Meerjarige grassen kunnen worden omgezet in alles, van ethanol tot bioplastics, maar het is onduidelijk welke bioproducten het grootste potentieel hebben.

BioSTEAM, een nieuw open-source simulatiesoftwarepakket in Python, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, geeft wetenschappers, ingenieurs, biotechnologische bedrijven, en financieringsinstanties een snelle, flexibele tool om de economische aspecten van de productie van verschillende biobrandstoffen en bioproducten in een kwestie van seconden te analyseren.

BioSTEAM - Bioraffinagesimulatie en Techno-Economic Analysis Modules - stelt onderzoekers in staat om snel strategieën te vergelijken en prioriteiten te stellen voor het omzetten van biomassa in brandstoffen en producten. Het genereert ook gegevens die kunnen worden gebruikt om de milieu-impact van bioraffinaderijen te evalueren, inclusief de uitstoot van broeikasgassen, de weg vrijmaken voor een duurzame bio-economie.

Het project van hoofdontwikkelaar Yoel Cortes-Pena, een National Science Foundation Graduate Research Fellow en Ph.D. Kandidaat bij de afdeling Civiele en Milieutechniek, en zijn adviseur, Universitair hoofddocent Jeremy Guest, werd gepubliceerd in het laatste nummer van ACS Duurzame Chemie &Engineering . Beide onderzoekers maken deel uit van het Centre for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), een door het Amerikaanse Department of Energy gefinancierd Bioenergy Research Center.

"Het begrijpen van de economische en ecologische implicaties van technologie is bijzonder nuttig vroeg in de ontwikkelingspijplijn, zodat we onderzoek en ontwikkeling kunnen prioriteren in richtingen die de meeste impact kunnen hebben, ' zei Cortes-Pena.

Techno-economische analyse (TEA) geeft kritische informatie over de economische levensvatbaarheid, technologische hindernissen, en het risico lopen om biobrandstoffen en bioproducten te produceren. Typisch, dat vereist gespecialiseerde onderzoekers die gedetailleerde ontwerpen van bioraffinaderijen voorbereiden en simulaties uitvoeren - een lastig proces dat tijdrovend is, duur, en een barrière voor onderzoek in een vroeg stadium, aldus de onderzoekers.

"Het kan maanden duren om een ​​enkel ontwerp voor een enkel idee te analyseren, en daarna zijn de analytische instrumenten nog steeds alleen toegankelijk voor onderzoekers die gespecialiseerd zijn in techno-economische analyse, ' zei gast.

Die evaluaties verwaarlozen doorgaans technologische, milieu, en marktgedreven onzekerheden, zei Cortes-Pena. En veel bestaande simulatietools zijn eigendom van dus modellen vergelijken is moeilijk. BioSTEAM levert de bouwstenen om een ​​bioraffinaderij te simuleren, en het flexibele kader zorgt voor ontwerp, simulatie, en TEA die onzekerheden als een belangrijk kenmerk bevat.

De onderzoekers gebruikten BioSTEAM om de coproductie van biodiesel en ethanol uit lipide-riet (ook bekend als olieriet) te modelleren. en de productie van ethanol van de tweede generatie uit maïskolven.

De analyse hield rekening met 94 parameters voor de simulatie van lipide-cane bioraffinage en 228 voor maïsstoof - alles van financiële veronderstellingen tot de prestaties van elke individuele operatie, zoals de efficiëntie van een scheidingsproces of hoe goed de micro-organismen suiker omzetten in ethanol. Het omarmde ook de onzekerheid van die factoren, het verstrekken van een reeks waarden en het mogelijk maken van meer flexibele simulaties.

Waarom is dat belangrijk? Andere modellen kunnen de kosten van biobrandstof of bioproducten schatten met een enkel getal - een dollar-per-gallon cijfer - maar in werkelijkheid zijn veel aannames van invloed op dat aantal, en ze zijn niet zeker of transparant, zei gast. BioSTEAM biedt een reeks getallen om de waarschijnlijke kosten nauwkeuriger weer te geven. Het stelt onderzoekers ook in staat om rigoureuze gevoeligheidsanalyses uit te voeren, bijvoorbeeld om te bepalen voor welke factoren brandstofkosten het meest gevoelig zijn.

