1. Edited by Alexis T. Bell, University of California, Berkeley, CA, and approved March 3, 2020 (received for review January 3, 2020)

Loading

Significance

Cellulosic biofuels have not yet reached cost parity with conventional petroleum fuels. One strategy to address this challenge is to generate valuable coproducts alongside biofuels. Engineering bioenergy crops to generate value-added bioproducts in planta can reduce input requirements relative to microbial chassis and skip costly deconstruction and conversion steps. Although rapid progress has been made in plant metabolic engineering, there has been no systematic analysis devoted to quantifying the impact of such engineered bioenergy crops on biorefinery economics. Here, we provide new insights into how bioproduct accumulation in planta affects biofuel selling prices. We present the range of bioproduct selling prices and accumulation rates needed to compensate for additional extraction steps and reach a target $2.50/gal minimum biofuel selling price.

Abstract

Coproduction of high-value bioproducts at biorefineries is a key factor in making biofuels more cost-competitive. One strategy for generating coproducts is to directly engineer bioenergy crops to accumulate bioproducts in planta that can be fractionated and recovered at biorefineries. Here, we develop quantitative insights into the relationship between bioproduct market value and target accumulation rates by investigating a set of industrially relevant compounds already extracted from plant sources with a wide range of market prices and applications, including $100/kg (artemisinin). These compounds are used to identify a range of mass fraction thresholds required to achieve net economic benefits for biorefineries and the additional amounts needed to reach a target $2.50/gal biofuel selling price, using cellulosic ethanol production as a test case. Bioproduct market prices and recovery costs determine the accumulation threshold; we find that moderate- to high-value compounds (i.e., cannabidiol and artemisinin) offer net economic benefits at accumulation rates of just 0.01% dry weight (dwt) to 0.02 dwt%. Lower-value compounds, including limonene, latex, and PHB, require at least an order-of-magnitude greater accumulation to overcome additional extraction and recovery costs (0.3 to 1.2 dwt%). We also find that a diversified approach is critical. For example, global artemisinin demand could be met with fewer than 10 biorefineries, while global demand for latex is equivalent to nearly 180 facilities. Our results provide a roadmap for future plant metabolic engineering efforts aimed at increasing the value derived from bioenergy crops.

Cellulosic biofuel production in the United States has fallen behind federally mandated levels and, at the current trajectory, is not on track to meet the 16 billion gallons per year target by 2022 (1). This lag is due to several factors, including the recent global economic recession in the late 2000s and the dramatic drop in oil prices in the mid-2010s, but one of the most important contributing factors is that cellulosic biofuels remain more expensive to produce than conventional fossil fuels when negative externalities are not fully accounted for. Improving biofuel yields and optimizing the deconstruction and conversion processes that produce them are important for reducing biofuel production costs and increasing market uptake, but some previous studies have shown that these approaches to process optimization alone are not necessarily sufficient to reach minimum selling prices competitive with current conventional fuel prices, even at near-theoretical yields from sugars (2). One strategy to overcome these challenges is the generation of valuable coproducts alongside biofuels by a cellulosic biorefinery (3). Several approaches have been proposed in directly engineering bioenergy crops as a promising means to improve the economics of biorefineries (e.g., increasing the hexose/pentose ratio of the cell wall polysaccharides, modifying lignin properties, decreasing cell wall recalcitrance) (4). Although all of these approaches target various biomass traits useful for increasing fuel yields, there has been recent interest in the use of plants for the photosynthetic production of high-value products (5). Significant work has gone into plant metabolic engineering efforts, yet there has been no systematic analysis devoted to quantifying the impact on biofuel production costs and the minimum in planta accumulation needed to make such engineered approaches worthwhile at commercial scale.

Plant systems have many potential advantages over microbial chassis in the accumulation and production of engineered bioproducts: 1) plants require fewer inputs to grow than microbial chassis, 2) direct extraction of compounds from plants may skip costly deconstruction and conversion steps, and 3) plants may already have the endogenous machinery needed for the biosynthesis of specific classes of compounds (e.g., lignans, cytochrome P450-derived compounds, and so forth). Even if production of the biofuel or recovery of the bioproduct alone would not be economically attractive, this strategy would allow a biorefinery to spread its single largest operating cost—the biomass feedstock—across multiple products, thus improving the economics of the entire system relative to a single-product strategy. Humans have a long history of using traditional breeding methods to increase in planta production of target small molecules for a variety of applications (e.g., artemisinin) (6). For a more limited set of molecules, studies have also demonstrated comparable or higher accumulation of value-added products through plant metabolic engineering, including artemisinin (7), polyhydroxybutyrate (PHB) (8), and limonene (9). Although there are many potential advantages to utilizing bioenergy crops as a chassis for producing valuable bioproducts, a critical evaluation of the costs, benefits, and limitations can provide valuable insight to help prioritize molecular targets, set minimum accumulation goals, and understand the potential scale of production relative to market sizes.

To quantify the impacts of coproducts on biofuel economics, we use technoeconomic analysis, which is a combination of engineering design, process simulation, and scenario analysis. Total capital investment (TCI) and annual operating cost (AOC) are estimated and used to calculate a standard metric referred to as the minimum biofuel selling price (10). We use an ionic liquid-based forage sorghum-to-ethanol conversion process as a baseline model, with variations to incorporate extraction and purification of different coproducts prior to pretreatment. Mass accumulation rates are calculated as a fraction of total above-ground harvested biomass. We identified five representative compounds with a wide range of market prices and applications, including $100/kg (artemisinin). Accumulation and recovery of each compound was modeled separately to investigate the impact on the minimum selling price of bioethanol (SI Appendix, Table S1). The primary goal of this study is to investigate to what extent in planta bioproducts will improve the economics of biorefineries, what levels of accumulation are necessary to compensate for the additional extraction costs required to recover them, and the levels required to achieve a target cellulosic ethanol selling price of $2.50/gal (11).

Results

Simulated Cost of Cellulosic Fuel Production and Coproduct Recovery.

