不确定性条件下农业废弃物生物精炼优化设计：超结构优化方法与应用

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【字体：大中小】 时间：2025年10月11日 来源：Journal of Environmental Management 8.4

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　　本研究针对农业废弃物（如马铃薯皮渣）生物精炼早期设计阶段面临的技术经济不确定性问题，采用超结构优化方法，从废弃物所有者和新兴技术开发者双重视角出发，揭示了动物饲料转化是最稳健经济路径（预期利润61.2 €/吨），并通过全局敏感性分析明确了PHA生产路线中提取收率和分离效率等关键改进参数，为生物精炼设计提供了兼顾经济性与鲁棒性的决策框架。

随着全球对可持续发展和循环经济的日益重视，农业废弃物的高效资源化利用已成为环境管理和能源领域的热点议题。马铃薯加工业每年产生大量马铃薯皮渣（PPW），仅欧洲就达1900万吨，其中比利时年产量约50万吨。这些废弃物若处理不当，不仅造成资源浪费，还会带来环境压力。传统处理方式如堆肥或沼气生产虽普遍，但能否通过创新生物精炼技术实现更高价值转化？这是产业界和学术界共同关注的难题。

生物精炼厂通过整合多种转化技术，将生物质转化为能源、化学品等高附加值产品。然而，在早期设计阶段，决策者面临诸多挑战：技术路线选择、参数不确定性（如原料成分波动、市场价格变动）、以及不同利益相关者（废弃物所有者追求稳定收益，技术开发者关注创新潜力）的差异化目标。这些因素使得生物精炼设计变得复杂，亟需系统化的决策支持工具。

在此背景下，Lucas Van der HauwAert等人在《Journal of Environmental Management》上发表的研究，引入超结构优化方法，结合不确定性分析，为马铃薯皮渣的生物精炼设计提供了全新视角。研究不仅量化了不同路径的经济效益，还揭示了关键参数对系统性能的影响，为相关领域的科研人员和工程技术人员提供了重要参考。

研究方法上，作者主要依托超结构优化框架，通过OUTDOOR软件构建包含所有可能工艺路线的数学模型，并采用混合整数线性规划（MILP）进行求解。为处理参数不确定性，研究引入了蒙特卡洛模拟和两阶段随机优化（包括“等待观望”和“即时决策”两种策略），同时利用渐进对冲算法求解大规模随机问题。此外，通过全局敏感性分析（如标准回归系数SRC）识别关键工艺参数，确保分析结果的全面性和可靠性。所有数据均基于AgriLoop项目联盟提供的工业实际参数和文献资料，保障了模型的实用价值。

3.1. 数据收集与超结构构建

通过整合产学研多方专家意见，研究建立了覆盖马铃薯皮渣所有潜在转化路径的超结构模型，包括动物饲料、聚羟基脂肪酸酯（PHA）、微生物蛋白等新兴路线，以及淀粉提取等传统工艺。模型参数来源于实际运营数据和文献，确保了分析的可靠性。关键设计参数如处理规模（70吨/小时）、运行时间（8000小时/年）等均基于行业标准设定，为后续优化奠定了坚实基础。

3.2. 废弃物持有者视角的解决方案

从废弃物所有者角度出发，研究通过确定性优化、不确定性下的优化（等待观望与即时决策分析）以及随机优化，系统评估了不同工艺路线的经济性和鲁棒性。确定性优化显示，淀粉生产路线利润最高（154 €/吨PPW），但可能受糖苷生物碱含量限制影响产品适用性。在排除淀粉路线后，动物饲料生产成为最优选择，利润为61.5 €/吨。

通过等待观望分析（200个场景），研究发现动物饲料路线在52%的场景中最优，堆肥占33%，而PHA和微生物蛋白路线仅分别占9%和5%。即时决策分析进一步表明，动物饲料和堆肥路线利润波动最小，风险较低；而PHA等路线虽潜在收益高，但波动性大，风险显著。随机优化最终确定动物饲料为最稳健方案，预期利润61.2 €/吨，价值随机解（VSS）近乎零，说明确定性优化已足够；完美信息期望价值（EVPI）为1.3 €/吨，为后续研发投入提供了上限参考。

3.3. 新兴技术开发者的解决方案

针对PHA生产技术开发者，研究通过敏感性分析揭示了提升经济竞争力的关键参数。当前PHA生产成本约为6.23 €/公斤，远高于传统塑料（1.50 €/公斤）。敏感性分析表明，PHA提取收率（SRC=0.61）和微滤分离效率（SRC=0.52）是影响利润的核心因素。交叉敏感性分析进一步划定技术改进路径：将提取收率从0.63提升至0.78，分离效率从0.65提升至0.81，可使PHA路线具备竞争力。这一发现为技术研发提供了明确方向，助力新兴技术突破经济瓶颈。

研究通过超结构优化与不确定性分析的有机结合，明确了马铃薯皮渣生物精炼的优化路径。对于废弃物所有者，动物饲料转化是最经济稳健的选择；对于技术开发者，需聚焦下游工艺创新（如PHA提取效率）以提升竞争力。该方法论可推广至其他农业废弃物资源化场景，为生物精炼的早期设计提供了兼顾理论与实践价值的决策框架。未来工作可进一步整合环境与社会效益指标，推动生物精炼向多维度可持续发展。

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