总到相应的终点损害类别。排放根据其贡献分配到相关中点影响类别。IMPACT 2002+方法进一步将中点影响类别分类为四个损害类别：气候变化、生态系统质量、人类健康和资源消耗。为便于数据解释，使用IMPACT 2002+方法提供的默认标准化损害因子进行了标准化步骤。标准化结果然后使用等权重因子组合产生以毫点表示的单一得分，便于直接比较不同情景的整体环境绩效。
敏感性分析
干燥过程所需的能量是影响环境损害的主要参数，节能实践有助于降低整体损害。本研究中，干燥阶段生产1公斤干重大麻的总能耗分别为CED 14.5 kWh、MI-CED 4.08 kWh、CP-CED 7.19 kWh。由于能量是影响环境影响的关键输入参数，通过将干燥能量变化±20%并保持其他数据不变进行了敏感性分析，以了解能耗变化如何影响大麻加工的环境负担。
结果
1公斤干重大麻的生命周期评估
本研究考察了从种植到干燥生产1公斤干重大麻的整体生态效应。
影响评估
LCA结果显示，与单独CED相比，CP-CED和MI-CED预处理能有效降低大多数影响类别的环境负担。MI-CED表现出比CP-CED更好的结果，在水生富营养化、全球变暖潜能、不可再生能源使用和水生酸化等方面显示出更大的降幅。CP-CED也比CED贡献少1–5%。然而，MI-CED在呼吸有机物方面略有增加，可能是由于某些萜烯或挥发物的蒸发所致。
仅考虑干燥阶段时，CP-CED在所有类别中持续将影响降低约50%，而MI-CED实现了约72%的更大降幅，表明其效率更高、环境足迹更低。尽管MI-CED在呼吸有机物排放方面最高，但它仍然是大多数影响类别中最环保的选择。值得注意的是，种植阶段在每个类别中都比干燥阶段具有更高的环境负担。
损害评估
将中点影响类别转换并合并为终点损害类别有助于评估不同情景下的总环境影响。当包括种植阶段时，预处理仅在四个主要损害类别中引起微小变化。加权人类健康影响略有改善，生态系统质量减少可忽略，而在加权气候变化和资源消耗方面观察到更明显的改善。MI-CED在气候变化影响和资源消耗方面分别实现了6%和5%的降幅。
仅考虑干燥阶段时，两种预处理方法均显示出与CED相比所有类别环境损害的大幅减少。CED的影响值被CP-CED降低至约一半，被MI-CED降低至约四分之一。总体减少幅度CP-CED约为50%，MI-CED约为71%。MI-CED成为最环境可持续的选择。
全球变暖潜能
评估不同干燥技术对GWP的影响发现，考虑整个生产过程时，CED导致最高的全球变暖影响，CP-CED和MI-CED预处理分别适度降低了4%和6%。然而，当单独隔离干燥阶段时，差异变得显著：CED产生11.31公斤CO2当量，而CP-CED和MI-CED分别将排放显著降至5.68公斤和3.25公斤CO2当量，降幅分别约为50%和71%。这些结果凸显了预处理方法，特别是MI-CED，在降低大麻生产能源密集型干燥阶段温室气体排放方面的有效性。
敏感性分析：干燥能量对环境损害的影响
敏感性分析显示了能耗与所研究损害类别之间的线性相关性，表明大麻干燥的环境影响在很大程度上由能耗主导。CED的影响随能耗增加而上升的速率明显更高，而CP-CED和MI-CED的增加更为平缓，表明其对能量输入的敏感性低于CED。分析结果强调，提高能源效率和采用创新干燥策略可以大幅减少大麻加工的整体环境负担。
讨论
干燥是大麻行业的关键过程，对于去除水分和保持产品质量至关重要。传统的慢速干燥能保留萜烯但消耗更多能量并有微生物污染风险。高温会加速脱羧和萜烯蒸发，降低娱乐用产品质量。本研究探讨了MI和CP预处理结合CED的LCA，以提升效率和可持续性。
本研究发现，高耗能的CED技术对生态环境影响更大，比低耗能的CP-CED和MI-CED贡献了更多的全球变暖潜能。影响评估表明MI-CED是三种情景中的最佳实践。包括种植阶段时，该干燥方法最大程度地降低了环境负担。干燥阶段单独的改善更为显著。然而，MI-CED的一个缺点是其在呼吸有机物类别的排放显著更高，这归因于MI-CED过程中更高的脱羧反应CO2释放和有机萜烯蒸发。萜烯是二次有机气溶胶形成的关键前体物，其排放对空气质量有显著贡献。
就GWP而言，预处理过程比CED减少了约6–8公斤CO2当量排放。虽然包括种植阶段时整体改善可能显得不大，但本研究结果对于购买新鲜花序并仅专注于干燥操作的加工者来说高度相关。此外，考虑到全球变暖问题，即使少量减少CO2排放对于减缓气候变化及其相关风险也至关重要。
局限性与建议
本研究的主要局限性之一是依赖于实验室规模数据，可能无法完全捕捉工业规模加工的复杂性和能源需求。所有实验均在受控实验室设备上进行，其操作在优化和小规模条件下进行。基于这些局限，未来研究应旨在使用工业规模数据扩展类似研究，纳入所有相关能量输入和操作变量。还建议进一步研究以四氢大麻酚含量作为功能单位评估大规模整合，并进行全面的技术经济分析。此外，在工业应用这些技术之前，应彻底研究冷等离子体活性物质对环境的影响。这项初步工作为重新思考大麻干燥策略提供了有价值的框架，并为升级到更高效、更环保的工业实践奠定了基础。
结论
本LCA研究比较了控制环境干燥与两种预处理整合方法：冷等离子体后接CED、微波-红外预处理后接CED，用于生产1公斤干重大麻。研究结果为大麻加工者寻求工业规模低影响干燥解决方案提供了宝贵基础。结果表明，单独的CED在所有评估类别中具有最不利的环境影响。相比之下，MI-CED成为最环境可持续的选择，包括种植时减少环境损害1–8%，干燥阶段减少约70%。CP-CED也显示出显著改善，干燥相关影响减少超过50%，整体性能略低于MI-CED。然而，MI-CED显示呼吸有机物排放几乎是其他两种方法的两倍，可能由于更高的脱羧和挥发性化合物蒸发。基于这些发现，CP-CED可能更适合需要保留与常规CED相似萜烯化合物的应用。相反，MI-CED可能更适合生产具有高四氢大麻酚和中等萜烯含量的大麻食用品。从工业可扩展性角度看，MI技术因其在食品加工中的成熟应用而已具备优势，因其已商业化可用。因此，高通量MI系统可 readily 适用于大麻干燥。相比之下，介质阻挡放电CP系统用途广泛且可工业扩展，但需要额外的工程和工艺验证策略。