To estimate the cost of recovering each of the five representative products (limonene, latex, PHB, cannabidiol, and artemisinin), we developed separate process simulation models in SuperPro Designer. In each case, chopped, dried sorghum biomass is delivered to the biorefinery at a cost of $95 per dry metric ton, which is based on the costs of cultivating, harvesting, and transporting sorghum (2). In the base case, this biomass is pretreated, undergoes simultaneous saccharification and fermentation, and the ethanol is recovered and sold as fuel. Wastewater is treated onsite and the resulting biogas is combusted alongside lignin to generate process heat and electricity for the facility. TCI and AOC for the base case biorefinery are about $390 million and $190 million, respectively. Each coproduct is extracted upstream of pretreatment and the specific recovery processes are documented in Materials and Methods and SI Appendix, Figs. S1–S5 and Tables S1 and S2.

We find that artemisinin requires the largest capital investment for recovery (approximately $26 million) due to its complex purification processes; these processes are also energy-intensive and thus substantially increase utilities costs (12). The latex accumulation scenario results in higher TCI than any coproduction scenario in this study, totaling approximately $500 million, but the lowest AOC (Fig. 1). Wastewater treatment is capital-intensive and, because the latex extraction process requires large quantities of water, the latex-producing biorefinery requires roughly $100 million for onsite wastewater treatment as compared to about $50 million in the base case. The multistage centrifugation steps required to recover latex after the extraction process are also a key contributor to the TCI. In contrast, the biorefinery with coproduction of cannabidiol proves to be the least capital-intensive at $431 million. The biorefinery modeled with coproduction of limonene, similar to cannabidiol, requires mild extraction conditions and a relatively cheap extraction solvent (hexane). The biorefinery modeled with coproduction of PHB requires a more expensive solvent, butyl acetate, at a higher solvent-to-biomass ratio, which results in higher operating costs.

Fig. 1.

TCI and AOC of the modeled cellulosic ethanol production facility with and without high-value bioproducts. In the base case scenario, the nonengineered biomass sorghum feedstock is utilized and no value-added bioproduct is produced. Detailed modeled costs can be found in SI Appendix, Table S5.

Regardless of the selected high-value compound, the delivered biomass feedstock cost is the largest contributor to the AOC (∼40%), followed by utilities and other process chemicals. The utilities include electricity, heating, and cooling agents, which could further be reduced by minimizing the extraction time and temperature. The process chemical costs are largely influenced by their loading rates (solvent-to-biomass ratio) and purchase prices. Sensitivity analyses (SI Appendix, Fig. S6) on minimum ethanol selling price (MESP) indicate that biomass sorghum feedstock cost is one of the most sensitive parameters in all of the scenarios considered in this study. For instance, by reducing the biomass sorghum feedstock cost by 25%, the MESP could be reduced by around $0.2/gal. If one focuses exclusively on the bioproduct extraction process, the purchase price and loading ratio of solvents are the two most influential parameters to the MESP. The fraction of bioproduct recovered from the biomass is also a critical parameter, and the economic impact is dependent on the market price, as shown in Fig. 2.

Fig. 2.

MESP with the selected bioproducts under different extraction efficiencies. Content labeled in the y axis refers to the amount (dry basis) of value-added bioproducts required in biomass sorghum. The sensitivity bars denote the range of content for reaching cost-parity and targeted MESP based on the expected distribution of market prices for each bioproduct (SI Appendix, Table S1).

Minimum In Planta Accumulation for Biorefinery Cost Parity and a $2.50/gal Fuel Target.

Based on the technoeconomic models developed in this study, we quantified the minimum in planta accumulation of each value-added compound required to reach cost parity with the base case scenario (MESP of $3.61/gal) and the targeted MESP of $2.50/gal. The results are presented in Fig. 2, considering three different extraction efficiencies (70%, 80%, and 90%). These extraction efficiencies are reported in previous studies (13, 14) and are selected in this study to demonstrate their potential impacts on the process economics. For example, the reported recovery of limonene is above 90% (13); however, the overall extraction efficiency of artemisinin for large-scale production is in the range of 62 to 70% (14).

Because of their higher market values (∼$100/kg), artemisinin and cannabidiol require relatively lower in planta accumulation rates to achieve cost parity and the targeted MESP. For the cost-parity scenario, cannabidiol, artemisinin, latex, limonene, and PHB require accumulation rates of around 0.01% dry weight (dwt%), 0.02 dwt%, 0.3 dwt%, 0.6 dwt%, and 1.2 dwt%, respectively, to reach the breakeven price at 90% extraction efficiency. At the same 90% extraction efficiency, artemisinin, cannabidiol, PHB, limonene, and latex require in planta accumulation of 0.04 dwt%, 0.06 dwt%, 2.7 dwt%, 1.7 dwt%, and 2.2 dwt%, respectively, to reach the $2.50/gal MESP target. These results were consistent with their current market prices except for PHB because of its higher AOC, as indicated in Fig. 1.

The threshold values of bioproducts accumulated in planta are also dependent on their extraction efficiencies, which are uncertain and dependent on where in the plant the bioproduct is accumulated. In this study, we assume the product is accumulated in the entirety of the above-ground sorghum biomass and can be extracted without depolymerizing the cell wall and prematurely liberating sugars or other compounds that may complicate product recovery. We also assume that the bioproduct is stable and does not break down during crop senescence or long-term storage of dried biomass. Any of these factors could impact the fraction of accumulated bioproduct that is ultimately recovered and thus the minimum amount required to offer net value. As an example, at a recovery efficiency of 70%, the amount of limonene required to achieve cost parity with the base case increases from 0.6 dwt% (in the 90% recovery scenario) to 0.7 dwt%. The required amount of limonene, latex, and PHB to achieve cost parity and the $2.50/gal target were all an order-of-magnitude higher than what is required for artemisinin and cannabidiol due to their much lower market prices. At a 70% recovery efficiency, the minimum required in planta accumulation of latex, PHB, and limonene require 2.9 dwt%, 3.4 dwt%, and 2.2 dwt%, respectively, to reach the targeted MESP.

In addition to uncertainty associated with recovery efficiencies for each bioproduct, the market prices will also fluctuate over time, so we conducted a sensitivity analysis based on historical maximum and minimum market prices for each (results shown as the sensitivity bars in Fig. 2). The huge difference in the historical price of limonene ($0.4/kg around 2005 to $11/kg in 2011) (15) resulted in the largest variation in the accumulation amount (dry basis) for reaching both cost parity and the target MESP when compared to other bioproducts. In order to reach the target MESP, the accumulation level of limonene ranges from 0.7 dwt% to 22.4 dwt% at 90% extraction efficiency due to the price fluctuations. The relatively consistent historical price of natural latex, in the range of $1.57/kg to $4.82/kg (from 2010 to 2018) (https://www.statista.com/statistics/727582/price-of-rubber-per-pound/), led to the smallest variation in the MESP for all scenarios.

