La biotecnología moderna permite el uso de microorganismos modificados como E.coli, levaduras y algas para la producción de productos químicos que actualmente se derivan principalmente de materias primas de combustibles fósiles. Los procesos que emplean estas rutas biológicas («productos químicos de base biológica»), en contraposición a los complejos pasos de conversión a partir de materias primas de combustibles fósiles, podrían ser en algunos casos económicamente prometedores. Otras ventajas de los bioprocesos son las condiciones de producción suaves y la selectividad hacia un producto específico. Sin embargo, el efluente de los biorreactores es diluido (contiene menos del 20 % en peso de producto), por lo que la separación posterior suele ser cara (suele suponer entre el 60 % y el 80 % del coste total de producción). Los trabajos anteriores sobre la síntesis de procesos de bioseparación se han centrado principalmente en productos específicos. La investigación sobre el tratamiento sistemático del problema de la síntesis de procesos generales ha sido limitada. Con este fin, desarrollamos un marco general, basado en la optimización de superestructuras, para la síntesis de procesos de bioseparación (véase la Figura 1).

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Figura 1. Marco general para la síntesis de procesos de bioseparación basada en la optimización de superestructuras.

Específicamente, basándonos en los principios generales de separación y en los conocimientos obtenidos de los procesos industriales para productos específicos, identificamos primero cuatro etapas de separación: Etapa 1 – tratamiento celular, en la que las células se cosechan y luego se interrumpen para liberar los productos intracelulares (presentes si el producto es intracelular; omitidos si el producto es extracelular); Etapa 2 – aislamiento de la fase del producto, en la que se aísla la fase que contiene el producto; Etapa 3 – concentración y purificación, en la que se eliminan el agua y las impurezas; Etapa 4 – refinamiento, en la que se refina aún más el producto. Basándonos en las cuatro etapas, primero realizamos un análisis por etapas de los procesos generales de bioseparación. A continuación, para cada etapa, aplicamos sistemáticamente un conjunto de reglas de conectividad para desarrollar superestructuras por etapas, que luego se integran para generar una superestructura general (véase la figura 2) que da cuenta de todos los tipos de productos químicos producidos con microorganismos. Además, desarrollamos un método de reducción de la superestructura para resolver instancias específicas, basadas en los atributos del producto, la disponibilidad de la tecnología, las consideraciones específicas del caso y las especificaciones del producto final (véase un ejemplo en la Figura 2). A continuación, se formula un modelo general de optimización que incluye modelos de atajo para todos los tipos de unidades consideradas en el marco.

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Figura 2. La superestructura general de bioseparación (incluyendo las partes «atenuadas»), y la superestructura reducida (excluyendo las partes atenuadas) para un ejemplo. El producto de la corriente inicial alimentada a la red de separación es extracelular (EX), insoluble en agua (NSL), ligero (LT, es decir, con densidad inferior a la del agua), no volátil (NVL, es decir, con volatilidad inferior a la del agua), un líquido en condiciones normales (LQD) y un producto químico básico (CMD). Se requiere que el producto sea completamente incoloro en su forma final, y todas las tecnologías de la superestructura general están disponibles excepto la filtración. Los recuadros representan unidades, y las etiquetas en ellos denotan los tipos de unidades, por ejemplo, Dst (destilación), Mbr (membrana), Ext (extracción) y Ads (adsorción). Las unidades que funcionan juntas para una tarea principal común se agrupan en un módulo (representado por un rectángulo redondeado discontinuo), y la etiqueta correspondiente denota los atributos del producto que son aplicables al módulo, por ejemplo, el módulo «NSL LT» sólo es aplicable a los productos que son NSL y LT.