11 agosto 2025
Gli omogeneizzatori GEA al servizio dei bioinchiostri per la medicina rigenerativa
GEA è fortemente impegnata nella promozione dell'innovazione nella lavorazione industriale per dimostrare concretamente la propria mission aziendale, "Engineering for a better world", in diversi settori, dalla birrificazione alla biomedicina. Anche gli ingegneri dell'azienda apprezzano le sfide. Pertanto, quando, all'inizio del 2020, GEA è stata contattata dagli scienziati dell'Università Tecnica di Graz per configurare un processo e una tecnologia di omogeneizzazione che consentisse loro di trasformare la polpa di eucalipto in strutture organiche stampate in 3D che imitassero le vene, le arterie e altri tessuti umani, GEA ha avviato una collaborazione con il team universitario e si è messa subito al lavoro.
Il team GEA ha affiancato per un periodo di tempo gli scienziati al fine di conoscere le loro ricerche, le loro problematiche e i loro obiettivi e comprendere appieno il ruolo fondamentale dell'omogeneizzazione nella creazione di fibre di cellulosa nanostrutturate a partire dalla polpa di eucalipto come materia prima. In appena un paio d'anni, in collaborazione con la responsabile del progetto accademico Prof.ssa Dr. Mag. Karin Stana Kleinschek, Ph.D., vice direttrice dell'Istituto di Chimica e Tecnologia dei Sistemi Bio-based (IBioSys) dell'Università, il team ha sviluppato un solido processo di omogeneizzazione che consente ai ricercatori di trattare la nanocellulosa derivata dall'eucalipto come "inchiostro" liquido.
Questi inchiostri a base di nanocellulosa possono essere stampati in strutture 3D che replicano la biomeccanica anisotropica di diversi tessuti umani, come i vasi sanguigni e la trachea, spiega Rupert Kargl, Ph.D., assistente professore presso IBioSys. Dopo aver superato i test appropriati, tali "tessuti" di origine vegetale, generati da risorse rinnovabili, potrebbero essere utilizzati per preparare modelli di organi che riproducono l'anatomia e la biomeccanica delle arterie dei pazienti. "Questi modelli possono essere utilizzati dai chirurghi per pianificare interventi cardiovascolari e adattare le protesi all'anatomia del paziente", afferma Kargl.
Questi modelli possono essere utilizzati dai chirurghi per pianificare interventi cardiovascolari e adattare le protesi all'anatomia del paziente.
Rupert Kargl, Ph.D.
Assistente professore presso IBioSys
Prof Dr. Mag. Karin Stana Kleinschek, Ph.D., vice direttrice dell'Istituto di Chimica e Tecnologia dei Sistemi Bio-based (IBioSys) dell'Università, a sinistra, parla con la dottoressa Silvia Grasselli, GEA Head of Process Technology, Homogenization.
Hardware personalizzato: un omogeneizzatore GEA Panther 3006
Per il progetto in corso, il team universitario ha acquistato nel 2024 un omogeneizzatore GEA Panther 3006, un sistema compatto in grado di trattare fino a 50 litri di inchiostro di nanocellulosa all'ora. Le emulsioni di nanocellulosa sono difficili da pompare e gli omogeneizzatori standard, come quelli utilizzati per la lavorazione dei prodotti lattiero-caseari, non sono adatti. Pertanto, per il processo di produzione della nanocellulosa dell'università, GEA ha progettato e configurato un'unità Panther ottimizzata per la gestione del materiale, che include anche la pompa di riempimento e il sistema di raffreddamento.
La dottoressa Silvia Grasselli, GEA Head of Process Technology, Homogenization, ha coordinato la collaborazione con Stana Kleinschek e il team IBioSys per l'omogeneizzazione della nanocellulosa. Spiega che, per sviluppare il processo e il sistema di omogeneizzazione parallelamente, GEA ha iniziato effettuando test su volumi molto ridotti presso il centro di eccellenza per l'omogeneizzazione GEA, dimostrando la fattibilità del processo stesso e mettendo a punto i parametri di processo, la configurazione dell'omogeneizzatore e dei componenti.
