微藻培养策略的技术经济分析：批次与半连续模式的成本优化路径

本研究针对微藻规模化培养的高成本问题，通过对比批次（batch）与半连续（semi-continuous）培养策略的经济性，结合两种种子生产系统（高密度光生物反应器PBR与低密度覆盖池），建立模块化工程模型与技术经济分析（TEA）。结果显示半连续培养的最低生物质售价（MBSP）为1130–1200美元/吨，显著低于批次培养（1380–2040美元/吨），其优势源于种子成本降低。研究为平衡培养稳定性（MTTF>26天）与生产率（>28 g m?2 d?1）提供了关键阈值，推动藻类生物制品商业化。

　　

微藻被誉为“绿色细胞工厂”，其高蛋白含量、高效固碳能力及适应废水培养的特性，使其成为替代传统作物生产生物燃料、饲料和塑料的可持续原料。然而，规模化培养的经济瓶颈始终难以突破——开放池系统易受污染，光生物反应器（PBR）成本高昂，而现有技术经济分析（TEA）往往忽视培养策略对系统成本的动态影响。例如，批次培养虽稳定性高，但需频繁接种导致种子成本激增；半连续培养虽降低基础设施需求，却因文化崩溃风险增加可能抵消其成本优势。这一矛盾亟需量化评估，以指导产业实践。

针对这一空白，美国科罗拉多州立大学的研究团队在《Algal Research》发表论文，首次在统一框架下对比批次与半连续培养的经济性。研究构建了涵盖种子生产、培养和脱水全链条的模块化工程模型，结合实验数据与蒙特卡洛模拟，量化了四种场景（高/低密度种子系统×两种培养策略）的成本差异。关键发现表明，半连续培养的MBSP比批次培养低18–43%，尤其在低密度种子系统中优势显著；但若平均失效时间（MTTF）短于26天，其经济性将丧失。此外，批次培养需达到28 g m^?2 d^?1以上的生产率才能与半连续系统成本持平。

主要技术方法
研究采用工程过程建模整合质量/能量平衡，通过Aspen Plus模拟设备尺寸与能耗；技术经济分析（TEA）基于NREL基准模型，计算CAPEX（资本支出）和OPEX（运营支出）；蒙特卡洛模拟评估培养失败风险对成本的影响；实验数据来自AzCATI的开放池培养系统。

结果与讨论

1. 种子生产设计：高密度PBR种子成本达940美元/吨，是低密度池系统的2.7倍，凸显批次培养的种子经济负担。
2. 成本结构：半连续系统OPEX占比78%，主要来自脱水能耗；批次系统CAPEX占比35%，反映种子基础设施投入。
3. 敏感性分析：半连续系统对MTTF极度敏感，失效周期缩短10天使MBSP上升22%；而批次系统更依赖生产率提升。
4. 杂交模式潜力：结合高稳定性批次种子与半连续生产池，或可平衡风险与成本。

结论与意义
该研究首次量化了培养策略选择对微藻经济性的系统级影响，揭示了“低成本种子+半连续操作”的最优路径。其提出的MTTF阈值（26天）和生产率临界值（28 g m^?2 d^?1）为工艺优化提供了明确目标。尽管半连续培养当前占优，但作者强调需通过抗污染藻种选育或智能化监控延长MTTF。这一成果不仅为藻类生物精炼厂设计提供决策工具，更为《巴黎协定》背景下的低碳生物经济探索了可行方案。