Moderní biotechnologie umožňuje využití upravených mikroorganismů, jako jsou E.coli, kvasinky a řasy, pro výrobu chemických látek, které se v současnosti získávají převážně z fosilních surovin. Procesy, které využívají takové biologické cesty („biochemikálie“), na rozdíl od složitých konverzních kroků z fosilních palivových surovin, by mohly být v některých případech ekonomicky perspektivní. Mezi další výhody bioprocesů patří mírné výrobní podmínky a selektivita vůči konkrétnímu produktu. Výtok z bioreaktorů je však zředěný (obsahuje méně než 20 % hm. produktu), a proto bývá následná separace drahá (obvykle představuje 60-80 % celkových výrobních nákladů). Dosavadní práce na syntéze bioseparačních procesů byly zaměřeny především na specifické produkty. Výzkum zaměřený na systematické zpracování obecného problému syntézy procesů byl omezený. Za tímto účelem vyvíjíme obecný rámec založený na nadstavbové optimalizaci pro syntézu bio-separačních procesů (viz obrázek 1).

1
Obrázek 1. Obecný rámec pro syntézu bio-separačních procesů na základě optimalizace superstruktury.

Konkrétně na základě obecných separačních principů a poznatků získaných z průmyslových procesů pro konkrétní produkty nejprve určíme čtyři separační fáze: Fáze 1 – zpracování buněk, kdy jsou buňky odebrány a následně rozrušeny, aby se uvolnily intracelulární produkty (přítomné, pokud je produkt intracelulární; obcházené, pokud je produkt extracelulární); fáze 2 – izolace fáze produktu, kdy je izolována fáze, která obsahuje produkt; fáze 3 – koncentrace a čištění, kdy je odstraněna voda a nečistoty; fáze 4 – rafinace, kdy je produkt dále rafinován. Na základě těchto čtyř fází nejprve provedeme fázovou analýzu obecných procesů biologické separace. Poté pro každou fázi systematicky zavádíme soubor pravidel konektivity, abychom vytvořili fázové nadstavby, které jsou následně integrovány a vytvářejí obecnou nadstavbu (viz obrázek 2), která zohledňuje všechny typy chemických látek vyráběných pomocí mikroorganismů. Dále vyvíjíme metodu redukce nadstavby pro řešení konkrétních případů na základě atributů výrobku, dostupnosti technologie, úvah o konkrétním případu a specifikací konečného výrobku (viz příklad na obrázku 2). Poté je formulován obecný optimalizační model včetně modelů zkratek pro všechny typy jednotek uvažovaných v rámci.

2
Obrázek 2. Obecná nadstavba biologické separace (včetně „zmenšených“ částí) a redukovaná nadstavba (bez zmenšených částí) pro příkladovou instanci. Produkt v počátečním proudu produktu přiváděném do separační sítě je mimobuněčný (EX), nerozpustný ve vodě (NSL), lehký (LT, tj. s hustotou nižší než hustota vody), netěkavý (NVL, tj. s těkavostí nižší než hustota vody), kapalina za normálního stavu (LQD) a komoditní chemikálie (CMD). Požaduje se, aby byl výrobek ve své konečné podobě zcela bezbarvý a aby byly k dispozici všechny technologie v obecné nadstavbě s výjimkou filtrace. Rámečky představují jednotky a značky v nich označují typy jednotek, např. Dst (destilace), Mbr (membrána), Ext (extrakce) a Ads (adsorpce). Jednotky, které fungují společně při společném hlavním úkolu, jsou seskupeny do modulu (znázorněného čárkovaným zaobleným obdélníkem) a příslušné označení označuje atributy výrobku, které jsou pro daný modul použitelné, např. modul „NSL LT“ je použitelný pouze pro výrobky, které jsou NSL a LT.

.