Die moderne Biotechnologie ermöglicht den Einsatz von gentechnisch veränderten Mikroorganismen wie E.coli, Hefe und Algen für die Herstellung von Chemikalien, die derzeit hauptsächlich aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden. Verfahren, die solche biologischen Wege („biobasierte Chemikalien“) im Gegensatz zu komplexen Umwandlungsschritten aus fossilen Brennstoffen nutzen, könnten in einigen Fällen wirtschaftlich vielversprechend sein. Zu den weiteren Vorteilen von Bioprozessen gehören die milden Produktionsbedingungen und die Selektivität für ein bestimmtes Produkt. Allerdings ist der Ausfluss von Bioreaktoren verdünnt (er enthält weniger als 20 Gew.-% Produkt), so dass die nachgeschaltete Abtrennung in der Regel teuer ist (sie macht in der Regel 60-80 % der gesamten Produktionskosten aus). Bisherige Arbeiten zur Synthese von Biotrennverfahren haben sich hauptsächlich auf bestimmte Produkte konzentriert. Die Forschung zur systematischen Behandlung des allgemeinen Problems der Prozesssynthese ist begrenzt. Zu diesem Zweck entwickeln wir einen allgemeinen Rahmen für die Synthese von Bioseparationsprozessen, der auf der Optimierung von Überstrukturen basiert (siehe Abbildung 1).

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Abbildung 1. Allgemeiner Rahmen für die auf Überbauoptimierung basierende Synthese von Biotrennverfahren.

Speziell, basierend auf allgemeinen Trennungsprinzipien und Erkenntnissen aus industriellen Prozessen für spezifische Produkte, identifizieren wir zunächst vier Trennungsstufen: Stufe 1 – Zellbehandlung, bei der Zellen geerntet und dann aufgebrochen werden, um intrazelluläre Produkte freizusetzen (vorhanden, wenn das Produkt intrazellulär ist; umgangen, wenn das Produkt extrazellulär ist); Stufe 2 – Produktphasenisolierung, bei der die Phase, die das Produkt enthält, isoliert wird; Stufe 3 – Konzentration und Reinigung, bei der Wasser und Verunreinigungen entfernt werden; Stufe 4 – Verfeinerung, bei der das Produkt weiter verfeinert wird. Auf der Grundlage der vier Stufen führen wir zunächst eine stufenweise Analyse der allgemeinen Bioseparationsverfahren durch. Dann setzen wir für jede Stufe systematisch eine Reihe von Konnektivitätsregeln ein, um Stufen-Superstrukturen zu entwickeln, die dann alle integriert werden, um eine allgemeine Superstruktur (siehe Abbildung 2) zu erzeugen, die alle Arten von Chemikalien berücksichtigt, die mit Hilfe von Mikroorganismen hergestellt werden. Darüber hinaus entwickeln wir eine Methode zur Reduktion der Überstruktur, um spezifische Instanzen auf der Grundlage von Produktattributen, Technologieverfügbarkeit, fallspezifischen Überlegungen und Endproduktspezifikationen zu lösen (siehe ein Beispiel in Abbildung 2). Anschließend wird ein allgemeines Optimierungsmodell formuliert, das Abkürzungsmodelle für alle im Rahmen betrachteten Einheitentypen enthält.

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Abbildung 2. Der allgemeine Bioabscheidungsüberbau (einschließlich der „gedimmten“ Teile) und der reduzierte Überbau (ohne die gedimmten Teile) für einen Beispielfall. Das Produkt im anfänglichen Produktstrom, der dem Trennnetzwerk zugeführt wird, ist extrazellulär (EX), wasserunlöslich (NSL), leicht (LT, d. h. mit einer geringeren Dichte als die von Wasser), nicht flüchtig (NVL, d. h. mit einer geringeren Flüchtigkeit als die von Wasser), eine Flüssigkeit unter normalen Bedingungen (LQD) und ein chemischer Grundstoff (CMD). Das Produkt muss in seiner endgültigen Form völlig farblos sein, und bis auf die Filtration sind alle Technologien des allgemeinen Aufbaus verfügbar. Die Kästchen stellen Einheiten dar, und die Bezeichnungen in ihnen bezeichnen die Einheitstypen, z. B. Dst (Destillation), Mbr (Membran), Ext (Extraktion) und Ads (Adsorption). Einheiten, die für eine gemeinsame Hauptaufgabe zusammenarbeiten, werden in einem Modul gruppiert (dargestellt durch ein gestricheltes abgerundetes Rechteck), und die entsprechende Beschriftung gibt die Produktattribute an, die für das Modul gelten, z. B. ist das Modul „NSL LT“ nur auf Produkte anwendbar, die NSL und LT sind.