Accumulation of Target Bioproducts in Native Sources and Engineered Plants.

Although engineering efforts specific to the accumulation of bioproducts in high-yield bioenergy crops are limited, it is worthwhile to compare the target mass contents calculated as part of our analysis with the mass fractions achieved in planta for each as reported across the literature. Based on the mass fractions shown in Fig. 3, it is reasonable to expect that each bioproduct explored in this study could be accumulated at rates that provide substantial net economic benefits to cellulosic biorefineries.

Fig. 3.

Reported in planta accumulation amount (dry basis) of the selected bioproducts in various crops. Black dashed line is the desired in planta accumulation amount obtained in this study for reaching the target MESP ($2.50/gal). Limonene yields from citrus waste (16) and mandarin peel (63) are based on the total raw materials amount. Yield of limonene from caraway is based on the caraway fruit dry weight (9). Artemisinin yields from A. annua are based on the plant dry weight (6, 28). Artemisinin yield in tobacco is based on the dry weight of leaves (30). Yields of artemisinin from the engineered A. annua are the percentage of the leaves dry weight (7, 29). Latex yields from guayule are based on the stem dry weight (26). Yield of natural latex from rubber tree is the percentage of natural latex content on the whole plant (25). Latex yield from fig tree is based on the whole plant (27). PHB yield from alfalfa (21), sugarcane (22), switchgrass (23), tobacco (24), and Arabidopsis (8) are based on the leaves dry weight. Yields of cannabidiol from hemp (32) are based on the leaves dry weight.

Limonene is naturally available in citrus peel and other plant tissues, but the accumulation amount depends on the citrus varieties. Bouwmeester et al. (9) reported that the young caraway fruit accumulated high levels of limonene (13 dwt% fruit dry weight) prior to its conversion to carvone as the fruit matures. In citrus waste, as much as 4.4 dwt% of limonene can be extracted in citrus waste-to-ethanol facility (16). Lohrasbi et al. (17) found that the elevated concentration of limonene in citrus waste does decrease the minimum ethanol selling price if sold as a high-value coproduct. One unintended negative consequence of engineering plants to accumulate more limonene could be a decrease in air quality; limonene and other terpenes are emitted naturally by some trees and bushes, and these volatile organic compounds undergo photochemical reactions with other air pollutants to form fine particulate matter (aerosols) and photochemical smog (17). In citrus and other specialized limonene-producing plants, the cytotoxic compound is stored in secretory cavities lined by specialized epithelial cell (18). Current efforts to engineer limonene in planta have resulted in relatively low accumulation (e.g., 143 ng/g fresh weight) (19), although there was a side-advantage in that the plants are more resistant to pathogens (20). Strategies to mitigate these problems include targeting in planta production to specific cell-types, glycosylating it, or producing a related but less cytotoxic or volatile compound that could be converted in the biorefinery, such as cineole.

PHB production has been engineered in a wide variety of plants (Fig. 3). With the expression of three genes: phaA or bktB (3-ketothiolase), phaB (acetoacetyle-CoA reductase), and phaC (PHA synthase), Arabidopsis has the ability to accumulate PHB up to 4% of their fresh weight (∼40 dwt%) in the leaf chloroplasts (8). PHB has also been produced in alfalfa (1.80 dwt% in the leaves) (21), sugarcane (1.88 dwt% in the leaves) (22), and switchgrass (3.72 dwt% in the leaves) (23). In the chloroplast of tobacco, PHB can be accumulated up to 18.8 dwt% in the leaf tissue (24). The current progress of engineered PHB production in plants and the minimum required amount of PHB obtained in this study of 2.2 dwt% demonstrate that the minimum required PHB accumulation in bioenergy crops is already biologically achievable.

Natural latex content in a rubber tree (Hevea) accounts for about 2 dwt% of the total rubber tree (25). In the flowering shrub guayule (Parthenium argentatum), the latex content varies from 1 to 10 dwt% in the branches depending on the harvesting seasons (26). Ficus carica (fig tree) has also been developed as an alternative to the rubber crop because it can generate a large volume of latex (4.1 dwt%) (27). Bioenergy crops would need to accumulate about 2.9 dwt% of latex to achieve the targeted MESP, which is within the range already reported in other plants. However, there are significant challenges in targeting latex as a bioproduct, specifically considering the unique tissues and physiology required for latex-producing plants. This highlights some of the considerations necessary in pursuing bioproduct engineering efforts in feedstock crops.

Compared to limonene, latex, and PHB, artemisinin content in Artemisia annua is relatively low, ranging from 0.04 dwt% to 0.8 dwt% of the plant dry weight (6, 28). With overexpression of several genes involved in artemisinin biosynthesis in A. annua, artemisinin yield could be increased significantly (7, 29). Lv et al. (7) observed that overexpression of the AaNAC1 gene not only enhanced the yield of artemisinin, but also increased the drought tolerance of A. annua. Apart from A. annua, tobacco is the only plant that has been used as the platform to produce artemisinin. Malhotra et al. (30) engineered two metabolic pathways into three different cellular compartments, resulting in threefold enhancement in artemisinin yield in tobacco. However, due to the complex glycosylation response in Nicotiana and the regulation in artemisinin biosynthesis pathway, the production level in tobacco still remains low (31). Although only a small amount of artemisinin (0.06 dwt%) must be accumulated in bioenergy crops to offset the recovery costs, the complex metabolic biosynthesis pathway of artemisinin may limit its application in biorefineries. Nonetheless, the levels of artemisinin reported from engineered A. annua lines suggest that plant metabolic engineering efforts have already achieved concentrations of artemisinin that would hit the target $2.50/gal MESP if translated into a higher-yielding bioenergy crop.

