利用棕櫚油工藝廢水生產單細胞蛋白飼料及其溫室氣體減排效果

趙維韋，宋建華

（協賽（上海）生物科技有限公司，上海 201612）

棕櫚油廣泛應用于烹飪、食品加工和日化產品加工，惠及全球150 個國家30 億人口，是全世界油脂市場的一個重要組成部分[1]。棕櫚油的種植和生產主要集中在東南亞地區，印度尼西亞、馬來西亞和泰國的棕櫚油產量約占全球棕櫚油產量的90%以上[2]。從1995—2015年，全球棕櫚油產量翻了兩番，從每年1 520 萬t 增加到6 260 萬t。2020年全球棕櫚油的產量達到7 590 萬t。棕櫚油的市場規模還在進一步增長，預計到2050年，全球棕櫚油產量將達到每年2.4 億t[3，4]。

雖然棕櫚油是一種有效的植物油來源，但眾所周知，棕櫚油生產過程中的碳足跡也一直困擾著行業發展。目前，歐盟委員會的可再生能源指令（Renewable Energy Directive，RED）和燃料質量指令（Fuel Quality Directive，FQD）將棕櫚油列入生物燃料名錄，并不斷提高棕櫚油滿足指定的溫室氣體減排的閾值[5]。此外，國際可持續性和碳認證（ISCC）以及可持續棕櫚油圓桌會議（RSPO）都將棕櫚油的溫室氣體排放納入其標準當中。這些國際組織的目標和要求，加上全球棕櫚油產量的不斷增長，正在推動棕櫚油行業減少溫室氣體排放的可持續發展[6]。這不僅可以通過改善棕櫚油加工本身來實現，還可以通過廢棄物資源化，特別是處理棕櫚油廠工藝廢水（Palm Oil Mill Effluent，POME）來實現[7]。

POME 的溫室氣體排放約占棕櫚油生產的三分之一，降低POME 的溫室氣體排放已經列入降低棕櫚油碳足跡的重要行動方案。雖然已有一些技術工藝在POME 處理中得到嘗試和應用，例如池塘覆蓋、沼氣發電、生物炭、甲烷捕獲技術以及熱解生產肥料等，但這些技術并不能兼顧溫室氣體排放和減少經濟投入，所以一直得不到廣泛的應用。以POME 資源化為動物飼料單細胞蛋白，闡述其生產工藝，并對其溫室氣體減排和經濟效益進行分析，為未來POME 及類似的食品行業廢棄物資源化方向提供參考。

1 POME 的組成成分及處理現狀

POME 是棕櫚果實加工過程中產生的一種粘稠的褐色排放物，由工藝廢水、剩余油和果肉纖維以及其他沉淀物組成。如圖1所示，成熟的棕櫚果實收獲后經過高溫高壓殺酵、脫果、搗碎、壓榨和過濾等工藝，分離得到毛棕櫚油和POME。排放的新鮮POME 溫度高達70～85 ℃，冷卻至30 ℃以下后，經過重力分離，可以進一步將POME 分離為毛棕櫚油、工藝廢水和纖維沉淀物。每生產1 t 棕櫚油可生產2.5～3.5 t POME。

圖1 毛棕櫚油生產工藝

目前，POME 通常是在無氧條件下的開放式土塘中處理。通過在土塘中較長時間的停留和沉淀，將沉淀物和油脂截留在土塘中，POME 流經后續多個土塘，自然氧化產生二氧化碳和甲烷等氣體。雖然這種處理方法簡單，資金和能源投入很少，但該系統需要很大的處理面積和很長的處理周期，還會導致大量溫室氣體排放[8]。據估計，每噸粗棕櫚油的溫室氣體排放量為625～1 470 kg CO2eq。以印度尼西亞為例，2019年印度尼西亞的棕櫚油產量增至4 250 萬t，占全球產量的58%，POME 的溫室氣體排量約為1 240 萬t CO2eq。

