从有机物到燃料计算模型可以加速和扩大生物质转化

你院子里的剪下来的东西最终可以为飞机提供燃料。美国国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员正在解决一项艰巨的任务，即利用从植物到食品加工过程中产生的农业废物来制造为飞机或轮船提供动力的燃料，而不是依赖化石燃料。

NREL计算科学中心的研究人员正在努力将生物质转化为工业规模的燃料和产品。计算工具可以对从小型实验室烧杯到工厂规模范围内的生物质转化进行建模，这有助于加速最新技术的发展并降低风险。

最近的生物质转化计算研究利用了美国能源部生物能源技术办公室(BETO)的资金和NREL的高性能计算资源来研究复杂的转化挑战并提供解决方案，例如制造可持续航空燃料(SAF)。

计算建模可以提供额外的好处，使科学家和工程师能够测试系统，而无需承担可能无法按预期工作的昂贵设备的风险。这种模拟功能可以避免设备故障和故障，从而为公司节省数百万美元。

螺旋给料机的转动

木质纤维素生物质(例如松树残渣、玉米秸秆/玉米棒子)是一种丰富的原材料，作为生物燃料原料引起了研究人员的极大兴趣。生物质转化的第一步是处理这种原料，其颗粒大小、灰分和水分含量变化很大。

转化过程首先将固体送入加压或高温反应器中以分解生物聚合物。预测该进料过程中设备的能量需求和机械应力至关重要，因为它控制着整个生物质转化工厂的运行。

这就是计算科学可以提供帮助的地方。NREL研究科学家MohammadRahimi和合作研究人员作为BETO资助的原料转换接口联盟(FCIC)的一部分，开发了生物质螺旋给料机的预测计算模型，该模型捕获生物质的粘性、非牛顿和可压缩行为浆液。该模型成功预测了生物质堵塞的位置，这可以帮助炼油厂运营商识别并修复它。

“螺旋给料机的机械故障是工业生物质加工厂不可预测的停机的主要原因之一，”拉希米说。“避免此类故障可以显着提高这些行业的盈利能力和生产绩效。我们开发了一种计算模型，可以使这些行业确定其生物质输送系统的最佳运行条件，并防止未来的大部分机械故障。”

将糖工业规模转化为BDO的途径

就像预测转化过程中的机械故障和能源需求一样，计算工具可以解决工业规模生物反应器中氧气分布的控制问题，该生物反应器利用生物质衍生的糖生产燃料。其中一个有前景的途径是生产2,3-丁二醇(BDO)，它是SAF和化学产品下游生产的重要中间体。

运动发酵单胞菌(Zymomonasmobilis)是一种微生物，在实验室规模上显示出将糖转化为BDO的巨大前景，但受控的微通气环境对于实现高BDO产量至关重要，这给发酵单胞菌辅助的BDO合成的放大生产带来了问题。由NREL科学家HariSitaraman和团队领导的BETO资助的新研究发表在《化学工程研究与设计》杂志上，该研究使用高保真计算模型在大型生物反应器中反应多相流，以应对这一规模化挑战。

研究人员使用耦合生物反应和计算流体动力学模型研究了工业微曝气生物反应器中的BDO生产。该研究优化了通气速率和反应器几何形状，在5亿升规模下将BDO产量提高了25%，并表明用于乙醇生产的传统鼓泡塔反应器在重新用于BDO生产之前可能需要进行一些设计更改。这项研究对于扩大BDO生产规模至关重要，并且会引起工业界的兴趣(例如Bioprincipia和NREL之间目前的合作伙伴关系)。

总(虚拟生物精炼厂)包

由于计算工具用于模拟生物质转化的各个步骤，因此研究人员可以利用计算方法将这些模拟联系起来并建立一个虚拟生物精炼厂，捕获从原料到燃料的生物质转化的整个过程，这是有意义的。NREL计算科学研究人员EthanYoung及其团队最近由BETO资助的工作展示了一种虚拟工程(VE)软件，可加速开发并降低市场相关生物质转化过程的风险。

BETO资助的团队创建了多物理场和多尺度模型，他们正在开发概念验证软件基础设施，未来将致力于在生产中使用。VE项目背后的动机是，虽然独立的模拟和模型对于准确预测单个化学过程的细粒度相互作用物理是必要的，但端到端模拟中，过程一的关联结果会影响过程二(等等)对于预测生物转化工厂的整体性能是必要的。

VE软件提供了一个用户界面和工具库，使这些模型间连接能够轻松定义和修改，以预测规定条件的影响或设计最佳控制策略。VE框架中每个转化步骤(例如预处理或水解)的计算模型先前已由团队开发和验证。

VE软件可在GitHub上免费获取。该框架目前是为生化转化而设计的，但可以扩展到新的领域，例如热化学转化和其他原料(例如塑料、城市固体废物)。

Young说：“将这些不同的模拟连接在一起，可以让您考虑完整的依赖关系，并更清晰地了解设计和操作变化将如何影响完整生物精炼厂的转化结果。”“相对于实验方法，使用这种关联的计算方法测试不同的硬件选择和转换途径更快、更便宜，我们相信这将加速生物质的新发展。”

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