Uno studio, condotto nell'ambito dell'iniziativa Uni-Impresa e co-finanziato dall'ateneo patavino e dal colosso farmaceutico GSK, si è aggiudicato il secondo posto del prestigioso premio internazionale di ricerca 2020 PSE Model-Based Innovation Prize promosso dall’azienda britannica Process Systems Enterprise – a Siemens business. Il lavoro in questione, parte di un progetto di ricerca più ampio che aveva come scopo lo sviluppo di metodologie per accelerare la produzione su larga scala di vaccini e altri prodotti biofarmaceutici, ha dimostrato sperimentalmente che è possibile ridurre del 20% la durata del processo di liofilizzazione, una fase chiave del processo produttivo dei vaccini.

Il team di ricerca che ha realizzato questo progetto comprende due ex-postdoc dell'università di Padova, Gabriele Bano e Riccardo De Luca, due referenti aziendali di GSK, Emanuele Tomba e Agnese Marcelli, e due professori del dipartimento di ingegneria industriale dell'università di Padova, Fabrizio Bezzo e Massimiliano Barolo, che ha coordinato il lavoro.

“Il nostro obiettivo era accelerare le fasi di sviluppo e produzione su larga scala di vaccini e altri prodotti biofarmaceutici, quelle cioè che portano il prodotto dal banco del laboratorio allo scaffale della farmacia, con particolare attenzione alla fase della liofilizzazione”, spiega il professor Barolo.

“Durante le fasi di sviluppo e produzione, molti vaccini e prodotti biofarmaceutici si trovano sotto forma di soluzione: sono composti cioè da un principio attivo disciolto in acqua. “Perché tali prodotti durino nel tempo sugli scaffali delle farmacie senza degradarsi, però, è necessario rimuovere l'acqua dalla soluzione. Ecco perché, quando acquistiamo simili farmaci, tipicamente li troviamo disponibili in flaconi contenenti una polvere, che viene poi disciolta iniettando un liquido così da permetterne la somministrazione. Quella polvere si ottiene tramite la liofilizzazione, che è un processo industriale che serve appunto a eliminare l'acqua dai flaconi e ottenere il prodotto in polvere.

Per rimuovere l’acqua, non è possibile farla evaporare semplicemente scaldando il prodotto, perché questo è di natura biologica, e quindi si degraderebbe. Perché l'acqua evapori senza doverla scaldare troppo, bisogna quindi lavorare a pressioni bassissime. In questo modo, l'acqua può evaporare anche sotto zero e non si danneggia il farmaco.

Per ottimizzare la conduzione della liofilizzazione, però, è necessario sviluppare dei modelli matematici dettagliati che predicano l'evoluzione nel tempo di questa operazione. Si tratta, in altre parole, di rappresentazioni virtuali del processo di liofilizzazione, costruite attraverso equazioni e chiamate gemelli digitali (o digital twins) del processo produttivo.

La messa a punto di questi modelli matematici richiede di condurre una lunga serie di esperimenti preliminari sulle apparecchiature industriali: le campagne sperimentali possono durare fino a due settimane, costringendo un'azienda a tenere un'apparecchiatura bloccata, insieme al personale che deve sovraintenderne il funzionamento, per tutto quel tempo”.

Ed è a questo punto che si rivela decisivo il lavoro condotto dal team di ricerca dell'università di Padova e di GSK. Gli autori dello studio hanno sviluppato infatti una procedura che permette di condurre tali esperimenti preliminari in un modo molto più rapido rispetto alle pratiche solitamente adottate, e ciò contribuisce ad accelerare l’immissione nel mercato di nuovi vaccini.

“Lo studio in questione non è stato meramente teorico”, precisa il prof. Barolo. “Abbiamo infatti dimostrato sperimentalmente, su liofilizzatori dell'azienda, che impiegando le metodologie sviluppate è possibile ottenere una significativa accelerazione tanto delle fase sperimentale preliminare, quanto della successiva fase produttiva”.