Forskere udvikler open source-software til at analysere økonomien ved biobrændstoffer, bioprodukter

Flerårige græsser kan omdannes til alt fra ethanol til bioplast, men det er uklart, hvilke bioprodukter der har det største potentiale.

BioSTEAM, en ny open source-simuleringssoftwarepakke i Python udviklet af forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign, giver videnskabsmænd, ingeniører, bioteknologiske virksomheder, og finansieringsbureauer en hurtig, fleksibelt værktøj til at analysere økonomien ved at producere forskellige biobrændstoffer og bioprodukter - i løbet af få sekunder.

BioSTEAM—Bioraffineri-simulering og teknologisk-økonomisk analysemoduler—giver forskere mulighed for hurtigt at sammenligne og prioritere strategier til konvertering af biomasse til brændstoffer og produkter. Det genererer også data, der kan bruges til at evaluere miljøpåvirkningen af ​​bioraffinaderier, herunder drivhusgasemissioner, baner vejen for en bæredygtig bioøkonomi.

Projektet af hovedudvikler Yoel Cortes-Pena, en National Science Foundation Graduate Research Fellow og Ph.D. Kandidat i Institut for Byggeri og Miljø, og hans rådgiver, Lektor Jeremy Guest, blev offentliggjort i det seneste nummer af ACS Sustainable Chemistry &Engineering . Begge forskere er en del af Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), et US Department of Energy-finansieret Bioenergy Research Center.

"Det er særligt nyttigt at forstå teknologiens økonomiske og miljømæssige konsekvenser tidligt i udviklingspipelinen, så vi kan prioritere forskning og udvikling i retninger, der kan have størst effekt, " sagde Cortes-Pena.

Teknoøkonomisk analyse (TEA) giver kritisk information om den økonomiske levedygtighed, teknologiske forhindringer, og vove risiko ved at producere biobrændstoffer og bioprodukter. Typisk, der kræver specialiserede forskere, der udarbejder detaljerede design af bioraffinaderier og kører simuleringer - en byrdefuld proces, der er tidskrævende, dyrt, og en barriere for tidlig forskning, sagde forskerne.

"Det kan tage måneder at lave en analyse af et enkelt design for en enkelt idé, og derefter er de analytiske værktøjer stadig kun tilgængelige for forskere med speciale i teknoøkonomisk analyse, " sagde Gæst.

Disse evalueringer ignorerer typisk teknologiske, miljø, og markedsdrevne usikkerheder, sagde Cortes-Pena. Og mange eksisterende simuleringsværktøjer er proprietære, så det er svært at sammenligne modeller. BioSTEAM leverer byggestenene til at simulere et bioraffinaderi, og dens fleksible rammer giver mulighed for design, simulering, og TEA, der inkorporerer usikkerheder som en nøglefunktion.

Forskerne brugte BioSTEAM til at modellere samproduktionen af ​​biodiesel og ethanol fra lipid-rør (også kendt som olierør), og produktion af anden generations ethanol fra majskomfur.

Analysen indeholdt 94 parametre for lipid-rør-bioraffinaderi-simuleringen og 228 for majskomfur - alt fra økonomiske antagelser til udførelsen af ​​hver enkelt operation, såsom effektiviteten af ​​en separationsproces eller hvor godt mikroorganismerne omdanner sukker til ethanol. Den omfavnede også usikkerheden ved disse faktorer, giver en række værdier og giver mulighed for mere fleksible simuleringer.

Hvorfor er det vigtigt? Andre modeller kan estimere omkostningerne ved biobrændstof eller bioprodukter med et enkelt tal - et tal i dollars pr. gallon - men i virkeligheden indgår mange antagelser i dette tal, og de er ikke sikre eller gennemsigtige, sagde Gæst. BioSTEAM giver en række tal for mere præcist at repræsentere de sandsynlige omkostninger. Det giver også forskere mulighed for at lave strenge følsomhedsanalyser - f.eks. at afgøre, hvilke faktorer brændstofomkostningerne er mest følsomme over for.

Eksempel:Undersøgelsen viste, at en vigtig drivkraft bag brændstofomkostningerne er størrelsen af ​​bioraffinaderiet, især hvor meget majskomfur den behandler, sagde Gæst. Jo større anlægget er, jo lavere pris pr. gallon. Disse oplysninger kan knyttes til arbejde af andre forskere, der studerer forsyningskæder, eller hvilken jord der er egnet til at dyrke afgrøder, for at hjælpe webstedets bioraffinaderier. I fortiden, modeller, der generelt antages en størrelse for et anlæg, uden at kvantificere implikationerne af denne antagelse.

BioSTEAMs hastighed er transformerende. Det var i stand til at evaluere 31, 000 forskellige bioraffinaderi designs, på tværs af et kontinuum af råvaresammensætninger, på mindre end 50 minutter. Resultaterne matchede benchmarkmodeller og, gennem følsomhedsanalyse, afsløret vigtige flaskehalse for forskning og udvikling.

Brug af BioSTEAM, alle kan designe et nyt bioraffinaderi og simulere det i softwaren, sagde Gæst.

"Men det er også sat op, så vi hver gang skriver koden til et nyt bioraffinaderi, denne kode kan gøres offentligt tilgængelig. Enhver, der arbejder med den slags teknologier, kan gå ind og nemt ændre scenariet og selv udforske dataene, " sagde han. Brugere kunne tilslutte forskellige politikker, økonomiske incitamenter, skattestrukturer, råvarer, eller teknologier og straks forstå konsekvenserne af disse ændringer.

Målet er at gøre TEA mere tilgængeligt for forskere, der har ideer til, hvordan man kan forbedre råvarer, eller hvordan man udvikler nye konverteringsteknologier til at producere nye biobrændstoffer eller bioprodukter, og hjælpe dem med at træffe hurtige beslutninger om, hvad de skal forfølge, sagde Gæst. Det vil omfatte alle inden for teknologiudvikling - forskere, virksomheder, og investorer, der arbejder på ny teknologi, eller finansieringsorganer, der skal prioritere forskning og udvikling.

"Hensigten her er at fremskynde innovation, " han sagde, "... og hurtigere få koncepter til implementering for at nedbringe omkostningerne ved biobrændstoffer, så de er mere økonomisk levedygtige og miljømæssigt bæredygtige."

Til sidst, han sagde, DOE ser gerne, at alle olieprodukter - fra brændstof til plastik - bliver lavet af bæredygtige alternativer. "Intentionen er at erstatte hele tønden olie med biologisk afledte produkter, " han sagde.

BioSTEAM er tilgængelig online gennem Python Package Index, på Pypi.org. En livscyklusvurdering (LCA) tilføjelse til BioSTEAM for at kvantificere miljøpåvirkningerne af bioraffinaderier – udviklet af CABBI postdoc-forsker Rui Shi og Guest Research Group – er også indstillet til at blive frigivet i marts 2020. For yderligere at øge tilgængeligheden af ​​disse værktøjer , Gæsternes team designer også et websted med en grafisk brugergrænseflade, hvor forskere kan tilslutte nye parametre til en bioraffinaderi-simulering i eksisterende konfigurationer, og download resultater inden for få minutter.

BioSTEAMs skabere trak på open source-software udviklet af andre forskere, inklusive en databank med 20, 000 kemikalier og deres termodynamiske egenskaber.

"Det er en del af det, der gør dette muligt - grupper af forskere, der arbejder på at gøre disse værktøjer mere tilgængelige for alle, " sagde Gæst.