**阿卜杜拉·M·阿尔萨拉尔 | 萨利姆·阿尔卡奈姆什 | 法里斯·阿尔莫马尼**
**卡塔尔大学工程学院化学工程系，邮政信箱2713，多哈，卡塔尔**
**摘要**
本研究提出了一个集成的技术经济分析（TEA）和多标准决策分析（MCDA）框架，用于评估五种微藻培养策略（开放式池塘和光生物反应器，在连续、半连续和分批模式下运行）在废水集成生物精炼厂中的应用。研究采用了SuperPro Designer进行过程模拟、蒙特卡洛不确定性传播分析，以及基于AHP的MCDA，并设置了六个评估标准与四种权重方案。半连续开放式池塘（S2）实现了最有利的经济效益（MFSP：−$2.63 ± 2.17 gal⁻¹），其中负的MFSP反映了废水处理的交叉补贴而非燃料的竞争性，因为在S1（连续开放式池塘）中处理后的水占收入的约85%，而在S2中占约79%。连续开放式池塘的MFSP为轻微正值（$8.27 ± 3.42 gal⁻¹）。虽然分批光生物反应器（PBR系统）的资本密集度较高（MFSP超过$165 gal⁻¹），但其生物质产量（0.330 g L⁻¹ d⁻¹）和二氧化碳固定效率（约95%）最高，且所需反应器体积仅为前者的1/16。通过分析得出，处理后的水收费标准分别为$0.9 m⁻³和$1.2 m⁻³；如果没有废水收入，MFSP将分别上升至$23 gal⁻¹和$49 gal⁻¹，这表明废水整合是实现经济可行性的关键前提。研究还发现了一个“脂质生产力经济悖论”（仅针对废水集成开放式池塘）：当脂质含量从30%增加到36%时，由于水力通量和处理收益的减少，MFSP分别增加了9.73%（S1）和107.19%（S2）。MCDA结果显示，在四种权重方案中有三种方案中分批PBR的表现最佳，而半连续开放式池塘仅在经济效益指标上占优。这些发现为将培养策略与特定地点的废水收费标准联系起来提供了一个决策框架。
**1. 引言**
大气中的二氧化碳（CO₂）浓度持续上升，达到前所未有的水平。自2015年以来，人为造成的升温速率约为每十年0.27°C，累计升温幅度约为1.224°C，高于1850–1900年的基准水平[1]、[2]、[3]、[4]。2023年和2024年在气候记录中尤为显著，这凸显了迅速减缓升温至约1.5°C的紧迫性——IPCC认为只有在本十年内立即采取前所未有的CO₂减排措施才能实现这一目标[5]、[6]。传统的碳捕获和储存技术受到高资本成本和能源惩罚的限制[7]，因此推动了既能捕获CO₂又能创造价值的碳捕获和利用方法的发展。基于微藻的碳固定技术正是这样的途径之一，近期的研究显示其在产生生物质的同时能显著吸收CO₂，符合碳中和的目标[8]。
与此同时，全球年废水产生量超过4000亿立方米，而处理覆盖率却很不均衡——高收入地区约为70%，中等收入国家为28–38%，低收入国家仅约为8%[9]、[10]。传统处理方法可以去除悬浮固体并降低生化需氧量，但往往无法彻底去除微量污染物和无机营养物质。二级处理可能还会留下较高的氮和磷含量，从而导致富营养化问题；而三级处理过程能耗较高，通常将营养物质视为废物而非资源。许多设施由于设计限制、劳动力不足和资金缺口而表现不佳，这凸显了需要符合循环经济原则的、高效的资源回收解决方案[9]。微藻为气候缓解和水质提升提供了一个集成平台。它们能够吸收CO₂并去除营养物质和新兴污染物，可以在非耕地或盐碱地上生长，在集成系统中使用废水而非淡水。许多微藻物种还能降解药物、个人护理产品、重金属和工业污染物[9]。在废水耦合的培养系统中，微藻通常可实现70–98%的氮去除率和60–95%的磷去除率，其生物质产量也优于传统的三级处理方法[7]、[11]、[12]。与陆地能源作物不同，微藻避免了对食品和燃料的竞争，并能在有限的土地资源下实现高产量。
商业可行性还得益于丰富的产品组合。富含脂质的微藻品种可用于生产生物柴油，优化培养和压力条件还能提高脂质含量，理论上其柴油产量可超过油料作物[13]。富含碳水化合物的生物质可用于生产生物乙醇，将脂质提取与残余碳水化合物的发酵相结合可提高碳利用率和总体收益。除了燃料外，微藻还能生产高价值产品，如虾青素（来自Haematococcus pluvialis）和ω-3脂肪酸，用于营养保健品和水产养殖市场[14]。培养和提取技术的进步降低了成本并提高了产量，部分产品的竞争力已接近合成或鱼类来源的替代品[15]。
**技术选择至关重要**。工业系统主要采用开放式池塘或封闭式光生物反应器（PBR）[16]。开放式池塘具有较低的资本密集度、操作简便性和成熟的可扩展性[16]、[17]，但其浅水设计虽然增强了光照穿透和CO₂吸收，但也使培养物容易受到污染、天气变化和蒸发的影响，限制了对温度、pH值和营养物质的控制[18]、[19]。PBR通过封闭的混合环境减轻了这些限制，可以更精确地控制光照、物质传递和操作条件。尽管如此，PBR的资本和能源需求仍然很高[15]、[16]、[20]、[21]。
**操作策略也影响性能**。连续培养通过持续的营养供应和生物质提取维持稳态条件，从而保证产品质量和下游系统的平稳运行[22]。分批培养则逐步添加营养物质，减少收获频率，从而实现较高的细胞密度和体积产量，尽管控制复杂性增加且生物质产出为间歇性[23]、[24]。尽管已有大量研究，但仍存在一个关键空白：目前没有综合框架能同时评估多种培养策略下的经济、环境服务和技术 trade-offs。现有的技术经济分析较为零散。Quiroz等人[25]仅比较了两种策略（批次培养 vs. 半连续培养），而Liu等人[26]使用单一目标权重方法评估了14个系统，未能充分考虑不同利益相关者的优先事项。因此，实践者缺乏关于在特定场地条件下哪种策略最优的指导。
尽管多标准决策分析（MCDA）在可再生能源领域应用日益广泛，但在微藻培养领域的应用仍有限。以往的研究要么依赖单一目标权重，要么将MCDA应用于更高层次的规划问题，而非过程层面的决策。迄今为止，还没有研究系统地考察不同利益相关者视角下情景排名如何变化。这种依赖性至关重要，因为市政公用事业关注处理能力和环境服务指标，投资者关注投资回报，而监管机构则强调CO₂减排和资源回收。本研究通过引入一个综合框架来填补这一空白，评估了五种培养方案（开放式池塘（连续/半连续）和PBR（连续/半连续/分批），其范围比以往研究更广泛。具体目标包括：
1. 将优化的动力学建模与综合的技术经济分析和多维MCDA相结合，使用分析层次法（AHP）和四种权重方案（平等、经济效益优先、环境服务优先和技术优先），以准确反映不同利益相关者的需求[27]。
2. 对四个关键参数（脂质含量、植株容量、PBR成本和种子批次效应）进行广泛的敏感性分析，将参数覆盖范围提高至可比研究的两倍[25]、[28]，以确定经济可行性和运营韧性的稳健路径。
3. 提出针对不同利益相关者的具体建议，以实现基于情境和目标的优化。
通过整合这些方法，本研究提供了一个全面的、基于定量分析的决策支持工具，填补了学术研究与实际应用之间的空白，正如近期综述所强调的[13]、[29]、[30]。
**2. 材料与方法**
**2.1. 方法论**
在SuperPro Designer v13（Intelligen Inc.）中建立了一个集成生物精炼过程模型，用于技术经济分析（TEA），该过程能够同时实现CO₂捕获、三级废水处理和生物柴油生产。评估了五种微藻培养方案，涵盖了连续、半连续和分批三种运行模式，以及两种反应器类型：开放式池塘和PBR（表1）。模拟框架包括三个主要过程部分：培养、收获和提取以及下游生物精炼操作。采用系统化的建模方法比较了不同方案的反应器配置、运行模式和培养条件，从而能够一致地评估工艺性能、物料平衡和操作参数。图1展示了开放式池塘方案的典型流程图。
**表1. 培养方案及其对应的反应器类型、运行模式和生长条件**
| 方案 | 反应器类型 | 运行模式 | 运行条件 | 生长速率（day⁻¹） | 产量（g L⁻¹ d⁻¹） | 单位面积产量（g m⁻² d⁻¹） | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| S1 | 开放式池塘 | 连续 | 光养 | 0.1–0.2 | -15 | [32]、[33]、[34]、[35] |
| S2 | 开放式池塘 | 半连续 | 光养 | 0.25–1 | 8.5 | [36]、[37] |
| S3 | PBR | 连续 | 光养 | 0.35 | 0.4–0.55 | [38]、[39]、[40] |
| S4 | PBR | 半连续 | 光养 | 0.8 | 0.2–0.5 | [36]、[41]、[42] |
