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本文针对细胞农业（Cell Ag）中培养肉生产成本高、环境影响大及供应链缺失等问题，开展了供应链网络设计研究。构建了双目标混合整数线性规划模型，优化成本与碳排放，探索不同场景下的决策，为细胞农业规模化生产提供理论支持。
细胞农业作为一种通过生物技术生产动物源产品的新兴领域，有望缓解传统畜牧业带来的环境压力。然而，当前培养肉生产面临成本高昂、环境效益不足以及供应链体系不完善等挑战。例如，培养基成分（尤其是氨基酸）依赖高价原料，且未建立专用供应链，导致规模化生产受限。此外，使用未定义来源的农业副产物（如水解豆粕）虽可能降低成本，但对细胞生产效率的影响尚不明确，亟需系统的供应链优化模型来平衡成本、环境表现与生产效率。
为解决上述问题，研究人员开展了针对细胞农业供应链网络（CASCaN）的设计研究。通过构建双目标混合整数线性规划（MILP）模型，整合设施选址、成分混合比例、生物反应器容量设计及技术选择等决策变量，在确定性和随机需求场景下，优化成本与碳排放量的权衡关系，并分析不同氨基酸来源（化学定义与未定义）对细胞生长效率（以生长因子μ和生物利用度eb,a为指标）的影响。研究成果发表在《Cleaner and Circular Bioeconomy》。
研究采用的关键技术方法包括：1. 双目标优化模型构建，同时最小化生产成本（含设施建设、原料采购、运输等成本）与碳排放量（含原料生产、运输及 utilities 消耗的排放）；2. 混合整数线性规划求解，处理设施选址、技术选择等离散变量与连续变量的混合优化问题；3. 机会约束规划（chance-constrained programming）应对需求不确定性；4. 引入混合比例括号（mixing ratio bracket）描述化学定义与未定义氨基酸的比例区间，结合细胞生长效率因子δi量化其对生产的影响。
研究结果
- 确定性模型优化：通过模型分析发现，在确定性需求下，混合使用化学定义与未定义氨基酸（如水解豆粕、菜籽粕）可显著降低成本与碳排放。例如，当未定义氨基酸比例在特定区间时，细胞生长效率虽略有下降，但原料成本可降低 30%-50%，碳排放量减少约 25%。生物反应器的规模选择与选址密切相关，靠近原料产地（如美国中西部的玉米加工区）可降低运输成本与排放。
- 随机需求场景分析：引入机会约束后，模型在需求波动下仍能保持鲁棒性。研究发现，当需求不确定性增加时，设施布局需更分散以规避风险，同时需提高未定义氨基酸的使用比例以增强成本弹性，但需平衡其对细胞生长效率的潜在负面影响。
- 废水处理与资源循环：整合微藻生物精炼技术处理废水，可回收氨基酸与生长因子，同时生产生物柴油与藻粉等高附加值产品。该工艺使废水处理成本降低 40%，并通过副产品销售增加收益，进一步提升循环经济效益。
- 成本 - 碳排放权衡曲线：通过等成本曲线（iso-cost curves）分析，确定了不同混合比例下的最优决策组合。例如，当追求最低成本时，未定义氨基酸比例可达 60%，但碳排放增加 15%；而严格控制碳排放时，比例需降至 30% 以内，成本上升约 20%。
结论与讨论
本研究首次构建了整合多维度决策的细胞农业供应链模型，揭示了氨基酸来源混合比例、设施布局与技术选择对成本与环境表现的交互影响。研究表明，循环供应链策略（如利用农业副产物、废水回收）可显著提升可持续性，同时通过混合整数线性规划与机会约束方法，为决策者提供了应对不确定性的工具。关键结论包括：1）未定义氨基酸的合理使用是降低成本的核心，但需通过实验验证其生物利用度eb,a与潜在抑制因子影响；2）生物反应器选型（如搅拌式 STR vs. 气升式 ALR）需结合规模效应与能源效率；3）微藻处理废水技术兼具环境与经济效益，符合循环经济目标。该研究为细胞农业企业的战略规划提供了量化框架，推动行业向低成本、低排放的规模化生产迈进，对缓解全球粮食系统的环境压力具有重要意义。
