Biotehnologia modernă permite utilizarea microorganismelor modificate, cum ar fi E.coli, drojdia și algele, pentru producerea de substanțe chimice care în prezent sunt derivate în principal din materii prime din combustibili fosili. Procesele care utilizează astfel de căi biologice („produse chimice biologice”), spre deosebire de etapele complexe de conversie din materii prime de combustibili fosili, ar putea fi, în unele cazuri, promițătoare din punct de vedere economic. Printre avantajele suplimentare ale bioproceselor se numără condițiile de producție blânde și selectivitatea față de un anumit produs. Cu toate acestea, efluentul bioreactoarelor este diluat (conținând mai puțin de 20 % în greutate de produs) și, prin urmare, separarea din aval tinde să fie costisitoare (de obicei, reprezintă 60-80 % din costul total de producție). Lucrările anterioare privind sinteza proceselor de bio-separare s-au axat în principal pe produse specifice. Cercetările au fost limitate în ceea ce privește tratarea sistematică a problemei generale de sinteză a proceselor. În acest scop, dezvoltăm un cadru general, bazat pe optimizarea suprastructurii, pentru sinteza proceselor de bio-separare (a se vedea figura 1).

1
Figura 1. Cadrul general pentru sinteza bazată pe optimizarea suprastructurii a proceselor de bio-separare.

În mod specific, pe baza principiilor generale de separare și a cunoștințelor obținute din procesele industriale pentru produse specifice, identificăm mai întâi patru etape de separare: Etapa 1 – tratamentul celular, în care celulele sunt recoltate și apoi perturbate pentru a elibera produse intracelulare (prezente dacă produsul este intracelular; ocolite dacă produsul este extracelular); Etapa 2 – izolarea fazei de produs, în care se izolează faza care conține produsul; Etapa 3 – concentrarea și purificarea, în care se elimină apa și impuritățile; Etapa 4 – rafinarea, în care produsul este rafinat în continuare. Pe baza celor patru etape, efectuăm mai întâi o analiză pe etape a proceselor generale de bio-separare. Apoi, pentru fiecare etapă, implementăm în mod sistematic un set de reguli de conectivitate pentru a dezvolta etape-superstructuri, toate acestea fiind apoi integrate pentru a genera o suprastructură generală (a se vedea figura 2) care ia în considerare toate tipurile de substanțe chimice produse cu ajutorul microorganismelor. În continuare, dezvoltăm o metodă de reducere a suprastructurii pentru a rezolva cazuri specifice, pe baza atributelor produsului, a disponibilității tehnologiei, a considerațiilor specifice fiecărui caz și a specificațiilor produsului final (a se vedea un exemplu în figura 2). Se formulează apoi un model general de optimizare, care include modele de scurtătură pentru toate tipurile de unități luate în considerare în cadru.

2
Figura 2. Suprastructura generală de bio-separare (inclusiv părțile „diminuate”), și suprastructura redusă (excluzând părțile diminuate) pentru un exemplu de instanță. Produsul din fluxul inițial de produs care alimentează rețeaua de separare este extracelular (EX), insolubil în apă (NSL), ușor (LT, adică cu o densitate mai mică decât cea a apei), nevolatil (NVL, adică cu o volatilitate mai mică decât cea a apei), un lichid în condiții normale (LQD) și un produs chimic de bază (CMD). Produsul trebuie să fie complet incolor în forma sa finală, iar toate tehnologiile din suprastructura generală sunt disponibile, cu excepția filtrării. Casetele reprezintă unități, iar etichetele din ele indică tipurile de unități, de exemplu, Dst (distilare), Mbr (membrană), Ext (extracție) și Ads (adsorbție). Unitățile care funcționează împreună pentru o sarcină majoră comună sunt grupate într-un modul (reprezentat de un dreptunghi rotunjit punctat), iar eticheta corespunzătoare denotă atributele produsului care se aplică modulului, de exemplu, modulul „NSL LT” se aplică numai produselor care sunt NSL și LT.