| S5 | PBR | 分批 | 光养 | 2.25 | 6 | 0.22 | 23 | [24] |
**2.2. 设计与方案开发**
采用系统化的矩阵设计方法，对集成微藻生物精炼厂进行了全面的技术经济分析和MCDA。设计了五种培养方案，分别采用连续、半连续和分批模式，所有操作均在光养条件下进行（表1）。该方案矩阵为比较不同运行策略和确定最佳配置提供了定量基础，例如最大化生物质产量、提高CO₂捕获效率和优化资源利用。关键性能参数（包括生长速率、体积产量和单位面积产量）基于文献数据总结在表1中。
**2.3. 生物量生长动力学建模**
为TEA和MCDA提供了定量输入，模拟了每种方案的生物量生长动力学。结果表明，PBR系统在所有运行模式下的生长性能均优于开放式池塘。分批PBR的特定生长速率最高（2.256 d⁻¹），而半连续PBR的体积产量最高（0.36 g L⁻¹ d⁻¹，见图2D）。这些动力学数据为经济可行性和可持续性评估提供了依据。
**图2. 微藻系统的生物量生长动力学和培养时间分析：**
(A) 连续开放式池塘和PBR的生物量浓度随时间变化；
(B) 半连续开放式池塘和PBR的生物量浓度随时间变化；
(C) 分批PBR的生物量浓度随时间变化；
(D) 所有系统和模式的生物量产量及生长速率。
这些动力学模型得到了关于微藻在废水处理和CO₂捕获方面的已发表研究的支持。开放式池塘的模拟生物量浓度（连续运行时为0.35 g L⁻¹，半连续运行时为0.55 g L⁻¹）与报告值一致；开放式池塘通常达到约0.3 g L⁻¹[33]，而密集型开放式系统的浓度在0.5–1.0 g L⁻¹范围内[44]。PBR的模拟浓度为1.61 g L⁻¹，与Moreira等人的研究结果一致[45]（他们发现Spirulina sp. LEB 18在垂直管式PBR中的最佳浓度为1.6 g L⁻¹）。半连续PBR的浓度为2.0 g L⁻¹，得到了Benvenuti等人的支持[46]（他们在户外半连续PBR中报告的收获浓度为1.18–1.63 g L⁻¹，周期为1–3天）；选择2天周期是在生产力和操作可行性之间取得的平衡。分批PBR模型在6天周期内的浓度为1.95 g L⁻¹，与光养分批培养的研究结果一致[47]。García-Cañedo等人[47]报告了Scenedesmus incrassatulus的最大干重为4.05 g L⁻¹，Li等人[24]在6天内使用富含CO₂的培养基进行Chlorella vulgaris的分批培养，获得了222.3 mg L⁻¹ d⁻¹的生物质产量。Magro等人[48]也报告了在开放式跑道中使用厌氧消化废水进行分批培养时前6天的类似生物质产量，浓度约为1.0 g L⁻¹。这些验证表明所建模的参数是现实且适用于TEA的。
**2.3. 过程描述**
培养部分是集成生物精炼厂的生物学核心，包括用于接种物准备的种子培养和大规模生物质生成的生产培养。三种运行模式下的培养设计均进行了标准化，以确保结果的一致性和可比较性。五种培养方案的具体操作参数总结在表2中。生产反应器系统与运营策略
在开放式池塘和封闭式光生物反应器（PBR）系统中，采用多阶段培养策略以确保稳定、高密度的生物量生产。这种广泛应用的方法将微藻生长分为连续的阶段：首先是种子反应器（N–2），接着是中间阶段（N–1），最后是生产反应器（N）[50],[51]。N–2阶段在最佳条件下产生健壮、高密度的接种物，随后将其转移到N–1和N阶段，以进一步增加生物量浓度并促进脂质积累[50]。这种配置增强了工艺的稳定性，确保了为下游加工提供高质量生物量的持续生产[25]。
半连续模式通过优化提取速率和循环时间来简化前期培养步骤[46]。保持培养物处于延长的指数生长期可以随着时间的推移提高生物量生产率和脂质含量[52],[53]。性能取决于部分收获与中试料补充之间的平衡，这一策略已被证明可以维持高生长率并提高脂质产量，相对于批次培养而言[52]。
进料-批次操作是一种实现高细胞密度和增强产品积累的有效策略。尽管参考研究[24]采用了基于pH值的喂食来调节营养供应[24],[54]，但本分析为了简化操作假设了每日喂食。初始培养体积设置为工作体积的10%，这与常见的进料-批次实践一致[55]。这种方法允许控制营养物质的添加，避免底物限制，并在延长的培养期间保持有利的生长条件。
在技术经济评估（TEA）中，假设所有情况下干生物量的脂质含量为30%。这一假设得到了文献的充分支持，文献中报告了诸如小球藻（Chlorella）和Scenedesmus等生物柴油相关物种的脂质含量在20-50%之间[56],[57]。许多研究表明，在优化或应力诱导条件下，脂质积累可以达到或超过30%[58],[59]。因此，30%的脂质比例是评估所考虑的各种运营模式下的生物柴油经济性的合理且保守的基础。
2.3.3. 收获与提取部分 方法论
本节描述了用于从培养系统中回收生物量并提取用于生物柴油生产的脂质的步骤（图S1）。如表S2所总结的，收获包括多个阶段，旨在最大化生物量回收率和脂质产量，同时保持产品质量。过程首先使用氯化铁（FeCl₃）进行化学絮凝，以聚集生物量。絮凝剂用量经过校准，可以去除95%的生物量，并将微藻浓缩到目标水平（表S2）。然后使用效率为95%的离心机进行机械脱水，进一步浓缩生物量并去除大部分水分。这种两步脱水策略提高了生物量回收率，并在提取前降低了水分含量。
脱水后，生物量进行细胞破碎和溶剂提取。由于微藻细胞壁会强烈包裹脂质，因此使用高压均质化技术来破坏细胞并释放细胞内成分，包括脂质、蛋白质和碳水化合物。通过将破碎的生物量与己烷混合来提取脂质。通过控制蒸发实现溶剂回收，以将己烷与脂质部分分离，防止脂质降解并确保溶剂完全去除。回收的己烷被重复使用，从而减少了溶剂消耗和运营成本。如表S2所示，首先使用0.12克/升的柠檬酸进行脱胶，然后用水清洗以去除可能影响生物柴油质量的磷脂。本部分的总体脂质产量约为总细胞脂质的67.5%。
TEA中使用的下游加工效率基于文献中的实验验证数据。收获被建模为一个包括初次脱水和二次离心在内的两步过程，每次脱水的生物量回收率均为95%，导致总体收获效率约为90%。离心效率得到了Lu等人[60]的支持，他们报告在5,000–10,000 g的离心力下可以实现 up to 95% 的生物量回收率，Najjar[61]也展示了商业规模下圆盘堆栈离心机的回收效率超过90%。同样，假设的95% 脱水效率也与优化的絮凝和膜基系统一致，这些系统通常可以实现90–95% 的回收率[62],[63]。对于脂质提取，假设己烷基溶剂的回收率为75%，这与Kumar等人[64]报道的机械压榨和溶剂提取的70–75% 油回收率一致，也与Chen等人[65]在不同条件下报告的己烷基共溶剂系统的65–80% 范围一致。结合这些顺序效率，总体下游脂质回收率约为67%，代表了从培养到最终提取过程中回收的总细胞脂质的比例。这一保守的估计反映了实际过程损失，并为本研究中的经济建模和敏感性分析提供了坚实的基础。
2.3.4. 生物精炼部分
生物精炼阶段是最终的处理步骤，在此步骤中，提取的脂质通过碱性催化的酯交换反应转化为生物柴油，随后进行纯化。甘油三酯被转化为脂肪酸甲酯（FAME），这是生物柴油的主要成分。采用8:1的甲醇与脂质比例以确保高转化率，同时限制过量甲醇并促进分离。使用0.92%的氢氧化钾（KOH）作为催化剂，这足以驱动反应，同时最小化皂化作用和产量损失。反应器在60°C下运行90分钟，以增强反应动力学，保持甲醇在液相中，并确保催化剂稳定性。在这些条件下，生物柴油的产率为97.25%，与目标转化率一致[66]。高效的混合和精确的温度控制确保了催化剂分布的一致性和产品质量的稳定性。
酯交换后，混合物中含有生物柴油、甘油、剩余甲醇、催化剂和皂类副产品。离心根据密度差异将生物柴油与甘油分离[67],[68],[69],[70],[71]，去除大部分甘油、催化剂和杂质。用盐酸（HCl）进行酸处理中和剩余的KOH，将皂类转化为脂肪酸和盐类。第二次离心步骤去除了中性的盐类和剩余的杂质，得到用于最终纯化的粗生物柴油，并浓缩废盐以供处置或回收（图S2）。最后的清洗和精炼步骤通过去除残留的甲醇、水、催化剂和其他可能影响燃料性能或储存的污染物，实现了99.8% 的生物柴油纯度。
材料回收系统被纳入以提高资源效率并减少浪费。甲醇通过蒸馏回收，净化后达到可再利用标准，并进行循环利用，从而降低了对新鲜甲醇的需求。甘油通过去除水、盐分和杂质进行净化，生产出适合销售或替代用途的技术级或药用级甘油。质量控制措施确保回收的甲醇、甘油和其他材料符合再利用规格，不会影响工艺或产品质量。
