趙維韋，宋建華

（協(xié)賽（上海）生物科技有限公司，上海 201612）

棕櫚油廣泛應(yīng)用于烹飪、食品加工和日化產(chǎn)品加工，惠及全球150 個(gè)國(guó)家30 億人口，是全世界油脂市場(chǎng)的一個(gè)重要組成部分[1]。棕櫚油的種植和生產(chǎn)主要集中在東南亞地區(qū)，印度尼西亞、馬來(lái)西亞和泰國(guó)的棕櫚油產(chǎn)量約占全球棕櫚油產(chǎn)量的90%以上[2]。從1995—2015年，全球棕櫚油產(chǎn)量翻了兩番，從每年1 520 萬(wàn)t 增加到6 260 萬(wàn)t。2020年全球棕櫚油的產(chǎn)量達(dá)到7 590 萬(wàn)t。棕櫚油的市場(chǎng)規(guī)模還在進(jìn)一步增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2050年，全球棕櫚油產(chǎn)量將達(dá)到每年2.4 億t[3，4]。

雖然棕櫚油是一種有效的植物油來(lái)源，但眾所周知，棕櫚油生產(chǎn)過(guò)程中的碳足跡也一直困擾著行業(yè)發(fā)展。目前，歐盟委員會(huì)的可再生能源指令（Renewable Energy Directive，RED）和燃料質(zhì)量指令（Fuel Quality Directive，F(xiàn)QD）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(guó)際可持續(xù)性和碳認(rèn)證（ISCC）以及可持續(xù)棕櫚油圓桌會(huì)議（RSPO）都將棕櫚油的溫室氣體排放納入其標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中。這些國(guó)際組織的目標(biāo)和要求，加上全球棕櫚油產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)，正在推動(dòng)棕櫚油行業(yè)減少溫室氣體排放的可持續(xù)發(fā)展[6]。這不僅可以通過(guò)改善棕櫚油加工本身來(lái)實(shí)現(xiàn)，還可以通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)[7]。

POME 的溫室氣體排放約占棕櫚油生產(chǎn)的三分之一，降低POME 的溫室氣體排放已經(jīng)列入降低棕櫚油碳足跡的重要行動(dòng)方案。雖然已有一些技術(shù)工藝在POME 處理中得到嘗試和應(yīng)用，例如池塘覆蓋、沼氣發(fā)電、生物炭、甲烷捕獲技術(shù)以及熱解生產(chǎn)肥料等，但這些技術(shù)并不能兼顧溫室氣體排放和減少經(jīng)濟(jì)投入，所以一直得不到廣泛的應(yīng)用。以POME 資源化為動(dòng)物飼料單細(xì)胞蛋白，闡述其生產(chǎn)工藝，并對(duì)其溫室氣體減排和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，為未來(lái)POME 及類似的食品行業(yè)廢棄物資源化方向提供參考。

1 POME 的組成成分及處理現(xiàn)狀

POME 是棕櫚果實(shí)加工過(guò)程中產(chǎn)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(shí)收獲后經(jīng)過(guò)高溫高壓殺酵、脫果、搗碎、壓榨和過(guò)濾等工藝，分離得到毛棕櫚油和POME。排放的新鮮POME 溫度高達(dá)70～85 ℃，冷卻至30 ℃以下后，經(jīng)過(guò)重力分離，可以進(jìn)一步將POME 分離為毛棕櫚油、工藝廢水和纖維沉淀物。每生產(chǎn)1 t 棕櫚油可生產(chǎn)2.5～3.5 t POME。

圖1 毛棕櫚油生產(chǎn)工藝

目前，POME 通常是在無(wú)氧條件下的開(kāi)放式土塘中處理。通過(guò)在土塘中較長(zhǎng)時(shí)間的停留和沉淀，將沉淀物和油脂截留在土塘中，POME 流經(jīng)后續(xù)多個(gè)土塘，自然氧化產(chǎn)生二氧化碳和甲烷等氣體。雖然這種處理方法簡(jiǎn)單，資金和能源投入很少，但該系統(tǒng)需要很大的處理面積和很長(zhǎng)的處理周期，還會(huì)導(dǎo)致大量溫室氣體排放[8]。據(jù)估計(jì)，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(chǎn)量增至4 250 萬(wàn)t，占全球產(chǎn)量的58%，POME 的溫室氣體排量約為1 240 萬(wàn)t CO2eq。

