Le erbe perenni possono essere convertite in qualsiasi cosa, dall'etanolo alle bioplastiche, ma non è chiaro quali bioprodotti abbiano il potenziale maggiore.

BioSTEAM, un nuovo pacchetto software di simulazione open source in Python sviluppato da ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, dà agli scienziati, ingegneri, aziende biotecnologiche, e le agenzie di finanziamento un veloce, strumento flessibile per analizzare l'economia della produzione di diversi biocarburanti e bioprodotti, in pochi secondi.

BioSTEAM—Moduli di simulazione di bioraffineria e analisi tecno-economica—consente ai ricercatori di confrontare rapidamente e dare priorità alle strategie per convertire la biomassa in combustibili e prodotti. Genera inoltre dati che possono essere utilizzati per valutare l'impatto ambientale delle bioraffinerie, comprese le emissioni di gas serra, aprendo la strada a una bioeconomia sostenibile.

Il progetto dello sviluppatore principale Yoel Cortes-Pena, un ricercatore laureato della National Science Foundation e un dottorato di ricerca. Candidato presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, e il suo consigliere, Professore Associato Jeremy Guest, è stato pubblicato nell'ultimo numero di Chimica e ingegneria sostenibili ACS . Entrambi i ricercatori fanno parte del Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), un Centro di ricerca sulla bioenergia finanziato dal Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti.

"Comprendere le implicazioni economiche e ambientali della tecnologia è particolarmente utile nelle prime fasi del processo di sviluppo, in modo che possiamo dare la priorità alla ricerca e allo sviluppo in direzioni che possono essere più impattanti, ", ha detto Cortes-Pena.

L'analisi tecnico-economica (TEA) fornisce informazioni critiche sulla fattibilità economica, ostacoli tecnologici, e rischio di rischio di produzione di biocarburanti e bioprodotti. Tipicamente, ciò richiede ricercatori specializzati che preparino progetti dettagliati di bioraffinerie ed eseguano simulazioni, un processo oneroso che richiede tempo, caro, e un ostacolo alla ricerca in fase iniziale, hanno detto i ricercatori.

"Possono volerci mesi per fare un'analisi di un singolo progetto per una singola idea, e dopo che gli strumenti analitici sono ancora accessibili solo ai ricercatori specializzati in analisi tecno-economiche, " disse Ospite.

Tali valutazioni in genere trascurano la tecnologia, ambientale, e incertezze dovute al mercato, ha detto Cortes-Pena. E molti strumenti di simulazione esistenti sono proprietari, quindi confrontare i modelli è difficile. BioSTEAM fornisce gli elementi costitutivi per simulare una bioraffineria, e la sua struttura flessibile consente la progettazione, simulazione, e TEA che incorpora le incertezze come caratteristica chiave.

I ricercatori hanno utilizzato BioSTEAM per modellare la coproduzione di biodiesel ed etanolo dalla canna lipidica (nota anche come canna da olio), e la produzione di etanolo di seconda generazione da stufato di mais.

L'analisi ha preso in considerazione 94 parametri per la simulazione della bioraffineria della canna da lipidi e 228 per la stufa di mais, tutto, dalle ipotesi finanziarie alle prestazioni di ogni singola operazione, come l'efficienza di un processo di separazione o il modo in cui i microrganismi convertono lo zucchero in etanolo. Ha anche abbracciato l'incertezza di quei fattori, fornendo una gamma di valori e consentendo simulazioni più flessibili.

Perché è importante? Altri modelli potrebbero stimare il costo del biocarburante o dei bioprodotti con un singolo numero, una cifra di dollari per gallone, ma in realtà molte ipotesi confluiscono in quel numero, e non sono certe o trasparenti, Ospite ha detto. BioSTEAM fornisce una gamma di numeri per rappresentare in modo più accurato il costo probabile. Consente inoltre ai ricercatori di eseguire rigorose analisi di sensibilità, ad esempio per determinare a quali fattori i costi del carburante sono più sensibili.

Caso in questione:lo studio ha dimostrato che un fattore chiave dei costi del carburante è la dimensione della bioraffineria, in particolare quanta stufa di mais lavora, Ospite ha detto. Più grande è la struttura, minore è il costo per gallone. Tali informazioni possono essere collegate al lavoro di altri ricercatori che studiano le catene di approvvigionamento o quale terreno è adatto per coltivare colture, per aiutare le bioraffinerie del sito. Nel passato, i modelli generalmente assumevano una taglia per una struttura, senza quantificare le implicazioni di tale ipotesi.

La velocità di BioSTEAM è trasformativa. ha potuto valutare 31, 000 diversi modelli di bioraffineria, attraverso un continuum di composizioni di materie prime, in meno di 50 minuti. I risultati corrispondevano ai modelli di riferimento e, attraverso analisi di sensibilità, rivelato strozzature chiave per la ricerca e lo sviluppo.

Utilizzando BioSTEAM, chiunque può progettare una nuova bioraffineria e simularla nel software, Ospite ha detto.

"Ma è anche impostato in modo che ogni volta che scriviamo il codice per una nuova bioraffineria, quel codice può essere reso pubblicamente disponibile. Chiunque lavori su questi tipi di tecnologie può entrare e cambiare facilmente lo scenario ed esplorare i dati da solo, " ha detto. Gli utenti possono inserire criteri diversi, incentivi finanziari, strutture fiscali, materie prime, o tecnologie e comprendere immediatamente le implicazioni di tali cambiamenti.

L'obiettivo è rendere TEA più disponibile per i ricercatori che hanno idee su come migliorare le materie prime, o come sviluppare nuove tecnologie di conversione per produrre nuovi biocarburanti o bioprodotti, e aiutarli a prendere decisioni rapide su quale perseguire, Ospite ha detto. Ciò includerebbe chiunque si occupi dello sviluppo tecnologico:ricercatori, aziende, e investitori che lavorano sulla tecnologia emergente, o agenzie di finanziamento che devono dare priorità alla ricerca e allo sviluppo.

"L'intento qui è quello di accelerare l'innovazione, " Egli ha detto, "... e ottenere più rapidamente concetti da implementare per ridurre il costo dei biocarburanti in modo che siano più economicamente sostenibili e sostenibili dal punto di vista ambientale".

Infine, Egli ha detto, Il DOE vorrebbe che tutti i prodotti petroliferi, dal carburante alla plastica, fossero realizzati con alternative sostenibili. "L'intento è quello di sostituire l'intero barile di petrolio con prodotti di derivazione biologica, " Egli ha detto.

BioSTEAM è disponibile online tramite il Python Package Index, su Pypi.org. Anche un componente aggiuntivo per la valutazione del ciclo di vita (LCA) a BioSTEAM per quantificare gli impatti ambientali delle bioraffinerie, sviluppato dal ricercatore postdottorato CABBI Rui Shi e dal Guest Research Group, sarà rilasciato nel marzo 2020. Per aumentare ulteriormente la disponibilità di questi strumenti , Il team di Guest sta anche progettando un sito Web con un'interfaccia utente grafica in cui i ricercatori possono inserire nuovi parametri per una simulazione di bioraffineria nelle configurazioni esistenti, e scarica i risultati in pochi minuti.

I creatori di BioSTEAM hanno attinto al software open source sviluppato da altri ricercatori, compresa una banca dati con 20, 000 sostanze chimiche e loro proprietà termodinamiche.

"Fa parte di ciò che lo rende possibile:comunità di ricercatori che stanno lavorando per rendere questi strumenti più disponibili a tutti, " disse Ospite.