2.4. 技术经济分析
通过计算最小资金流现值（MFSP）来评估每种方案的经济可行性，MFSP定义为在15年运营寿命内产生净现值（NPV）为零的单位价格（补充材料中的方程式3-5）。资本成本是根据SuperPro的内部数据库（2026年基准）使用标准缩放因素估算的。折现现金流（DCF）分析的经济条件和假设在表3中总结。分析假设n号工厂的成熟度、15年的项目寿命和10%的折现率。DCF模型假设100%的权益融资，这是n号工厂TEA研究中的标准简化假设[72],[73]。在这种假设下，折现率（10%）代表了所需的股权回报。
表3. TEA使用的经济假设
参数 值 单位 来源
工厂容量 1,000,000加仑/年 - [74]
运营成本 350美元/天 - [74]
基准年份 2026 - [75]
项目寿命（n） 15年 - [75]
折现率（r） 10% - [75]
所得税率 0% - [特定于地区]
融资结构 100%权益 - [72],[73]
折旧方法 无（0% CIT） - [72],[73] ᵇ（n号工厂TEA的标准简化）
在0% CIT下，折旧不产生税收抵免，不影响MFSP。
0%的所得税率反映了海湾合作委员会（GCC）的财政环境，在科威特和卡塔尔，国内拥有的企业免征企业所得税。
为了提高运营支出（OPEX）估计的可靠性，公用事业和化学原料成本来源于最近的工业市场报告（2024–2026年基准）。单位成本的详细清单见表4。
表4. 建模中使用的公用事业和化学品价格
项目 值 单位 来源
公用事业 0.10美元/千瓦时 [76]
工艺用水 0.33美元/立方米 [76]
冷却用水 0.04美元/立方米 [76]
中压蒸汽 8.56美元/吨 [76]
化学品及原料 硫酸 0.24美元/千克 [77]
氢氧化钠 0.75美元/千克 [77]
氢氧化铵 0.23美元/千克 [77]
氯化铁 0.26美元/千克 [78]
柠檬酸 1美元/千克 [78]
葡萄糖 0.5美元/千克 [78]
己烷 0.9美元/千克 [78]
乙醇 0.9美元/千克 [78]
注：参考[78]代表2026年从阿里巴巴获取的大宗市场平均值。
3. 标准权重方案
如表5所总结的，AHP框架使用六个标准，分为三类：经济（资本支出CAPEX、运营成本OPEX）、技术（生物量生产力、反应器体积）和环境服务（二氧化碳生产力、处理水量）。这一设置避免了重复计算；值得注意的是，单位生产成本被排除在外，因为它是从CAPEX和OPEX代数推导出来的，因此会高估经济维度的权重。定义了四种权重方案来反映利益相关者的优先级：平等（每个标准统一16.67%）、经济优先（CAPEX和OPEX各30%；其他10%）、环境服务优先（二氧化碳生产力和处理水量各30%；其他10%）和技术优先（生物量生产力和反应器体积各30%；其他10%）。在每种方案中，两个优先标准相对于其余四个标准被赋予了3的Saaty比例值（一致性比率CR=0.000，所有方案均一致）[79]。这种方法使得跨利益相关者目标进行方案排名时具有透明性。完整的AHP推导包括成对比较矩阵、标准化特征向量和一致性验证，见表S3至S8。
表5. 四种情况的MCDA标准权重，CR<0.1
类别 标准 权重百分比
空单元 等 16.67%
经济 CAPEX 30.00%
环境服务 技术 30.00%
运营成本 生物量生产力 10.00%
技术 反应器体积 16.67%
环境服务 二氧化碳生产力 16.67%
处理水量 16.67%
技术 生物量生产力 30.00%
环境服务 二氧化碳生产力 16.67%
处理水量 10.00%
3.1. 敏感性分析
3.1.1. 参数敏感性分析
进行了一次一个因素的（OFAT）敏感性分析，以评估关键技术和经济参数对五种培养方案中最低燃料售价（MFSP）的影响。这种确定性方法在微藻生物燃料TEA研究中广泛使用[80],[81],[82]，通过在其他参数保持基线值的情况下隔离单个参数的影响来识别主要成本驱动因素。检查了五个参数：（1）脂质含量，从30%的基线变化±20%（即24%和36%），以评估更高脂质含量如何降低固定目标产量1百万加仑/年的生物量需求；（2）工厂容量，评估为基线的0.5倍和2倍（每年0.5和2百万加仑生物柴油），以捕捉规模经济；（3）处理水和二氧化碳信用的售价，分别变化从0美元到2.0美元/立方米和从0美元到102美元/公吨，以表征对环境服务收入的依赖性，其中0美元的情况代表没有这些收入流的独立生物燃料运营；（4）种子列配置，比较连续系统与通过部分收获和培养物保留消除种子列的半连续操作[83]；（5）PBR设备成本，针对方案3至5使用三种成本基础进行评估：基准市场价格、Norsker等人[84]提供的较低参考成本（从2011年更新至2025年使用消费者价格指数），以及Oostlander等人[85]提供的较高参考成本。对于每种情况，SuperPro Designer v13.0模型被更新以反映参数变化，并重新计算CAPEX、OPEX和MFSP（美元/加仑），其他所有输入保持不变。结果以基线的百分比变化报告，并使用条形图可视化，以便在不同方案和参数之间进行比较。
3.1.2. 蒙特卡罗不确定性分析
OFAT分析隔离了每个参数的边际效应，但没有捕捉同时变化的输入之间的交互效应；为了弥补这一局限性并补充确定性OFAT分析，使用Oracle Crystal Ball进行了随机不确定性传播，以量化同时参数变化对经济绩效指标的联合效应。由于工厂产量固定为每年1百万加仑的生物柴油，脂质含量不是一个自由采样的变量；脂质含量的变化通过质量平衡传播，改变生物量产量、废水体积、培养CAPEX和OPEX。对于每种情况，进行了10,000次迭代的蒙特卡罗模拟，仅采样不反馈到上游质量平衡的参数：大宗材料成本（±20%）、电价（±20%）、传热剂成本（±20%）和处理水售价（±20%）。上游培养参数，包括生物量生产力、培养CAPEX和废水体积，在每个集合中保持不变，以保持质量平衡。对于每次试验，根据扰动的成本和收入输入重新计算单位生产成本（UPC）和MFSP。结果以平均值±一个标准差的形式报告，在30%的脂质基线水平上，误差条显示在相应的图表中。这种方法在保持过程模型的物理约束的同时，提供了对经济不确定性的真实表征（补充材料中的表S9和图S6-S10）。3.1.3. 财政敏感性分析为了评估经济结果的普遍性，超出GCC财政背景下采用的零税收、100%股权基线，进行了一项财政敏感性分析，其中将税前DCF模型扩展以包括企业所得税和整个项目生命周期内全部资本支出的直线折旧（补充材料中的方程式6-9）。对于五种养殖方案（S1-S5），在四种财务配置下重新计算了MFSP：（i）100%股权融资，企业所得税率为0%，对应于表6中报告的GCC基准情况；（ii）100%股权融资，美国联邦企业所得税率为21%，并采用直线折旧[86]，[87]；（iii）60/40的债务与股权资本结构，税率为0%，使用加权平均资本成本（WACC）作为折现率；以及（iv）60/40的债务与股权资本结构，税率为21%，并采用直线折旧。税前债务成本定为5%，这与GCC经济体中可用的有利主权融资条件一致，而股权成本保持为10%，符合标准的n-plant TEA实践。所有其他建模输入，包括工厂寿命、年度生物柴油产量、资本支出、运营支出和收入库存，均保持表3、表4和表6中报告的值。20种方案×配置组合的完整结果矩阵在补充表S10中报告。表6. 五种微藻养殖方案的技术经济和环境服务指标。确定性值对应于更新的基线。蒙特卡洛统计数据来自10,000次试验，批量材料成本、电价、传热剂成本、二氧化碳信用价格和处理后水售价有±20%的均匀扰动。