Cannabidiol is naturally accumulated in Cannabis sativa; researchers reported up to 7.50 dwt% cannabidiol accumulated in hemp (a strain of C. sativa grown for industrial uses) (32). No efforts to engineer cannabidiol production in othe planten zijn tot op heden in de literatuur vermeld, hoewel interesse in het verhogen van de cannabidiolproductie bij C. sativa zal waarschijnlijk toenemen gezien de schrapping van hennep uit de Controlled Substances Act in 2018 en de verwachte toename van de vraag. Maar zelfs de hoeveelheden die van nature in hennep zijn verzameld, zijn groter dan het minimum dat nodig is om bioraffinaderijen een netto waarde te geven, als dezelfde massafracties kunnen worden bereikt in sorgho of andere bio-energiegewassen (0,09 dwt%).

Relatie tussen bioproductprijs en vereiste in Planta accumulatie.

Hoewel de kosten en verwachte opbrengsten voor productextractie en terugwinning variëren van product tot product, een cruciale vraag is of onze analyse van vijf representatieve verbindingen kan worden vertaald in een meer algemene relatie tussen marktwaarde en minimaal gerichte in planta accumulatie. Afb. 4 geeft deze verhouding tussen prijs en massafractie weer, waarbij de reeksen in elke waarde zijn opgenomen op basis van verschillende scheidingskosten (allemaal uitgaande van een extractie-efficiëntie van 90%). Gedetailleerde verkoopprijzen van elk bioproduct onder verschillende accumulatiepercentages en scenario’s voor de verkoopprijs van ethanol zijn gedocumenteerd in SI Appendix , Fig. S7 en S8 .

Afb. 4.

Minimum vereiste verkoopprijsbereiken voor bioproducten ($ / kg) onder verschillende in planta accumulatiehoeveelheid (droge basis) om de MESP-pariteit ($ 3,61 / gal) en gerichte verkoopprijs van ethanol ($ 2,50 / gal). De Inzet toont de geschatte verkoopprijs van bioproducten van minder dan $ 100 / kg.

Er is een opmerkelijke kloof tussen de verkoopprijs van bioproducten die vereist is om kostenpariteit te bereiken met de basiscase bioraffinage (MESP van $ 3,61 / gal) versus de verkoopprijs die nodig is om de productie van biobrandstoffen te subsidiëren zodat deze de beoogde MESP ($ 2,50 / gal) bereikt. Bijvoorbeeld, een bioproduct dat is geaccumuleerd op 0,2 dwt%, hoeft slechts voor ongeveer $ 10 / kg te worden verkocht als het de bedoeling is om met een typische cellulosebioraffinage kostenpariteit te bereiken, terwijl datzelfde product voor $ 65 / kg moet verkopen om een ​​MESP van $ 2,50 mogelijk te maken / gal. Zoals verwacht hebben stijgingen in de orde van grootte van de accumulatiesnelheid van bioproducten een dramatisch effect op de minimale verkoopprijs die nodig is om de winning economisch levensvatbaar te maken; als minder dan 0,01 dwt% van een bioproduct wordt geproduceerd in bio-energiegewassen, moet de vereiste verkoopprijs van bioproducten ∼ $ 300 / kg zijn om MESP-pariteit te bereiken; in hetzelfde scenario zou de verkoopprijs van het bioproduct kunnen worden verlaagd tot $ 10 / kg als het accumulatie-niveau in planta 0,2 dwt% bereikt. De vereiste verkoopprijs van een bioproduct wordt verlaagd van ∼ $ 1.700 / kg naar $ 10 / kg als het accumulatiepercentage in planta van het bioproduct wordt verhoogd van 0,01 dwt% tot 1,0 dwt%.

Een aanvullende vraag die nog niet volledig is beantwoord, is of een faciliteit meer baat heeft bij het eenvoudig extraheren van het bioproduct en het weggooien van de resterende biomassa, in plaats van de biomassa om te zetten in brandstof. Het antwoord hangt af van tal van onzekere factoren, waaronder of de resterende biomassa-naextractie kan worden verkocht in een vezel-, voeder- of meer conventionele energie-markt (bijvoorbeeld anaërobe vergisting) en tegen welke prijs, in plaats van verwijdering tegen nettokosten. Die vraag over hoe rest biomassa kan worden verwerkt, heeft op zijn beurt weer betrekking op welke oplosmiddelen en andere verontreinigingen er na extractie achterblijven. Zelfs als de biomassa naar een anaërobe vergister wordt gestuurd, zullen er nog substantiële vaste stoffen moeten worden beheerd. Als de kosten / opbrengsten van de verwijdering van biomassa (hypothetisch) nul zijn, is een ongeveer gelijkwaardige vraag: rechtvaardigt de verkoopprijs van een vloeibare biobrandstof de marginale kosten van het omzetten van biomassa in brandstof? Afhankelijk van het brandstofmolecuul dat van belang is, kunnen de kosten van een grondstof nul zich vertalen in een minimale biobrandstofprijs zo laag als $ 1,2 tot 1,5 / gal ( 10 , 33 ). Een belangrijke veronderstelling die in deze analyse is ingebed, is dat het waardevol is om hernieuwbare vloeibare brandstoffen te maken ter vervanging van aardolie, in plaats van alternatieven voor te stellen die geen vloeibare biobrandstoffen produceren, maar op korte termijn mogelijk winstgevender zijn zonder enige beleidsinterventie.

