La biotechnologie moderne permet l’utilisation de micro-organismes modifiés tels que E.coli, la levure et les algues pour la production de produits chimiques qui sont actuellement principalement dérivés de matières premières de combustibles fossiles. Les procédés qui utilisent de telles voies biologiques (« produits chimiques biosourcés »), par opposition aux étapes complexes de conversion à partir de matières premières fossiles, pourraient dans certains cas être économiquement prometteurs. Parmi les autres avantages des bioprocédés, citons les conditions de production douces et la sélectivité à l’égard d’un produit spécifique. Cependant, l’effluent des bioréacteurs est dilué (il contient moins de 20 % en poids de produit), et la séparation en aval a donc tendance à être coûteuse (elle représente généralement 60 à 80 % du coût total de production). Les travaux antérieurs sur la synthèse des procédés de bioséparation ont été principalement axés sur des produits spécifiques. Il y a eu peu de recherches sur le traitement systématique du problème général de la synthèse des processus. À cette fin, nous développons un cadre général, basé sur l’optimisation de superstructure, pour la synthèse des processus de bio-séparation (voir la figure 1).

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Figure 1. Cadre général pour la synthèse des procédés de bio-séparation basée sur l’optimisation des superstructures.

Spécifiquement, sur la base des principes généraux de séparation et des connaissances obtenues à partir de procédés industriels pour des produits spécifiques, nous identifions d’abord quatre étapes de séparation : Étape 1 – traitement cellulaire, où les cellules sont récoltées puis perturbées pour libérer les produits intracellulaires (présents si le produit est intracellulaire ; contournés si le produit est extracellulaire) ; Étape 2 – isolement de la phase du produit, où la phase qui contient le produit est isolée ; Étape 3 – concentration et purification, où l’eau et les impuretés sont éliminées ; Étape 4 – raffinement, où le produit est encore raffiné. Sur la base de ces quatre étapes, nous effectuons d’abord une analyse par étapes des processus généraux de bioséparation. Ensuite, pour chaque étape, nous mettons systématiquement en œuvre un ensemble de règles de connectivité pour développer des superstructures d’étape, qui sont ensuite intégrées pour générer une superstructure générale (voir la figure 2) qui tient compte de tous les types de produits chimiques fabriqués à l’aide de micro-organismes. Nous développons ensuite une méthode de réduction de la superstructure pour résoudre des instances spécifiques, basées sur les attributs du produit, la disponibilité de la technologie, les considérations spécifiques au cas et les spécifications du produit final (voir un exemple à la figure 2). Un modèle d’optimisation général, comprenant des modèles de raccourcis pour tous les types d’unités considérés dans le cadre, est ensuite formulé.

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Figure 2. La superstructure générale de bio-séparation (y compris les parties  » dimmées « ), et la superstructure réduite (excluant les parties dimmées) pour un exemple d’instance. Le produit dans le flux de produit initial alimentant le réseau de séparation est extracellulaire (EX), insoluble dans l’eau (NSL), léger (LT, c’est-à-dire avec une densité inférieure à celle de l’eau), non volatil (NVL, c’est-à-dire avec une volatilité inférieure à celle de l’eau), un liquide à condition normale (LQD), et un produit chimique de base (CMD). Le produit doit être complètement incolore dans sa forme finale et toutes les technologies de la superstructure générale sont disponibles, sauf la filtration. Les cases représentent les unités et les étiquettes indiquent les types d’unités, par exemple, Dst (distillation), Mbr (membrane), Ext (extraction) et Ads (adsorption). Les unités qui fonctionnent ensemble pour une tâche majeure commune sont regroupées dans un module (représenté par un rectangle arrondi en pointillés), et l’étiquette correspondante indique les attributs du produit qui sont applicables au module, par exemple, le module « NSL LT » est uniquement applicable aux produits qui sont NSL et LT.