空单元格空单元格空单元格方案空单元格参数单位S1S2S3S4S5经济表现CAPEXM$111.923.9854.5841.6649.1运营支出XM$ 第一年36.522.4113.283.190.6年总收入M$ 第一年47.432.717.414.815.3单位生产成本⁎$ 加仑-11.01 ± 3.29−4.18 ± 2.12157.26 ± 0.84128.91 ± 0.67123.05 ± 0.69MFSP⁎⁎（i=10%）$ 加仑-18.27 ± 3.42−2.63 ± 2.17212.66 ± 6.22183.53 ± 5.29165.24 ± 4.71生产指标生物量产量MT 第一年15518.815580.715600.015593.015562.7生物量生产力g 升-1天-10.0230.0730.2430.2440.330生物柴油产量加仑 第一年111111二氧化碳固定率MT 第一年26,87127,35729,20129,11129,035二氧化碳生产力g 升-1天-10.0340.1240.4550.4560.603处理后水m³ 天-1116,112.774,01228,14622,46722,478系统设计参数主反应器体积（N）m³2,030,000630,000172,600182,150138,100种子反应器体积（N-1）m³190,000-10,550--接种物反应器体积（N-2）m³534.8-54-92.5总系统体积m³2,220,534630,000183,204182,150138,192⁎补充文件中的方程式（1）适用于n= 15年。⁎⁎补充文件中的方程式（2）适用于n= 15年。4. 结果4.1. 技术经济和环境服务评估对五种微藻养殖方案进行了技术经济和环境服务评估，以比较开放式系统（S1-S2）和光生物反应器（PBRs；S3-S5）。图4A显示了经济表现，开放式池塘（M$23.9至M$111.9）和PBRs（M$649.1至M$854.5）之间的资本支出有数量级的差异，突出了封闭系统的资本密集型。开放式池塘系统的成本结构明显优于PBR系统。半连续开放式池塘（S2）实现了最低的资本支出（M$23.9）和运营支出（M$22.4每年），而连续开放式池塘（S1）需要较高的投资（资本支出：M$111.9；运营支出：M$36.5每年）。相比之下，PBR系统需要更高的资本，资本支出从M$649.1（S5）到M$854.5（S3）不等。成本分解表明，养殖支出占PBRs总支出的95%以上，在开放式池塘中占85%到90%（图3D），运营支出的模式也类似（图3C）。下载：下载高分辨率图像（587KB）下载：下载全尺寸图像图3. 五种微藻养殖方案的经济绩效比较：（A）资本支出、运营支出和年收入（左轴，M$）与MFSP和单位生产成本（右轴，$ 加仑⁻¹）；（B）按处理后水、二氧化碳信用和生物柴油分类的收入（M$ 年⁻¹）；（C）按电力、传热剂、批量材料、劳动力和设施成本分类的运营支出（M$ 年⁻¹）；（D）按养殖、生物精炼和提取阶段分类的资本支出（M$）。误差条代表10,000次试验蒙特卡洛模拟的±1σ。两种开放式池塘配置之间存在关键差异。如图3B所示，S1的年收入为M$47.4每年，S2的年收入为M$32.7每年，处理后水是两种情况的主要收入来源（分别超过85%和大约79%的总收入）。只有半连续开放式池塘（S2）实现了负的单位生产成本（−$4.18 ± 2.12 加仑⁻¹）和负的MFSP（−$2.63 ± 2.17 加仑⁻¹），表明副产品收入完全抵消了生产成本（表6）。尽管连续开放式池塘（S1）的处理能力更高，但其单位生产成本略微为$1.01 ± 3.29 加仑⁻¹，MFSP为$8.27 ± 3.42 加仑⁻¹（图3A），反映了多阶段种子训练和较大反应器体积的较高资本摊销负担。蒙特卡洛结果显示，方案1接近盈亏平衡点，而方案2在大多数试验中仍然是盈利的。PBR方案在商品燃料生产方面在经济上不具备竞争力，其单位生产成本为$123至$157加仑⁻¹，MFSP为$165至$213加仑⁻¹（图3A）。在液压吞吐量和生物效率之间存在明显的权衡。开放式池塘在处理大量废水方面表现出色，S1实现了最高的处理能力（116,112.7 m³ d⁻¹；图4C），但二氧化碳捕获效率较低（大约10%；图4A）。PBRs展示了强大的过程强化能力：分批喂食的PBR（S5）实现了最高的生物量生产力（0.330 g L⁻¹ d⁻¹）和二氧化碳生产力（0.716 g L⁻¹ d⁻¹）（表4），二氧化碳捕获效率约为95%（图4A）。图4B显示，PBRs在远小于开放式池塘的反应器体积内提供了高生物产量；S5所需的总系统体积为138,192 m³，而S1为2,220,534 m³（大约16倍），使其成为土地受限环境中的高效率选择，尽管其成本较高。下载：下载高分辨率图像（445KB）下载：下载全尺寸图像图4. 微藻系统的技术性能和资源利用率：（A）二氧化碳固定率（MT年⁻¹，左轴）和捕获效率（%，右轴）；（B）生产阶段（N）、种子阶段（N−1）和接种物阶段（N−2）的反应器体积（m³）；（C）处理后水生产能力（m³天⁻¹）。4.2. 多标准决策分析为了整合经济和环境服务的权衡，使用四种权重方案进行了基于AHP的MCDA：平等、经济优先、环境服务优先和技术优先（表5）。标准化和汇总分数分别在表7和表8中报告。表7. 标准化值。方案资本支出运营支出生物量生产力反应器体积二氧化碳生产力处理后水容量S10.2140.6150.0700.0620.0561.000S21.0001.0000.2210.2190.2050.637S30.0280.1980.7360.7540.7540.242S40.0280.2700.7390.7540.193S50.0370.2481.0001.0001.0000.194表8. 在每种MCDA情况下的方案得分。方案平等经济环境服务技术S10.33620.36750.41290.2281S20.54720.72830.49680.4164S30.46280.32300.47700.5886S40.46040.33590.46570.5795S50.57970.40470.58650.7478结果显示，最佳系统很大程度上取决于利益相关者的优先事项。分批喂食的PBR（S5）在四种权重方案中的三种下获得了最高的总分：平等（0.580）、环境服务优先（0.587）和技术优先（0.748）（图5A、C、D）。这种主导地位反映了S5在生物量生产力（1.000）、二氧化碳生产力（1.000）和反应器体积（1.000）方面的一致高标准化分数，这些分数共同超过了其较低的经济分数（资本支出：0.037；运营支出：0.248）。然而，在经济优先权重下（图5B），半连续开放式池塘（S2）排名第一（得分：0.728），这归功于其优越的资本支出（1.000）和运营支出（1.000）的标准化值，这两者占总权重的85%以上。下载：下载高分辨率图像（621KB）下载：下载全尺寸图像图5. 在不同权重方案下，各标准对整体MCDA得分的贡献：（A）平等，（B）经济优先，（C）环境服务优先，（D）技术优先。在环境服务优先权重下（图5 C），S5排名第一（得分：0.587），其次是S2（0.497）和S3（0.477）。所有三种PBR方案都展示了高二氧化碳生产力（标准化分数：>0.70），S5还受益于更高的生物量生产力。值得注意的是，尽管连续开放式池塘（S1）实现了最高的绝对处理能力（116,112.7 m³ d⁻¹），但由于在其他标准上的表现较弱，排名最后（得分：0.413）。在技术优先权重下（图5D），S5排名第一（得分：0.748），反映了其在生物量生产力和反应器体积方面的强劲表现。半连续开放式池塘（S2）在平等（0.547）和环境服务（0.497）方案中排名第二，在经济权重下排名第一，使其成为最强的开放式池塘配置。然而，连续开放式池塘（S1）在所有四种方案中排名最后或接近最后，反映了其较高的资本负担和较低的生物生产力。得分热图（图6A）和排名热图（图6B）证实，S5在不同利益相关者优先事项下提供了最平衡的性能，结合了高生物生产力与较小的物理占用面积。这些结果表明，选择开放式池塘和PBR配置应受到经济与技术及环境服务标准相对权重的指导。下载：下载高分辨率图像（259KB）下载：下载全尺寸图像图6. 在不同MCDA权重方案下微藻养殖方案的比较性能和排名：（A）每种方案在平等、经济优先、环境服务优先和技术优先方案下的绝对MCDA得分；（B）排名热图。4.3. 敏感性分析结果为了评估结果的稳健性，对关键工艺参数进行了全面的敏感性分析。4.3.1. 脂质含量和“吞吐量悖论”评估了细胞内脂质含量在30%基线附近±20%范围内的模型敏感性。分析揭示了物理成本降低与经济盈利能力之间的根本分歧。从物理角度来看，较高的脂质含量改善了设施的成本结构。如图S5所示，将脂质含量提高到36%降低了所有方案的资本支出和运营支出，因为满足1百万加仑每年的固定生物柴油目标所需的生物量减少了；例如，在较高的脂质水平下，PBR的资本支出减少了大约16%到17%。相反，将脂质含量降低到24%增加了所需的养殖容量，使PBR方案的资本支出增加了大约25%。然而，在评估MFSP时出现了一个反直觉的“脂质生产力经济悖论（仅限集成废水处理的开放式池塘）”（图7A）。