Discussie

Coproducten spelen waarschijnlijk een cruciale rol bij het maken van een toekomstige bioraffinage economisch haalbaar. Aardolieraffinaderijen maximaliseren de winst door de flexibiliteit te behouden om zwaardere producten te kraken tot lichtere, hoogwaardige coproducten als reactie op veranderende marktprijzen. Toekomstige cellulosebioraffinaderijen moeten op een vergelijkbare manier diversifiëren; de traditionele configuratie, waarbij elektriciteit het enige bijproduct is, is waarschijnlijk niet concurrerend gezien de lage waarde van de uitvoer van elektriciteit naar het net ( 34 ). De beste strategie om deze diversificatie te bereiken blijft een fel bediscussieerd onderwerp, met aanbevelingen variërend van fractionering en zeer gespecialiseerde conversie tot “biologische trechtering” van heterogeen mengsel ( 4 , 35 ). Eerdere studies naar de coproductie van grondstoffenchemicaliën, zoals terugwinning van limoneen in citrusafval-naar-ethanol-fabriek ( 16 ) en de geïntegreerde productie van PHB en ethanolproductie in een suikerrietmolen ( 36 ), toont de potentiële waarde van het gebruik van hogere- waarde hechten aan bioproducten om de economie van de productie van biobrandstoffen te verbeteren, maar geen van deze eerdere studies gaf algemene richtlijnen voor accumulatieniveaus in planta . Onze resultaten geven inzicht in de rol van accumulatie van bioproducten voor het verhogen van de waarde afkomstig van technische bio-energiegewassen. Een belangrijk voorbehoud is dat de voortdurende ontwikkeling of verbetering van microbiële routes de toekomstige marktprijzen voor bioproducten kan beïnvloeden. Het concurrentievermogen van microbiële routes zal productspecifiek verschillen. Zo is de halfsynthetische productie van artemisinine al gecommercialiseerd en kunnen productiekosten worden bereikt aan de zeer lage prijsklasse (ongeveer $ 350 / kg) ( 37 , 38 ). Microbiële productie van limoneen in de Verenigde Staten op basis van Amyris-technologie realiseert kosten die vergelijkbaar zijn met de marktprijs van 2016 van ongeveer $ 4,5 / kg, terwijl andere recente studies veel hogere kosten van bijna $ 20 / kg rapporteren ( 39 , 40 ). Microbiële PHB-productiekosten variëren aanzienlijk ($ 2 tot 15 / kg) vanwege het diverse scala aan gebruikte koolstofbronnen ( 41 43 ), terwijl de microbiële cannabidiolproductie nog in de kinderschoenen staat en de enige gerapporteerde kosten een toekomstig doel zijn van $ 1.000 / kg ( 44 ). Alleen al op basis van productiekosten vergelijken kan extra nuances en afwegingen missen. Zo kan het bereiken van zeer hoge zuiverheden die vereist zijn voor voedsel en farmaceutische producten technische uitdagingen opleveren die microbiële of in planta productie bevorderen, afhankelijk van het specifieke doel en de extractiemethode. Bovendien zijn veel interessante gewassen momenteel niet genetisch traceerbaar of hebben ze zeer beperkte tools voor complexe metabole engineering in vergelijking met microbiële systemen, dus toekomstige ontwikkeling van het plantengineering-veld zal essentieel zijn voor het bereiken van accumulatie van bioproducten in commercieel relevante bio-energiegewassen. p>

Een andere mogelijke kritiek op de integratie van hoogwaardige en kleinschalige chemische productie in bioraffinaderijen is de discrepantie in schaal; voor farmaceutische markten met een zeer klein volume zou een enkele bioraffinaderij voldoende bioproducten kunnen genereren om de markt gemakkelijk te overweldigen. Deze studie is niet bedoeld om te suggereren dat alle bio-energiegewassen en alle bioraffinaderijen moeten worden ingezet voor de coproductie van één enkel hoogwaardig product. Integendeel, de inspanningen op het gebied van plantengineering moeten worden gespreid over een verscheidenheid aan bioraffinageprocessen en bioproducten waarmee de industrie een breder scala aan commercieel levensvatbare doelen kan genereren. Om de potentiële productieschaal te meten in verhouding tot de wereldwijde marktomvang voor elk bioproduct dat in deze studie wordt onderzocht, hebben we het aantal cellulosebioraffinaderijen op commerciële schaal dat nodig is om aan de huidige en verwachte toekomstige vraag te voldoen, samengevat, uitgaande van voldoende accumulatie om de MESP-doel van $ 2,50 / gal ( Afb. 5 ). Om te voldoen aan de marktvraag in limoneen, met uitsluiting van het nog niet gerealiseerde potentieel als brandstof voor vliegtuigbrandstof en dieselmengsels na een upgrade ( 2 ), minder dan zes commerciële bioraffinaderijen zouden voldoen aan de verwachte marktvraag in 2025. Met ongeveer negen bioraffinaderijen zou volledig worden voorzien in de wereldwijde vraag naar artemisinine. Dit resultaat geeft aan dat, hoewel zeer hoogwaardige verbindingen zoals geneesmiddelen aantrekkelijk zijn, zelfs een enkele bioraffinaderij waarschijnlijk de markt zou overspoelen en de prijs zou drukken. In tegenstelling tot de lineaire groei die voor andere producten wordt verwacht, zal de marktvraag naar cannabidiol tegen 2025 naar verwachting met een orde van grootte groeien, waarna bijna 40 bioraffinaderijen nodig zijn om aan deze vraag te voldoen. Latex en PHB zijn de twee markten met het grootste volume, waarvoor de output van respectievelijk 180 en 1.500 bioraffinaderijen nodig zou zijn. Ter vergelijking: er zijn momenteel ∼200 fabrieken voor maïsethanol in de Verenigde Staten en deze faciliteiten kunnen uiteindelijk worden omgebouwd of uitgebreid om cellulosebiobrandstoffen te produceren ( ​​

Fig. 5.

Verwachte wereldwijde marktomvang voor elk bioproduct en maximaal aantal bioraffinaderijen dat nodig is om aan de totale wereldwijde vraag te voldoen, gebaseerd op coproductie per faciliteit die nodig is om MESP naar het doel van $ 2,50 / gal te brengen . Marktprojecties: wereldwijde limoneenmarkt ( 64 ), artemisinine-combinatietherapiemarkt ( 65 ), cannabidiolverkoop in de Verenigde Staten ( 61 ), wereldwijde styreenbutadieenlatexmarkt ( 66 ) en wereldwijde PP-markt ( 67 ).

Onze analyse suggereert dat, hoewel geen enkel bioproduct voldoende groot en waardevol zal zijn om de economie van alle biobrandstofproductie op bedrijfsniveau te verbeteren, bio-energiegewassen kunnen worden ontwikkeld om een ​​verscheidenheid aan hoogwaardige producten te produceren in planta em> bij concentraties ver boven het minimum dat nodig is om kosteneffectief te zijn en een aanzienlijke impact te hebben op de commerciële levensvatbaarheid van cellulosebioraffinaderijen. De gerichte bioproducttiters die in kaart worden gebracht op marktprijzen, vormen een blauwdruk voor de volgende generatie grondstoffen, bioraffinaderijen en een robuustere bio-economie in de Verenigde Staten en over de hele wereld. Onze resultaten tonen de cruciale rol aan die techno-economische modellen zullen spelen bij het sturen van de metabole doelen van toekomstige inspanningen op het gebied van plantengineering naar doelen met het potentieel om de grootste impact op de samenleving te maken.

