Biomanufacturing: produrre attraverso sistemi biologici
Il biomanufacturing è un modello produttivo che utilizza cellule, microrganismi, enzimi o altri sistemi biologici per realizzare materiali, molecole e ingredienti. In sostituzione dei tradizionali processi chimici, il biomanufacturing impiega quindi organismi viventi o loro componenti come una sorta di “piccole fabbriche”.
Per attuare questa produzione è necessario predisporre dei bioreattori, nei quali vengono controllati temperatura, ossigeno, pH e disponibilità di nutrienti. Nello stesso tempo batteri, lieviti, alghe e cellule possono essere selezionati o modificati affinché producano determinate sostanze.
Le applicazioni interessano settori molto diversi, dalla farmaceutica all’alimentazione.
Il biomanufacturing viene utilizzato anche nella chimica, nella cosmetica, nell’agricoltura e nella produzione di biomateriali. E attraverso questi processi si possono ottenere farmaci, vaccini, proteine, enzimi, aromi e ingredienti alimentari. Ma nel corso del tempo la ricerca ha permesso anche di produrre bioplastiche, carburanti alternativi e materiali destinati all’industria.
Il fenomeno della fermentazione di precisione
Un esempio in questo senso è rappresentato dalla fermentazione di precisione, con cui i microrganismi vengono programmati per generare molecole specifiche. Questo principio parte dalla fermentazione tradizionale, ma utilizza tecnologie più avanzate e sistemi di controllo digitali e consente, tra le varie possibilità, di ridurre l’impiego di materie prime di origine fossile.
Biomanufacturing: dal laboratorio alla produzione industriale
Una delle sfide principali del biomanufacturing riguarda il passaggio dalla sperimentazione in laboratorio alla produzione su scala industriale. Nel momento in cui aumentano i volumi, cambiano anche le condizioni di miscelazione, ossigenazione e distribuzione del calore. Pertanto quello che è stato impostato come un processo efficace in un piccolo bioreattore può diventare inefficiente e perdere stabilità in un impianto più grande.
Per queste ragioni lo scale-up richiede competenze biologiche, ingegneristiche, digitali e industriali integrate e per questo il biomanufacturing rappresenta un punto d’incontro tra biotecnologie, automazione, intelligenza artificiale e manifattura avanzata.
La capacità di trasformare un processo biologico sperimentato in laboratorio in una produzione industriale stabile, replicabile ed economicamente sostenibile è la missione di Thewaico, piattaforma italiana dedicata allo scale-up del biomanufacturing.
La nuova realtà con sedi a Rovereto, Mantova ed Emeryville a San Francisco utilizza sistemi biologici, come cellule e microrganismi, per produrre molecole, materiali, ingredienti e altre sostanze destinate a numerosi comparti industriali con applicazioni che spaziano dall’alimentazione alla farmaceutica, dalla chimica, ai biomateriali e ai prodotti alternativi a quelli di origine fossile.
Dalla validazione di un processo alla gestione delle condizioni per attuare il biomanufacturing
La validazione di un processo in laboratorio rappresenta però soltanto il primo passo. Come anticipato, quando aumentano le dimensioni dei bioreattori, cambiano le condizioni nelle quali cellule e microrganismi devono operare. Distribuzione dell’ossigeno, temperatura, miscelazione, pressione, apporto dei nutrienti e rimozione dei sottoprodotti possono assumere comportamenti differenti rispetto a quelli osservati su piccola scala.
Un processo efficace in pochi litri può quindi perdere produttività e stabilità una volta trasferito in un impianto su centinaia di litri. E lo scale-up non consiste solo nell’utilizzare un bioreattore di maggiori dimensioni, ma richiede di riprogettare e controllare l’intero processo.
Il costo industriale di uno scale-up inefficiente
Secondo i dati riportati da Thewaico, negli ultimi 15 anni la difficoltà di trasformare i risultati di laboratorio in processi industrializzabili avrebbe contribuito alla perdita di un capitale compreso tra 8 e 12 miliardi di dollari nel settore della biologia sintetica.
Il rischio è che aziende e startup riescano a dimostrare la validità scientifica di una soluzione senza raggiungere livelli di produttività, qualità e costo compatibili con il mercato. Il problema peraltro può emergere tardi, dopo che sono già state investite risorse rilevanti nella ricerca, nello sviluppo del prodotto e nella costruzione degli impianti.
