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GFM Transformation

Le Gap Filling Module Transformation calcule les émissions de gaz à effet de serre des opérations de transformation alimentaire. Il couvre une large gamme de processus incluant la congélation, le séchage, la cuisson, la production de jus, et bien d'autres. La transformation peut affecter significativement l'empreinte environnementale des produits alimentaires, rendant ce module essentiel pour des analyses de cycle de vie précises.

Référence rapide​

PropriétéDescription
S'exécute surModeledActivityNode avec FoodProductFlowNode parent, ou FoodProcessingActivityNode pour les produits combinés
DépendancesOriginGapFillingWorker, AttachFoodTagsGapFillingWorker, ConservationGapFillingWorker, MatchProductNameGapFillingWorker, AddClientNodesGapFillingWorker
Entrée cléTags de transformation (termes de glossaire), origine du produit, composition nutritionnelle
SortieNoeuds d'activité de transformation avec consommation électrique, flux de matières premières
DéclencheurProduit correspondant à des combinaisons spécifiques de termes de glossaire

Conditions d'exécution​

Le module se déclenche lorsque :

  1. Un produit a un ModeledActivityNode avec un FoodProductFlowNode parent contenant un nom de produit
  2. Le produit a des termes de glossaire correspondants qui déclenchent un modèle de transformation
  3. Tous les GFM dépendants ont terminé (origine, conservation, tags alimentaires)
  4. Le produit n'est pas associé à un terme non alimentaire

Sortie clé​

Le module ajoute des noeuds d'activité de transformation au graphe de calcul :

  • Consommation électrique : Flux de marché électrique spécifique au pays
  • Flux de matières premières : Matériaux d'entrée requis pour la transformation
  • Activité de transformation : Inventaire complet du cycle de vie pour le processus

Méthodologie scientifique​

Le GFM Transformation utilise deux approches fondamentalement différentes selon le type de transformation :

Modèles de transformation simples​

Les modèles de transformation simples ajoutent des activités de transformation en plus des produits de base existants. Ces processus :

  • Ont un ratio entrée-sortie de 1:1 (1 kg d'entrée = 1 kg de sortie)
  • Évoluent linéairement avec le poids du produit
  • Ne modifient pas fondamentalement les propriétés du produit

Exemples : Découpe, déchiquetage, mélange, refroidissement, broyage

Modèles de transformation complexes​

Les modèles de transformation complexes créent de nouveaux inventaires de cycle de vie pour les produits transformés. Ces processus :

  • Peuvent avoir des ratios entrée-sortie non unitaires (par exemple, plus de matière première nécessaire que de sortie)
  • Dépendent des caractéristiques du produit (composition nutritionnelle)
  • Peuvent créer des produits fondamentalement différents

Exemples : Séchage, congélation, production de jus, production de confiture, production de yaourt

Catégories de modèles de transformation​

Le GFM Transformation implémente plusieurs types de modèles organisés dans une hiérarchie de classes :

AbstractProcessingModel
    |
    +-- ProcessWithElectricityNode (modèles électricité uniquement)
    |       |
    |       +-- ProcessWithFixedElectricityAmount
    |       +-- FreezingProcessingModel
    |
    +-- ProcessWithBWNode (modèles Brightway/Ecoinvent)
            |
            +-- ProcessWithUnitRawMaterial
            +-- ProcessWithNonUnitRawMaterial
            +-- DryingProcessingModel

ProcessWithFixedElectricityAmount​

Processus simples ne nécessitant qu'une consommation électrique, proportionnelle au poids du produit.

Formule :

Électricité [kWh] = Quantité d'électricité fixe [kWh/kg] * Quantité de production [kg]

Processus utilisant ce modèle :

  • Broyage
  • Découpe
  • Déchiquetage
  • Fermentation
  • Soufflage
  • Lyophilisation
  • Refroidissement
  • Mélange

ProcessWithUnitRawMaterial​

Processus utilisant des noeuds d'activité Brightway/Ecoinvent avec un ratio de matière première de 1:1.

Formule :

Matière première [kg] = Quantité de production [kg]
Flux de transformation = Activité Brightway * Quantité de production

Processus utilisant ce modèle :

  • Broyage de fruits secs
  • Carbonatation
  • Fumage
  • Torréfaction
  • Hachage
  • Chauffage
  • Transport

ProcessWithNonUnitRawMaterial​

Processus utilisant des noeuds d'activité Brightway/Ecoinvent où l'entrée de matière première diffère de la sortie.

