Les graminées vivaces peuvent être converties en tout, de l'éthanol aux bioplastiques, mais on ne sait pas quels bioproduits ont le plus grand potentiel.

BioVAPEUR, un nouveau logiciel de simulation open source en Python développé par des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, donne aux scientifiques, ingénieurs, entreprises de biotechnologie, et les agences de financement un rapide, outil flexible pour analyser les aspects économiques de la production de différents biocarburants et bioproduits, en quelques secondes.

BioSTEAM—Modules de simulation de bioraffinerie et d'analyse technico-économique—permet aux chercheurs de comparer et de hiérarchiser rapidement les stratégies de conversion de la biomasse en carburants et produits. Il génère également des données qui peuvent être utilisées pour évaluer l'impact environnemental des bioraffineries, y compris les émissions de gaz à effet de serre, ouvrant la voie à une bioéconomie durable.

Le projet du développeur principal Yoel Cortes-Pena, un chercheur diplômé de la National Science Foundation et un doctorat. Candidat au Département de génie civil et environnemental, et son conseiller, Professeur agrégé Jeremy Guest, a été publié dans le dernier numéro de ACS Chimie et Ingénierie Durables . Les deux chercheurs font partie du Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), un centre de recherche sur la bioénergie financé par le Département de l'énergie des États-Unis.

« Comprendre les implications économiques et environnementales de la technologie est particulièrement utile au début du pipeline de développement, afin que nous puissions prioriser la recherche et le développement dans les directions qui peuvent avoir le plus d'impact, " dit Cortes-Pena.

L'analyse technico-économique (AET) fournit des informations critiques sur la viabilité économique, obstacles technologiques, et risque de risque de production de biocarburants et de bioproduits. Typiquement, qui nécessite des chercheurs spécialisés qui préparent des conceptions détaillées de bioraffineries et exécutent des simulations - un processus fastidieux qui prend du temps, cher, et un obstacle à la recherche à un stade précoce, les chercheurs ont dit.

"Cela peut prendre des mois pour faire l'analyse d'un seul design pour une seule idée, et après cela les outils d'analyse ne sont encore accessibles qu'aux chercheurs spécialisés dans l'analyse technico-économique, ", a déclaré l'invité.

Ces évaluations négligent généralement les aspects technologiques, environnemental, et les incertitudes liées au marché, dit Cortes-Pena. Et de nombreux outils de simulation existants sont propriétaires, il est donc difficile de comparer des modèles. BioSTEAM fournit les blocs de construction pour simuler une bioraffinerie, et son cadre flexible permet la conception, simulation, et TEA qui intègre les incertitudes comme une caractéristique clé.

Les chercheurs ont utilisé BioSTEAM pour modéliser la coproduction de biodiesel et d'éthanol à partir de la canne lipidique (également connue sous le nom de canne à huile), et la production d'éthanol de deuxième génération à partir de tiges de maïs.

L'analyse a pris en compte 94 paramètres pour la simulation de la bioraffinerie lipidique-canne et 228 pour la tige de maïs, allant des hypothèses financières à la performance de chaque opération individuelle, comme l'efficacité d'un processus de séparation ou la capacité des micro-organismes à convertir le sucre en éthanol. Il a également embrassé l'incertitude de ces facteurs, fournissant une gamme de valeurs et permettant des simulations plus flexibles.

Pourquoi est-ce important ? D'autres modèles peuvent estimer le coût des biocarburants ou des bioproduits avec un seul chiffre - un chiffre en dollars par gallon - mais en réalité, de nombreuses hypothèses alimentent ce chiffre, et ils ne sont pas certains ou transparents, L'invité a dit. BioSTEAM fournit une gamme de chiffres pour représenter plus précisément le coût probable. Il permet également aux chercheurs d'effectuer des analyses de sensibilité rigoureuses, par exemple, pour déterminer les facteurs auxquels les coûts de carburant sont les plus sensibles.

Exemple concret :l'étude a démontré qu'un facteur clé des coûts de carburant est la taille de la bioraffinerie, en particulier combien de tiges de maïs il traite, L'invité a dit. Plus l'installation est grande, plus le coût par gallon est bas. Ces informations peuvent être liées aux travaux d'autres chercheurs qui étudient les chaînes d'approvisionnement ou les terres qui conviennent à la culture, pour aider les sites de bioraffineries. Autrefois, les modèles supposent généralement une taille unique pour une installation, sans quantifier les implications de cette hypothèse.

La vitesse de BioSTEAM est transformatrice. Il a pu évaluer 31, 000 conceptions différentes de bioraffinerie, à travers un continuum de compositions de matières premières, en moins de 50 minutes. Les résultats correspondent aux modèles de référence et, par l'analyse de sensibilité, a révélé des goulots d'étranglement clés pour la recherche et le développement.

En utilisant BioSTEAM, tout le monde peut concevoir une nouvelle bioraffinerie et la simuler dans le logiciel, L'invité a dit.

"Mais c'est aussi fait pour qu'à chaque fois que nous écrivons le code d'une nouvelle bioraffinerie, ce code peut être rendu public. Toute personne travaillant sur ces types de technologies peut entrer et facilement changer le scénario et explorer les données par elle-même, ", a-t-il déclaré. Les utilisateurs peuvent brancher différentes politiques, motivations financières, structures fiscales, matières premières, ou technologies et comprendre immédiatement les implications de ces changements.

L'objectif est de rendre la TEA plus accessible aux chercheurs qui ont des idées sur la façon d'améliorer les matières premières, ou comment développer de nouvelles technologies de conversion pour produire de nouveaux biocarburants ou bioproduits, et les aider à prendre des décisions rapides sur lesquelles poursuivre, L'invité a dit. Cela inclurait n'importe qui dans le développement technologique - chercheurs, entreprises, et les investisseurs travaillant sur les technologies émergentes, ou des agences de financement qui doivent prioriser la recherche et le développement.

"L'intention ici est d'accélérer l'innovation, " il a dit, « ... et mettre en œuvre plus rapidement des concepts pour réduire le coût des biocarburants afin qu'ils soient plus viables financièrement et écologiquement durables. »

Finalement, il a dit, Le DOE souhaite que tous les produits pétroliers, du carburant aux plastiques, soient fabriqués à partir d'alternatives durables. "L'intention est de remplacer tout le baril de pétrole par des produits d'origine biologique, " il a dit.

BioSTEAM est disponible en ligne via le Python Package Index, sur Pypi.org. Un module complémentaire d'évaluation du cycle de vie (ACV) à BioSTEAM pour quantifier les impacts environnementaux des bioraffineries - développé par le chercheur postdoctoral CABBI Rui Shi et le groupe de recherche invité - devrait également être publié en mars 2020. Pour augmenter encore la disponibilité de ces outils , L'équipe de Guest conçoit également un site Web avec une interface utilisateur graphique où les chercheurs peuvent insérer de nouveaux paramètres pour une simulation de bioraffinerie dans des configurations existantes, et téléchargez les résultats en quelques minutes.

Les créateurs de BioSTEAM se sont appuyés sur des logiciels open source développés par d'autres chercheurs, dont une banque de données de 20, 000 produits chimiques et leurs propriétés thermodynamiques.

« C'est en partie ce qui rend cela possible :des communautés de chercheurs qui s'efforcent de rendre ces outils plus accessibles à tous, ", a déclaré l'invité.