Fleråriga gräs kan omvandlas till allt från etanol till bioplast, men det är oklart vilka bioprodukter som har störst potential.

BioSTEAM, ett nytt simuleringspaket med öppen källkod i Python utvecklat av forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign, ger vetenskapsmän, ingenjörer, bioteknikföretag, och finansiärer snabbt, flexibelt verktyg för att analysera ekonomin i att producera olika biobränslen och bioprodukter – på några sekunder.

BioSTEAM—Biorefinery Simulation and Techno-Economic Analysis Modules—gör det möjligt för forskare att snabbt jämföra och prioritera strategier för att omvandla biomassa till bränslen och produkter. Den genererar också data som kan användas för att utvärdera miljöpåverkan från bioraffinaderier, inklusive utsläpp av växthusgaser, banar väg för en hållbar bioekonomi.

Projektet av huvudutvecklaren Yoel Cortes-Pena, en National Science Foundation Graduate Research Fellow och Ph.D. Kandidat vid institutionen för bygg- och miljöteknik, och hans rådgivare, Docent Jeremy Guest, publicerades i senaste numret av ACS Sustainable Chemistry &Engineering . Båda forskarna är en del av Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), ett bioenergiforskningscenter finansierat av det amerikanska energidepartementet.

"Att förstå de ekonomiska och miljömässiga konsekvenserna av teknik är särskilt användbart tidigt i utvecklingspipelinen, så att vi kan prioritera forskning och utveckling i riktningar som kan ha störst effekt, " sa Cortes-Pena.

Teknoekonomisk analys (TEA) ger viktig information om den ekonomiska bärkraften, tekniska hinder, och risk för att producera biobränslen och bioprodukter. Vanligtvis, som kräver specialiserade forskare som förbereder detaljerade konstruktioner av bioraffinaderier och kör simuleringar – en betungande process som är tidskrävande, dyr, och ett hinder för forskning i tidigt stadium, sa forskarna.

"Det kan ta månader att göra en analys av en enda design för en enda idé, och efter det är de analytiska verktygen fortfarande endast tillgängliga för forskare som är specialiserade på teknoekonomisk analys, sa gästen.

Dessa utvärderingar försummar vanligtvis tekniska, miljö, och marknadsdrivna osäkerheter, sa Cortes-Pena. Och många befintliga simuleringsverktyg är proprietära, så det är svårt att jämföra modeller. BioSTEAM tillhandahåller byggstenarna för att simulera ett bioraffinaderi, och dess flexibla ramverk möjliggör design, simulering, och TEA som inkluderar osäkerheter som en nyckelfunktion.

Forskarna använde BioSTEAM för att modellera samproduktionen av biodiesel och etanol från lipidrör (även känd som oljerör), och produktion av andra generationens etanol från majsstover.

Analysen inkluderade 94 parametrar för simuleringen av lipid-rör bioraffinaderi och 228 för majsstover - allt från finansiella antaganden till resultatet av varje enskild operation, såsom effektiviteten av en separationsprocess eller hur väl mikroorganismerna omvandlar socker till etanol. Den omfattade också osäkerheten i dessa faktorer, tillhandahåller en rad värden och möjliggör mer flexibla simuleringar.

Varför är det viktigt? Andra modeller kan uppskatta kostnaden för biobränsle eller bioprodukter med ett enda tal - en siffra för dollar per gallon - men i verkligheten är många antaganden ingående i det antalet, och de är inte säkra eller transparenta, sa gästen. BioSTEAM tillhandahåller ett antal siffror för att mer exakt representera den sannolika kostnaden. Det gör det också möjligt för forskare att göra rigorösa känslighetsanalyser, t.ex. för att avgöra vilka faktorer bränslekostnaderna är mest känsliga för.

Exempel:Studien visade att en viktig drivkraft för bränslekostnaderna är storleken på bioraffinaderiet, särskilt hur mycket majsspis den bearbetar, sa gästen. Ju större anläggning, desto lägre kostnad per gallon. Den informationen kan kopplas till arbete av andra forskare som studerar försörjningskedjor eller vilken mark som är lämplig för att odla grödor, för att hjälpa webbplatsens bioraffinaderier. Förr, modeller som i allmänhet antas en storlek för en anläggning, utan att kvantifiera konsekvenserna av detta antagande.

BioSTEAMs hastighet är transformerande. Den kunde utvärdera 31, 000 olika bioraffinaderidesigner, över ett kontinuum av råvarukompositioner, på mindre än 50 minuter. Resultaten matchade benchmarkmodeller och, genom känslighetsanalys, avslöjade viktiga flaskhalsar för forskning och utveckling.

Genom att använda BioSTEAM, vem som helst kan designa ett nytt bioraffinaderi och simulera det i programvaran, sa gästen.

"Men det är också inställt så att varje gång vi skriver koden för ett nytt bioraffinaderi, den koden kan göras allmänt tillgänglig. Alla som arbetar med den typen av teknik kan gå in och enkelt ändra scenariot och utforska data själva, " sa han. Användare kan koppla in olika policyer, ekonomiska incitament, skattestrukturer, råvaror, eller tekniker och omedelbart förstå konsekvenserna av dessa förändringar.

Målet är att göra TEA mer tillgängligt för forskare som har idéer om hur man kan förbättra råvaror, eller hur man utvecklar ny omvandlingsteknik för att producera nya biobränslen eller bioprodukter, och hjälpa dem att fatta snabba beslut om vilka de ska fortsätta, sa gästen. Det skulle inkludera alla inom teknikutveckling – forskare, företag, och investerare som arbetar med ny teknik, eller finansiärer som måste prioritera forskning och utveckling.

"Avsikten här är att påskynda innovation, " han sa, "... och snabbare få koncept att implementeras för att få ner kostnaderna för biobränslen så att de är mer ekonomiskt lönsamma och miljömässigt hållbara."

Så småningom, han sa, DOE vill att alla petroleumprodukter – från bränsle till plast – ska tillverkas av hållbara alternativ. "Avsikten är att ersätta hela fatet med olja med biologiskt framställda produkter, " han sa.

BioSTEAM är tillgängligt online via Python Package Index, på Pypi.org. En livscykelanalys (LCA) tillägg till BioSTEAM för att kvantifiera miljöpåverkan från bioraffinaderier – utvecklad av CABBI postdoktor Rui Shi och Guest Research Group – kommer också att släppas i mars 2020. För att ytterligare öka tillgängligheten av dessa verktyg , Guests team designar också en webbplats med ett grafiskt användargränssnitt där forskare kan koppla in nya parametrar för en bioraffinaderi-simulering i befintliga konfigurationer, och ladda ner resultat inom några minuter.

BioSTEAMs skapare byggde på öppen källkod utvecklad av andra forskare, inklusive en databank med 20, 000 kemikalier och deras termodynamiska egenskaper.

"Det är en del av det som gör detta möjligt - grupper av forskare som arbetar för att göra dessa verktyg mer tillgängliga för alla, sa gästen.