Um sistema, com um novo pacote de software de simulação de código aberto em Python, desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, oferece a cientistas, engenheiros, empresas de biotecnologia e agências de financiamento uma ferramenta rápida e flexível para analisar a economia da produção de diferentes biocombustíveis e bioprodutos – em questão de segundos.
O BioSTEAM – Simulação de Biorrefinarias e Módulos de Análise Tecnoeconômica – permite que os pesquisadores comparem e priorizem rapidamente estratégias de conversão de biomassa em combustíveis e produtos. Também gera dados que podem ser usados ??para avaliar o impacto ambiental das biorrefinarias, incluindo as emissões de gases de efeito estufa, abrindo caminho para uma bioeconomia sustentável.
O projeto do desenvolvedor Yoel Cortes-Pena, bolsista de pesquisa e pós-graduação da National Science Foundation. O candidato no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental e seu orientador, Professor Associado Jeremy Guest, foram publicados na última edição da ACS Sustainable Chemistry & Engineering . Ambos os pesquisadores fazem parte do Centro de Inovação Avançada em Bioenergia e Bioprodutos (CABBI), um Centro de Pesquisa em Bioenergia, financiado pelo Departamento de Energia dos EUA.
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“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 possam ter maior impacto”, disse Cortes-Pena.
A análise tecnoeconômica (TEA) fornece informações críticas sobre a viabilidade econômica, obstáculos tecnológicos e risco de risco de produção de biocombustíveis e bioprodutos. Normalmente, isso requer pesquisadores especializados que preparam projetos detalhados de biorrefinarias e executam simulações – um processo oneroso, demorado, caro e uma barreira para a pesquisa inicial, disseram os pesquisadores.
“Pode levar meses para fazer uma análise de um único projeto para uma única idéia e, depois disso, as ferramentas analíticas ainda são acessíveis apenas a pesquisadores especializados em análise tecnoeconômica”, disse Guest.
Essas avaliações geralmente negligenciam incertezas tecnológicas, ambientais e orientadas pelo mercado, disse Cortes-Pena. E muitas ferramentas de simulação existentes são proprietárias, portanto, é difícil comparar modelos. O BioSTEAM fornece os blocos de construção para simular uma biorrefinaria, e sua estrutura flexível permite projeto, simulação e TEA que incorporam incertezas como um recurso-chave.
Os pesquisadores usaram o BioSTEAM para modelar a coprodução de biodiesel e etanol a partir de lipídios (também conhecida como cana de petróleo) e a produção de etanol de segunda geração a partir de palha de milho.
A análise considerou 94 parâmetros para a simulação de biorrefinaria de lipídios e cana e 228 para a extração de milho – tudo, desde premissas financeiras até o desempenho de cada operação individual, como a eficiência de um processo de separação ou o quão bem os microorganismos convertem açúcar em etanol. Ele também adotou 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 de biocombustíveis ou bioprodutos com um único número – um valor em dólares por galão -, mas, na realidade, muitas suposições alimentam esse número e elas não são certas ou transparentes, disse Guest. O BioSTEAM fornece uma série de números para representar com mais precisão o custo provável. Também permite que os pesquisadores façam análises rigorosas de sensibilidade – por exemplo, para determinar a quais fatores os custos de combustível são mais sensíveis.
Caso em questão: o estudo demonstrou que um dos principais fatores dos custos de combustível é o tamanho da biorrefinaria, em particular a quantidade de milho que processa, disse Guest. Quanto maior a instalação, menor o custo por galão. Essas informações podem ser vinculadas ao trabalho de outros pesquisadores que estudam cadeias de suprimentos ou que terra é adequada para o cultivo, para ajudar as biorrefinarias do local. No passado, os modelos geralmente assumiam um tamanho para uma instalação, sem quantificar as implicações dessa suposição.
A velocidade da BioSTEAM é transformadora. Foi capaz de avaliar 31.000 diferentes projetos de biorrefinaria, em um continuum de composições de matéria-prima, em menos de 50 minutos. Os resultados combinaram com os modelos de benchmark e, através da análise de sensibilidade, revelaram gargalos importantes para pesquisa e desenvolvimento.
Usando o BioSTEAM, qualquer pessoa pode projetar uma nova biorrefinaria e simulá-la no software, disse Guest.
“Mas também é configurado para que, toda vez que escrevermos o código para uma nova biorrefinaria, esse código possa ser disponibilizado ao público. Qualquer pessoa que trabalhe com esse tipo de tecnologia pode entrar e facilmente alterar o cenário e explorar os dados por si”. ele disse. Os usuários podem conectar diferentes políticas, incentivos financeiros, estruturas tributárias, matérias-primas ou tecnologias e entender imediatamente as implicações dessas mudanças.
O objetivo é tornar o TEA mais disponível para pesquisadores que têm idéias 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, disse Guest. Isso incluiria qualquer pessoa no desenvolvimento de tecnologia – pesquisadores, empresas e investidores trabalhando em tecnologias emergentes ou agências de financiamento que precisam priorizar a pesquisa e o desenvolvimento.
“A intenção aqui é acelerar a inovação”, disse ele, “… e obter conceitos mais rapidamente para implantação, a fim de 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 – do combustível ao plástico – fossem feitos de alternativas sustentáveis. “A intenção é substituir todo o barril de petróleo por produtos de origem biológica”, afirmou.
O BioSTEAM está disponível online no Python Package Index, em Pypi.org. Um complemento de avaliação do ciclo de vida (ACV) ao BioSTEAM para quantificar os impactos ambientais das biorrefinarias – desenvolvido pelo pesquisador de pós-doutorado do CABBI Rui Shi e pelo Guest Research Group – também será lançado em março de 2020. Para aumentar ainda mais a disponibilidade dessas ferramentas , A equipe de Guest também está projetando um site com uma interface gráfica do usuário, na qual os pesquisadores podem conectar novos parâmetros para uma simulação de biorrefinaria nas configurações existentes e baixar os resultados em minutos.
Os criadores da BioSTEAM recorreram a software de código aberto desenvolvido por outros pesquisadores, incluindo um banco de dados com 20.000 produtos químicos e suas propriedades termodinâmicas.
“Isso faz parte do que torna isso possível – comunidades de pesquisadores que estão trabalhando para tornar essas ferramentas mais disponíveis para todos”, disse Guest.