Formule :

Matière première [kg] = Ratio de matière première * Quantité de production [kg]
Flux de transformation = Activité Brightway * Quantité de production

Processus utilisant ce modèle :

  • Cuisson
  • Production de confiture
  • Production de jus
  • Production de yaourt

Processus implémentés​

Le tableau suivant liste tous les types de transformation implémentés avec leur classe de modèle :

Nom du processusType de modèleDescription
BroyageProcessWithFixedElectricityAmountRéduction mécanique de taille
Broyage de fruits secsProcessWithUnitRawMaterialBroyage de fruits séchés
CarbonatationProcessWithUnitRawMaterialAjout de dioxyde de carbone
DécoupeProcessWithFixedElectricityAmountDécoupe mécanique
DéchiquetageProcessWithFixedElectricityAmountDéchiquetage mécanique
FermentationProcessWithFixedElectricityAmountProcessus de fermentation
FumageProcessWithUnitRawMaterialConservation par fumage
SoufflageProcessWithFixedElectricityAmountExpansion par chaleur/pression
LyophilisationProcessWithFixedElectricityAmountLyophilisation
RefroidissementProcessWithFixedElectricityAmountRéfrigération
CuissonProcessWithNonUnitRawMaterialTraitement thermique
Production de confitureProcessWithNonUnitRawMaterialFabrication de conserves de fruits
Production de jusProcessWithNonUnitRawMaterialExtraction de liquide
Production de yaourtProcessWithNonUnitRawMaterialFermentation laitière
TorréfactionProcessWithUnitRawMaterialCuisson à chaleur sèche
HachageProcessWithUnitRawMaterialDécoupe mécanique
ChauffageProcessWithUnitRawMaterialTraitement thermique
SéchageDryingProcessingModelÉlimination de l'humidité
CongélationFreezingProcessingModelConservation par congélation
MélangeProcessWithFixedElectricityAmountCombinaison d'ingrédients
TransportProcessWithUnitRawMaterialTransport vers la transformation

Modèle de transformation par congélation​

Le modèle de congélation calcule les besoins énergétiques en fonction de la composition du produit en utilisant des principes thermodynamiques.

Formule de calcul énergétique​

L'énergie totale de congélation est calculée comme :

Q_total = Q_charge_thermique + Q_réfrigérateur

Où :

  • Q_charge_thermique : Énergie pour refroidir et congeler le produit
  • Q_réfrigérateur : Énergie pour le fonctionnement du système de réfrigération

Charge thermique du produit​

Q_product = W_pr / t_pr * (c_u * (T_i - T_if) + L * 1000 + c_fr * (T_if - T_out))

Où :

  • W_pr : Masse du produit (kg)
  • t_pr : Temps de séjour (s)
  • c_u : Chaleur spécifique non congelée (J/kg K)
  • T_i : Température initiale (20 degrés Celsius)
  • T_if : Température initiale de congélation (-1,7 degrés Celsius)
  • L : Chaleur latente de congélation (kJ/kg)
  • c_fr : Chaleur spécifique congelée (J/kg K)
  • T_out : Température de sortie (-18 degrés Celsius)

Incidence de la composition nutritionnelle​

Le modèle utilise la teneur en eau et en matières grasses pour calculer les propriétés thermophysiques :

# Fraction solide
x_s = 1 - x_w - x_f

# Fraction d'eau liée (limitée par l'eau totale)
x_b = min(0.25 * x_s, x_w)

# Fraction de glace
x_i = (x_w - x_b) * (1 - T_if / T)

# Chaleur latente de congélation
L = 334 * x_i  # kJ/kg

Composantes de la charge thermique​

Pour la congélation par air pulsé en continu :

ComposantePourcentage
Produit60 %
Ventilateurs20 %
Mise en température0 %
Dégivrage15 %
Autre5 %

Constantes physiques​

ParamètreValeurUnité
Température aliment congelé (T)-23degrés Celsius
Température au centre (T_c)-15degrés Celsius
Température du milieu de refroidissement (T_f)-32degrés Celsius
Coefficient de performance (COP)2,75-
Densité de l'eau (p_w)1000kg/m3
Densité des matières grasses (p_f)930kg/m3
Densité des solides (p_s)1450kg/m3
Chaleur spécifique de l'eau (c_w)4180J/kg K
Chaleur spécifique de la glace (c_i)2110J/kg K
Chaleur latente de l'eau (L1)334kJ/kg

Modèle de transformation par séchage​

Le modèle de séchage calcule l'évaporation de l'eau en fonction du ratio de mise à l'échelle nutritionnelle du GFM Subdivision nutritionnelle.

Calcul de la perte d'eau​

Eau à évaporer [kg] = (Ratio de mise à l'échelle - 1,0) * Quantité de production [kg]

Le ratio de mise à l'échelle représente la quantité de produit frais nécessaire pour produire 1 kg de produit séché.