Materialen en methoden

Bio-ethanolproductieprocessimulatie.

De cellulose Het productieproces van bio-ethanol, dat in alle scenario’s gebruikelijk is, omvat het hanteren van grondstoffen, voorbehandeling met ionische vloeistof (IL), enzymatische hydrolyse en fermentatie, productterugwinning, afvalwaterbehandeling en verbrandingssecties van lignine. In elk geval wordt het bioproduct-extractieproces met toegevoegde waarde toegevoegd vóór IL-voorbehandeling zoals weergegeven in Fig. 6 . In deze studie wordt biomassa sorghum gebruikt als representatieve biomassa-grondstof, hoewel de resultaten niet wezenlijk anders zullen zijn voor andere biomassa-grondstoffen. De geselecteerde verbindingen met toegevoegde waarde – waaronder limoneen, artemisinine, PHB, latex en cannabidiol – zijn bijproducten (met ethanol als het belangrijkste product met een hoog volume) in hun respectievelijke scenario’s. We nemen aan dat het coproduct zich ophoopt in het geheel van de bovengrondse sorghum-biomassa, dat het stabiel is in zijn uiteindelijke actieve vorm en dat het niet afbreekt tijdens veroudering van gewassen of langdurige opslag van gedroogde biomassa. We nemen ook aan dat het coproduct kan worden geëxtraheerd zonder de celwand te depolymeriseren en voortijdig suikers of andere verbindingen vrij te maken die het herstel van het product kunnen bemoeilijken. Het grondstofverwerkingsgedeelte van de bioraffinaderij omvat transportbanden en kortdurende opslageenheden. Elke verbinding met toegevoegde waarde die in dit onderzoek wordt overwogen, wordt geëxtraheerd met chemische oplosmiddelen, met behulp van eenheidsprocessen die zijn aangepast voor elk productsoort ( Tabel 1 a>) en ter plaatse opgeslagen. De resterende biomassa sorghum na extractie van coproduct wordt gemengd met IL’s en water bij een IL-tot-biomasseverhouding van 0,29 gew.% En 3 uur voorbehandeld bij 140 ° C ( 46 ). Cholinium lysinaat ([Ch] [Lys]) wordt gebruikt als een representatieve IL vanwege de effectiviteit bij het depolymeriseren van biomassa en de compatibiliteit met enzymen en microben ( 46 ). De aannames en modelleeromstandigheden in verband met de zaadproductie, fermentatie en andere stroomafwaartse processen, waaronder ethanolterugwinning, afvalwaterzuivering en lignineverbranding, komen overeen met het National Renewable Energy Laboratory (NREL) -rapport ( 10 ). Aangenomen wordt dat het glucose-naar-ethanol-conversiepercentage 95% is van de stoichiometrische theoretische opbrengst en het xylose-naar-ethanol-conversiepercentage is ingesteld op 85% van de theoretische opbrengst ( 10 ). De IL wordt na het fermentatieproces gescheiden en teruggevoerd naar het voorbehandelingsproces ( 46 ). Gedetailleerde invoerparameters voor het basisscenario en gevoeligheidsanalyses zijn samengevat in SI Appendix , tabel S2 .

Afb. 6.

Een schema van het productieproces van bio-ethanol met het toegevoegde waarde-bioproduct en het geïntegreerde eenpotige ionische vloeistofgebaseerde voorbehandelingsproces met hoge zwaartekracht. Biomassa sorghum wordt gebruikt als een representatief bio-energiegewas. In dit onderzoek zijn de geselecteerde bioproducten met toegevoegde waarde limoneen, artemisinine, PHB, latex en cannabidiol.

Tabel 1 .

Bedrijfsvoorwaarden voor de geselecteerde extractieprocessen

Selectie van bioproducten met toegevoegde waarde.

Van de geselecteerde verbindingen is limoneen een van de grootste secundaire metabolieten die in planten wordt geproduceerd en een potentiële voorloper van vliegtuigbrandstof ( 47 ) vanwege zijn hoge energiedichtheid, laag vriespunt en goede chemische stabiliteit ( 48 ). Een andere interessante verbinding is een biopolymeer, PHB, dat commercieel wordt geproduceerd in bacteriële systemen en wordt beschouwd als een ideale vervanging voor conventionele kunststoffen vanwege de biologische afbreekbaarheid ( 49 ). In bacteriële gastheren kan PHB worden geaccumuleerd tot 80% van hun celmassa ( 50 ) maar het fermentatieproces kost nog steeds minstens 5 tot 10 keer meer dan de productie van conventionele kunststoffen zoals polyethyleen ( 8 ). Aangezien de PHB-productie met succes is gedemonstreerd in gewassen zoals alfalfa ( 21 ), suikerriet ( 22 ) en switchgrass ( 23 ), het is redelijk om te speculeren dat extra bio-energiegewassen van de volgende generatie kunnen worden ontwikkeld voor PHB-productie. Latex is een ander veelgebruikt materiaal dat in deze studie is geanalyseerd en dat vanwege zijn stroperige eigenschappen mogelijk een uniek extractieproces vereist. Cannabidiol, de primaire actieve stof van hennepolie, is de vierde verbinding die in dit onderzoek is geselecteerd. In 2018 schrapte de Agricultural Improvement Act van 2018 hennep uit de Controlled Substances Act en beschouwde hennep als een landbouwproduct; het stelde staten ook in staat om de regulering van hennepproductie in hun staat vast te stellen ( 51 ).

Verbindingen bedoeld voor farmaceutische toepassingen worden in deze studie onderzocht omdat ze een geschatte bovengrens vertegenwoordigen van de marktwaarde van bioproducten. Artemisinine, een effectief middel tegen malaria, wordt sinds 2012 aanbevolen door de Wereldgezondheidsorganisatie voor de behandeling van ongecompliceerde malaria ( 31 ). Vanwege de onstabiele beschikbaarheid van zijn natuurlijke bron, A. anno fluctueerden het aanbod en de prijs van artemisinine dramatisch ( 37 ). Hoewel technische fabrieken om farmaceutische verbindingen te produceren een uitdaging blijven, zijn producten zoals ebola-vaccins met succes geproduceerd in transgene tabak ( 52 ) .

Bioproductextractie met toegevoegde waarde.