2 POME 資源化為單細胞蛋白的生產工藝

單細胞蛋白（Single Cell Protein，SCP）又稱微生物蛋白或菌體蛋白，是利用農副加工產品以及有機廢棄物等作為培養基，培養酵母、非病源性細菌、微型菌、真菌等單細胞生物體，然后經過凈化干燥處理后制成。單細胞蛋白產品含有豐富的蛋白質，蛋白質含量一般占菌體干物質的40%～80%，是食品工業和飼料工業重要的蛋白質來源[9]。

2.1 POME 營養成分分析

POME 經過冷卻和離心分離后，棕櫚油回收到油罐，果肉纖維和沉淀物進一步壓濾后作為生物燃料回用于生產蒸汽。剩余的工藝廢水中含有大量的可溶性有機營養物，尤其是經過殺酵的高溫高壓蒸煮之后，棕櫚果中的大量碳水化合物、蛋白質等大分子有機物分解為小分子有機物，主要以有機酸和碳、氮的氧化物的形式溶解在水中，這些小分子有機物可以直接作為微生物培養的有機碳源和氮源。表1展示了實際生產過程中經過離心分離后的POME 主要營養成分。

表1 離心POME 碳氮磷及主要微量元素含量

2.2 微生物培養和SCP 生產

沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris），索氏菌（Thauera）和產堿桿菌（Alcaligens faecalis）是非常常見的用于SCP 生長的菌株[10-12]。POME 工藝廢水接種由上述3 種菌株以一定比例復配的接種液，采用連續的恒化培養法進行SCP 培養。微生物充分利用工藝廢水中的營養物質，并形成菌液。菌液在曝氣和潛水攪拌的作用下處于完全混合狀態，在培養過程中連續定量排出的菌液，經過進一步濃縮后形成菌泥。濃縮產生的濾液中含有少量微生物，和剩余部分菌液作為接種液再次回到生化培養系統，形成連續培養。

收獲的菌泥經過進一步加工，便于保存和使用。菌泥中的微生物經過自溶破壁，將活的細胞破碎和胞內物質溶出。在這個過程中，胞內營養物質釋放和水解，更有利于動物吸收和利用。然后再經過干燥和二次滅菌，將含水率降低至12%以下，產品可以實現長期保存和方便運輸。圖2展示了利用POME 生產動物飼料單細胞蛋白的工藝流程。

圖2 POME 生產動物飼料單細胞蛋白的工藝流程

3 單細胞蛋白營養價值及溫室氣體減排作用

隨著經濟的發展，人民生活水平的不斷提高，人們對蛋白質的需求越來越大，特別是高營養價值的動物蛋白，這大大促進了畜牧業和養殖業的快速發展，從而加重了飼料行業的市場需求。而可利用的常規飼料資源日益減少，特別是蛋白質資源更為匱乏，因此尋找和開發非常規蛋白飼料資源對行業可持續發展具有重要意義。單細胞蛋白與其他蛋白相比的一大優點是其較少的細胞培養時間，微生物有機體蛋白產品的產率比其他傳統蛋白產率要高。單細胞蛋白與傳統蛋白相比，具有不受環境和氣候的影響、原料易得、可連續生產、易于控制、污染小等優勢，其作為新型蛋白飼料受到業內廣泛關注和研究。

以羅非魚作為試驗對象，飼料中添加0.4%的二氧化鈦（TiO2）做為指示劑，通過檢測投喂飼養原料和收集糞便中粗蛋白含量和總能，分析了利用POME 生產的SCP 蛋白表觀消化率和總能表觀消化率，并與常用的蛋白飼料原料，有魚粉、啤酒酵母和豆粕進行了對比試驗。試驗結果如表2所示，SCP 的蛋白表觀消化率雖然比較低，只有82.45%，但是粗蛋白含量比較高，折算后SCP 的蛋白營養價值與魚粉相當。