PBR系统（S3至S5）表现出传统行为，脂质含量增加20%使MFSP降低了15%到16%，符合预期。相比之下，两种开放式池塘方案表现出相反的趋势：将脂质含量增加到36%使S1的MFSP增加了9.73%（从$8.27增加到$9.08加仑⁻¹），S2的MFSP增加了107.19%（从−$2.63增加到大约+$0.19加仑⁻¹），后者实际上消除了盈利能力。相反，将脂质含量降低到24%使S1的MFSP降低了22.43%（降至$6.42加仑⁻¹），S2的MFSP降低了161.36%（降至大约−$6.90加仑⁻¹）。下载：下载高分辨率图像（371KB）下载：下载全尺寸图像图7. 五种养殖方案中关键经济参数的敏感性分析：（A）脂质含量变化（±20%相对于30%基线）对MFSP的影响；（B）工厂容量（0.5×和2×基线1百万加仑每年）对MFSP的影响；（C）处理后水售价变化（0–200%基线1.0立方米）对MFSP的影响；（D）二氧化碳信用价格变化（0–200%基线85美元每吨）对MFSP的影响。S2中观察到的悖论可以通过收入结构来解释（图3C），其中处理后水占总收入的约79%。较高的脂质含量降低了生物量产量，因此降低了处理过的废水量。由此导致的处理收入损失超过了资本支出和运营支出的节省（图S5），扭转了预期中的脂质含量与经济表现之间的关系。这一发现表明，在接近盈利阈值的废水集成生物精炼厂中，最大化液压吞吐量在经济上比最大化细胞内脂质含量更为重要。4.3.2. 容量和规模化将生产规模从基线的0.5×（0.5百万加仑每年）变化到2×（2百万加仑每年）来评估规模效应。结果显示，规模与经济表现之间存在强烈的非线性和不对称关系，开放式池塘系统的敏感性远大于PBRs（图7B）。半连续开放式池塘（S2）表现出最明显的规模依赖性。将容量减半至0.5百万加仑每年使S2的MFSP恶化了539.23%，从基线的−$2.63加仑⁻¹变为大约+$11.6加仑⁻¹，从而消除了盈利能力。相反，将容量翻倍使S2的MFSP提高了267.89%，获得了大约−$9.7加仑⁻¹的更有利价值。方案1也表现出类似的模式：将容量减半使MFSP增加了170.57%（至大约$22.4加仑⁻¹），而将容量翻倍使MFSP降低了87.09%（至大约$1.1加仑⁻¹），接近但未达到盈亏平衡。PBR方案（S3至S5）的规模敏感性有限，在测试范围内MFSP的变化不到9%（图7B），反映了PBR系统的模块化特性，其中资本成本几乎与容量成比例地变化。这些结果表明，1百万加仑每年的基线容量代表了一个关键阈值，低于此阈值，废水处理信用的交叉补贴效应**销售价格敏感性（处理后的水与二氧化碳信用）**
通过改变处理后水的售价（从0美元至2.0美元/立方米，基线价格1.0美元/立方米的0%至200%）和二氧化碳信用价格（从0美元至102美元/公吨），评估了微藻培养系统的经济可行性（图7C和图7D），其中0美元的情况代表没有这些收入流的独立生物燃料运营。在所有情景中，处理后水的定价成为主导的经济因素。在基线价格1.0美元/立方米时，S2的边际利润率为负（-2.63加仑/立方米），而情景1略微为正（8.27加仑/立方米）。随着处理后水价格的下降，开放式池塘的边际利润率急剧且线性上升。半连续开放式池塘（S2）在大约0.9美元/立方米时从负利润率转为正，而连续开放式池塘（S1）则需要大约1.2美元/立方米才能达到盈亏平衡（边际利润率为0加仑/立方米）。这些盈亏平衡价格处于全球和海湾合作委员会（GCC）地区报告的市政污水处理成本范围内，表明在现实市场条件下系统可以实现盈利。在0美元/立方米的极限情况下，S1和S2的边际利润率分别显著上升至约49加仑/立方米和23加仑/立方米，这表明废水整合不仅仅是一种成本抵消手段，而且是开放式池塘经济可行性的结构性前提。在2.0美元/立方米的最高限额下，边际利润率显著改善（S1：约-32加仑/立方米；S2：约-29加仑/立方米），表明处理后水价格每变化1美元/立方米，S1的总体敏感性约为41加仑/立方米，反映了其更大的处理量。
相比之下，二氧化碳信用定价对经济表现的影响相对较小（图7D）。将二氧化碳信用价格从0美元变为102美元/公吨，仅使情景1的边际利润率变化约2.7加仑/立方米（从大约10.6加仑/立方米变为7.8加仑/立方米），S2的变化约为2.8加仑/立方米（从大约-0.4加仑/立方米变为-3.2加仑/立方米）。值得注意的是，完全取消二氧化碳信用并不会改变S2在基线处理后水价格下的盈利状况，这表明污水处理而非碳货币化是决定性收入来源。这一发现对于碳市场不发达或波动较大的地区的部署具有重要意义，因为开放式池塘的可行性主要取决于污水处理费而非碳定价。PBR系统（S3至S5）在所有测试范围内对这两个参数的敏感性有限，其边际利润率曲线基本保持平坦（图7C和D），这表明封闭系统的主要经济杠杆仍然是降低设备成本，而非提高副产品收入。
总体而言，这些结果确立了经济驱动因素的明确层次结构和实际部署边界条件。因此，盈亏平衡价格可作为选址的标准，只有当污水处理价格达到或超过这些阈值时，部署才具有可行性。PBR经济对副产品收入的相对不敏感性进一步强化了这样一个结论：开放式池塘需要不同的优化策略，而封闭系统则需要最小化资本成本。
**4.3.4 种子培养流程的消除**
研究了在两种连续情景（S1和S3）中消除种子培养流程的经济影响，这两种情景都使用了多阶段种子培养流程（图8）。不同系统类型的影响差异显著。对于连续开放式池塘（S1），去除种子培养阶段使资本支出（CAPEX）减少了约43%（从1.119百万美元降至约64万美元），运营支出（OPEX）减少了约24%（从36.5万美元降至约28万美元），使边际利润率从8.27加仑/立方米降至约2加仑/立方米。尽管这一改进接近盈亏平衡，但如果不同时提高处理后水价格，仍无法实现负边际利润率。这一发现反映了开放式池塘中多个连续种子培养阶段的高设备和运营成本。相比之下，对连续式PBR（S3）的影响很小，资本支出减少了约6%，边际利润率仅略有下降，因为种子培养流程在总成本中所占比例较小。
**4.3.5 光生物反应器成本**
使用三种成本基础评估了PBR资本成本的敏感性：基线市场价格、Norsker等人[84]提供的较低参考成本以及Oostlander等人[85]提供的较高参考成本（图9）。用Norsker等人的较低估计值替代基线价格，所有PBR情景的资本支出均减少了约30%至34%；对于批次式PBR（S5），资本支出从649.1万美元降至约430万美元。相反，采用Oostlander等人的较高成本使资本支出增加了约25%，使情景5的资本支出上升至约810万美元。然而，即使在最乐观的成本假设下（Norsker等人[84]），所有PBR情景的边际利润率仍远高于100加仑/立方米，远超过开放式池塘的值。这证实了高资本密集度仍然是商品生物燃料生产PBR可行性的根本障碍，30%至34%的成本削减不足以弥补与开放式池塘经济之间的数量级差距。
**4.3.6 财政和融资结构**
在四种财务配置下重新评估了每种情景的边际利润率（表9），以评估公司所得税和资本结构的敏感性。相对于GCC基准情景，引入21%的美国公司所得税率和直线折旧后，五种情景的边际利润率分别增加了6.8%至23.3%。连续开放式池塘（S1）的相对响应最大（+23.3%，从8.27加仑/立方米升至10.20加仑/立方米），这归因于其较低的税前利润率，这部分利润被税收大幅侵蚀。对于半连续开放式池塘（S2），由于其废水交叉补贴，税后利润率从-2.64加仑/立方米变为-2.23加仑/立方米，符合对交叉补贴收入的征税。对于资本密集型PBR情景（S3-S5），税收增加导致边际利润率增加了6.8%至7.9%。相反，引入60/40的债务股本结构使所有情景的边际利润率相对于100%股本基准在相同税率下减少了8.5%至29.3%，反映了较低的加权平均资本成本（WACC）（τ=0时为7.00%；τ=0.21时为6.37%）。60/40的债务股本结构与21%税率的组合导致边际利润率在各种情景下减少了6.2%至21.2%，表明折旧税收抵免和较低的资本成本共同抵消了部分税收惩罚。重要的是，在所有四种财务配置下，GCC基准情景下的排序（S2 < S1 ≪ S5 < S4 < S3）得以保持，支持了TEA比较的稳健性。
**表9. 财务敏感性分析：资本结构和公司所得税对五种培养情景边际利润率的影响**
| 情景 | 财务配置 | WACC (%) | 税率 (%) | 边际利润率（美元/立方米） | 边际利润率变化（美元/立方米） | 变化百分比 |
