De moderne biotechnologie maakt het gebruik mogelijk van gemanipuleerde micro-organismen zoals E.coli, gist en algen voor de productie van chemische stoffen die momenteel hoofdzakelijk worden verkregen uit grondstoffen die zijn gebaseerd op fossiele brandstoffen. Processen die gebruik maken van dergelijke biologische routes (“biogebaseerde chemicaliën”), in tegenstelling tot complexe conversiestappen uit fossiele brandstoffen, zouden in sommige gevallen economisch veelbelovend kunnen zijn. Bijkomende voordelen van bioprocessen zijn de milde productieomstandigheden en de selectiviteit voor een specifiek product. Het effluent van bioreactoren is echter verdund (bevat minder dan 20 wt% product), zodat de nageschakelde scheiding vaak duur is (zij maakt gewoonlijk 60-80% van de totale productiekosten uit). Eerdere werkzaamheden op het gebied van de synthese van bioscheidingsprocessen waren voornamelijk gericht op specifieke producten. Er is slechts in beperkte mate onderzoek gedaan naar de systematische behandeling van het probleem van de algemene processynthese. Hiertoe ontwikkelen wij een algemeen kader, gebaseerd op superstructuuroptimalisatie, voor de synthese van bioscheidingsprocessen (zie figuur 1).

1
Figuur 1. Algemeen kader voor de op superstructuuroptimalisatie gebaseerde synthese van bioscheidingsprocessen.

Specifiek, op basis van algemene scheidingsprincipes en inzichten verkregen uit industriële processen voor specifieke producten, identificeren we eerst vier scheidingsfasen: Fase 1 – celbehandeling, waarbij cellen worden geoogst en vervolgens worden verstoord om intracellulaire producten vrij te maken (aanwezig als het product intracellulair is; omzeild als het product extracellulair is); Fase 2 – productfase-isolatie, waarbij de fase die het product bevat, wordt geïsoleerd; Fase 3 – concentratie en zuivering, waarbij water en onzuiverheden worden verwijderd; Fase 4 – verfijning, waarbij het product verder wordt verfijnd. Op basis van de vier fasen analyseren wij eerst de algemene bioscheidingsprocessen. Vervolgens implementeren wij voor elke fase systematisch een reeks connectiviteitsregels om fase-superstructuren te ontwikkelen, die vervolgens alle worden geïntegreerd om een algemene superstructuur te genereren (zie figuur 2) die rekening houdt met alle soorten chemicaliën die met behulp van micro-organismen worden geproduceerd. Wij ontwikkelen verder een methode om de superstructuur te reduceren om specifieke gevallen op te lossen, gebaseerd op productkenmerken, beschikbaarheid van technologie, gevalspecifieke overwegingen en eindproductspecificaties (zie een voorbeeld in figuur 2). Vervolgens wordt een algemeen optimalisatiemodel geformuleerd, met inbegrip van short-cut modellen voor alle soorten eenheden die in het raamwerk worden beschouwd.

2
Figuur 2. Figuur 2. De algemene superstructuur van de bioscheiding (inclusief de “gedimde” delen) en de gereduceerde superstructuur (exclusief de gedimde delen) voor een voorbeeldvoorbeeld. Het product in de eerste productstroom die naar het scheidingsnetwerk wordt gevoerd, is extracellulair (EX), onoplosbaar in water (NSL), licht (LT, d.w.z. met een dichtheid lager dan die van water), niet-vluchtig (NVL, d.w.z. met een vluchtigheid lager dan die van water), een vloeistof in normale toestand (LQD), en een chemische grondstof (CMD). Het product moet in zijn uiteindelijke vorm volledig kleurloos zijn, en alle technologieën in de algemene bovenbouw zijn beschikbaar, behalve filtratie. De hokjes stellen eenheden voor, en de labels in de hokjes geven de soorten eenheden aan, bijvoorbeeld Dst (destillatie), Mbr (membraan), Ext (extractie), en Ads (adsorptie). Eenheden die samen een gemeenschappelijke hoofdtaak vervullen, worden gegroepeerd in een module (weergegeven door een gestippelde afgeronde rechthoek), en het overeenkomstige label geeft de productkenmerken aan die op de module van toepassing zijn, bv. de module “NSL LT” is alleen van toepassing op producten die NSL en LT zijn.