18:46 07 Agosto 2020
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È quasi pronto il prototipo unico nel settore che permette di produrre materiale filtrante per mascherine con una capacità di protezione da virus e batteri superiore rispetto a quelle attualmente in uso.

Lo ha realizzato un gruppo di ricerca multidisciplinare dell’Università di Bologna in collaborazione con Marchesini Group. Gli studiosi stanno ultimando la messa a punto della macchina, che nel giro di poche settimane potrà entrare in funzione.

Per maggiori informazioni Sputnik Italia si è rivolto ad uno dei coordinatori del progetto, Professore al Dipartimento d’Ingegneria industriale dell’Università di Bologna Andrea Zucchelli. 

— Professore Zucchelli, potrebbe raccontarci della collaborazione tra UniBo e Marchesini Group? Com’è nato il vostro progetto?

Andrea Zucchelli (DIN)
© Foto : Università di Bologna
Andrea Zucchelli (DIN)

— L’RGE è un gruppo di ricerca multidisciplinare che abbiamo fondato nel 2006 per sviluppare in modo sinergico attività di ricerca di base e applicata nell’ambito delle nanofibre da elettrofilatura. I materiali nanofibrosi che abbiamo studiato negli anni hanno svariati campi di applicazione, ed uno dei primi settori industriali nei quali ha trovato applicazione è proprio quello del trattamento e depurazione dell’aria. All’inizio del mese di marzo, precisamente il 2 di marzo, abbiamo fatto una riunione interna al nostro gruppo interrogandoci se le conoscenze relative ai materiali ed alla elettrofilatura potessero essere utili per fronteggiare la diffusione pandemica del SARS-CoV-2. Dal policlinico di UniBo, il Sant’Orsola, arrivavano chiari segnali di una crescete richiesta di mascherine, prima di tutto chirurgiche ma anche di classe superiore come le FFP3. In quei giorni quasi tutti i laboratori di UniBo che avevano dotazioni di mascherine furono invitati a fornire le proprie scorte al policlinico e così facemmo anche noi.

Unibo generale
© Foto : Università di Bologna
Unibo generale

Ovviamente le nostre disponibilità tecnologiche ci permettevano di produrre su scala da laboratorio qualche metro quadro al giorno di rivestimenti nanofibrosi potenzialmente idonei a contrastare la diffusione del virus ma non avevamo la capacità produttiva adeguata per produrre né il materiale né le mascherine per sopperire alla necessità del policlinico e non avevamo nemmeno tutte le strumentazioni necessarie per poter verificare la respirabilità ed il potere filtrante dei nostri materiali. Intuimmo da subito che se avessimo voluto contribuire concretamente al problema della scarsità delle mascherine avremmo dovuto collaborare con delle aziende specializzate. Il primo contatto venne sviluppato con GVS. GVS è una azienda leader nella fornitura di soluzioni filtranti e nella produzione di dispositivi di protezione individuale, tra cui in particolare di mascherine FFP3.

Dopo alcuni contatti telefonici con GVS il 13 marzo, dieci giorni dalle prime idee ed ipotesi di lavoro maturate all’interno del nostro gruppo, facemmo la prima riunione ufficiale con i loro ricercatori. Durante la riunione emerse che l’interesse industriale per i materiali che eravamo in grado di produrre c’era, ed era altresì forte poiché con essi si sarebbe potuto far fronte alla scarsa reperibilità di materiali chiave per produrre le mascherine. A conclusione della riunione si decise di intraprendere uno studio di fattibilità congiunto UniBo-GVS per verificare se i materiali che eravamo in grado di produrre fossero realmente idonei per la realizzazione di mascherine FFP3.

Maria Letizia Focarete (CIAMICIAN)
© Foto : Università di Bologna
Maria Letizia Focarete (CIAMICIAN)

La settimana seguente, il 16 marzo, nonostante la chiusura totale dell’Università grazie all’adozione di un protocollo di sicurezza che fu condiviso ed approvato dagli organi preposti di UniBo, rientrammo in uno dei laboratori di elettrofilatura da noi gestiti. Insieme ad alcuni nostri collaboratori, l’ing. Filippo Grolli, la dott.ssa Giorgia Pagnotta e l’ing. Tommaso Maria Brugo, iniziammo a rivestire i primi campioni di materiali filtranti forniti da GVS con le nanofibre prodotte con alcune soluzioni polimeriche messe a punto nel laboratorio di UniBo. I campioni prodotti furono caratterizzati presso UniBo per verificare la dimensioni e la carica elettrica introdotta nelle nanofibre. Una parte dei campioni furono trasferiti a GVS per la realizzazione di alcune mascherine prototipali e per i primi test di idoneità.

