Gramíneas perenes podem ser convertidas em tudo, desde etanol a bioplásticos, mas não está claro quais bioprodutos possuem o maior potencial.

BioSTEAM, um novo pacote de software de simulação de código aberto em Python desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, dá aos cientistas, engenheiros, empresas de biotecnologia, e agências de financiamento um rápido, ferramenta flexível para analisar a economia da produção de diferentes biocombustíveis e bioprodutos - em questão de segundos.

BioSTEAM - Módulos de Simulação de Biorrefinaria e Análise Tecnoeconômica - permite aos pesquisadores comparar e priorizar rapidamente estratégias para converter biomassa em combustíveis e produtos. Ele também gera dados que podem ser usados ​​para avaliar o impacto ambiental das biorrefinarias, incluindo as emissões de gases de efeito estufa, pavimentando o caminho para uma bioeconomia sustentável.

O projeto do desenvolvedor líder Yoel Cortes-Pena, um bolsista de pesquisa de pós-graduação da National Science Foundation e Ph.D. Candidato no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, e seu conselheiro, Professor Associado Jeremy Guest, foi publicado na última edição da Química e Engenharia Sustentáveis ​​da ACS . Os dois pesquisadores fazem parte do Centro de Inovação em Bioenergia Avançada e Bioprodutos (CABBI), um Centro de Pesquisa de Bioenergia financiado pelo Departamento de Energia dos EUA.

"Compreender as implicações econômicas e ambientais da tecnologia é particularmente útil no início do processo de desenvolvimento, para que possamos priorizar a pesquisa e o desenvolvimento em direções que podem ser mais impactantes, "Disse Cortes-Pena.

A análise técnico-econômica (TEA) fornece informações críticas sobre a viabilidade econômica, obstáculos tecnológicos, e risco de risco de produção de biocombustíveis e bioprodutos. Tipicamente, que requer pesquisadores especializados que preparem projetos detalhados de biorrefinarias e executem simulações - um processo pesado que consome tempo, caro, e uma barreira para a pesquisa em estágio inicial, disseram os pesquisadores.

"Pode levar meses para fazer uma análise de um único projeto para uma única ideia, e depois disso as ferramentas analíticas ainda são acessíveis apenas a pesquisadores especializados em análise técnico-econômica, "Convidado disse.

Essas avaliações normalmente negligenciam tecnológicas, de Meio Ambiente, e incertezas impulsionadas pelo mercado, Disse Cortes-Pena. E muitas ferramentas de simulação existentes são proprietárias, então comparar modelos é difícil. BioSTEAM fornece os blocos de construção para simular uma biorrefinaria, e sua estrutura flexível permite o design, simulação, e TEA que incorpora incertezas como uma característica principal.

Os pesquisadores usaram o BioSTEAM para modelar a coprodução de biodiesel e etanol a partir da cana-de-lípido (também conhecida como cana-de-óleo), e a produção de etanol de segunda geração a partir de palha de milho.

A análise considerou 94 parâmetros para a simulação da biorrefinaria de cana-de-lipídio e 228 para a palha de milho - tudo, desde suposições financeiras até o desempenho de cada operação individual, como a eficiência de um processo de separação ou quão bem os microrganismos convertem açúcar em etanol. Também envolveu a incerteza desses fatores, fornecendo uma gama de valores e permitindo simulações mais flexíveis.

Por que isso é importante? Outros modelos podem estimar o custo do biocombustível ou bioprodutos com um único número - um valor em dólares por galão - mas, na realidade, muitas suposições alimentam esse número, e eles não são certos ou transparentes, Convidado disse. BioSTEAM fornece uma variedade de números para representar com mais precisão o custo provável. Também permite que os pesquisadores façam análises de sensibilidade rigorosas - por exemplo, para determinar a quais fatores os custos de combustível são mais sensíveis.

Caso em questão:O estudo demonstrou que um fator chave dos custos de combustível é o tamanho da biorrefinaria, em particular a quantidade de palha de milho que processa, Convidado disse. Quanto maior a instalação, menor será o custo por galão. Essas informações podem ser vinculadas ao trabalho de outros pesquisadores que estudam cadeias de abastecimento ou quais terras são adequadas para o cultivo, para ajudar as biorrefinarias locais. No passado, modelos geralmente assumem um tamanho para uma instalação, sem quantificar as implicações dessa suposição.

A velocidade do BioSTEAM é transformadora. Foi capaz de avaliar 31, 000 projetos diferentes de biorrefinaria, através de um continuum de composições de matéria-prima, em menos de 50 minutos. Os resultados corresponderam a modelos de benchmark e, por meio da análise de sensibilidade, revelou gargalos importantes para pesquisa e desenvolvimento.

Usando BioSTEAM, qualquer um pode projetar uma nova biorrefinaria e simulá-la no software, Convidado disse.

"Mas também está configurado para que cada vez que escrevemos o código para uma nova biorrefinaria, esse código pode ser disponibilizado publicamente. Qualquer pessoa que trabalhe com esses tipos de tecnologias pode entrar e facilmente mudar o cenário e explorar os dados por si mesma, ", disse ele. Os usuários podem incluir políticas diferentes, incentivos financeiros, estruturas fiscais, matérias-primas, ou tecnologias e compreender imediatamente as implicações dessas mudanças.

O objetivo é tornar o TEA mais disponível para os pesquisadores que têm ideias sobre como melhorar as matérias-primas, ou como desenvolver novas tecnologias de conversão para produzir novos biocombustíveis ou bioprodutos, e ajudá-los a tomar decisões rápidas sobre o que buscar, Convidado disse. Isso incluiria qualquer pessoa no desenvolvimento de tecnologia - pesquisadores, empresas, e investidores trabalhando em tecnologias emergentes, ou agências de financiamento que têm que priorizar pesquisa e desenvolvimento.

"A intenção aqui é acelerar a inovação, " ele disse, "... e obter mais rapidamente conceitos para implantação para reduzir o custo dos biocombustíveis para que sejam mais viáveis ​​financeiramente e ambientalmente sustentáveis."

Eventualmente, ele disse, O DOE gostaria que todos os produtos petrolíferos - de combustível a plásticos - fossem feitos a partir de alternativas sustentáveis. “A intenção é substituir todo o barril de petróleo por produtos derivados biologicamente, " ele disse.

BioSTEAM está disponível online através do Python Package Index, em Pypi.org. Um add-on de avaliação do ciclo de vida (LCA) para BioSTEAM para quantificar os impactos ambientais de biorrefinarias - desenvolvido pelo pesquisador de pós-doutorado da CABBI Rui Shi e o Grupo de Pesquisa Convidado - também está programado para ser lançado em março de 2020. Para aumentar ainda mais a disponibilidade dessas ferramentas , A equipe do Guest também está projetando um site com uma interface gráfica de usuário onde os pesquisadores podem conectar novos parâmetros para uma simulação de biorrefinaria em configurações existentes, e baixe os resultados em minutos.

Os criadores da BioSTEAM se basearam em software de código aberto desenvolvido por outros pesquisadores, incluindo um banco de dados com 20, 000 produtos químicos e suas propriedades termodinâmicas.

"Isso é parte do que torna isso possível - comunidades de pesquisadores que estão trabalhando para tornar essas ferramentas mais disponíveis para todos, "Convidado disse.