La biotecnologia a confronto con la realtà

Sono appena passate le 7 del mattino all'Application and Technology Center for New Food and Biotech di GEA. Gli allarmi sono cessati e il sistema, con il suo bioreattore da 500 litri, sta funzionando senza problemi per la prima volta. Il team ha trascorso la notte a mettere a punto i controlli. Ora il display mostra un valore che nessuno si aspettava.

L’organismo nel reattore sta generando quasi tre volte più calore rispetto agli esperimenti di laboratorio. Il sistema di raffreddamento fatica a tenere il passo. Sofija Milošević, ingegnere di collaudo GEA, al terminale mantiene la calma, controlla i sensori e regola i parametri di controllo.

Poi riassume lo scopo di questo test: "È un bene che questo stia accadendo qui – e non in una fabbrica".

Perché l’Europa ha bisogno di prove pratiche

Il nuovo Application and Technology Center (ATC) di GEA a Sarstedt, a sud di Hannover, non è né uno showroom né un laboratorio. È un luogo dedicato a test, raccolta dati e decisioni preliminari. È qui che si capisce se un concetto biologico può diventare un processo industriale solido. Si tratta di un passo più importante di quanto possa sembrare. 

Ad esempio, gran parte delle sostanze nutritive utilizzate nell’allevamento in Europa, tra cui alcuni aminoacidi e vitamine, proviene attualmente dalla Cina. Non perché l’Europa non sia in grado, in linea di principio, di produrle da sola, ma perché esiste un divario tra la scoperta in laboratorio e la produzione in fabbrica. Finora, pochissimi sono riusciti a colmarlo.

Quello che a prima vista sembra un semplice dettaglio tecnico potrebbe avere conseguenze economiche dirette. Se la catena di fornitura dovesse subire interruzioni a causa di tensioni politiche, barriere commerciali o aumenti dei costi di trasporto, l’approvvigionamento alimentare europeo ne risentirebbe.

Le conoscenze scientifiche per realizzare alternative sono disponibili da tempo: nei laboratori, negli studi e nei programmi di finanziamento. Per ottenere l'autorizzazione di una nuova sostanza in Europa, le aziende devono sempre più spesso descrivere non solo la molecola, ma anche il processo (testato in laboratorio) alla base della sua produzione: l'organismo, le singole fasi di lavorazione, il sistema di igiene, i punti di controllo e la riproducibilità. Proprio per quelle fasi finali, ciò che serve è un centro di prova che trasformi la ricerca in un processo affidabile, riproducibile ed economico.

"L’Europa finanzia la ricerca scientifica e resta a guardare mentre lo sviluppo su larga scala avviene altrove", afferma Frederieke Reiners, Vice President New Food & Biotec di GEA. "La situazione sta cominciando a cambiare. Ma servono infrastrutture, non solo dichiarazioni d’intenti". 

Quattro fasi per arrivare alla produzione

Il percorso in quattro fasi dal laboratorio alla fabbrica inizia con alcune domande in laboratorio: Il processo biologico funziona? L’organismo produce il composto desiderato? La linea cellulare cresce? L’idea di base è valida? 

Nella seconda fase, un centro di prova come l’ATC di GEA verifica se il processo funzionerebbe su scala industriale. Il prodotto deve poter essere ottenuto con una qualità stabile e con un solido percorso di lavorazione a valle.

Dopo di che, i primi batch possono essere prodotti in un impianto dimostrativo in condizioni che rispecchiano quelle della successiva produzione alimentare. Ciò consente lo sviluppo del prodotto e i test di mercato. Solo nell’impianto industriale si capisce definitivamente se l’intero processo è fattibile su larga scala.

Ogni fase ha una sua logica. Ciascuna richiede attrezzature, dati e decisioni diverse. Ogni fase rende possibile quella successiva.

Marcel Oogink sta realizzando la Biotechnology Fermentation Factory (BFF) a Ede, nei Paesi Bassi, con il supporto di GEA. L'impianto dimostrativo aperto offre alle aziende l'opportunità di proseguire i test in condizioni adeguate al settore alimentare dopo la fase presso l'ATC. Per lui, il percorso dal laboratorio alla fabbrica non è un grande salto, ma una serie di decisioni, ognuna delle quali richiede prove circostanziate. 

Fino ad oggi, questo tipo di approccio è stato adottato molto raramente nel settore.

Cosa rivela la prova pratica

Torniamo al fermentatore e al carico termico inaspettato. Il calore in eccesso generato in fase sperimentale non è solo un inconveniente, ma un’informazione fondamentale. Per l’azienda che lavora con questo organismo, è appena emerso un requisito imprescindibile. A livello industriale, è necessario progettare il sistema di raffreddamento in modo diverso fin dall’inizio.

Questa consapevolezza ha richiesto un lavoro aggiuntivo e ha causato qualche difficoltà. In una fabbrica già operativa, tuttavia, sarebbe costato milioni o avrebbe bloccato l’intero progetto.

