Biotecnologia Moderna permite o uso de microrganismos artificiais como E.coli, leveduras e algas para a produção de produtos químicos que são atualmente derivados principalmente de matérias-primas fósseis. Processos que empregam tais rotas biológicas (“produtos químicos de base biológica”), ao contrário de etapas complexas de conversão de matérias-primas fósseis, poderiam, em alguns casos, ser economicamente promissores. As vantagens adicionais dos processos biológicos incluem condições de produção suaves e seletividade em relação a um produto específico. Entretanto, o efluente dos biorreatores é diluído (contendo menos de 20 % do produto em peso) e, portanto, a separação a jusante tende a ser cara (geralmente responde por 60-80 % do custo total de produção). Os trabalhos anteriores sobre a síntese de processos de bio-separação têm sido focados principalmente em produtos específicos. Tem havido pouca pesquisa para o tratamento sistemático do problema geral da síntese do processo. Para isso, desenvolvemos um quadro geral, baseado na otimização da superestrutura, para a síntese de processos de bio-separação (ver Figura 1).

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Figure 1. Estrutura geral para a síntese de processos de separação biológica baseada na otimização de superestruturas.

Especificamente, com base em princípios gerais de separação e insights obtidos a partir de processos industriais para produtos específicos, primeiramente identificamos quatro estágios de separação: Etapa 1 – tratamento celular, onde as células são colhidas e depois interrompidas para liberar produtos intracelulares (presente se o produto for intracelular; contornado se o produto for extracelular); Etapa 2 – isolamento da fase do produto, onde a fase que contém o produto é isolada; Etapa 3 – concentração e purificação, onde água e impurezas são removidas; Etapa 4 – refinamento, onde o produto é ainda mais refinado. Com base nas quatro etapas, realizamos primeiro uma análise por etapas dos processos gerais de bio-separação. Em seguida, para cada etapa, implementamos sistematicamente um conjunto de regras de conectividade para desenvolver as superestruturas das etapas, todas elas integradas para gerar uma superestrutura geral (ver Figura 2) que contabiliza todos os tipos de produtos químicos produzidos usando microorganismos. Desenvolvemos ainda um método de redução de superestruturas para resolver casos específicos, baseado em atributos do produto, disponibilidade de tecnologia, considerações específicas do caso e especificações do produto final (ver um exemplo na Figura 2). Um modelo de otimização geral, incluindo modelos atalhos para todos os tipos de unidades consideradas na estrutura, é então formulado.

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Figure 2. A superestrutura geral de bio-separação (incluindo as partes “dimmed”), e a superestrutura reduzida (excluindo as partes dimmed), por exemplo. O produto no fluxo inicial do produto alimentado à rede de separação é extracelular (EX), insolúvel em água (NSL), leve (LT, ou seja, com densidade menor que a da água), não volátil (NVL, ou seja, com volatilidade menor que a da água), um líquido em condição normal (LQD) e um produto químico de base (CMD). O produto deve ser completamente incolor em sua forma final, e todas as tecnologias da superestrutura geral estão disponíveis, exceto a filtração. As caixas representam unidades, e as etiquetas nelas denota os tipos de unidades, por exemplo, Dst (destilação), Mbr (membrana), Ext (extração), e Ads (adsorção). As unidades que funcionam juntas para uma tarefa principal comum são agrupadas em um módulo (representado por um retângulo arredondado tracejado), e a etiqueta correspondente denota os atributos do produto que são aplicáveis ao módulo, por exemplo, o módulo “NSL LT” só é aplicável a produtos que são NSL e LT.

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