Formule d'évaporation​

Le pourcentage de perte d'eau est calculé comme :

Perte d'eau % = 100 * {1 - [(Eau finale % / 100) * (Poids total - Poids d'eau)] /
                         [(1 - Eau finale % / 100) * Poids d'eau]}

Pour les produits séchés :

  • Teneur en eau finale : 0-20 % (teneur en matière sèche 80-100 %)
  • Basé sur la recherche Afolabi 2014

Intégration avec le GFM Subdivision nutritionnelle​

Le modèle de séchage fonctionne en conjonction avec le GFM Subdivision nutritionnelle :

  1. GFM Subdivision nutritionnelle : Calcule le ratio de mise à l'échelle basé sur la différence de teneur en eau
  2. GFM Séchage : Ajoute l'énergie d'évaporation basée sur le ratio de mise à l'échelle
  3. Activité de transformation : S'attache au noeud de mise à l'échelle existant

Variantes de processus de séchage​

ProcessusTerme de glossaireDescription
Séchage généralJ0116Processus de séchage par défaut
Séchage laitierJ0116 + termes laitiersProduction de lait en poudre
Séchage de céréalesJ0116 + termes céréalesSéchage de céréales
Séchage de légumineusesJ0116 + termes légumineusesSéchage de haricots/pois
Séchage de fruits à coqueJ0116 + termes fruits à coqueDéshydratation de noix
Séchage d'oléagineuxJ0116 + termes oléagineuxSéchage de graines
Séchage d'épicesJ0116 + termes épicesSéchage d'herbes/épices
Séchage de fruitsJ0116 + termes fruitsDéshydratation de fruits
Séchage de légumesJ0116 + termes légumesSéchage de légumes

Détails d'implémentation​

Système de tags déclencheurs​

La transformation est déclenchée par des combinaisons spécifiques de termes de glossaire FoodEx2. La configuration est stockée dans une feuille Google avec :

  • Colonnes B-D : Combinaisons de termes de glossaire
  • Colonne E : ID Brightway ou quantité d'électricité
  • Colonne F : GFM impliqué
  • Colonne G : Commentaires (localisation : GLO, RER, etc.)

Priorité des tags​

Lorsque plusieurs combinaisons de tags correspondent, la plus spécifique est sélectionnée :

# La transformation avec un nombre plus élevé de tags est priorisée
# car elle est plus spécifique pour ce produit particulier
if len(processing_xid_and_tags.tags) > len(viable_processing[0].tags):
    viable_processing = [processing_xid_and_tags]

Électricité spécifique au pays​

Le module utilise des marchés électriques spécifiques au pays :

# Électricité basse tension pour la transformation
electricity_node = electricity_node_by_country.low_voltage.get(country_code)

# Repli vers global si le pays n'est pas disponible
if electricity_node is None:
    electricity_node = electricity_node_by_country.low_voltage.get("GLO")

Ajout du transport​

Le transport vers les installations de transformation est ajouté lorsque :

  • Le terme de glossaire Z0001 (Caractéristiques adjuvantes de l'aliment non connues) est présent
  • Le processus crée un nouvel inventaire de cycle de vie (pas seulement un ajout de transformation)
  • Exclusions : Refroidissement et congélation (pour éviter le double comptage)
# Ajouter le terme de transport pour la création d'un nouvel inventaire
if "Z0001" in filtered_tag_term_xids:
    filtered_tag_term_xids.add("EOS_Transportation")

Intégration au graphe de calcul​

Structure des noeuds​

Le GFM Transformation crée la structure de graphe suivante :

FoodProductFlowNode (parent)
    |
    +-- FoodProcessingActivityNode (activité de transformation)
            |
            +-- FoodProductFlowNode (flux de matière première)
            |       |
            |       +-- ModeledActivityNode (noeud Brightway original)
            |
            +-- PracticeFlowNode (flux de transformation)
                    |
                    +-- ModeledActivityNode (électricité ou processus Brightway)

Séquence de mutation​

  1. Supprimer l'arête entre le flux parent et le noeud Brightway original
  2. Créer FoodProcessingActivityNode
  3. Ajouter l'arête du flux parent vers l'activité de transformation
  4. Dupliquer le flux parent comme flux de matière première
  5. Mettre à jour les quantités sur le flux de matière première
  6. Ajouter l'arête du flux de matière première vers le noeud Brightway original
  7. Créer PracticeFlowNode pour la transformation
  8. Connecter le flux de transformation à l'électricité/processus Brightway

