Nowoczesna biotechnologia umożliwia wykorzystanie zmodyfikowanych mikroorganizmów, takich jak E.coli, drożdże i algi do produkcji chemikaliów, które są obecnie uzyskiwane głównie z surowców kopalnych. Procesy wykorzystujące takie drogi biologiczne („bioprodukty chemiczne”), w przeciwieństwie do złożonych etapów konwersji z surowców kopalnych, mogą być w niektórych przypadkach obiecujące pod względem ekonomicznym. Dodatkowe zalety bioprocesów to łagodne warunki produkcji i selektywność w kierunku konkretnego produktu. Jednakże, ścieki z bioreaktorów są rozcieńczone (zawierają mniej niż 20 % mas. produktu), a zatem dalsze oddzielanie jest kosztowne (zwykle stanowi 60-80 % całkowitych kosztów produkcji). Dotychczasowe prace nad syntezą procesów bioseparacji koncentrowały się głównie na konkretnych produktach. Badania nad systematycznym podejściem do problemu syntezy procesów ogólnych były ograniczone. W tym celu, rozwijamy ogólne ramy, oparte na optymalizacji superstruktury, dla syntezy procesów bioseparacji (patrz rysunek 1).

1
Rysunek 1. Ogólne ramy dla syntezy procesów bioseparacji opartej na optymalizacji superstruktury.

Specyficznie, w oparciu o ogólne zasady separacji i spostrzeżenia uzyskane z procesów przemysłowych dla konkretnych produktów, najpierw identyfikujemy cztery etapy separacji: Etap 1 – obróbka komórek, gdzie komórki są zbierane, a następnie rozbijane w celu uwolnienia produktów wewnątrzkomórkowych (obecnych, jeśli produkt jest wewnątrzkomórkowy; omijanych, jeśli produkt jest zewnątrzkomórkowy); Etap 2 – izolacja fazy produktu, gdzie izolowana jest faza zawierająca produkt; Etap 3 – koncentracja i oczyszczanie, gdzie usuwana jest woda i zanieczyszczenia; Etap 4 – rafinacja, gdzie produkt jest dalej rafinowany. W oparciu o te cztery etapy, najpierw przeprowadzamy etapową analizę ogólnych procesów bioseparacji. Następnie, dla każdego etapu, systematycznie wdrażamy zestaw reguł łączności w celu opracowania etapowych nadstruktur, z których wszystkie są następnie integrowane w celu wygenerowania ogólnej nadstruktury (patrz Rysunek 2), która uwzględnia wszystkie typy chemikaliów produkowanych przy użyciu mikroorganizmów. Dalej rozwijamy metodę redukcji nadstruktury w celu rozwiązania konkretnych przypadków, w oparciu o atrybuty produktu, dostępność technologii, względy specyficzne dla danego przypadku i specyfikacje produktu końcowego (patrz przykład na rysunku 2). Następnie formułuje się ogólny model optymalizacyjny, zawierający modele skrótów dla wszystkich typów jednostek rozważanych w ramach.

2
Rysunek 2. Ogólna nadstruktura bioseparacji (z uwzględnieniem części „przyciemnionych”) oraz zredukowana nad – struktura (z wyłączeniem części przyciemnionych) dla przykładowego przypadku. Produkt w początkowym strumieniu produktu podawanym do sieci rozdzielającej jest pozakomórkowy (EX), nierozpuszczalny w wodzie (NSL), lekki (LT, tj. o gęstości mniejszej niż gęstość wody), nielotny (NVL, tj. o lotności mniejszej niż lotność wody), będący cieczą w normalnych warunkach (LQD) i towarowym związkiem chemicznym (CMD). Wymaga się, aby produkt w swojej końcowej postaci był całkowicie bezbarwny, a wszystkie technologie w ogólnej nadbudowie są dostępne z wyjątkiem filtracji. Pola reprezentują jednostki, a etykiety w nich oznaczają typy jednostek, np. Dst (destylacja), Mbr (membrana), Ext (ekstrakcja) i Ads (adsorpcja). Jednostki, które funkcjonują razem dla wspólnego głównego zadania są zgrupowane w moduł (reprezentowany przez przerywany zaokrąglony prostokąt), a odpowiednia etykieta oznacza atrybuty produktu, które mają zastosowanie do modułu, np. moduł „NSL LT” ma zastosowanie tylko do produktów, które są NSL i LT.

.