Zorgvuldige selectie van de bioproductextractie en het scheidingsproces is cruciaal om een ​​hoog terugwinningspercentage van bioproducten te bereiken zonder negatieve gevolgen voor het downstream-conversieproces voor biomassa. Hoewel biomassa uiteindelijk zal moeten worden gedepolymeriseerd voor versuikering en ethanolproductie, moet het bioproduct voorafgaand aan depolymerisatie worden geëxtraheerd om de noodzaak van kostbare scheidings- en zuiveringsprocessen te minimaliseren. Daarom overwegen we geen extractiemethoden voor bioproducten die de grondstof voor biomassa zullen depolymeriseren, zoals stoomdestillatie, zure hydrolyse en superkritische kooldioxide. Gedetailleerde processtroomdiagrammen voor de geselecteerde verbindingen met toegevoegde waarde en het bijbehorende extractieproces worden gepresenteerd in het doel SI Appendix , Fig. S1 – S5 . Over het algemeen begint het extractieproces van bioproducten met het malen van biomassa en sorghum en een opeenvolgend extractieproces op basis van oplosmiddelen. De gewenste verbinding wordt geëxtraheerd op basis van gerapporteerde procesomstandigheden, die zijn samengevat in Tabel 1 . Na extractie wordt het oplosmiddel verdampt, gecondenseerd en gerecycled. Het gewonnen materiaal (bioproduct met toegevoegde waarde) wordt verzameld, gezuiverd en ter plaatse opgeslagen. Ongeacht de geselecteerde toegevoegde producten met toegevoegde waarde, wordt aangenomen dat 5% van het geëxtraheerde bioproduct verloren gaat tijdens het zuiveringsproces ( 36 a>) en 1% verlies van droge stof aan biomassa wordt aangenomen tijdens het extractieproces. Bovendien wordt aangenomen dat de zuiverheid van alle verbindingen ∼99% is ( 12 , 36 , 53 , 54 ).

Hexaan wordt gebruikt om limoneen uit biomassa te extraheren sorghum omdat het goedkoop is en relatief weinig energie nodig heeft voor herstel ( 14 , 55 ). Pure n -hexaan is vanwege zijn ontvlambaarheid en explosieve eigenschappen niet geschikt voor commerciële toepassingen ( https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Hexane ). Het commerciële hexaan is een mengsel van isomeren met vergelijkbare chemische eigenschappen als n -hexaan, maar heeft lagere kook- en smeltpunten, waardoor het veel wordt gebruikt bij de productie van plantaardige olie ( 56 ). Hexaan wordt in deze studie ook gebruikt voor het extraheren van artemisinine omdat het een gevestigde technologie is in de landen waar A. annua wordt verwerkt ( 55 ). Hexaan is echter giftig voor micro-organismen [concentratie van 13 g / L werd gebruikt in toxiciteitstest ( 56 )], die de ethanolproductie kan remmen ( 55 ). Daarom moet het hexaanresidu zoveel mogelijk worden verdampt voorafgaand aan de fermentatie om een ​​negatief effect op de brandstofopbrengst te voorkomen. Bij het PHB-extractieproces wordt butylacetaat gebruikt als extractie-oplosmiddel. Vergeleken met een standaard gehalogeneerd oplosmiddel, zoals chloroform, is dit niet-gehalogeneerde oplosmiddel minder gevaarlijk voor de menselijke en ecologische gezondheid ( 57 ) en resulteert in een hoger PHB-herstelpercentage (∼96% van Cupriavidus necator ) ( 54 een>). Net als hexaan is butylacetaat matig giftig voor microben. Laboratoriumresultaten geven aan dat butylacetaatconcentraties> 4 g / l giftig zijn voor Escherichia coli en onder de 2,5 g / l moeten worden gehouden ( 58 ). Voor latex is het niet haalbaar om kleine planten af ​​te tappen om latex te extraheren, wat de standaard extractiemethode is voor rubberbomen ( 53 een>). Zo ontwikkelden onderzoekers een stromingsmethode, die gebruik maakt van een waterige extractiebuffer (0,2% NH 3 en 0,1% Na 2 SO 4 ) om latex herstellen ( 26 , 53 ). Het herstelproces voor latex vereist meerdere centrifugeringsfasen na extractie vanwege de hoge viscositeit ( 53 ). Cannabidiol wordt gewonnen uit hennep met behulp van superkritische koolstofdioxide, koolwaterstoffen en ethanol. Deze studie beschouwt extractie van cannabidiol met een mengsel van methanol en hexaan (9: 1) als oplosmiddel ( 59 ).

Techno-economische analyse.

Voor elk scenario een sorghum-naar-ethanol op commerciële schaal (met extractie van bioproducten) model wordt geconstrueerd en gesimuleerd met behulp van de procesmodelleringssoftware SuperPro Designer v10 (Intelligen, Inc.). De capaciteit van de gemodelleerde bioraffinaderij is 2.000 droge ton biomassa per dag en de jaarlijkse bedrijfstijd is 8.410 uur per jaar. Biomassa-sorghum met een vochtgehalte van 20% wordt beschouwd als de biomassa-grondstof en de structurele samenstelling ervan is samengevat in SI-bijlage , tabel S2 . Ethanol is het belangrijkste product, samen met elk van de geselecteerde verbindingen met toegevoegde waarde die als bijproduct worden geproduceerd in hun respectieve scenario’s. Na het uitvoeren van een massa- en energiebalansanalyse in SuperPro Designer , worden TCI, AOC en MESP bepaald. De TCI omvat de investering in vast kapitaal (FCI), grondkosten, werkkapitaal en opstartkosten. FCI is de som van de kosten voor geïnstalleerde apparatuur, magazijn, veldkosten, bouwkosten, kosten voor onvoorziene projecten en andere kosten, inclusief leidingkosten ( 10 ). Aankoopprijzen van apparatuur en installatiemultiplicatoren ( SI Appendix , tabel S3 ) zijn gebaseerd op een “ n th plant” -aanname en de prijsindex en schaalfactoren zijn geharmoniseerd met het veel geciteerde NREL-rapport over graan-naar-ethanol uit 2011 ( 10 ). Werkkapitaal en opstartkosten worden verondersteld 5% van de FCI te bedragen. De kostenfactoren die worden gebruikt om de directe en indirecte kosten te bepalen, zoals installatie, leidingen, terreinontwikkeling, grond, magazijn, veldkosten, onvoorziene projecten, bouwkosten en andere kosten, komen overeen met het NREL-rapport van 2011 ( 10 ) en is te vinden in SI Appendix , tabel S4 .

