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, prendono una materia prima e la modificano per ottenere 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 che magari non è adatta, per com’è inizialmente, a essere trattata nel fermentatore, e dopo per purificare il prodotto desiderato, separare la materia prima rimasta e ricircolarla nel fermentatore, raggiungendo così l’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 diverse operazioni in diversi processi hanno un ruolo ben definito, non sono tutte presenti, dipende da processo a processo. Tuttavia, ciò 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 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 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 della 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, 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 metodi di separazione che utilizzano solventi aggiuntivi o componenti aggiuntive che rimuovono selettivamente solo quel prodotto. Lo stesso vale se abbiamo acidi o basi forti o concentrazioni saline elevate.

Questo, di fatto, restringe notevolmente il campo di scelta tra le diverse unità di separazione che 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 processare il brodo, ossia trattarlo abbastanza velocemente, senza lunghi tempi di attesa, in modo tale da ottenere subito il prodotto finale e limitare 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 un rapporto dei costi di fermentazione rispetto ai costi di recupero del prodotto, quindi, di separazione, 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 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 alle 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, 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 siano particolarmente complesse da separare, può essere necessario avere diversi step per ottenere la separazione del prodotto. 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 propriamente 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. 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.

Esempi di schemi di separazione

Ora vediamo un esempio di quelli che sono gli schemi di separazione, applicati al brodo colturale, 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 si ottiene 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 dipendono dal processo.

• Rimozione cellule o particolato solido
• Distruzione cellulare e rimozione detriti
• Prima separazione/isolazione
• Arricchimento del prodotto
• 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 rimuoverla prima di iniziare la 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 elevate.