Design of a real biotechnological multiproduct batch plant with an optimization based approach

Abstract

Productos biotecnológicos, como los biofarmacéuticos entre otros, son productos cuyas tecnologías de producción están en constante desarrollo. Adicionalmente, sus escalas de producción son pequeñas haciendo de las plantas batch las más apropiadas para su producción. En particular, plantas batch multi-producto permiten la producción de una variedad de productos biotecnológicos con varias etapas en común. Una forma de modelar el diseño de plantas batch multi-producto es mediante el enfoque basado en optimización que fue estudiado por primera vez para este tipo de plantas por Robinson y Lonkar, quienes estudiaron el diseño de este tipo de plantas dimensionando los equipos que la conforman. Pese a los múltiples avances en el área, los que incluyen decisiones como la duplicación de unidades, la disposición de tanques de almacenamiento intermedio, programación de la producción y consideración ambientales, entre otras mejores, aún existe una falta de trabajos donde este tipo de enfoques es aplicado en plantas reales. En este trabajo se estudia una reformulación Entera-Mixta Lineal (MILP) del problema Entero-Mixto No-Lineal (MINLP) que resulta al plantear el modelo para el diseño de una planta biotecnológica batch multi-producto. En un primer paso se estudia una reformulación MILP que permite modelar el diseño de una planta utilizando tamaños de equipos en un conjunto continuo y una selección de hosts en un conjunto discreto de opciones. Esta reformulación hace uso de técnicas avanzadas de reformulación, probando ser escalable y confiable para su aplicación en casos reales. En un segundo paso, la reformulación MILP original fue modificada para la inclusión de una selección de equipos, tanto en un conjunto discreto, como en uno continuo, dando un enfoque más realista para poder modelar una planta biotecnológica batch multi-producto; donde unidades como los reactores pueden ser construidos de acuerdo con las necesidades del cliente, sin embargo, unidades como las columnas cromatográficas sólo están disponibles en tamaños discretos dados por el proveedor. Información de procesos reales que formaban parte de una planta batch multi-producto real permitieron la determinación de los parámetros del modelo y una comparación entre las distintas lineas de producción versus la planta real mostraron que este tipo de modelos puede permitir grandes ahorros en los costos de los principales equipos de la planta. Finalmente, como el enfoque estudiado utiliza software de modelación y optimización, el modelo es más amigable para quienes puedan utilizarlo en la práctica. Sin embargo niveles más bajos de implementación podrían mejorar los tiempos de resolución permitiendo la inclusión de formulaciones más complejas, como por ejemplo, la inclusión de costos u objetivos de producción variables.