De AOC bevat grondstofkosten, energiekosten, arbeidskosten en faciliteitsafhankelijke kosten. De kosten van de geleverde biomassa-sorghumgrondstof worden geschat op $ 95,0 / droge ton ( 33 ). Hoewel de leveringskosten van sorghum uit biomassa niet specifiek zijn voor geconstrueerde sorghum uit biomassa, zijn de grondstofkosten hoger dan de door het Amerikaanse Department of Energy gerichte lignocellulose-biomassa-leveringskosten van $ 80,0 / ton ( 60 ). Hoewel de kosten voor het oogsten, transporteren en opslaan van biomassa gelijk blijven, ongeacht of er al dan niet geconstrueerde sorghum van biomassa is, kan de geconstrueerde sorghum van biomassa verschillende voedingsbehoeften hebben of meer of minder vatbaar zijn voor verschillende biotische of abiotische spanningen. Deze factoren kunnen alleen verder worden onderzocht als er eenmaal geconstrueerde planten zijn geproduceerd en getest in de kas en in het veld. Om deze bronnen van onzekerheid vast te leggen, hebben we gevoeligheidsanalyses uitgevoerd op de toevoerkosten van grondstoffen. De prijzen van andere grondstoffen worden vermeld in SI Appendix , tabel S2 . De benodigde processtoom wordt ter plaatse gegenereerd door de verbranding van lignine en de resterende vaste stoffen, evenals biogas dat wordt gegenereerd uit de afvalwaterzuiveringssectie. Arbeidsvereisten zijn consistent met het NREL-rapport van 2011 ( 10 ); de bijbehorende salarissen zijn afkomstig van de arbeidsmarkt van 2018. De faciliteitafhankelijke kosten omvatten onderhouds- en verzekeringskosten, die respectievelijk 3% en 0,7% van de kosten van geïnstalleerde apparatuur bedragen ( 10 ).

De MESP wordt bepaald met behulp van verdisconteerde cashflowanalyse. De levensduur van de bioraffinaderij wordt verondersteld 30 jaar te zijn, met een intern rendement van 10%. Afschrijving wordt verantwoord met behulp van het gewijzigde systeem voor versnelde kostendekking. De bouwtijd voor de bioraffinaderij wordt vastgesteld op 36 mnd en de opstarttijd wordt verondersteld 6 mnd te zijn ( 10 een>). De MESP wordt berekend als de verkoopprijs voor ethanol die vereist is om voor elke faciliteit een netto contante waarde van nul te bereiken. De huidige marktprijzen van de geselecteerde verbindingen met toegevoegde waarde, met uitzondering van cannabidiol en PHB, zijn gebaseerd op literatuur en brancherapporten ( SI Appendix , tabel S1 ). De cannabidiol-prijs wordt verkregen uit van hennep afgeleide cannabidiololieproducten ( 61 ). De prijs van polypropyleen (PP) wordt gebruikt als een proxy voor de PHB-prijs omdat PHB dat in de bioraffinaderij wordt geproduceerd uiteindelijk uiteindelijk zal concurreren met conventionele kunststoffen en de eigenschappen ervan zijn het meest vergelijkbaar met PP ( 62 ). De historische prijzen van elke verbinding en de distributie ervan ( SI Appendix , Tabel S1 ) werden gebruikt om de bereiken van accumulatieniveaus te schatten die nodig zijn om de ethanolkostenpariteit met de basislijn te bereiken en om de lagere MESP van $ 2,50 / gal te bereiken. Nadat we het kostenbereik voor het extractie- en terugwinningsproces van elk bioproduct hadden geschat, gebruikten we deze waarden om een ​​driehoekige verdeling te creëren met als doel een algemene minimumverkoopprijs voor bioproducten te schatten als functie van de massafractie in de grondstof. De single-point gevoeligheidsanalyse werd uitgevoerd met behulp van de minimum- en maximumwaarden van elke invoerparameter zoals vermeld in SI-bijlage , tabel S2 . Verschillende inputfactoren, waaronder maar niet beperkt tot IL voorbehandeling condities, grondstofkosten, coproduct extractie condities, en feedstock prijs werden onderzocht om de meest invloedrijke inputparameter op de uiteindelijke MESP in elk scenario te identificeren. Alle kosten in dit onderzoek worden gerapporteerd in Amerikaanse dollars van 2018.

Verklaring over gegevensbeschikbaarheid.

Alle gegevens die in de paper worden besproken, zijn gepubliceerd in SI Appendix .

Dankwoord

Dit werk was onderdeel van het Department of Energy, Joint BioEnergy Institute ( http://www.jbei.org ) ondersteund door het Amerikaanse Department of Energy, Office of Science, Office of Biological and Environmental Research, via contract DE-AC02-05CH11231 tussen Lawrence Berkeley National Laboratory en d het Amerikaanse Ministerie van Energie. De Amerikaanse regering behoudt en de uitgever erkent, door het artikel voor publicatie te accepteren, dat de Amerikaanse regering een niet-exclusieve, betaalde, onherroepelijke, wereldwijde licentie behoudt om de gepubliceerde vorm van dit manuscript te publiceren of te reproduceren, of anderen toe te staan om dit te doen, voor doeleinden van de Amerikaanse regering. P.M.S. werd ondersteund door het Department of Energy (DE-AC02-05CH11231) en startfinanciering verstrekt door de University of California, Davis.

Voetnoten

  • Auteursbijdragen: MY, BAS, JCM, PMS en CDS ontworpen onderzoek; MIJN. en N.R.B. uitgevoerd onderzoek; MIJN. geanalyseerde gegevens; en M.Y., N.R.B., J.C.M., P.M.S. en C.D.S. schreef het artikel.

  • De auteurs verklaren geen concurrerende belangen.

  • Dit artikel is een PNAS Direct Submission.

  • Dit artikel bevat ondersteunende informatie online op https: / /www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.2000053117/-/DCSupplemental .

  • Copyright © 2020 de auteur (s). Gepubliceerd door PNAS.

Dit open access-artikel wordt gedistribueerd onder Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives License 4.0 (CC BY-NC-ND) .

Abstract bekijken