Exemple de calcul​

Scénario : 1 kg de petits pois congelés, produits en Allemagne

Étape 1 : Déterminer la composition nutritionnelle​

Depuis les données nutritionnelles :

  • Teneur en eau (x_w) : 78,9 %
  • Teneur en matières grasses (x_f) : 0,4 %

Étape 2 : Calculer les propriétés thermophysiques​

# Fraction solide
x_s = 1 - 0,789 - 0,004 = 0,207

# Fraction d'eau liée
x_b = min(0,25 * 0,207, 0,789) = 0,052

# Fraction de glace à -23 degrés Celsius
x_i = (0,789 - 0,052) * (1 - (-1,7) / (-23)) = 0,682

# Chaleur latente
L = 334 * 0,682 = 227,8 kJ/kg

Étape 3 : Calculer les besoins énergétiques​

# Chaleur spécifique non congelée
c_u = 4180 * 0,789 + 1600 * 0,207 + 1900 * 0,004 = 3638 J/kg K

# Chaleur spécifique congelée (simplifiée)
c_fr = 2650 J/kg K

# Charge thermique du produit
Q_product = 1 * (3638 * (20 - (-1,7)) + 227800 + 2650 * ((-1,7) - (-18)))
          = 79 005 + 227 800 + 43 185 = 349 990 J

# Total incluant les composantes du congélateur (60 % charge produit)
Q_heat_total = 349 990 / 0,6 = 583 317 J

# Énergie du réfrigérateur (COP = 2,75)
Q_refrigerator = 583 317 / 2,75 * 1,175 = 249 425 J

# Énergie totale
Q_total = 583 317 + 249 425 = 832 742 J = 0,231 kWh/kg

Étape 4 : Appliquer l'électricité spécifique au pays​

Émissions = 0,231 kWh * Mix électrique allemand [kg CO2eq/kWh]

Sortie finale​

Le module ajoute :

  1. Noeud d'activité de transformation pour la congélation
  2. Flux électrique (0,231 kWh) connecté au marché électrique allemand basse tension

Limitations connues​

Couverture des modèles​

  • Tous les types de transformation n'ont pas de modèles dédiés
  • Certains processus utilisent des approches simplifiées électricité uniquement
  • Les processus complexes multi-étapes peuvent ne pas être entièrement capturés

Lacunes de données​

  • Les quantités d'électricité par défaut peuvent ne pas refléter la pratique industrielle réelle
  • Certains paramètres de transformation spécifiques aux produits sont indisponibles
  • Les variations régionales d'efficacité de transformation ne sont pas capturées

Risque de double comptage​

Les produits avec une transformation existante dans l'inventaire de base peuvent avoir la transformation comptée deux fois. Une solution potentielle implique le balisage des activités Brightway qui incluent déjà la transformation.

Dépendance nutritionnelle​

Pour le séchage et la congélation :

  • Les modèles nécessitent des données de composition nutritionnelle
  • Si les nutriments sont indisponibles, des valeurs par défaut sont utilisées
  • Par défaut, on suppose 90 % de teneur en matière sèche pour le séchage

Correspondance des chaînes de processus​

Les chaînes de processus suivantes sont automatiquement mises en correspondance avec leurs processus respectifs :

# Variantes de séchage
"drying", "dairy drying", "grain drying", "legume drying",
"nut drying", "oilseed drying", "spice drying",
"fruit drying", "vegetable drying"

# Processus de production
"fruit jam production", "fruit yoghurt production (cow milk)",
"fruit yoghurt production (soy milk)", "fruit juice production",
"fruit juice concentrate production"

# Processus mécaniques
"grinding", "dried fruit grinding", "cutting", "shredding",
"tree nut chopping", "chopping", "mixing"

# Processus thermiques
"roasting", "nut roasting", "baking", "heating",
"cooking with fat or oil", "uht pasteurization"

# Processus de conservation
"freezing", "cooling", "smoking", "fermenting", "freeze-drying"

# Autres processus
"artificial carbonation", "puffing",
"transportation for processing", "cooled transportation for processing"

Références​

  1. Afolabi, I.S. (2014). Moisture Migration and Bulk Nutrients Interaction in a Drying Food Systems. Food and Nutrition Sciences, 5(8), 692-714. http://dx.doi.org/10.4236/fns.2014.58080

  2. ASHRAE Handbook - Refrigeration (2018). Chapter 19: Thermal Properties of Foods.

  3. Camenzind, R. (2016). Food Processing LCA Data. Rapport ZHAW pour Eaternity.

  4. Base de données Ecoinvent v3.6. Swiss Centre for Life Cycle Inventories.

  5. Système de classification FoodEx2. Autorité européenne de sécurité des aliments (EFSA).