Den moderna biotekniken gör det möjligt att använda konstruerade mikroorganismer, t.ex. E.coli, jäst och alger, för produktion av kemikalier som för närvarande huvudsakligen härrör från råvaror från fossila bränslen. Processer som använder sådana biologiska vägar (”biobaserade kemikalier”), i motsats till komplexa omvandlingssteg från råvaror från fossila bränslen, kan i vissa fall vara ekonomiskt lovande. Ytterligare fördelar med bioprocesser är bland annat milda produktionsförhållanden och selektivitet för en viss produkt. Utflödet från bioreaktorer är dock utspätt (innehåller mindre än 20 viktprocent produkt), och därför tenderar separationen i efterföljande led att vara dyr (den utgör vanligtvis 60-80 % av den totala produktionskostnaden). Tidigare arbete med syntesen av bioseparationsprocesser har huvudsakligen varit inriktat på specifika produkter. Forskningen om systematisk behandling av det allmänna problemet med processsyntes har varit begränsad. I detta syfte utvecklar vi en allmän ram, baserad på överbyggnadsoptimering, för syntesen av bioseparationsprocesser (se figur 1).

1
Figur 1. Allmän ram för den superstrukturoptimeringsbaserade syntesen av bioseparationsprocesser.

Specifikt, baserat på allmänna separationsprinciper och insikter från industriella processer för specifika produkter, identifierar vi först fyra separationssteg: Steg 1 – cellbehandling, där cellerna skördas och sedan splittras för att frigöra intracellulära produkter (närvarande om produkten är intracellulär; förbigången om produkten är extracellulär); Steg 2 – isolering av produktfasen, där den fas som innehåller produkten isoleras; Steg 3 – koncentrering och rening, där vatten och föroreningar avlägsnas; Steg 4 – förädling, där produkten förädlas ytterligare. Med utgångspunkt i de fyra stegen gör vi först en stegvis analys av allmänna bioseparationsprocesser. För varje steg tillämpar vi sedan systematiskt en uppsättning konnektivitetsregler för att utveckla stegvisa superstrukturer, som sedan integreras för att generera en allmän superstruktur (se figur 2) som omfattar alla typer av kemikalier som produceras med hjälp av mikroorganismer. Vi utvecklar vidare en metod för att reducera överbyggnaden för att lösa specifika fall, baserat på produktattribut, teknisk tillgänglighet, fallspecifika överväganden och slutproduktspecifikationer (se ett exempel i figur 2). Därefter formuleras en allmän optimeringsmodell, inklusive modeller för genvägar för alla typer av enheter som beaktas i ramverket.

2
Figur 2. Den allmänna överbyggnaden för bioseparation (inklusive de ”förminskade” delarna) och den reducerade överbyggnaden (exklusive de förminskade delarna) för en exempelinstans. Produkten i den ursprungliga produktströmmen som matas till separationsnätverket är extracellulär (EX), olöslig i vatten (NSL), lätt (LT, dvs. med en densitet som är lägre än vattnets), icke-flyktig (NVL, dvs. med en flyktighet som är lägre än vattnets), en vätska i normaltillstånd (LQD) och en kemisk råvara (CMD). Produkten ska vara helt färglös i sin slutliga produktform, och all teknik i den allmänna överbyggnaden är tillgänglig med undantag för filtrering. Rutorna representerar enheter och etiketterna i dem anger enhetstyperna, t.ex. Dst (destillation), Mbr (membran), Ext (extraktion) och Ads (adsorption). Enheter som fungerar tillsammans för en gemensam huvuduppgift grupperas i en modul (representerad av en streckad rundad rektangel), och motsvarande etikett anger de produktattribut som är tillämpliga på modulen, t.ex. är modulen ”NSL LT” endast tillämplig på produkter som är NSL och LT.