Una precisazione tecnico scientifica merita di essere menzionata al fine di chiarire meglio il ruolo delle nanofibre e della tecnologia che abbiamo messo a punto. Infatti, quando si devono filtrare oggetti molto piccoli, come ad esempio l’aerosol acquoso che contiene i virus, è opportuno utilizzare materiali filtranti i cui pori abbiano una scala dimensionale paragonabile a quella dell’oggetto da trattenere. Per ottenere media filtranti con pori di dimensioni prossimi a quella degli aerosol contaminati da virus se non si ricorre alle nanofibre le perdite di carico sono molto elevate e quindi si perde in respirabilità. Inoltre, per favorire la cattura dell’aerosol che contiene il virus è opportuno che le nanofibre siano elettricamente cariche poiché questo favorisce la cattura dell’aerosol per via elettrostatica. Le nanofibre prodotte mediante elettrofilatura consentono di ottenere materiali filtranti con una porosità idonea ad intercettare l’aerosol acquoso e nel contempo possono essere elettricamente caricate durante la loro realizzazione in virtù del processo stesso che le produce (elettrofilatura, ovvero una estrusione elettrostatica in presenza di campi elettrici di elevata intensità).

Davide Fabiani (DEI)
© Foto : Università di Bologna
Davide Fabiani (DEI)

L'obiettivo che ci siamo posti durante i primi esperimenti in laboratorio è stato quello di massimizzare la quantità di carica elettrica da introdurre nelle nanofibre e di poter verificare la sua persistenza nel tempo. Per perseguire questo obiettivo la classica tecnologia di elettrofilatura è stata modificata con alcuni accorgimenti basati sull’effetto corona che avrebbero permesso di aumentare il livello di carica elettrica nelle nanofibre. Tuttavia, tutte le ipotesi fatte dovevano essere verificate sperimentalmente. I test effettuati nel laboratorio di UniBo hanno permesso di verificare che le nanofibre prodotte con le modifiche apportate al processo avevano un contenuto di carica elettrica molto superiore, fino a 4 volte, rispetto a quelle che si ottengono con il processo convenzionale. Inoltre, i test accelerati di durata hanno dimostrato che tale carica elettrica è in grado di permanere per svariati mesi. Infine, i test effettuati in GVS hanno permesso di verificare l’efficacia del materiale una volta inserito nelle mascherine FFP3.

A valle di una intensa settimana di lavoro si poté concludere che avevamo individuato il processo ed il materiale idoneo per realizzare un media filtrante efficace ed efficiente alternativo a quello convenzionale e di sempre più difficile reperibilità sul mercato. Restava però il problema legato alla produzione su scala industriale di tale materiale. Bisognava, infatti, trovare un partner industriale che fosse in grado di realizzare una macchina con la quale produrre tali rivestimenti nanofibrosi su larga scala poiché la tecnologia messa a punto in laboratorio non era implementabile nelle macchine da elettrofilatura oggi presenti in commercio. Furono contattate alcune aziende di Macchine Automatiche del territorio bolognese e Marchesini Group fu la prima azienda a volersi impegnare nella costruzione di una macchina automatica nella quale implementare il sistema di elettrofilatura che avevamo messo a punto in laboratorio. Marchesini Group è una delle aziende leader nella progettazione e realizzazione di macchine ed impianti per il confezionamento di prodotti farmaceutici e cosmetici ed al suo interno ha tutte le competenze e capacità produttive per realizzare macchine automatiche ad elevata complessità cinematica e dinamica.

In questo caso la sfida era principalmente legata al fatto che il processo di elettrofilatura richiede l’impiego di elevate tensioni elettrostatiche (nell’ordine di decine di migliaia di volt, tipicamente maggiori di 30000 volt) e questo fatto impone di adottare particolari accorgimenti per garantire la sicurezza degli operatori e della macchina stessa. Il 19 marzo ci furono i primi contatti per valutare il layout e la produttività della macchina e a partire dal 23 marzo prese il via il percorso progettuale vero e proprio. Il percorso progettuale fu coadiuvato da sistematiche riunioni nelle quali furono analizzati i dettagli dei gruppi funzionali della macchina ed in particolare dell’area di processo ove si producono le nanofibre.

Grazie alla elevata professionalità dei tecnici di Marchesini e ad una disponibilità tecnologica avanzata interna all’azienda al termine delle prime due settimane si stavano delineando i disegni costruttivi della macchina e furono realizzati i primi componenti prototipali del nuovo sistema di sparo ad elevata produttività. In particolare il primo prototipo del sistema di sparo fu trasferito presso il laboratorio di UniBo e su di esso furono effettuati i test di elettrofilatura per qualificarlo. Il 20 di maggio il prototipo della macchina è stato consegnato presso il laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Industriale (DIN) e sede anche del CIRI MAM dell’Università di Bologna. Da quel giorno abbiamo iniziato ad installare sulla macchina alcuni componenti elettronici ed apposite lenti elettrostatiche realizzate presso i nostri laboratori e, grazie anche alla intensa attività di due ricercatori di UniBo, l’ing. Alberto Sensini e l’ing. Carlo Gotti, sono iniziati i test per la messa a punto della macchina.