2 POME 資源化為單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)工藝

單細(xì)胞蛋白（Single Cell Protein，SCP）又稱微生物蛋白或菌體蛋白，是利用農(nóng)副加工產(chǎn)品以及有機(jī)廢棄物等作為培養(yǎng)基，培養(yǎng)酵母、非病源性細(xì)菌、微型菌、真菌等單細(xì)胞生物體，然后經(jīng)過(guò)凈化干燥處理后制成。單細(xì)胞蛋白產(chǎn)品含有豐富的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)含量一般占菌體干物質(zhì)的40%～80%，是食品工業(yè)和飼料工業(yè)重要的蛋白質(zhì)來(lái)源[9]。

2.1 POME 營(yíng)養(yǎng)成分分析

POME 經(jīng)過(guò)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(jìn)一步壓濾后作為生物燃料回用于生產(chǎn)蒸汽。剩余的工藝廢水中含有大量的可溶性有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，尤其是經(jīng)過(guò)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(zhì)等大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物，主要以有機(jī)酸和碳、氮的氧化物的形式溶解在水中，這些小分子有機(jī)物可以直接作為微生物培養(yǎng)的有機(jī)碳源和氮源。表1展示了實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)離心分離后的POME 主要營(yíng)養(yǎng)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(yǎng)和SCP 生產(chǎn)

沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris），索氏菌（Thauera）和產(chǎn)堿桿菌（Alcaligens faecalis）是非常常見(jiàn)的用于SCP 生長(zhǎng)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(fù)配的接種液，采用連續(xù)的恒化培養(yǎng)法進(jìn)行SCP 培養(yǎng)。微生物充分利用工藝廢水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并形成菌液。菌液在曝氣和潛水?dāng)嚢璧淖饔孟绿幱谕耆旌蠣顟B(tài)，在培養(yǎng)過(guò)程中連續(xù)定量排出的菌液，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步濃縮后形成菌泥。濃縮產(chǎn)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(yǎng)系統(tǒng)，形成連續(xù)培養(yǎng)。

收獲的菌泥經(jīng)過(guò)進(jìn)一步加工，便于保存和使用。菌泥中的微生物經(jīng)過(guò)自溶破壁，將活的細(xì)胞破碎和胞內(nèi)物質(zhì)溶出。在這個(gè)過(guò)程中，胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放和水解，更有利于動(dòng)物吸收和利用。然后再經(jīng)過(guò)干燥和二次滅菌，將含水率降低至12%以下，產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期保存和方便運(yùn)輸。圖2展示了利用POME 生產(chǎn)動(dòng)物飼料單細(xì)胞蛋白的工藝流程。

圖2 POME 生產(chǎn)動(dòng)物飼料單細(xì)胞蛋白的工藝流程

3 單細(xì)胞蛋白營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及溫室氣體減排作用

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)蛋白質(zhì)的需求越來(lái)越大，特別是高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的動(dòng)物蛋白，這大大促進(jìn)了畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，從而加重了飼料行業(yè)的市場(chǎng)需求。而可利用的常規(guī)飼料資源日益減少，特別是蛋白質(zhì)資源更為匱乏，因此尋找和開(kāi)發(fā)非常規(guī)蛋白飼料資源對(duì)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。單細(xì)胞蛋白與其他蛋白相比的一大優(yōu)點(diǎn)是其較少的細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)間，微生物有機(jī)體蛋白產(chǎn)品的產(chǎn)率比其他傳統(tǒng)蛋白產(chǎn)率要高。單細(xì)胞蛋白與傳統(tǒng)蛋白相比，具有不受環(huán)境和氣候的影響、原料易得、可連續(xù)生產(chǎn)、易于控制、污染小等優(yōu)勢(shì)，其作為新型蛋白飼料受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注和研究。

以羅非魚(yú)作為試驗(yàn)對(duì)象，飼料中添加0.4%的二氧化鈦（TiO2）做為指示劑，通過(guò)檢測(cè)投喂飼養(yǎng)原料和收集糞便中粗蛋白含量和總能，分析了利用POME 生產(chǎn)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(yú)粉、啤酒酵母和豆粕進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)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(yíng)養(yǎng)價(jià)值與魚(yú)粉相當(dāng)。

表2 SCP 及主要傳統(tǒng)蛋白飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值對(duì)比 %

