Nykyaikainen biotekniikka mahdollistaa muokattujen mikro-organismien, kuten E.coli-, hiiva- ja levämikrobien käytön sellaisten kemikaalien tuotannossa, jotka tällä hetkellä saadaan pääasiassa fossiilisista polttoaineista. Prosessit, joissa käytetään tällaisia biologisia reittejä (”biopohjaiset kemikaalit”) fossiilisista polttoaineista peräisin olevien monimutkaisten muuntovaiheiden sijaan, voivat joissakin tapauksissa olla taloudellisesti lupaavia. Bioprosessien lisäetuja ovat muun muassa hellävaraiset tuotanto-olosuhteet ja selektiivisyys tiettyä tuotetta kohtaan. Bioreaktoreiden jätevesi on kuitenkin laimeaa (sisältää alle 20 painoprosenttia tuotetta), joten jatkojalostus on yleensä kallista (sen osuus kokonaistuotantokustannuksista on yleensä 60-80 prosenttia). Aiemmissa bioerotusprosessien synteesiä koskevissa töissä on keskitytty pääasiassa tiettyihin tuotteisiin. Yleisen prosessisynteesiongelman systemaattista käsittelyä on tutkittu vain vähän. Tätä varten kehitämme superrakenneoptimointiin perustuvan yleisen kehyksen bio-erotusprosessien synteesiä varten (ks. kuva 1).

1
Kuva 1. Yleinen kehys superrakenneoptimointiin perustuvalle bioerotusprosessien synteesille.

Kohtaisesti yleisten erotusperiaatteiden ja tiettyjen tuotteiden teollisista prosesseista saatujen oivallusten perusteella tunnistamme ensin neljä erotusvaihetta: Vaihe 1 – solujen käsittely, jossa solut kerätään ja sitten hajotetaan solunsisäisten tuotteiden vapauttamiseksi (läsnä, jos tuote on solunsisäinen; ohitetaan, jos tuote on solunulkoinen); Vaihe 2 – tuotevaiheen eristäminen, jossa tuotetta sisältävä vaihe eristetään; Vaihe 3 – konsentrointi ja puhdistus, jossa vesi ja epäpuhtaudet poistetaan; Vaihe 4 – jalostus, jossa tuote jalostetaan edelleen. Näiden neljän vaiheen perusteella tehdään ensin vaiheittainen analyysi yleisistä bioerotusprosesseista. Sen jälkeen kunkin vaiheen osalta toteutetaan järjestelmällisesti joukko liitettävyyssääntöjä vaiheiden päällysrakenteiden kehittämiseksi, jotka kaikki integroidaan yleisen päällysrakenteen luomiseksi (ks. kuva 2), joka kattaa kaikki mikro-organismien avulla tuotetut kemikaalityypit. Lisäksi kehitämme ylärakenteen pelkistysmenetelmän, jolla ratkaistaan erityistapaukset tuoteominaisuuksien, teknologian saatavuuden, tapauskohtaisten näkökohtien ja lopputuotespesifikaatioiden perusteella (ks. esimerkki kuvassa 2). Tämän jälkeen muotoillaan yleinen optimointimalli, joka sisältää oikopolkumallit kaikille kehyksessä tarkastelluille yksikkötyypeille.

2
Kuva 2. Yleinen bioerotuksen ylärakenne (mukaan lukien ”himmennetyt” osat) ja supistettu ylärakenne (pois lukien himmennetyt osat) esimerkkitapausta varten. Erotusverkostoon syötetyn alkutuotevirran tuote on solunulkoinen (EX), veteen liukenematon (NSL), kevyt (LT, eli tiheys on pienempi kuin veden tiheys), ei-haihtuva (NVL, eli haihtuvuus on pienempi kuin veden haihtuvuus), normaalioloissa oleva neste (LQD) ja peruskemikaali (CMD). Tuotteen on oltava täysin väritön lopullisessa tuotemuodossaan, ja kaikki yleiseen rakenteeseen kuuluvat tekniikat ovat käytettävissä suodatusta lukuun ottamatta. Laatikot kuvaavat yksiköitä, ja niissä olevat merkinnät kuvaavat yksikkötyyppejä, esim. Dst (tislaus), Mbr (kalvo), Ext (uutto) ja Ads (adsorptio). Yksiköt, jotka toimivat yhdessä yhteistä päätehtävää varten, ryhmitellään moduuleiksi (kuvattu katkoviivoitetulla pyöristetyllä suorakulmiolla), ja vastaava merkintä ilmaisee tuoteattribuutit, joita voidaan soveltaa moduuliin, esim. ”NSL LT” -moduuli soveltuu vain tuotteisiin, jotka ovat NSL ja LT.