Moderne bioteknologi gør det muligt at anvende manipulerede mikroorganismer som E.coli, gær og alger til produktion af kemikalier, der i øjeblikket hovedsageligt stammer fra råmaterialer af fossilt brændstof. Processer, der anvender sådanne biologiske ruter (“biobaserede kemikalier”) i modsætning til komplekse omdannelsestrin fra råmaterialer af fossilt brændstof, kan i nogle tilfælde være økonomisk lovende. Yderligere fordele ved bioprocesser er bl.a. milde produktionsbetingelser og selektivitet i forhold til et bestemt produkt. Udløbet fra bioreaktorer er imidlertid fortyndet (det indeholder mindre end 20 vægtprocent produkt), og derfor er separationen i efterfølgende produktionsled ofte dyr (den udgør normalt 60-80 % af de samlede produktionsomkostninger). Tidligere arbejde med syntesen af bio-separationsprocesser har hovedsagelig været fokuseret på specifikke produkter. Der har kun været begrænset forskning i systematisk behandling af det generelle problem med processyntesen. Med henblik herpå udvikler vi en generel ramme baseret på overbygningsoptimering til syntese af bio-separationsprocesser (se figur 1).

1
Figur 1. Generel ramme for den superstrukturoptimeringsbaserede syntese af bio-separationsprocesser.

Specifikt, baseret på generelle separationsprincipper og indsigt opnået fra industrielle processer for specifikke produkter, identificerer vi først fire separationsfaser: Trin 1 – cellebehandling, hvor cellerne høstes og derefter opløses for at frigøre intracellulære produkter (til stede, hvis produktet er intracellulært; omgås, hvis produktet er ekstracellulært); Trin 2 – isolering af produktfasen, hvor den fase, der indeholder produktet, isoleres; Trin 3 – koncentration og rensning, hvor vand og urenheder fjernes; Trin 4 – raffinering, hvor produktet raffineres yderligere. På grundlag af de fire faser foretager vi først en fasevis analyse af generelle bio-separationsprocesser. Derefter gennemfører vi for hvert trin systematisk et sæt forbindelsesregler for at udvikle trin-overstrukturer, som alle integreres for at generere en generel overbygning (se figur 2), der tager højde for alle typer kemikalier, der fremstilles ved hjælp af mikroorganismer. Vi udvikler endvidere en overbygningsreduktionsmetode til at løse specifikke tilfælde baseret på produktattributter, teknologisk tilgængelighed, case-specifikke overvejelser og endelige produktspecifikationer (se et eksempel i figur 2). Derefter formuleres en generel optimeringsmodel, herunder genvejsmodeller for alle typer enheder, der betragtes i rammen.

2
Figur 2. Den generelle bio-separationsoverbygning (inklusive de “dimmerede” dele) og den reducerede overbygning (eksklusive de dimmerede dele) for et eksempeleksempel. Produktet i den oprindelige produktstrøm, der tilføres separationsnettet, er ekstracellulært (EX), uopløseligt i vand (NSL), let (LT, dvs. med en massefylde, der er lavere end vandets), ikke-flygtigt (NVL, dvs. med en flygtighed, der er lavere end vandets), en væske i normal tilstand (LQD) og en kemisk råvare (CMD). Produktet skal være fuldstændig farveløst i sin endelige produktform, og alle teknologier i den generelle overbygning er tilgængelige med undtagelse af filtrering. Kasserne repræsenterer enheder, og etiketterne i dem angiver enhedstyperne, f.eks. Dst (destillation), Mbr (membran), Ext (ekstraktion) og Ads (adsorption). Enheder, der fungerer sammen til en fælles hovedopgave, er grupperet i et modul (repræsenteret ved et stiplet afrundet rektangel), og den tilsvarende etiket angiver de produktattributter, der gælder for modulet, f.eks. gælder modulet “NSL LT” kun for produkter, der er NSL og LT.