Momenti come questo si verificano ripetutamente presso l’ATC, in forme diverse. In un altro caso, un piccolo test preliminare ha rivelato una formazione massiccia di schiuma. Su scala più ampia, sarebbe stato quasi impossibile controllarla. Ora il sistema di controllo può essere progettato con maggiore precisione rispetto a quanto previsto e l’aggiunta di nutrienti può essere regolata.

Un altro cliente si è trovato di fronte a una domanda di carattere molto pratico: Come estrarre le proteine da una cellula di lievito? Per farlo, era necessario innanzitutto rompere le pareti cellulari. Presso l’ATC, gli ingegneri hanno studiato vari pretrattamenti e condizioni di processo per l’utilizzo di un omogeneizzatore ad alta pressione. L'obiettivo era quello di liberare la maggior quantità possibile di proteine, mantenendo sotto controllo il consumo energetico.

Anche le fasi successive di concentrazione e purificazione hanno fornito importanti informazioni. Confrontando i metodi di separazione e filtrazione, il team è riuscito a selezionare la tecnologia di separazione più adatta al processo. In una delle fasi testate, il team ha ottenuto rese proteiche superiori al 90%.

Klaus Stojentin, membro dell'Executive Board di GEA responsabile della divisione Nutrition Plant Engineering, è ben consapevole del divario esistente tra i risultati di laboratorio e le condizioni reali di un impianto. "La tecnologia è davvero interessante solo se anche tutto il resto funziona", afferma. "E tutto il resto non si impara in laboratorio"

Dire 'no' prima per evitare 'sì' sbagliati

Non tutti i test portano a una soluzione praticabile. Ciò potrebbe sembrare negativo. Ma fare chiarezza è fondamentale quando è ancora possibile apportare modifiche senza costi eccessivi.

Durante i test condotti con un cliente, è emerso chiaramente che l’organismo non era abbastanza produttivo. La resa era ben al di sotto di quella che sarebbe stata economicamente sostenibile. Nessuna ottimizzazione dell’impianto né alcun adeguamento del processo avrebbero potuto risolvere il problema. L’azienda ha riesaminato il proprio business case ed è tornata allo sviluppo del ceppo.

"A volte il miglior risultato di un test è un 'no'", afferma Reiners. "Un 'no' detto al momento giusto evita un 'sì' sbagliato".

È proprio qui che risiede la lucida logica industriale dell’ATC: le aziende che effettuano test preliminari possono cambiare rotta tempestivamente. Chi effettua i test troppo tardi, o non li effettua affatto, rischia di investire in un’ipotesi che non regge nelle condizioni reali.

Questa competenza non si acquisisce dietro una scrivania. Deriva dall’esperienza pratica in condizioni che si avvicinano alla realtà industriale.

I cosiddetti "sandbox normativi", di cui si discute sempre più spesso in Europa, seguono la stessa logica: Le aziende e le autorità raggiungono di comune accordo una visione condivisa prima della presentazione effettiva della domanda di autorizzazione. L’ATC non è di per sé uno strumento normativo. Tuttavia, fornisce esattamente il tipo di dati che rendono tale apprendimento guidato più significativo e solido.

Dal progetto pilota alla produzione su larga scala

Solar Foods dimostra cosa è possibile realizzare su larga scala. L’azienda finlandese produce Solein®, una proteina microbica ottenuta da CO2, idrogeno e minerali. Utilizza energia rinnovabile, indipendentemente dai terreni agricoli, dalle condizioni meteorologiche e dalle stagioni.

GEA ha realizzato il primo impianto commerciale di Solar Foods con un progetto “chiavi in mano” e sta ora progettando Factory 02 – il primo impianto industriale su larga scala per la produzione di proteine – che sorgerà a Lappeenranta, in Finlandia.

Solar Foods sta dimostrando che la filiera può funzionare, purché ogni fase venga gestita con attenzione.

La conoscenza dei processi si traduce in capacità produttiva

La mattina a Sarstedt è ormai ormai finita. Milošević ha regolato il sistema di controllo e rivisto la strategia di alimentazione; l'impianto funziona in modo stabile. L'imprevista generazione di calore è diventata un punto di riferimento concreto per il passaggio alla successiva fase di ampliamento.

I risultati ora forniscono una solida base per il processo decisionale. Confermano o convalidano il business case, chiariscono la fattibilità della produzione e infondono fiducia negli investitori. L'azienda che ha sviluppato questo sistema adesso sa di cosa ha bisogno per il prossimo impianto. Ne conosce le opportunità e i limiti. 

"Questo è il vero risultato del nostro ATC", afferma Milošević. Lavoriamo con batch e protocolli, ma in fin dei conti è la conoscenza che rende possibile il passo successivo.

L’Europa vanta un’eccellente tradizione scientifica. La Germania vanta un’eccellente tradizione ingegneristica. Ciò di cui l’industria ha bisogno sono luoghi in cui entrambe queste tradizioni si incontrino in condizioni sufficientemente vicine alla realtà industriale da avere un impatto concreto. 

Sarstedt è oggi uno di questi luoghi.