微藻与城市固体废弃物协同处理集成生物精炼厂的优化设计与可持续性研究

为解决能源资源压力与温室气体减排问题，研究人员通过超结构优化框架结合混合整数线性规划（MILP），开发了微藻（microalgae）与城市固体废弃物（MSW）协同处理的集成生物精炼厂模型。案例研究表明，该设计年利润达2.54亿美元，减少填埋废物407万吨，并高效生产生物柴油、生物乙醇等产品。其框架灵活性为多原料生物精炼厂规划提供了关键决策工具。

　　

全球能源需求激增与化石燃料的环境问题催生了可再生能源探索的紧迫性。生物质能因其碳中性特性成为焦点，但多原料生物精炼厂的经济可行性仍是挑战。首尔大都市区面临废弃物处理与能源供应双重压力，亟需创新解决方案。为此，研究人员构建了集成微藻与城市固体废弃物（MSW）处理的超结构优化模型，通过混合整数线性规划（MILP）在通用代数建模系统（GAMS）中求解，最终实现年利润2.54亿美元，并显著减少填埋量。

研究采用超结构合成法整合了微藻培养（开放池系统）、脂质提取（原位酯交换）、MSW分选等关键技术，并引入水与甲醇循环策略。案例数据基于首尔年MSW产量407万吨和Chlorella vulgaris藻株（脂质含量31.5%）。

4.1 最优配置
开放池系统被选为微藻培养方案，年产生物质158万吨，需CO₂
输入857万吨。原位酯交换技术因经济性优于传统脂质提取，生物柴油产量达40.35万吨/年。MSW通过气化、共热解等技术转化为3.49太瓦时电力，其中等离子体气化贡献80.2%。

4.2 敏感性分析
生物柴油价格每上涨10%，利润线性增长2.2%；MSW可回收组分比例提升10%-20%时，利润因回收收益与处理成本降低跃升5.1%。微藻培养效率波动对利润影响较弱，但极端气候下需考虑光生物反应器等替代方案。

该研究首次系统整合第三代（微藻）与第二代（MSW）生物质原料，突破传统单一原料限制。通过优化资源配置与工艺耦合，不仅实现经济收益最大化（年收入14.3亿美元），还推动废弃物减量（减少填埋量100%）与能源结构转型。甲醇回收率64%、水回用率89%的闭环设计，彰显循环经济价值。未来研究可纳入生命周期评价（LCA）与运输成本模型，进一步评估环境与经济协同效益。论文发表于《Journal of Cleaner Production》，为城市可持续能源系统提供了可扩展的范式。