|---------|--------------|---------|-----------|-----------------|-------------------|
| S1 | 100%股本，GCC基准 | 10.00 | 0 | 8.27 | - | - |
| | 100%股本，美国税 + 直线折旧 | 10.00 | 21 | +1.93 | +23.3 |
| | 60/40债务股本，GCC | 7.00 | -2.43 | -29.3 |
| | 60/40债务股本，美国税 + 直线折旧 | 6.37 | +16.51 | -1.76 |
| S2 | 100%股本，GCC基准 | 10.00 | -2.64 | - | - |
| | 100%股本，美国税 + 直线折旧 | 10.00 | +21 | +0.41 | +15.6 |
| | 60/40债务股本，GCC | 7.00 | -3.16 | -19.7 |
| | 100%股本，美国税 + 直线折旧 | 6.37 | +21 | -3.01 | -14.2 |
| S3 | 100%股本，GCC基准 | 10.00 | 21 | 22.63 | - | - |
| | 100%股本，美国税 + 直线折旧 | 10.00 | 21 | 22.75 | +14.7 |
| | 60/40债务股本，GCC | 7.00 | 194.11 | -18.5 | -8.7 |
| | 100%股本，美国税 + 直线折旧 | 6.37 | 199.22 | -13.4 | -6.3 |
| S4 | 100%股本，GCC基准 | 10.00 | 183.44 | - | - |
| | 100%股本，美国税 + 直线折旧 | 10.00 | 197.94 | +14.5 | +7.9 |
| | 60/40债务股本，美国税 + 直线折旧 | 6.37 | 165.20 | -18.2 | -9.9 |
| | 100%股本，美国税 + 直线折旧 | 6.37 | 170.23 | -13.2 | -7.2 |
**5.1. 培养情景的经济绩效和成本效益分析**
基于微藻的生物精炼厂的经济可行性对其大规模部署至关重要，其中培养一直被认为是资本和运营成本的主要贡献者。这一发现得到了大量文献的支持[88]、[89]。例如，Thomassen等人[90]报告称，培养约占生物精炼厂总成本的55%，而Roles等人[91]指出，在500公顷的设施中，运营成本约占生产成本的63%，资本支出约占20%。这些结果强调了优化培养以提高经济可行性的必要性。
开放式池塘和PBR之间的经济差距明显，S1和S2的资本支出远低于基于PBR的系统。这与开放式池塘建设和运营成本低于封闭式PBR的共识一致[92]、[93]。然而，我们的研究通过量化这种权衡的极限进一步推进了这一经济论点。尽管PBR提供了更优秀的环境控制和更高、更稳定的生物质产量[94]，但其高投资成本仍然具有抑制作用。Schade和Meier[95]报告了基于PBR的系统的高成本，Kratky等人[96]指出了人工照明相关的经济挑战。将废水处理和二氧化碳捕获集成到单一微藻生物精炼厂中体现了循环经济的概念，其中废物流被转化为有价值的产品，环境责任变成了经济资产。这与最近强调微藻生物精炼厂在推进循环经济目标中的作用的综述相一致[30]。废水整合为成本抵消和收入生成提供了重大机会，这是循环经济的核心原则[97]、[98]。在我们的模型中，处理后水的收入显著提高了经济绩效，这与提倡将微藻培养与废水处理结合起来以降低营养成本并生成有价值的副产品的研究结果一致[99]、[100]。例如，Arsalan和Iqbal[88]报告称，当使用废水作为培养介质时，成本可降低多达1.28欧元/千克。
这些结果表明，废水整合可以从根本上改变微藻生物燃料生产的经济学，尽管这种效应的程度因配置而异。半连续开放式池塘（S2）实现了负边际利润率（-2.63 ± 2.17加仑/立方米），而连续开放式池塘（S1）在蒙特卡洛不确定性下实现了略微正的边际利润率（8.27 ± 3.42加仑/立方米），接近盈亏平衡。虽然废水整合已被提出作为一种缓解策略[99]、[100]，但这里观察到的经济效益——足以扭转燃料经济状况——此前尚未在如此规模上进行量化或展示。实现负边际利润率取决于三个关键条件：(1) 能够获得高营养价值和处理价值的废水流；(2) 稳定的长期合同或监管框架，确保环境服务（废水处理和二氧化碳捕获）的支付；(3) 可靠的运营，以保持一致的处理性能。敏感性分析表明，当处理后水价格低于约0.9美元/立方米（S2）和1.2美元/立方米（S1）时，开放式池塘的盈利能力丧失，这突显了对副产品收入的结构性依赖。这重新定义了主要的经济瓶颈：确保稳定的环境服务收入比降低生物燃料生产成本更为重要。
这种整合方法不仅降低了营养介质的成本，还解决了废水管理问题，为可持续性创造了协同路径[101]。S1所实现的处理能力（116,112.7立方米/天）可以服务于大约150万人口的城市（假设每人每天75升水），同时实现了70-98%的氮去除效率和60-95%的磷去除效率，通常超过传统三级处理的性能[99]。这种双重功能——同时处理废水和生产生物燃料——使微藻培养成为水资源压力大地区和发展中经济体的特别有价值的解决方案，尤其是在传统废水基础设施有限或缺失的情况下。
**5.2. 生产力-经济学联系：协调动力学性能与财务可行性**
生物质生产力和经济性能之间的相互作用在微藻生物技术中至关重要。我们的结果突出了一种明显的权衡：S5在四种加权方案中的三种下实现了最高的生物质生产力，并在MCDA中排名第一，但由于资本成本较高，在经济上最不可行。相比之下，S2展现了最有利的经济状况，但在经济优先加权下仅排名第一，这反映了其有限的生物生产力。这种生产力-经济之间的紧张关系已有充分记录[102]。虽然PBR可以达到高细胞密度和高生产力——据报道为1,250-2,500吨/公顷/年，而开放式池塘为120-250吨/公顷/年[99]——但相关的能源和资本投入往往在最终产品成本方面超过了这些收益[103]。这里应用的动力学模型对于模拟替代培养策略至关重要。Syed等人[104]在他们的微藻培养机器学习方法综述中也强调了稳健动力学建模的重要性。我们的观察表明，半连续和批次式培养策略提高了生产力，这与实验研究一致。批次式培养已被证明可以提高几种微藻物种的脂质积累和生物质密度[105]、[106]。例如，Goyal等人[107]报告称，在添加乳糖的补料分批培养条件下，普通小球藻（Chlorella vulgaris）的脂质产量增加了70.64%，生物量产量增加了11.48%。同样，Park等人[108]在优化的营养条件下，通过两阶段补料分批培养实现了177.3毫克每升每天（mg L⁻¹ d⁻¹）的脂质生产力。然而，这些策略的大规模实施需要仔细的经济评估。半连续系统中的操作复杂性和污染风险的增加可能会提高运营成本。Quiroz等人[25]表明，经济可行性在很大程度上取决于培养系统的稳定性，只有当平均故障时间超过26天时才能实现成本平衡。Tan等人[109]也报告称，与批式系统相比，半连续培养的普通小球藻的产量增加了29.6%，但在17个循环后发生了污染，这需要更长的适应期，并突显了操作上的挑战。培养策略也直接影响下游处理成本。在池塘光耦合反应器（PBR）系统中实现的较高生物量浓度可以减少脱水能源需求——这是主要的工艺瓶颈[110]。虽然离心处理大约需要1.80兆焦耳每千克生物量（MJ kg⁻¹），但絮凝和沉淀过程仅消耗大约十分之一的能量[99]。尽管如此，我们的结果表明，这些下游节省的成本不足以抵消PBR培养的高成本。这进一步加强了需要一种整体的、系统级的设计方法来共同优化上游培养和下游处理的需求[30]。Zhang等人[94]的工作进一步强调了这种优化的复杂性，其中必须仔细平衡营养压力、光照强度和温度，以最大化生物量和脂质产量。
5.3 综合多标准评估：平衡经济、环境服务和技术考虑