Tra le cause indicate dalla nuova piattaforma vi è anche la frammentazione fra hardware e software tradizionali. Bioreattori, sensori, sistemi di controllo e strumenti di analisi dei dati non sempre dialogano attraverso un’architettura integrata. Questa discontinuità può rallentare la sperimentazione e rendere più difficile trasferire le conoscenze da una fase produttiva a quella successiva.
Una piattaforma per accelerare il biomanufacturing
Thewaico nasce con l’obiettivo di rendere lo scale-up più rapido, efficiente e sostenibile dal punto di vista economico. L’impostazione è quella di una piattaforma capace di accompagnare la crescita dei processi, riducendo la distanza tra ricerca e produzione.
L’integrazione fra bioreattori, strumenti digitali e attività di ricerca può consentire di raccogliere dati lungo le diverse fasi di sviluppo, confrontare le prestazioni e individuare con maggiore tempestività le condizioni che compromettono la produttività.
In questa prospettiva, il dato diventa una componente essenziale del bioprocesso. Monitorare in modo continuo parametri biologici e fisici permette di comprendere come il sistema reagisca all’aumento di scala e di intervenire prima che eventuali inefficienze si traducano in costi industriali difficilmente recuperabili.
La capacità produttiva non soddisfa la domanda potenziale
La necessità di migliorare lo scale-up si inserisce in un mercato nel quale la capacità produttiva disponibile risulta ancora limitata rispetto alle prospettive di crescita. I dati diffusi con il lancio di Thewaico indicano una capacità globale di biomanufacturing pari a circa 61 milioni di litri. Soltanto 10 milioni sarebbero però effettivamente disponibili, a fronte di una domanda potenziale che potrebbe arrivare a 10 miliardi di litri entro il 2030 per le sole applicazioni alimentari emergenti.
La distanza fra domanda e capacità non riguarda dunque soltanto la costruzione di nuovi impianti. Per ampliare la produzione occorrono processi sufficientemente maturi, capaci di mantenere prestazioni, sicurezza e qualità anche su volumi elevati. E in assenza di uno scale-up efficace, il rischio è che l’aumento degli investimenti infrastrutturali non corrisponda a un analogo incremento della produzione commercialmente sostenibile.
Biomanufacturing e innovazione tra Italia e Stati Uniti
La struttura di Thewaico riflette la volontà di connettere ricerca, sviluppo industriale e accesso agli ecosistemi internazionali. Il centro R&D di Mantova rappresenta uno dei poli operativi della piattaforma, la sede di Rovereto colloca la società all’interno di un territorio che ha sviluppato competenze nel campo dell’innovazione, delle tecnologie industriali e delle scienze della vita. Emeryville, nella Baia di San Francisco, consente invece di attuare un collegamento diretto con uno dei principali ecosistemi mondiali della biotecnologia e della biologia sintetica.
Il biomanufacturing nella strategia europea
Il lancio di Thewaico si colloca anche nel percorso con cui l’Europa intende rafforzare il proprio comparto biotecnologico, richiamato dalla recente proposta di European Biotech Act della Commissione europea.
La capacità di industrializzare i risultati della ricerca rappresenta infatti un elemento strategico per la competitività. L’Europa dispone di competenze scientifiche avanzate, ma deve riuscire a trasformarle con maggiore continuità in processi produttivi, impianti e imprese capaci di crescere sui mercati internazionali.
Ridurre i tempi e i rischi dello scale-up può contribuire a trattenere innovazione e investimenti, costruire nuove filiere industriali e diminuire la dipendenza da capacità produttive esterne.
Dalla scoperta scientifica alla produzione sostenibile: il biomanufacturing verso il mercato
Il valore potenziale del biomanufacturing non riguarda soltanto la crescita economica. I processi biologici possono offrire alternative a produzioni tradizionali caratterizzate da elevati consumi di risorse, utilizzo di materie prime fossili o impatti ambientali significativi. Questo potenziale può però concretizzarsi soltanto se le soluzioni raggiungono una scala adeguata senza perdere efficienza. Lo scale-up diventa così il punto nel quale innovazione scientifica, sostenibilità e competitività industriale devono trovare un equilibrio.
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