Lezione di ingegneria

INGEGNERIA DI PROCESSO

6 Novembre 2019

Oggi, vedremo, in generale, un’introduzione su tutto il recupero del prodotto, le principali caratteristiche,

alcuni aspetti sono già stati anticipati nelle precedenti lezioni, poi vedremo la filtrazione e faremo l’esercizio

su di essa.

RECUPERO DEL PRODOTTO

I bioprocessi, di fatto, quello che fanno è prendere una materia prima e modificarla per avere un prodotto

d’interesse. Nel processo di fermentazione, come già detto, la materia prima viene modificata attraverso delle

reazioni che avvengono nel fermentatore. Sono importanti anche tutte quelle unità che fanno avvenire delle

reazioni fisiche, ossia che modificano le proprietà delle sostanze prima e dopo la fermentazione: prima perché

servono a preparare la materia prima in quanto, magari, non è adatta, per com’è inizialmente, a essere trattata

nel fermentatore, e dopo per purificare il prodotto desiderato, eventualmente separare la materia prima

rimasta e ricircolarla nel fermentatore, quindi, ad arrivare all’obiettivo dell’intero processo.

Le operazioni unitarie sono tutte quelle operazioni o stadi del processo che modificano le proprietà di un

materiale, in particolare con modifiche di tipo fisico.

Un altro concetto, di cui abbiamo già parlato, è che, di fatto, le diversi operazioni in diversi processi hanno un

ruolo ben definito, non sono tutte presenti, dipende da processo a processo, però, quello che si rileva è che

abbiamo una serie di operazioni che sono sempre le stesse, anche se applicate a contesti diversi. La filtrazione,

ad esempio, ha la stessa unità operativa, il concetto di base è lo stesso, ma si può applicare ad ambiti diversi.

Nei differenti processi, infatti, vediamo che abbiamo la stessa operazione, ma viene messa all’interno di un

ordine di operazioni diverse, in condizioni operative diverse e può trattare materiali diversi, di conseguenza, il

prodotto finale è diverso. Alla fine, però, i principi ingegneristici alla base delle singole operazioni rimangono

sempre gli stessi.

È un esempio di tutte le operazioni unitarie che ci sono in un processo

di produzione di enzimi. Si può vedere che ci sono estrazione, filtrazione,

centrifugazione e cicloni per la separazione. Ci sono tantissime unità. Il

fermentatore c’è, ma è solo uno dei moltissimi step che sono presenti

all’interno del processo. Questo vale per moltissimi processi, noi ci

focalizzeremo sui downstream processing, ossia tutto quello che

avviene dopo la fermentazione, tutto quello che è il trattamento della

miscela ottenuta per arrivare ai prodotti finali con le purezze desiderate.

Con la fermentazione, spesso, il prodotto desiderato non si trova

purificato, ma si trova in una miscela complessa con diversi componenti,

quindi, servono dei trattamenti per purificare e concentrare il prodotto

→tutto ciò prende il nome di downstream processing: downstream

significa che avviene a valle del fermentatore, della fermentazione.

Questi trattamenti sono per lo più modifiche fisiche di quello che è la

miscela, quindi, modifiche alla composizione o alle condizioni per il

passaggio dallo stato solido a quello liquido: non sono mai modifiche

chimiche, perché quelle sono avvenute nel fermentatore.

È molto difficile questa fase di separazione, perché i prodotti di

fermentazione, spesso, si trovano nelle soluzioni che sono diluite: abbiamo il brodo colturale, acqua, la quale

è la componente principale sia del brodo che può essere recuperato sia della fermentazione. Ci possono essere

anche moltissimi altri prodotti: possono essere sia dei sottoprodotti che dei co-prodotti, quindi, altri prodotti

di interesse, sia della materia prima ancora presente, quindi, per isolare il prodotto finale, si devono rimuoverli

tutti o il più possibile. Questo, spesso, non si riesce a fare in un solo step di separazione, per cui servono più

step di separazione o di recupero del prodotto. Ogni step ha un costo, più step abbiamo più aumentano i costi

di separazione, di conseguenza, i costi del processo e in ultimo il costo del prodotto finale e l’accessibilità del

prodotto, perché se un prodotto è molto costoso, in meno persone possono accedervi.

Tuttavia, per alcuni settori, come quello farmaceutico, le impurezze del prodotto finale devono essere proprio

minime, perciò, spesso è necessario avere tutti questi step di separazione.

Un altro problema, soprattutto per i prodotti dei processi biotecnologici, è che i prodotti possono degradarsi

facilmente. Possono essere sensibili alla temperatura, quindi, non possiamo usare dei metodi di separazione

che si basano su riscaldamenti necessari, in quanto abbiamo la degradazione del prodotto e non ci serve più a

nulla. Possono anche essere degradati se entrano in contatto con altri solventi, quindi, non si possono usare

dei metodi di separazione che utilizzano dei solventi aggiuntivi o delle componenti aggiuntive che rimuovono

selettivamente solo quel prodotto. Lo stesso vale se abbiamo acidi o basi forti o concentrazioni saline elevate.

Questo, di fatto, ristringe notevolmente il campo di scelta tra le diverse unità di separazione che noi possiamo

applicare per ottenere la separazione del prodotto desiderato.

C’è anche il problema della contaminazione, quando si recupera il brodo colturale, contenente il prodotto dal

fermentatore, che è il più possibile sterile, abbiamo della possibile contaminazione. In tutto il downstream

processing è difficile mantenere completamente sterile. Le condizioni asettiche non sono sempre mantenute.