— Quanto tempo avete impiegato per disegnare e installare il nuovo rivoluzionario prototipo? Avete riscontrato qualche difficoltà?

— Il tempo che è stato necessario per arrivare al prototipo è stato di circa 2 mesi. Le difficoltà maggiori sono state legate al lockdown che ci ha precluso contatti diretti con i progettisti. In tal senso i tempi sono stati un po’ dilatati dalla mancanza di un contatto diretto. Questa inziale difficoltà, tuttavia, è stata superata utilizzando diversi strumenti di progettazione virtuale condivisa ed è stata, quindi, anche l’occasione concreta per cimentarsi da entrambe le parti adottando nuove procedure.

— Quali sono i punti di forza del nuovo materiale? Com’è diverso da quello attualmente in uso? E perché questa tecnologia è più efficace dal punto di visto del blocco del virus nel post pandemia?

— Il nuovo materiale è formato da nanofibre che contengono una elevata carica elettrica, e tali caratteristiche lo rendono particolarmente idoneo alla cattura dei virus grazie sia alla dimensione ridotta delle fibre che comporta elevatissima area superficiale e pori molto ridotti, che alla attrazione elettrostatica esercitata dalle fibre sull’aerosol acquoso che contiene il virus.

— Quando il prototipo entrerà in funzione? E quante supermascherine potrà produrre al giorno? Sarà una produzione su larga scala?

— Il prototipo è nella fase finale dell’allestimento poiché alcuni componenti hanno richiesto un tempo maggiore per la realizzazione. Tuttavia il prototipo è già stato acceso e sono stati fatti i test di prequalifica per verificare la qualità del rivestimento nanofibroso. La macchina a pieno regime è stata progettata per realizzare materiali per costruire almeno 7000 mascherine FFP3 al giorno.

— Saranno le mascherine monouso ma facilmente riciclabili, visto le preoccupazioni degli ambientalisti?

— Siamo molto attenti alla sostenibilità e su questo aspetto stiamo lavorando con GVS, perché i materiali che vengono prodotti con la nuova macchina sono utilizzati insieme ad altri materiali da loro forniti e l’analisi del ciclo vita delle mascherine nanostrutturate deve essere ultimato.

— Le mascherine restano ancora oggi la miglior forma di prevenzione, all’inizio della pandemia i loro prezzi sono volati alle stelle. Quanto potrebbe costare, secondo le Sue stime, una mascherina FFP3 della “nuova generazione”? 

— Ad oggi non siamo in grado di fornire stime sui costi delle mascherine realizzate con i nuovi materiali, certamente possiamo dire che con questa tecnologia i produttori di mascherine si possono svincolare dal mercato dei materiali nobili, gli elettreti, che servono per catturare i virus ed i batteri. Quindi ci si aspetta che con questa tecnologia non si verifichino incrementi relativi ai prezzi delle mascherine causati dalla scarsità sul mercato di alcuni materiali. Riteniamo che questa tecnologia potrà favorire l’indipendenza tecnologica per la produzione del materiale chiave per la filtrazione. Inoltre, in accordo con alcune recenti richieste della Commissione Europea, è interessante notare che la tecnologia che abbiamo messo a punto ha una rapida riconversione nella destinazione d’uso. Infatti, qualora in futuro un’azienda stia utilizzando queste macchine per produrre materiali per applicazioni biomedicali o sensori in meno di 24 ore potrà modificare il setup di macchina per produrre rivestimenti nanofibrosi per realizzare materiali per le mascherine.

— Pensate di vendere questa tecnologia “Made in Bologna” all’estero, in Russia, negli Stati Uniti, dove il virus non ha ancora perso la sua forza? Oppure magari sapete già come espandere ulteriormente la sua portata?

— Lo scopo inziale e finale di questo percorso era ed è quello di mettere al servizio della società le conoscenze che abbiamo maturato nei nostri laboratori. La tecnologia che abbiamo sviluppato non è stata al momento pensata per fini commerciali e se ci saranno sarà compito degli organi preposti dell’Ateneo e di Marchesini Group concertare il modo migliore per valorizzare lo sforzo compiuto in questi mesi. L’interazione virtuosa con le aziende che possono svolgere un ruolo chiave per trasformare le idee ed i prototipi in soluzioni concrete crediamo possa essere la chiave di volta per rispondere alle esigenze della società.

I punti di vista e le opinioni espressi nell'articolo non necessariamente coincidono con quelli di Sputnik.

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