BioSTEAM是由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员用Python开发的一个新的开源模拟软件包，它为科学家、工程师、生物技术公司和资助机构提供了一个快速、灵活的工具，可以在几秒钟内分析生产不同生物燃料和生物产品的经济性。

BioSTEAM—生物炼制模拟和技术经济分析模块—允许研究人员快速比较和优先考虑将生物质转化为燃料和产品的策略。它还产生可用于评估生物精炼厂对环境影响的数据，包括温室气体排放，为可持续生物经济铺平道路。

该项目由首席开发者Yoel Cortes-Pena，国家科学基金会研究生研究员和土木与环境工程系博士候选人，以及他的导师，副教授Jeremy Guest，发表在最新一期的《科学》杂志上ACS可持续化学与工程。两位研究人员都是高级生物能源和生物产品创新中心(CABBI)的成员，该中心是美国能源部资助的生物能源研究中心。

Cortes-Pena说:“了解技术对经济和环境的影响在开发初期特别有帮助，因此我们可以优先考虑最有影响力的研究和开发方向。”

技术经济分析(TEA)提供有关生产生物燃料和生物产品的经济可行性、技术障碍和风险的关键信息。研究人员表示，通常情况下，这需要专门的研究人员准备生物精炼厂的详细设计并进行模拟，这是一个费时、昂贵的繁重过程，也是早期研究的一个障碍。

盖斯特说:“对一个想法的单一设计进行分析可能需要几个月的时间，在此之后，分析工具仍然只有专门从事技术经济分析的研究人员才能使用。”

Cortes-Pena说，这些评估通常忽略了技术、环境和市场驱动的不确定性。而且许多现有的仿真工具都是专有的，因此比较模型是困难的。BioSTEAM提供了模拟生物精炼厂的构建模块，其灵活的框架允许设计、模拟和TEA，其中包含不确定性作为关键特征。

研究人员利用BioSTEAM模拟了用脂质甘蔗(也称为油甘蔗)联合生产生物柴油和乙醇，以及用玉米秸秆生产第二代乙醇的过程。

该分析考虑了脂质-甘蔗生物炼制模拟的94个参数和玉米秸秆模拟的228个参数——从财务假设到每个操作的性能，如分离过程的效率或微生物将糖转化为乙醇的效果。它还包含了这些因素的不确定性，提供了一系列的值，并允许更灵活的模拟。

为什么这很重要?盖斯特说，其他模型估计生物燃料或生物产品的成本可能只有一个数字——每加仑美元的数字——但实际上，这个数字包含了许多假设，而且它们不确定或不透明。BioSTEAM提供了一系列数字，以更准确地表示可能的成本。它还允许研究人员进行严格的敏感性分析，例如，确定燃料成本对哪些因素最敏感。

盖斯特说，研究表明，燃料成本的一个关键驱动因素是生物精炼厂的规模，特别是它处理的玉米秸秆的数量。设施越大，每加仑的成本就越低。这些信息可以与其他研究供应链或适合种植作物的土地的研究人员的工作联系起来，以帮助选址生物精炼厂。在过去，模型通常假设一个设施有一个大小，而没有量化该假设的含义。

BioSTEAM的速度是革命性的。它能够在不到50分钟的时间内评估31,000种不同的生物炼制设计，跨越连续的原料组成。结果与基准模型相符，并通过敏感性分析揭示了研发的关键瓶颈。

盖斯特说，使用BioSTEAM，任何人都可以设计一个新的生物精炼厂，并在软件中进行模拟。

“但它的设置也是为了每次我们为一个新的生物精炼厂编写代码时，这些代码都可以公开。任何从事这类技术的人都可以进去，轻松地改变场景，自己探索数据，”他说。用户可以插入不同的政策、财政激励、税收结构、原料或技术，并立即了解这些变化的含义。

盖斯特说，目标是使那些对如何改进原料或如何开发新的转化技术以生产新的生物燃料或生物产品有想法的研究人员更容易获得TEA，并帮助他们迅速决定研究哪种生物燃料。这将包括任何从事技术开发的人——从事新兴技术的研究人员、公司和投资者，或者必须优先考虑研发的资助机构。

“这样做的目的是加快创新，”他说，“……更快地将概念付诸部署，降低生物燃料的成本，使它们在经济上更可行，在环境上更可持续。”

他说，最终，美国能源部希望所有的石油产品——从燃料到塑料——都能由可持续的替代品制成。他说:“我们的目的是用生物衍生产品取代整个石油桶。”

BioSTEAM可通过Python包索引(Python Package Index)在线获取Pypi.org。由CABBI博士后研究员Rui Shi和客座研究小组开发的生物炼制的生命周期评估(LCA)附加组件也将于2020年3月发布，用于量化生物炼制对环境的影响。为了进一步提高这些工具的可用性，Guest的团队还设计了一个带有图形用户界面的网站，研究人员可以将生物炼制模拟的新参数插入到现有配置中，并在几分钟内下载结果。

BioSTEAM的创造者利用了其他研究人员开发的开源软件，包括一个包含2万种化学物质及其热力学性质的数据库。

盖斯特说:“这是使这一切成为可能的部分原因——研究人员社区正在努力使这些工具更容易为每个人所用。”