Gli ingegneri hanno quindi ottimizzato il processo e la tecnologia su scala più ampia, affrontando le potenziali criticità, in particolare quelle relative alla pompabilità dell'emulsione di cellulosa e acqua. Nel 2024, alcuni rappresentanti di GEA si sono recati presso l'università per installare l'omogeneizzatore Panther 3006, eseguire e verificare la configurazione del sistema e assistere il team di Stana Kleinschek nella formazione sul suo funzionamento.
Il sistema di omogeneizzazione è indipendente e di facile utilizzo per il personale universitario, che può così occuparsi quotidianamente del funzionamento, della programmazione e della manutenzione. Particolarmente importante è il fatto che gli scienziati possano regolare il processo di omogeneizzazione per creare fibre di nanocellulosa e inchiostri per la stampa 3D strutturati con precisione, il che consente di progettare le proprietà desiderate nei prodotti finali.
Una stampante 3D caricata con il bioinchiostro a base di nanocellulosa sviluppato dal team stampa una struttura tubolare.
La scienza dei materiali a partire dai principi fondamentali
"In effetti, la nanocellulosa può essere acquistata già parzialmente lavorata, ma la professoressa Stana Kleinschek era interessata a progettare i materiali partendo dai principi fondamentali", afferma Grasselli. "Grazie alla nostra tecnologia, gli scienziati possono adattare la ricetta e condurre ulteriori ricerche sugli effetti del pretrattamento e dell'omogeneizzazione sulle proprietà e sulla struttura del materiale. Ciò consente loro di avere un maggiore controllo sul processo, ad esempio sulla fonte delle fibre e sul pretrattamento, nonché di comprendere meglio l'impatto dell'omogeneizzazione sulla struttura della nanocellulosa, sulla reologia del materiale e sui componenti finali stampati in 3D".
Kargl apprezza in particolare la possibilità di modificare la pressione, la concentrazione delle fibre, il numero di cicli e la temperatura. "La materia prima, il pretrattamento, il numero di cicli e la pressione sono i fattori che influiscono maggiormente sulle dimensioni delle fibre e sulla reologia dell'inchiostro", afferma.
Dipl. Ing. Dr. Florian Lackner, assistente universitario presso IBioSys, mostra della polpa di eucalipto a fibra corta essiccata.
I ricercatori dell'istituto combinano competenze nel campo della chimica e della tecnologia dei materiali bio-based, lavorando allo sviluppo di metodi per ricavare, sintetizzare e modificare prodotti naturali bioattivi da fonti rinnovabili. Le potenziali applicazioni sono molteplici, compreso l'impiego nella stampa 3D, nei rivestimenti e nelle sostanze tensioattive, in settori che spaziano dai dispositivi e dagli impianti biomedici al packaging, ai tessuti, ai cosmetici e ai rivestimenti per carta.
Massimo livello di collaborazione e adattamento
"La collaborazione in corso tra GEA e il team dell'istituto IBioSys è particolarmente entusiasmante perché i ricercatori universitari sono all'avanguardia nella ricerca e nello sviluppo di materiali bio-based", afferma Grasselli. "Sono in contatto con ricercatori, sia all'interno del centro tecnologico che all'esterno, in settori collegati o correlati, e noi siamo qui per collaborare con loro e fornire la nostra esperienza e le nostre tecnologie di lavorazione per contribuire ad accelerare la ricerca e lo sviluppo in un'ampia gamma di prodotti e applicazioni bio-based innovativi".
La collaborazione in corso tra GEA e il team dell'istituto IBioSys è particolarmente entusiasmante perché i ricercatori universitari sono all'avanguardia nella ricerca sui materiali per sistemi bio-based e nello sviluppo tecnologico.
Silvia Grasselli
GEA Head of Process Technology, Homogenization