基于碳排放的角度，POME 的處理工藝路線中應(yīng)考慮能量源碳排放、逸散性碳排放，以及因回收能量和營(yíng)養(yǎng)物而形成的碳補(bǔ)償3 個(gè)重要因素，如圖3所示。其中能量源碳排放是指POME 處理過(guò)程中消耗的直接能源（電、汽油、柴油和蒸汽等）和所用化學(xué)藥劑生產(chǎn)引起的碳排放；逸散性碳排放主要指POME 處理過(guò)程中產(chǎn)生的CH4和N2O 等溫室氣體，根據(jù)IPCC 第二次評(píng)估報(bào)告，由POME 轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的CO2其他屬于自然界碳循環(huán)中的一部分，不計(jì)入溫室氣體排放。CH4和N2O 的溫室氣體增溫潛勢(shì)值分別相當(dāng)于21 倍和310 倍的CO2。碳補(bǔ)償是指在POME 處理過(guò)程中產(chǎn)生的能源（可燃沼氣、熱能回收等）和資源（動(dòng)物飼料蛋白、肥料等）回收利用，替代化石燃料能源及化學(xué)品，從而降低溫室氣體的排放[13，14]。

圖3 POME 處理過(guò)程中碳排放關(guān)鍵要素

以生產(chǎn)能力為新鮮棕櫚果60 t/h、年產(chǎn)粗棕櫚油（CPO）10 萬(wàn)t 的棕櫚油工廠測(cè)算，該工廠的POME 產(chǎn)生量為13.75 萬(wàn)t。根據(jù)WIPO 在2021年統(tǒng)計(jì)的不同POME 處理技術(shù)對(duì)比文件提供的經(jīng)典數(shù)值，POME 通過(guò)土塘自然氧化的碳排放折算結(jié)果為1 t CPO 產(chǎn)生298.2 kgCO2eq。將POME 收集起來(lái)，用集約化的廢水處理進(jìn)行生化處理，生化過(guò)程中產(chǎn)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(chǎn)生167.4 kg CO2eq。POME 采用厭氧-好氧工藝處理，厭氧階段生產(chǎn)沼氣并用于沼氣發(fā)電，沼氣燃燒空果束生產(chǎn)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(chǎn)生23.7 kg CO2eq[15]（圖4）。

圖4 POME 處理工藝及溫室氣體排放對(duì)比

利用POME 生產(chǎn)的單細(xì)胞蛋白作為功能性蛋白飼料原料廣泛應(yīng)用于肉牛、肉雞和水產(chǎn)魚(yú)蝦飼料原料，按照其粗蛋白含量和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與主要的蛋白飼料原料進(jìn)行對(duì)比測(cè)算碳補(bǔ)償，其結(jié)果1 t SCP 的碳補(bǔ)償為6 013 kg CO2eq，折算到1 t CPO 的碳補(bǔ)償為72.5 kg CO2eq，并且綜合計(jì)算后POME 的碳排放為凈負(fù)碳足跡，為1 t CPO 的碳足跡為-22.1 kg CO2eq。在實(shí)際應(yīng)用中，該技術(shù)為10 萬(wàn)t CPO 工廠的溫室氣體排量減少約3.2 萬(wàn)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(dá)到36.5%。另外隨著該技術(shù)的應(yīng)用，POME 的處理實(shí)現(xiàn)凈負(fù)碳足跡，在各項(xiàng)POME 處理技術(shù)比較中，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境價(jià)值均位列第一，目前該技術(shù)已經(jīng)受到世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）的青睞，并由WIPO 組織向棕櫚油生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)推廣。

4 總結(jié)與展望

棕櫚油生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的溫室氣體排放，其中POME 還是利用土塘，通過(guò)自然氧化的方式進(jìn)行處理，POME 的溫室氣體排放約占棕櫚油生產(chǎn)的三分之一。將POME 資源化為單細(xì)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(chǎn)過(guò)程碳排放36.5%，減排效果明顯。

利用食品加工過(guò)程中產(chǎn)生的工藝廢水生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料原料具有非常廣泛的適用性，在國(guó)內(nèi)外，該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在釀酒工業(yè)、淀粉工業(yè)、制糖工業(yè)、畜禽水產(chǎn)屠宰工業(yè)等食品飲料加工生產(chǎn)工藝廢水的資源化，不但解決了動(dòng)物蛋白飼料原料資源短缺，擴(kuò)展可持續(xù)的營(yíng)養(yǎng)源，發(fā)展了循環(huán)經(jīng)濟(jì)，還起到了環(huán)境保護(hù)和降低溫室氣體排放的可持續(xù)性目的，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益的多贏。在全球應(yīng)對(duì)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(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料的應(yīng)用，有望迎來(lái)快速發(fā)展。