Petrokemi, de olje- och gashärledda föreningarna som fungerar som molekylära ryggraden för mycket av modern handel, hade ett marknadsvärde på 539,3 miljarder dollar 2018.

Att ersätta bara ett fåtal av dessa petroleumprodukter med kemikalier gjorda av växter eller mikrober kan sätta ett rejält stopp i världens fossila bränsleförbrukning.

Det är därför ett team av ingenjörer från University of Wisconsin–Madison utvecklade en metod för att identifiera växtbaserade föreningar som lovar som potentiella ersättningar för petrokemikalier. De publicerade sina resultat denna månad i tidskriften iScience .

"Detta kommer att ge vägledning för produktdesign och upptäckt, " säger Wenzhao Wu, som utförde forskningen innan han tog sin doktorsexamen i kemiteknik från UW–Madison 2018 och arbetar nu i ExxonMobils strategiska forskningsavdelning. "Det kommer också att hjälpa biobränslegemenskapen att fokusera på vilka kemikalier som ska produceras."

Vilka kemikalier som ska produceras är en avgörande fråga - och svaret kan göra eller gå sönder om biobränslen kan konkurrera med kostnaderna för petroleum.

"Vi studerar kemisk produktion, förutom bränslen, att förbättra ekonomin för bioraffinaderier, " säger Christos Maravelias, en UW–Madison professor i kemi och biologisk teknik. "Logiken är att omvandling av biomassa till bränsle är relativt ineffektivt jämfört med olja och gas, men kemisk produktion skulle kunna vara mer kostnadseffektiv."

Olje- och gasraffinaderier producerar en mängd råvarukemikalier tillsammans med bränsleprodukter för att tillfredsställa en omättlig efterfrågan från många industrier, inklusive jordbruk, läkemedel och elektronik.

Att ersätta några av dessa råvarukemikalier med biobaserade produkter kan hjälpa till att ta bort vårt nästan exklusiva beroende av petroleum. Faktiskt, Maravelias studerar redan vilka råvarukemikalier som är bäst framställda från växt- eller mikrobiella källor.

Det är relativt smalt, Vyn "nuvarande dag" fångar inte det stora utbudet av kemikalier som kan tillverkas av växter av mikrober. Så, forskarna sökte en strategi för att identifiera kommande kemikalier – biobaserade föreningar som ännu inte är i utbredd produktion, men potentiellt kan ersätta en petrokemikalie som används idag.

Forskarna kallade nytillkomna "ersättningskemikalier, " identifieras genom en noggrann analys av allt från marknadsvolymer och priser till atomär sammansättning.

Precis som fallet är med petroleumbaserade kemikalier, ersättningskemikalier skulle någon dag kunna säljas tillsammans med biobränslen. Som ett resultat, forskare behövde hitta föreningar som kunde generera betydande intäkter som biprodukter.

De övervägde också efterfrågan. Till exempel, många kemikalier (som de komplicerade molekylerna som används för att syntetisera receptbelagda läkemedel eller läkemedel) kan kräva höga priser, men de dyra föreningarna utgör en liten bråkdel av den totala marknaden.

"Om biobränslen kan användas i stor skala, deras samprodukter borde ha stor efterfrågan, " säger Maravelias. "Om vi ​​bara tillverkade specialkemikalier, det skulle inte finnas en tillräckligt stor marknad."

Bredda ekvationen till att inkludera marknadsvolymer såväl som priser, forskarna identifierade egenskaper hos kemikalier som både är mycket efterfrågade och svåra att få från fossila bränslen.

Och genom att lägga in ett tredje steg av analys baserat på molekylstruktur, forskarna kom in på egenskaper som gör det möjligt för framgångsrika biobaserade kemikalier att balansera avvägningen mellan pris och efterfrågan – och, viktigt, att lätt framställas från biologiska källor.

De hoppas att dessa egenskaper kommer att motivera andra biobränsleforskare att ta nästa steg:att designa och utveckla växt- eller mikrobbaserade vägar för att syntetisera molekyler som kommer att bli morgondagens ersättningskemikalier.