Voorbeeld:de studie toonde aan dat de grootte van de bioraffinaderij, in het bijzonder hoeveel mais het verwerkt, zei gast. Hoe groter de faciliteit, hoe lager de kosten per gallon. Die informatie kan worden gekoppeld aan werk van andere onderzoekers die supply chains bestuderen of welk land geschikt is om gewassen te verbouwen, om bioraffinaderijen op locatie te helpen. Vroeger, modellen gingen over het algemeen uit van één maat voor een faciliteit, zonder de implicaties van die veronderstelling te kwantificeren.

De snelheid van BioSTEAM is transformerend. Het was in staat om 31 te evalueren, 000 verschillende bioraffinaderijen, over een continuüm van grondstofsamenstellingen, in minder dan 50 minuten. De resultaten kwamen overeen met benchmarkmodellen en, door middel van gevoeligheidsanalyse, bracht belangrijke knelpunten voor onderzoek en ontwikkeling aan het licht.

Met behulp van BioSTEAM, iedereen kan een nieuwe bioraffinaderij ontwerpen en in de software simuleren, zei gast.

"Maar het is ook zo opgezet dat elke keer dat we de code schrijven voor een nieuwe bioraffinaderij, die code kan openbaar worden gemaakt. Iedereen die aan dat soort technologieën werkt, kan naar binnen gaan en het scenario gemakkelijk wijzigen en de gegevens zelf verkennen, " zei hij. Gebruikers kunnen verschillende polissen invoeren, financiële prikkels, belastingstructuren, grondstoffen, of technologieën en begrijp onmiddellijk de implicaties van die veranderingen.

Het doel is om TEA meer beschikbaar te maken voor onderzoekers die ideeën hebben over het verbeteren van grondstoffen, of hoe nieuwe conversietechnologieën te ontwikkelen om nieuwe biobrandstoffen of bioproducten te produceren, en hen te helpen snelle beslissingen te nemen over hun vervolgstappen, zei gast. Dat zou iedereen omvatten die zich bezighoudt met technologieontwikkeling:onderzoekers, bedrijven, en investeerders die werken aan opkomende technologie, of financieringsinstanties die voorrang moeten geven aan onderzoek en ontwikkeling.

"De bedoeling hier is om innovatie te versnellen, " hij zei, "... en het sneller implementeren van concepten om de kosten van biobrandstoffen te verlagen, zodat ze financieel levensvatbaarder en ecologisch duurzamer zijn."

Eventueel, hij zei, DOE wil dat alle aardolieproducten, van brandstof tot plastic, gemaakt worden van duurzame alternatieven. "De bedoeling is om het hele vat olie te vervangen door biologisch afgeleide producten, " hij zei.

BioSTEAM is online beschikbaar via de Python Package Index, op Pypi.org. Een add-on voor levenscyclusanalyse (LCA) voor BioSTEAM om de milieueffecten van bioraffinaderijen te kwantificeren - ontwikkeld door CABBI postdoctoraal onderzoeker Rui Shi en de Guest Research Group - zal ook in maart 2020 worden vrijgegeven. Om de beschikbaarheid van deze tools verder te vergroten , Het team van de gast ontwerpt ook een website met een grafische gebruikersinterface waar onderzoekers nieuwe parameters voor een bioraffinagesimulatie in bestaande configuraties kunnen pluggen, en download de resultaten binnen enkele minuten.

De makers van BioSTEAM maakten gebruik van open-sourcesoftware die is ontwikkeld door andere onderzoekers, inclusief een databank met 20, 000 chemicaliën en hun thermodynamische eigenschappen.

"Dat is een deel van wat dit mogelijk maakt:gemeenschappen van onderzoekers die eraan werken om deze tools voor iedereen beschikbaar te maken, ' zei gast.