评估微藻生物精炼厂需要一种超越单一经济或生产力指标的方法。这里应用的MCDA（多标准评估）提供了一个结构化的框架，用于协调经济可行性、资源效率和环境服务，使用六个标准分为三个平衡的类别（经济、技术和环境服务指标）。这套标准的设计避免了重复计算，因为单位生产成本是从资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）中推导出来的。结果显示，在四种加权方案中的三种（平等权重、环境服务优先权和技术优先权）下，补料分批PBR（S5）排名第一，而半连续开放式池塘（S2）仅在经济优先权加权下占据优势。这表明最优性是依赖于具体情境的，而不是一个普遍更优的选项，这与最近关于可持续技术评估的文献一致[30]。排名对加权方案的敏感性强调了“最优性”是主观的，并受利益相关者优先级的驱动。经济权重倾向于低成本系统，而环境服务权重则优先考虑二氧化碳固定和废水处理能力。这反映了现实世界中利润驱动目标与政策驱动的环境目标之间的权衡[111]。MCDA有效地澄清了这些权衡，为决策提供了透明度，正如Geng等人[30]所强调的。然而，需要注意的是，这些资源效率和环境服务指标并不是一个全面的环境评估；需要符合ISO 14040/14044标准的全面生命周期评估（LCA）来量化每个方案的完整环境足迹。选定的标准在三个维度上提供了平衡的评估。包括反应器体积可以捕捉每种技术的空间足迹，这在大规模生物量系统中尤为重要，因为微藻所需的土地面积可能比大豆或油菜少49到132倍，以产生等量的油[88]。二氧化碳生产力直接反映了气候缓解潜力[112]。将这些标准结合起来，比单独使用任何单一指标都能得到更现实的评估，这与基于LCA的评估结果一致[113]、[114]。MCDA确定S5（补料分批PBR）在不同利益相关者优先级下始终是最具竞争力的配置。这一发现为PBR在技术性能和环境服务交付优先于或高于经济考虑的情境中定义了一个明确的定位。S5实现了0.330克每升每天（g L⁻¹ day⁻¹）的生物量生产力以及大约95%的二氧化碳固定效率，其总反应器体积仅为连续开放式池塘的1/16（138,192立方米对比2,220,534立方米）。在城市地区、岛国或土地用途竞争的区域内，这种空间效率可能使得更高的 MFSP（每加仑成本）成为合理的选择（S2为165美元对比S2为-2.63美元）。然而，敏感性分析表明，即使根据Norsker等人[84]的优化定价将PBR设备成本降低30%到34%，MFSP仍然远高于100美元每加仑。这一持续存在的差距表明，PBR用于大规模生物燃料生产可能只有在特定条件下才具有经济可行性：要么与能够吸收资本成本的高价值副产品结合使用[95]，要么在强有力的政策支持或碳定价有效补贴封闭系统生产的情况下。
5.4 系统特定的经济驱动因素：比较敏感性分析
这项分析揭示了关于废水集成系统中脂质含量的传统假设的明显偏离。现有文献一致认为脂质含量是经济可行性的主要决定因素。例如，Davis等人[80]报告称脂质含量与生产成本之间存在近乎1:1的反比关系，而Richardson等人[115]认为脂质含量是控制开放式池塘系统经济成功的最重要变量。虽然我们的PBR结果与这一观点一致，但开放式池塘情景却表现出一个反直觉的“脂质生产力经济悖论（仅限废水集成开放式池塘）”，即较高的脂质含量由于减少了废水处理收入而提高了MFSP。脂质的积累增加了生物量产量，从而直接减少了处理的废水体积，进而减少了这种主要副产品的收入。鉴于在基线税则下，废水处理占S2收入的约79%和S1收入的超过85%，这种损失超过了与减少生物量需求相关的资本支出和运营支出节省。这一发现细化了之前强调副产品价值化的研究[81]、[116]，并表明对于废水集成系统而言，水力通量在经济上比细胞内脂质积累更为关键。这一见解对研究优先级和商业化策略有重要意义。在废水集成生物精炼厂中，经济优化应从生物菌株改进（即最大化脂质含量）转向最大化水力通量的工艺工程和放大策略。这样的重新定向可以将研发工作集中在这一应用背景下具有更大经济影响的干预措施上。分析还突出了显著的规模经济效应。将工厂容量翻倍（2×）所产生的经济效益远远大于容量减半（0.5×）所造成的损失。这一发现与许多强调规模在降低单位成本方面重要性的技术经济研究一致。Norsker等人[84]报告称，当跑道池塘系统的规模从1公顷扩大到100公顷时，成本显著降低，而Acién等人[117]记录了成本从69欧元/千克下降到12.6欧元/千克，这归因于资本和劳动力成本在更高产量上的分配。同样，Vázquez-Romero等人[82]预测当PBR设施的规模从1公顷扩大到100公顷时，成本从108.26欧元/千克下降到44欧元/千克。我们的分析通过确定一个临界下限来扩展这些发现：基线容量为每年100万加仑，低于此容量，经济模型将因废水处理信用的交叉补贴减少而迅速变得不可持续。这意味着，废水集成微藻生物精炼厂的成功部署需要至少每年100万加仑的最低设施容量，这突显了需要大量前期投资和长期的废水供应和环境服务协议。另一个关键结果是消除种子培养步骤的不同影响。这一修改显著降低了开放式池塘系统的成本，但对PBR的影响微乎其微，揭示了成本结构的基本差异。在开放式池塘中，种子培养涉及多个连续的培养阶段，需要大量的设备、运营成本和较长的适应期来在废水中建立稳定的培养。相比之下，PBR系统由于受控环境和更高的体积生产力而实现了更高效的种子生产，使得种子成本相对可以忽略不计，尽管整体资本强度较高。这一模式得到了文献的支持。Quiroz等人[25]将半连续培养的较低成本主要归因于种子培养费用的减少，并指出昂贵的高密度PBR基础种子培养可能使得批式系统在经济上不可行。Quiroz等人[118]进一步证明了运营稳定性与种子成本之间的直接关系。相反，PBR观察到的最小影响与Acién等人[117]的结果一致，他们报告称在稳定的PBR系统中，接种成本占总生产成本的微不足道的一部分。这些发现表明，对于开放式池塘，减少种子培养复杂性的策略——例如使用来自稳定培养的接种物或开发适应废水的菌株——可以带来不成比例的经济效益，可能会使单位成本降低30%到40%。敏感性分析确认，PBR的资本成本是封闭系统的主导经济驱动因素。用Norsker等人[84]报告的较低参考成本替代基准价格，可以大幅降低资本支出（30%到34%），而采用Oostlander等人[85]报告的较高成本则使资本支出增加了大约25%。这与普遍认为的高PBR资本成本是生物燃料生产商业化的主要障碍的观点一致。Davis等人[80]报告称，PBR产生的燃料成本是开放式池塘的两倍多，主要是由于资本强度。Richardson等人[119]认为，除非资本支出减少80%或更多，否则PBR不太可能实现经济可行性。我们的发现定量地强化了这一结论：即使PBR成本降低34%也不足以缩小与开放式池塘的差距。其他研究也证实了这一观点。Vázquez-Romero等人[81]确定PBR占1公顷设施总设备资本支出的70%以上，而Acién等人[117]强调，在商品市场中竞争需要简化的设计和低成本材料。高PBR成本也限制了在高价值市场中的可行性；Vázquez-Romero等人[82]认为，资本支出是水产饲料生产的主要限制。总体而言，这些发现强调了在PBR设计、材料（例如，聚甲基丙烯酸甲酯的替代品）和制造方面的创新需求，以实现生物柴油等大宗产品的经济可行性。总的来说，敏感性分析建立了不同技术之间经济驱动因素的明确层次结构。在PBR系统中，设备成本占主导地位，潜在的资本支出减少率为30%到34%，确认了资本缓解在封闭系统中的重要性。相比之下，对于废水集成开放式池塘，消除种子培养步骤成为最具影响力的因素，将单位成本降低了30%以上，而脂质含量的反直觉效应则是通过最大化水力通量来增强经济表现。这种区别带来了战略性的见解：在废水集成系统中，优化工艺配置和水力负荷比生物菌株改进更为重要。综上（表6和表8），这些驱动因素解释了半连续开放式池塘与最乐观的PBR情景之间持续的MFSP差距，确认PBR技术在经济上仍不适合用于大宗生物燃料生产[119]、[120]。
5.5 财政和资本结构敏感性：超越GCC基线的普遍性
