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Los científicos desarrollan software de código abierto para analizar la economía de los biocombustibles y bioproductos


Los pastos perennes se pueden convertir en todo, desde etanol a bioplásticos, pero no está claro qué bioproductos tienen el mayor potencial.


por Julie Wurth, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign


BioSTEAM, un nuevo paquete de software de simulación de código abierto en Python desarrollado por investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, brinda a los científicos, ingenieros, compañías de biotecnología y agencias de financiamiento una herramienta rápida y flexible para analizar la economía de la producción de diferentes biocombustibles y bioproductos, en cuestión de segundos.

BioSTEAM, módulos de simulación de biorefinería y análisis tecnoeconómico, permite a los investigadores comparar y priorizar rápidamente estrategias para convertir la biomasa en combustibles y productos. También genera datos que pueden usarse para evaluar el impacto ambiental de las biorefinerías, incluidas las emisiones de gases de efecto invernadero, allanando el camino para una bioeconomía sostenible.

El proyecto del desarrollador principal Yoel Cortes-Pena, investigador graduado de la National Science Foundation y Ph.D. Candidato en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, y su asesor, el Profesor Asociado Jeremy Guest, se publicaron en el último número de ACS Sustainable Chemistry & Engineering . Ambos investigadores son parte del Centro de Innovación Avanzada en Bioenergía y Bioproductos (CABBI), un Centro de Investigación de Bioenergía financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.

«Comprender las implicaciones económicas y ambientales de la tecnología es particularmente útil al comienzo de la línea de desarrollo, por lo que podemos priorizar la investigación y el desarrollo en las direcciones que pueden ser más impactantes», dijo Cortes-Peña.

El análisis tecnoeconómico (TEA) proporciona información crítica sobre la viabilidad económica, los obstáculos tecnológicos y el riesgo de riesgo de producir biocombustibles y bioproductos. Por lo general, eso requiere investigadores especializados que preparen diseños detallados de biorefinerías y realicen simulaciones, un proceso pesado que lleva mucho tiempo, es costoso y una barrera para la investigación en etapas tempranas, dijeron los investigadores.

«Puede llevar meses hacer un análisis de un diseño único para una sola idea, y después de eso, las herramientas analíticas solo son accesibles para los investigadores que se especializan en análisis tecnoeconómico», dijo Guest.

Esas evaluaciones generalmente descuidan las incertidumbres tecnológicas, ambientales y de mercado, dijo Cortes-Peña. Y muchas herramientas de simulación existentes son propietarias, por lo que es difícil comparar modelos. BioSTEAM proporciona los componentes básicos para simular una biorrefinería, y su marco flexible permite el diseño, la simulación y el TEA que incorpora incertidumbres como una característica clave.

Los investigadores utilizaron BioSTEAM para modelar la coproducción de biodiesel y etanol a partir de caña lipídica (también conocida como caña de aceite), y la producción de etanol de segunda generación a partir de estufa de maíz.

El análisis incluyó 94 parámetros para la simulación de la biorrefinería de lípidos y caña y 228 para la cosecha de maíz, desde suposiciones financieras hasta el desempeño de cada operación individual, como la eficiencia de un proceso de separación o qué tan bien los microorganismos convierten el azúcar en etanol. También abrazó la incertidumbre de esos factores, proporcionando una gama de valores y permitiendo simulaciones más flexibles.

Los científicos desarrollan software de código abierto para analizar la economía de los biocombustibles y bioproductos
Crédito: Universidad de Illinois en Urbana-Champaign

¿Por qué es eso importante? Otros modelos podrían estimar el costo de los biocombustibles o bioproductos con un solo número, una cifra de dólares por galón, pero en realidad muchas suposiciones alimentan ese número, y no son ciertas ni transparentes, dijo Guest. BioSTEAM proporciona una gama de números para representar con mayor precisión el costo probable. También permite a los investigadores realizar análisis de sensibilidad rigurosos, por ejemplo, para determinar a qué factores son más sensibles los costos de combustible.

Caso en cuestión: el estudio demostró que un factor clave de los costos del combustible es el tamaño de la biorrefinería, en particular la cantidad de maíz que procesa, dijo Guest. Cuanto mayor sea la instalación, menor será el costo por galón. Esa información puede estar vinculada al trabajo de otros investigadores que estudian las cadenas de suministro o qué tierra es adecuada para cultivar, para ayudar a las biorrefinerías del sitio. En el pasado, los modelos generalmente asumían un tamaño para una instalación, sin cuantificar las implicaciones de ese supuesto.

La velocidad de BioSTEAM es transformadora. Fue capaz de evaluar 31,000 diseños diferentes de biorrefinería, en un continuo de composiciones de materia prima, en menos de 50 minutos. Los resultados coincidieron con los modelos de referencia y, a través del análisis de sensibilidad, revelaron cuellos de botella clave para investigación y desarrollo.

Con BioSTEAM, cualquiera puede diseñar una nueva biorefinería y simularla en el software, dijo Guest.

«Pero también está configurado para que cada vez que escribamos el código para una nueva biorefinería, ese código pueda ponerse a disposición del público. Cualquiera que trabaje en ese tipo de tecnologías puede entrar y cambiar fácilmente el escenario y explorar los datos por sí mismos». él dijo. Los usuarios pueden conectar diferentes políticas, incentivos financieros, estructuras fiscales, materias primas o tecnologías y comprender de inmediato las implicaciones de esos cambios.

El objetivo es hacer que TEA esté más disponible para los investigadores que tienen ideas sobre cómo mejorar las materias primas o cómo desarrollar nuevas tecnologías de conversión para producir nuevos biocombustibles o bioproductos, y ayudarlos a tomar decisiones rápidas sobre qué perseguir, dijo Guest. Eso incluiría a cualquiera en el desarrollo de la tecnología: investigadores, empresas e inversores que trabajen en tecnología emergente o agencias de financiación que tengan que priorizar la investigación y el desarrollo.

«La intención aquí es acelerar la innovación», dijo, «… y lograr que los conceptos se implementen más rápidamente para reducir el costo de los biocombustibles para que sean más viables financieramente y ambientalmente sostenibles».

Finalmente, dijo, el DOE desea que todos los productos derivados del petróleo, desde el combustible hasta los plásticos, se hagan con alternativas sostenibles. «La intención es reemplazar todo el barril de petróleo con productos derivados biológicamente», dijo.

BioSTEAM está disponible en línea a través del índice del paquete Python, en Pypi.org. Un complemento de evaluación del ciclo de vida (LCA) para BioSTEAM para cuantificar los impactos ambientales de las biorrefinerías, desarrollado por el investigador postdoctoral de CABBI Rui Shi y el Guest Research Group, también se lanzará en marzo de 2020. Para aumentar aún más la disponibilidad de estas herramientas , El equipo de Guest también está diseñando un sitio web con una interfaz gráfica de usuario donde los investigadores pueden conectar nuevos parámetros para una simulación de biorrefinería en las configuraciones existentes y descargar los resultados en cuestión de minutos.

Los creadores de BioSTEAM recurrieron al software de código abierto desarrollado por otros investigadores, incluido un banco de datos con 20,000 productos químicos y sus propiedades termodinámicas.

«Eso es parte de lo que hace esto posible: comunidades de investigadores que están trabajando para hacer que estas herramientas estén más disponibles para todos», dijo Guest.


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