A modern biotechnológia lehetővé teszi a mesterséges mikroorganizmusok, például az E.coli, az élesztő és az alga felhasználását olyan vegyi anyagok előállítására, amelyeket jelenleg főként fosszilis tüzelőanyag-alapanyagokból nyernek. Az ilyen biológiai útvonalakat alkalmazó eljárások (“bioalapú vegyi anyagok”), szemben a fosszilis tüzelőanyagokból származó összetett átalakítási lépésekkel, bizonyos esetekben gazdaságilag ígéretesek lehetnek. A biofolyamatok további előnyei közé tartozik az enyhe előállítási körülmények és az adott termék iránti szelektivitás. A bioreaktorokból származó szennyvíz azonban híg (kevesebb mint 20 tömegszázaléknyi terméket tartalmaz), ezért az utólagos szétválasztás általában költséges (általában a teljes termelési költség 60-80 %-át teszi ki). A bio-szétválasztási eljárások szintézisével kapcsolatos korábbi munkák főként specifikus termékekre összpontosítottak. Kevés kutatás irányult az általános folyamatszintézis problémájának szisztematikus kezelésére. Ennek érdekében egy általános, szuperstruktúra-optimalizáláson alapuló keretrendszert dolgozunk ki a bio-szétválasztási folyamatok szintézisére (lásd az 1. ábrát).

1
1. ábra. A bio-szétválasztási folyamatok szuperstruktúra-optimalizáláson alapuló szintézisének általános kerete.

Konkrétan, az általános elválasztási elvek és a konkrét termékek ipari folyamataiból nyert meglátások alapján először négy elválasztási szakaszt azonosítunk: szakasz – sejtkezelés, ahol a sejteket betakarítják, majd megbontják, hogy felszabadítsák az intracelluláris termékeket (jelen van, ha a termék intracelluláris; megkerülve, ha a termék extracelluláris); 2. szakasz – termékfázis izolálása, ahol a terméket tartalmazó fázist izolálják; 3. szakasz – koncentrálás és tisztítás, ahol a vizet és a szennyeződéseket eltávolítják; 4. szakasz – finomítás, ahol a terméket tovább finomítják. A négy szakasz alapján először az általános bio-szétválasztási folyamatok szakaszonkénti elemzését végezzük el. Ezután minden egyes szakaszra szisztematikusan alkalmazunk egy sor kapcsolódási szabályt a szakasz-szuperstruktúrák kialakításához, amelyek mindegyikét integráljuk egy általános szuperstruktúra létrehozásához (lásd a 2. ábrát), amely a mikroorganizmusok felhasználásával előállított összes vegyszertípust figyelembe veszi. A termékjellemzők, a technológia elérhetősége, az esetspecifikus megfontolások és a végtermék specifikációi alapján továbbfejlesztünk egy szuperstruktúra-redukciós módszert a konkrét esetek megoldására (lásd a 2. ábrán egy példát). Ezt követően egy általános optimalizációs modellt fogalmazunk meg, amely a keretrendszerben figyelembe vett összes egységtípusra vonatkozó rövidítési modelleket tartalmaz.

2
2. ábra. Az általános bio-szétválasztási szuperstruktúra (beleértve a “dimmelt” részeket), és a redukált szuperstruktúra (a dimmelt részek nélkül) egy példapéldányra. Az elválasztó hálózatba táplált kezdeti termékáramban lévő termék extracelluláris (EX), vízben nem oldódó (NSL), könnyű (LT, azaz a víz sűrűségénél kisebb sűrűségű), nem illékony (NVL, azaz a víz illékonyságánál kisebb illékonyságú), normál állapotú folyadék (LQD) és alapanyag-kémiai anyag (CMD). A terméknek a végtermék formájában teljesen színtelennek kell lennie, és a szűrés kivételével az általános felépítmény összes technológiája rendelkezésre áll. A dobozok egységeket jelölnek, a bennük lévő címkék pedig az egységtípusokat, pl. Dst (desztilláció), Mbr (membrán), Ext (extrakció) és Ads (adszorpció). A közös főfeladatot ellátó egységek modulba vannak csoportosítva (szaggatott lekerekített téglalap), és a megfelelő címke a modulra vonatkozó termékjellemzőket jelöli, pl. az “NSL LT” modul csak az NSL és LT termékekre alkalmazható.