Las hierbas perennes se pueden convertir en todo, desde etanol hasta bioplásticos, pero no está claro qué bioproductos tienen el mayor potencial.

BioSTEAM, un nuevo paquete de software de simulación de código abierto en Python desarrollado por investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, da a los científicos, ingenieros empresas de biotecnología, y agencias de financiación herramienta flexible para analizar la economía de producir diferentes biocombustibles y bioproductos, en cuestión de segundos.

BioSTEAM — Módulos de análisis tecnoeconómico y simulación de biorrefinerías — permite a los investigadores comparar y priorizar rápidamente estrategias para convertir biomasa en combustibles y productos. También genera datos que se pueden utilizar para evaluar el impacto ambiental de las biorrefinerías, incluidas las emisiones de gases de efecto invernadero, allanando el camino para una bioeconomía sostenible.

El proyecto del desarrollador principal Yoel Cortes-Pena, un investigador graduado y Ph.D. de la Fundación Nacional de Ciencias. Candidato en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, y su consejero, Profesor asociado Jeremy Guest, fue publicado en el último número de Química e ingeniería sostenibles de ACS . Ambos investigadores forman parte del Centro de Innovación Avanzada de Bioenergía y Bioproductos (CABBI), un Centro de Investigación de Bioenergía financiado por el Departamento de Energía de EE. UU.

"Comprender las implicaciones económicas y ambientales de la tecnología es particularmente útil al inicio del proceso de desarrollo, para que podamos priorizar la investigación y el desarrollo en las direcciones que puedan ser más impactantes, "Dijo Cortés-Peña.

El análisis tecnoeconómico (TEA) proporciona información crítica sobre la viabilidad económica, obstáculos tecnológicos, y riesgo de riesgo de producir biocombustibles y bioproductos. Típicamente, que requiere investigadores especializados que preparen diseños detallados de biorrefinerías y realicen simulaciones, un proceso engorroso que requiere mucho tiempo, costoso, y una barrera para la investigación en etapa temprana, dijeron los investigadores.

"Puede llevar meses realizar un análisis de un solo diseño para una sola idea, y después de eso, las herramientas analíticas todavía solo son accesibles para los investigadores que se especializan en análisis tecnoeconómico, "Invitado dijo.

Esas evaluaciones suelen descuidar la tecnología, ambiental, e incertidumbres impulsadas por el mercado, Dijo Cortes-Pena. Y muchas herramientas de simulación existentes son propietarias, por lo que comparar modelos es difícil. BioSTEAM proporciona los componentes básicos para simular una biorrefinería, y su marco flexible permite el diseño, simulación, y TEA que incorpora las incertidumbres como característica clave.

Los investigadores utilizaron BioSTEAM para modelar la coproducción de biodiesel y etanol a partir de lípido-caña (también conocida como aceite de caña), y la producción de etanol de segunda generación a partir de rastrojo de maíz.

El análisis tuvo en cuenta 94 parámetros para la simulación de biorrefinería de lípidos y caña y 228 para el rastrojo de maíz, desde supuestos financieros hasta el desempeño de cada operación individual, como la eficiencia de un proceso de separación o qué tan bien los microorganismos convierten el azúcar en etanol. También abrazó la incertidumbre de esos factores, proporcionando una gama de valores y permitiendo simulaciones más flexibles.

¿Por qué es tan importante? Otros modelos pueden estimar el costo de los biocombustibles o bioproductos con un solo número, una cifra de dólares por galón, pero en realidad muchas suposiciones alimentan ese número, y no son seguras ni transparentes, Invitado dijo. BioSTEAM proporciona una variedad de números para representar con mayor precisión el costo probable. También permite a los investigadores realizar análisis de sensibilidad rigurosos, por ejemplo, para determinar a qué factores son más sensibles los costos de combustible.

Caso en cuestión:el estudio demostró que un factor clave de los costos del combustible es el tamaño de la biorrefinería, en particular, la cantidad de rastrojo de maíz que procesa, Invitado dijo. Cuanto más grande sea la instalación, menor será el costo por galón. Esa información puede vincularse al trabajo de otros investigadores que estudian las cadenas de suministro o qué tierra es adecuada para cultivar. para ayudar a las biorrefinerías del sitio. En el pasado, Los modelos generalmente asumen un tamaño para una instalación, sin cuantificar las implicaciones de ese supuesto.

La velocidad de BioSTEAM es transformadora. Pudo evaluar 31, 000 diseños de biorrefinería diferentes, a través de un continuo de composiciones de materia prima, en menos de 50 minutos. Los resultados coincidieron con los modelos de referencia y, mediante análisis de sensibilidad, reveló cuellos de botella clave para la investigación y el desarrollo.

Usando BioSTEAM, cualquiera puede diseñar una nueva biorrefinería y simularla en el software, Invitado dijo.

"Pero también está configurado para que cada vez que escribimos el código de una nueva biorrefinería, ese código puede ponerse a disposición del público. Cualquiera que trabaje en ese tipo de tecnologías puede entrar y cambiar fácilmente el escenario y explorar los datos por sí mismo. ", dijo. Los usuarios pueden incorporar diferentes políticas, incentivos financieros, estructuras fiscales, materias primas, o tecnologías y comprender de inmediato las implicaciones de esos cambios.

El objetivo es hacer que TEA esté más disponible para los investigadores que tienen ideas sobre cómo mejorar las materias primas, o cómo desarrollar nuevas tecnologías de conversión para producir nuevos biocombustibles o bioproductos, y ayudarlos a tomar decisiones rápidas sobre qué perseguir, Invitado dijo. Eso incluiría a cualquiera en el desarrollo de tecnología:investigadores, compañías, e inversores que trabajan en tecnología emergente, o agencias de financiación que deben priorizar la investigación y el desarrollo.

"La intención aquí es acelerar la innovación, " él dijo, "... y lograr que los conceptos se implementen más rápidamente para reducir el costo de los biocombustibles para que sean más viables financieramente y ambientalmente sostenibles".

Finalmente, él dijo, Al DOE le gustaría que todos los productos derivados del petróleo, desde el combustible hasta los plásticos, se fabricaran a partir de alternativas sostenibles. "La intención es reemplazar todo el barril de petróleo con productos de origen biológico, " él dijo.

BioSTEAM está disponible en línea a través del índice de paquetes de Python, en Pypi.org. Un complemento de evaluación del ciclo de vida (LCA) de BioSTEAM para cuantificar los impactos ambientales de las biorrefinerías, desarrollado por el investigador postdoctoral de CABBI Rui Shi y el Guest Research Group, también se lanzará en marzo de 2020. Para aumentar aún más la disponibilidad de estas herramientas , El equipo de Guest también está diseñando un sitio web con una interfaz gráfica de usuario donde los investigadores pueden conectar nuevos parámetros para una simulación de biorrefinería en configuraciones existentes. y descargar los resultados en minutos.

Los creadores de BioSTEAM se basaron en software de código abierto desarrollado por otros investigadores, incluyendo un banco de datos con 20, 000 productos químicos y sus propiedades termodinámicas.

"Eso es parte de lo que hace que esto sea posible:comunidades de investigadores que están trabajando para que estas herramientas estén más disponibles para todos, "Invitado dijo.