在微藻技术经济评估（TEA）中，一个关键问题是在不同税收和融资环境下的财政制度下，所得到的经济结论是否具有普遍性。本研究采用的GCC（海湾合作委员会）基线假设公司所得税为0%，股权融资为100%，虽然这与卡塔尔和科威特国内企业的运营条件一致[121]，但与大多数已发表的微藻TEA研究采用的财政制度（即NREL参考分析中使用的美国框架[86]、[87]）有显著不同。财政敏感性分析的最显著结果是，在所有四种财务配置下，基于GCC基线建立的情景排名（S2 < S1 ≪ S5 < S4 < S3）都得到了保持。这一保持表明，开放式池塘方案相对于PBR方案的经济优势是结构性的，而不是零税收基线的结果，因此本研究的定性结论，包括半连续开放式池塘在经济标准下的优势以及在经济加权方案下的MCDA结果，也适用于采用传统美国式财政制度的地区。然而，在税收下，支撑S2负面MFSP的交叉补贴效应的幅度被压缩了，这表明必须考虑 prevailing tax environment 来解释废水交叉补贴盈利性的说法。对于S1，其GCC基线MFSP接近盈利阈值，21%的税率将MFSP从8.27美元每加仑提高到10.20美元每加仑，进一步扩大了与大宗生物柴油基准的差距，并加强了连续开放式池塘需要更高的废水 tariffs 或简化种子培养流程才能在经济上可行的结论。相反，利用海湾合作委员会（GCC）提供的主权融资（税前债务成本为5%）所实现的杠杆资本结构，在所有情景下都将微型藻类生物精炼厂（MFSP）的成本降至GCC基准情景以下，这表明融资策略而非税收政策可能是改善该区域项目经济效益的最可行手段。5.6. 对比分析、不确定性分析及与文献的比较将这些研究结果与现有文献进行对比对于正确理解其意义至关重要。本研究估计的生产成本处于先前技术经济评估报告的范围内。例如，Roles等人[91]指出，在12个国际地点中，有10个地点的MFSP可低于1.85美元/加仑。然而，本研究得出的基于PBR（光生物反应器）的成本处于这一范围的较高端，这与Schade和Meier[95]的观察结果一致，他们也报告了PBR系统的高成本。我们在PBR情景中实现的二氧化碳固定率与Hirayama等人[122]的报告相当，后者使用小球藻实现了超过85%的二氧化碳捕获效率。必须承认与建模框架相关的几个不确定性和局限性。假设开放式池塘的蒸发率恒定为10%是一种简化，因为蒸发实际上受温度、湿度和风速的影响，这些因素都会显著影响水分平衡和运营成本[92]。同样，假设每年的生物量浓度恒定也忽略了光照强度和温度的季节性变化，而这可能会导致生产力的显著波动[112]。此外，该模型没有区分不同的PBR配置，尽管管式和平面板式设计在水动力学和光传递特性上存在差异，这些差异会影响性能和成本[103]。在动力学模型中忽略光照作为限制因素也是一种简化，因为光照可用性通常是密集微藻培养中的主要限制因素[93]。在补料批次情景中，二氧化碳溶解和质量传递没有被完全考虑在内，这可能会影响二氧化碳的吸收率和pH值控制[105]。另外，假设所有情景下的脂质含量（30%）和提取效率（70%）是一致的，这也简化了生物现实的复杂性。脂质积累在不同物种间差异很大且具有动态性，在最佳条件下，某些菌株能够积累高达其干重的85%作为脂质[94][123]。最后，从文献中采用的生长速率被假设可以直接应用于实际生产条件，尽管在这些条件下的实际表现可能受到废物组成、抑制化合物和微生物竞争的强烈影响[100]。5.7. 实施路径、局限性与未来研究方向将本研究的结果转化为实际应用需要考虑机会和剩余的挑战。多标准决策分析（MCDA）在四种加权方案中的三种情况下都将方案S5列为最佳选项，而在经济优先性加权下则方案S2占主导地位。这些结果表明，最佳实施路径取决于实施实体的具体目标和限制：市政公用事业或环保机构可能因为PBR配置的技术优势和资源效率而更倾向于选择它，而私人投资者可能更喜欢半连续开放式池塘因其更有利的成本结构。然而，无论选择哪种路径，都必须认识到研究的局限性，并为未来的研究制定有针对性的计划。要成功部署微藻生物精炼厂，需要在科学、技术和经济领域进行协调一致的进步[30][91]。实施的地理和监管环境也需要考虑。废水处理费较低或环境服务支付监管框架有限的地区将面临更高的盈亏平衡阈值。所确定的盈亏平衡费用在全球市政废水处理费用范围内（0.30至2.00美元/立方米），表明在许多情况下可以实现盈利，但并非普遍保证[124][125]。因此，针对具体地点的可行性评估应考虑当地公用事业费用、碳定价机制和促进废水再利用的监管激励措施。根据研究结果，有必要重新调整研究重点。未来的工作不应主要关注生物菌株的改进和脂质积累，而应侧重于工艺工程和系统层面的优化。关键优先事项包括通过改善跑道池的水动力学（例如，优化弯道几何形状和桨轮设计）来提高水力通量，从而降低能耗同时保持或增加流量；提高运营稳定性和污染管理，因为培养失败和污染事件会迅速削弱经济可行性；以及优化废水处理性能，以在维持高营养去除率的同时最大化生物量生产力。这一转变直接反映了本研究中发现的“脂质生产力经济悖论（仅适用于废水集成的开放式池塘）”，即在水集成系统中，水力通量而非脂质积累成为主导的经济驱动力。当前工作的一个主要局限性在于它依赖于简化的模型和稳态假设。未来的研究应发展动态建模框架，明确纳入光照和温度的季节性变化，以及营养物可用性、光照穿透和脂质积累之间的复杂相互作用[93][94]。Syed等人[104]和Wu等人[126]展示的机器学习和人工智能的最新进展为提高预测准确性和优化培养策略提供了有希望的机会。另一个关键的研究重点是通过对试点规模的示范来验证技术经济和MCDA的结果。虽然基于模拟的分析对于早期筛选至关重要，但它们无法完全捕捉实际系统的运营复杂性。试点规模的研究对于降低技术风险、生成高质量的性能数据以及提高投资信心至关重要[91]。这些试验还应用于评估新型、低成本的收获和脱水技术，这些技术仍是微藻生物精炼厂的主要瓶颈[110]。此外，多种微藻菌株的共培养可以提高系统的韧性和生产力[13]。最后，大规模微藻培养的更广泛环境和社会维度也需要仔细考虑。本研究使用的资源效率和环境服务指标（二氧化碳生产力、处理水量）提供了过程层面的性能衡量标准，但并不构成全面的环境评估。需要符合ISO 14040/14044标准的正式生命周期评估（LCA），以量化不同培养情景从摇篮到坟墓的完整环境足迹[113][127]。这些评估还应探索工业共生的机会，例如与电厂集成利用烟气（二氧化碳浓度为6-20%）和废水处理设施进行营养回收[98][99]。将产品组合扩展到生物燃料之外，包括高价值的副产品（如生物塑料、色素和动物饲料），可以进一步提高微藻生物精炼厂的经济可行性[102]。最终，成功的实施将依赖于一种综合方法，该方法整合了技术创新、支持性政策框架以及对经济、环境和社会因素之间相互作用的细致理解。6. 结论总之，开发了一个集成的技术经济分析（TEA）和多标准决策分析（MCDA）框架，用于比较五种微藻培养策略在废水集成生物精炼厂中的表现，结合了过程模拟、蒙特卡洛不确定性传播（10,000次迭代）和基于层次分析法（AHP）的排名，采用了四种加权方案。结果显示，废水集成可以从根本上改变开放式池塘的经济性，尽管由此产生的负MFSP代表了一种废水处理的交叉补贴，而非燃料本身的竞争力。半连续开放式池塘的MFSP为-2.63 ± 2.17美元/加仑（处理水量：约收入的79%），而连续开放式池塘的MFSP为8.27 ± 3.42美元/加仑。确定的盈亏平衡费用分别约为0.9美元/立方米和1.2美元/立方米；在独立运营下，MFSP增加到23美元/加仑和49美元/加仑，这证实了废水集成是实现可行性的结构性前提。二氧化碳信用额的影响较小（<3美元/加仑）。在两种开放式池塘情景中都发现了“脂质生产力经济悖论（仅适用于废水集成的开放式池塘）”，其中脂质含量从30%增加到36%使MFSP分别提高了9.73%（S1）和107.19%（S2），这是通过降低水力通量和处理收入实现的。在情景2中，这种效应最为显著，MFSP从负值变为正值（+0.19美元/加仑），从而消除了盈利能力。这一发现，加上种子系列被淘汰的结果，表明在接近盈利阈值的废水集成配置中，工艺工程干预可能比脂质优化更为重要。基于AHP的MCDA显示，在四种加权方案中的三种情况下，补料批次PBR排名第一，这反映了其优越的生产力（0.330克/升·天）、约95%的二氧化碳固定效率和16倍的较小反应器体积。尽管设备成本降低了30%至34%，PBR的MFSP（165至213美元/加仑）仍然较高，而在经济优先性加权下半连续开放式池塘占据了主导地位（得分为0.728）。这些依赖上下文的排名强调了技术选择与利益相关者优先事项保持一致的重要性。分析假设了稳态操作和恒定的脂质含量（30%），没有区分不同的PBR几何形状，并将蒙特卡洛传播限制在下游参数上。资源效率指标不能替代正式的生命周期评估。试点规模验证、动态季节性建模和副产品增值是将该框架转化为特定地点实施策略的关键下一步。CRediT作者贡献声明Fares Almomani：写作——审阅和编辑、监督、项目管理、方法论。Salem Alkanaimsh：写作——审阅和编辑、监督、方法论。AlSalal Abdullah M.：写作——审阅和编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明在准备这项工作期间，作者使用了PaperPal来提升英语质量。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表作品的准确性和完整性负全责。
打赏