表2 SCP 及主要傳統蛋白飼料原料營養價值對比 %

基于碳排放的角度，POME 的處理工藝路線中應考慮能量源碳排放、逸散性碳排放，以及因回收能量和營養物而形成的碳補償3 個重要因素，如圖3所示。其中能量源碳排放是指POME 處理過程中消耗的直接能源（電、汽油、柴油和蒸汽等）和所用化學藥劑生產引起的碳排放；逸散性碳排放主要指POME 處理過程中產生的CH4和N2O 等溫室氣體，根據IPCC 第二次評估報告，由POME 轉化產生的CO2其他屬于自然界碳循環中的一部分，不計入溫室氣體排放。CH4和N2O 的溫室氣體增溫潛勢值分別相當于21 倍和310 倍的CO2。碳補償是指在POME 處理過程中產生的能源（可燃沼氣、熱能回收等）和資源（動物飼料蛋白、肥料等）回收利用，替代化石燃料能源及化學品，從而降低溫室氣體的排放[13，14]。

圖3 POME 處理過程中碳排放關鍵要素

以生產能力為新鮮棕櫚果60 t/h、年產粗棕櫚油（CPO）10 萬t 的棕櫚油工廠測算，該工廠的POME 產生量為13.75 萬t。根據WIPO 在2021年統計的不同POME 處理技術對比文件提供的經典數值，POME 通過土塘自然氧化的碳排放折算結果為1 t CPO 產生298.2 kgCO2eq。將POME 收集起來，用集約化的廢水處理進行生化處理，生化過程中產生的污泥填埋處理，其溫室氣體排放較自然氧化可以減少約一半，為1 t CPO產生167.4 kg CO2eq。POME 采用厭氧-好氧工藝處理，厭氧階段生產沼氣并用于沼氣發電，沼氣燃燒空果束生產活性炭等再生資源，其溫室氣體排放量可以降低至1 t CPO 產生23.7 kg CO2eq[15]（圖4）。

圖4 POME 處理工藝及溫室氣體排放對比

利用POME 生產的單細胞蛋白作為功能性蛋白飼料原料廣泛應用于肉牛、肉雞和水產魚蝦飼料原料，按照其粗蛋白含量和營養價值與主要的蛋白飼料原料進行對比測算碳補償，其結果1 t SCP 的碳補償為6 013 kg CO2eq，折算到1 t CPO 的碳補償為72.5 kg CO2eq，并且綜合計算后POME 的碳排放為凈負碳足跡，為1 t CPO 的碳足跡為-22.1 kg CO2eq。在實際應用中，該技術為10 萬t CPO 工廠的溫室氣體排量減少約3.2 萬t CO2eq，工廠1 t CPO 的碳排放從876.4 kg CO2eq降低到556.1 kg CO2eq，降幅達到36.5%。另外隨著該技術的應用，POME 的處理實現凈負碳足跡，在各項POME 處理技術比較中，其經濟價值和環境價值均位列第一，目前該技術已經受到世界知識產權組織（WIPO）的青睞，并由WIPO 組織向棕櫚油生產企業進行技術推廣。

4 總結與展望

棕櫚油生產過程中產生大量的溫室氣體排放，其中POME 還是利用土塘，通過自然氧化的方式進行處理，POME 的溫室氣體排放約占棕櫚油生產的三分之一。將POME 資源化為單細胞蛋白飼料原料，其碳足跡為-22.1 kg CO2eq/t CPO，降低了棕櫚油生產過程碳排放36.5%，減排效果明顯。

利用食品加工過程中產生的工藝廢水生產單細胞蛋白飼料原料具有非常廣泛的適用性，在國內外，該技術已經成功應用在釀酒工業、淀粉工業、制糖工業、畜禽水產屠宰工業等食品飲料加工生產工藝廢水的資源化，不但解決了動物蛋白飼料原料資源短缺，擴展可持續的營養源，發展了循環經濟，還起到了環境保護和降低溫室氣體排放的可持續性目的，實現了經濟、環境和社會效益的多贏。在全球應對氣候變化和資源短缺的背景下，利用食品加工工藝廢水生產單細胞蛋白飼料的應用，有望迎來快速發展。