La biotecnologia moderna permette l’uso di microrganismi ingegnerizzati come l’E.coli, il lievito e le alghe per la produzione di prodotti chimici che attualmente sono derivati principalmente da materie prime fossili. I processi che impiegano tali percorsi biologici (“prodotti chimici a base biologica”), in opposizione alle complesse fasi di conversione da materie prime di combustibili fossili, potrebbero in alcuni casi essere economicamente promettenti. Ulteriori vantaggi dei bioprocessi includono condizioni di produzione miti e selettività verso un prodotto specifico. Tuttavia, l’effluente dei bioreattori è diluito (contiene meno del 20 wt% di prodotto), e quindi la separazione a valle tende ad essere costosa (di solito rappresenta il 60-80% del costo totale di produzione). I lavori passati sulla sintesi dei processi di bio-separazione si sono concentrati principalmente su prodotti specifici. C’è stata una ricerca limitata verso il trattamento sistematico del problema della sintesi generale del processo. A questo scopo, sviluppiamo un quadro generale, basato sull’ottimizzazione della sovrastruttura, per la sintesi dei processi di bio-separazione (vedi Figura 1).

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Figura 1. Quadro generale per la sintesi di processi di bio-separazione basata sull’ottimizzazione delle sovrastrutture.

Specificamente, sulla base dei principi generali di separazione e delle intuizioni ottenute dai processi industriali per prodotti specifici, identifichiamo prima quattro fasi di separazione: Fase 1 – trattamento cellulare, in cui le cellule vengono raccolte e poi interrotte per rilasciare prodotti intracellulari (presenti se il prodotto è intracellulare; bypassati se il prodotto è extracellulare); Fase 2 – isolamento della fase del prodotto, in cui la fase che contiene il prodotto viene isolata; Fase 3 – concentrazione e purificazione, in cui l’acqua e le impurità vengono rimosse; Fase 4 – raffinamento, in cui il prodotto viene ulteriormente raffinato. Sulla base delle quattro fasi, eseguiamo prima un’analisi per fasi dei processi generali di bio-separazione. Poi, per ogni fase, implementiamo sistematicamente una serie di regole di connettività per sviluppare sovrastrutture a stadi, che vengono tutte integrate per generare una sovrastruttura generale (vedi Figura 2) che tiene conto di tutti i tipi di prodotti chimici prodotti utilizzando i microrganismi. Sviluppiamo ulteriormente un metodo di riduzione della sovrastruttura per risolvere istanze specifiche, basate su attributi del prodotto, disponibilità di tecnologia, considerazioni specifiche del caso e specifiche del prodotto finale (vedi un esempio nella Figura 2). Viene quindi formulato un modello di ottimizzazione generale, che include modelli di short-cut per tutti i tipi di unità considerati nel framework.

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Figura 2. La sovrastruttura generale di bio-separazione (incluse le parti “oscurate”), e la sovrastruttura ridotta (escluse le parti oscurate) per un’istanza di esempio. Il prodotto nel flusso di prodotto iniziale alimentato alla rete di separazione è extracellulare (EX), insolubile in acqua (NSL), leggero (LT, cioè con densità inferiore a quella dell’acqua), non volatile (NVL, cioè con volatilità inferiore a quella dell’acqua), un liquido a condizione normale (LQD), e un prodotto chimico di base (CMD). Il prodotto deve essere completamente incolore nella sua forma finale, e tutte le tecnologie della sovrastruttura generale sono disponibili tranne la filtrazione. Le caselle rappresentano le unità, e le etichette in esse denotano i tipi di unità, per esempio, Dst (distillazione), Mbr (membrana), Ext (estrazione), e Ads (adsorbimento). Le unità che funzionano insieme per un compito principale comune sono raggruppate in un modulo (rappresentato da un rettangolo arrotondato tratteggiato), e l’etichetta corrispondente denota gli attributi del prodotto che sono applicabili al modulo, ad esempio, il modulo “NSL LT” è applicabile solo ai prodotti che sono NSL e LT.