Il materiale, quindi, può essere soggetto a degradazione. Bisogna, perciò, limitare il più possibile questo

aspetto e di processare il brodo ossia di trattare il brodo abbastanza velocemente, senza lunghi tempi di attesa,

in modo tale da ottenere subito il prodotto finale e si limiti questo problema.

Un altro aspetto rilevante per quanto riguarda le separazioni a valle della fermentazione, come avevamo già

accennato, è che i costi dei prodotti di fermentazione sono significativamente influenzati da tutta la fase di

separazione. La percentuale di influenza dipende dal processo che stiamo considerando, ma è comunque

abbastanza significativa, ad esempio, per la produzione di penicillina abbiamo circa un rapporto dei costi di

fermentazione rispetto ai costi di recupero del prodotto, quindi, di separazione è di 60:40, il 40% è tutta la

fase di separazione e purificazione del prodotto. È già rilevante come costo. Se si pensa ai prodotti più recenti,

hanno una fase di purificazione molto costosa, quindi, si può arrivare ad avere a un 80-90% dei costi dell’intero

processo dovuti soltanto alla sezione di separazione. È fondamentale, perciò, scegliere accuratamente tutti gli

step di separazione, per massimizzare il recupero del prodotto e dimensionare tutte le unità in maniera il più

possibile realistica e vicina a quelle che sono le reali condizioni del processo, nel senso che si può anche avere

un’unità leggermente più grande per fare un tot di prodotto, però, a quel punto si possono avere degli

svantaggi che, poi, si riflettono sui costi. Tutto lo

studio del dimensionamento dell’impianto deve

essere molto accurato.

Abbiamo detto che spesso abbiamo soluzioni

diluite di prodotto, la concentrazione iniziale

ossia quella in uscita dal fermentatore, iniziale in

entrata per la sezione di separazione influenza:

più la concentrazione è elevata, meno step di

separazioni sono necessari. È una regola

generale, però, nel caso in cui le miscele sono

particolarmente complesse da separare può

essere necessario per avere la separazione del

prodotto avere diversi step. Se abbiamo meno

step di separazione, il prodotto finale è più

economico. Questo si vede in questo grafico. C’è

il prezzo di vendita, in dollari al kg, rispetto alla

concentrazione iniziale (alla separazione, in uscita dal fermentatore). La scala è logaritmica in base 10. Il prezzo

aumenta, ad esempio, il Factor VIII ha un prezzo elevatissimo, se la concentrazione è molto bassa. Nel caso del

trattamento dell’acqua, la concentrazione è già alta, per cui il prezzo è basso. È un andamento proprio

monotono decrescente.

Avevamo già visto questo grafico nella lezione introduttiva, dà

un po’ l’idea della maturità tecnologica e di utilizzo delle varie

operazioni, di alcune delle principali (separazioni…), questo si

riflette anche sui costi di una certa unità. Se ha già una certa

maturità tecnologica/di utilizzo, c’è già esperienza di

quell’unità in quel settore, quindi, le successive unità vengono

progettate e costruite in maniera più accurata, si hanno meno

perdite, anche in senso economico.

Ora vediamo un esempio di quelli che sono gli schemi di separazione, applicati al brodo colturali, in uscita dal

fermentatore, e come si differenziano.

Il primo aspetto da considerare è che cos’è il prodotto di interesse. Il prodotto è la cellula, il prodotto è dentro

la cellula o fuori, quindi, si trova nel brodo. Se il prodotto è la cellula, in realtà, gli step si riducono, si hanno 1

o massimo 2 step: si ha la rimozione dal brodo colturale e otteniamo direttamente il prodotto. La rimozione

può essere fatta con diverse tecnologie, filtrazione, microfiltrazione o centrifugazione. Dopo di che si ottiene

la cellula e il liquido, tutto il brodo da cui viene separata, che è mandato al trattamento per non essere più

utilizzato oppure viene riciclato (ricircolato e riusato). Nel caso in cui il prodotto è qualcosa che viene ottenuto

come prodotto, ma non è una cellula in sé, allora, si hanno diversi step. Questo è uno schema generale,

ovviamente questi step dipendo dal processo.

1. Rimozione cellule o particolato solido

2. Distruzione cellulare e rimozione detriti

3. Prima separazione/isolazione

4. Arricchimento del prodotto

5. Isolazione/separazione finale

Il primo è sempre la rimozione delle cellule e del particolato solido; in questi due casi, se il prodotto è dentro

la cellula o fuori dalla cellula, il prodotto non è la cellula, ma conviene sempre rimuoverla e isolarla dal brodo.

Nel caso in cui il prodotto sia fuori dalla cellula, si potrebbe procedere alla purificazione del prodotto, lasciando

dentro tutto, ma non viene comunemente fatto, in quanto si è visto che conviene in ogni caso rimuovere prima

di iniziare alla separazione dentro la cellula, poi, procedendo con il resto. Se il prodotto è dentro la cellula,

bisogna recuperarlo dall’interno, quindi, si hanno dei processi di distruzione della cellula, dopo di che

rimozione dei detriti rimasti, infine, si ottiene il prodotto che viene isolato e purificato. Se, invece, il prodotto

è esterno, si ha la separazione da tutto il brodo e dal brodo con diverse tecnologie si cerca di ottenere solo il

prodotto desiderato e si ha questo arricchimento del prodotto, che si ha anche quando il prodotto è

internamente alla cellula. Per arricchimento del prodotto si intende che si aumenta la concentrazione del

prodotto nella corrente finale, fino ad arrivare al prodotto finale, il più possibile puro, che si intende purezze

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