Ottimizzazione dei processi biotecnologici: quando i dati portano a rendimento ed eccellenza

Nel mondo della produzione biofarmaceutica, l’efficienza del processo non è solo un vantaggio competitivo: è una vera e propria condizione essenziale per garantire sostenibilità, qualità e continuità. L’elevata complessità delle lavorazioni, la delicatezza dei materiali biologici e la necessità di rispettare rigorosi standard regolatori rendono ogni fase del processo cruciale. Non si tratta solo di “produrre di più”, ma di farlo in modo ripetibile, controllato e con il minimo spreco possibile. È in questo contesto che l’ottimizzazione dei processi biotecnologici assume un ruolo centrale, rappresentando un ponte tra eccellenza operativa e conformità regolatoria.

Quando si lavora con tecnologie avanzate come le Outer Membrane Vesicles (OMV), strutture lipidico-proteiche derivate da batteri e utilizzate come componenti vaccinali ad alto potenziale immunogenico, l’attenzione ai dettagli è fondamentale. La loro produzione richiede numerosi passaggi critici, ciascuno con specifici parametri da monitorare e ottimizzare: dalla crescita batterica controllata alla purificazione finale del prodotto.

In questo contesto, ogni grammo di prodotto recuperato conta, perché riflette non solo l’efficienza tecnica ma anche l’impatto economico e ambientale del processo. Ogni punto percentuale guadagnato nel rendimento si traduce in maggiore disponibilità di dosi, minori costi di produzione, riduzione degli scarti e ottimizzazione delle risorse.

In sintesi, nell’ambito dell’ottimizzazione dei processi biotecnologici, l’efficienza non è solo un indicatore operativo: è un indicatore di maturità del processo, competenza tecnica e capacità di innovazione.

L’obiettivo: massimizzare il rendimento, minimizzare gli scarti

Attraverso un’analisi dettagliata dei dati di processo e un approccio metodico basato su campionamenti mirati, controlli statistici e verifica sperimentale, è stato possibile mappare l’intero flusso produttivo e identificare con precisione le fasi critiche responsabili delle maggiori perdite di prodotto. Questa attività di caratterizzazione ha permesso non solo di quantificare le rese di ciascuno step, ma anche di comprendere le cause alla base delle inefficienze e orientare le azioni correttive in modo strategico.

Le evidenze emerse hanno mostrato differenze significative tra le varie fasi downstream:

• Durante la fase di super centrifugazione, necessaria per separare i detriti cellulari e ottenere il materiale OMV grezzo, si è registrato un recupero medio del contenuto proteico pari solo al 28%. Questo valore ha subito acceso l’attenzione sullo step come possibile “collo di bottiglia” nella catena di processo, suggerendo la necessità di rivedere parametri chiave come la forza centrifuga, i tempi di esecuzione e il trattamento del pellet.
• Ancora più marcata è risultata la criticità nella successiva fase di ultracentrifugazione, dove la resa è scesa fino a un minimo del 5%. Un dato particolarmente significativo, che ha spinto a esplorare alternative per migliorare la separazione delle vescicole o a considerare step sostitutivi per il consolidamento del prodotto.
• In netto contrasto, le fasi finali del processo hanno mostrato performance molto più elevate: la filtrazione sterile, fondamentale per la garanzia microbiologica del prodotto, ha restituito una resa pari al 93%, mentre la fase di sonicazione, finalizzata a ridurre l’aggregazione delle vescicole e facilitare la successiva filtrazione, ha mantenuto una resa del 91%.

Questi risultati hanno confermato che, mentre alcune fasi risultano già ottimizzate e performanti, altre necessitano di interventi mirati per aumentare il recupero di prodotto e migliorare l’efficienza complessiva. L’analisi ha così rappresentato un punto di svolta nella comprensione profonda del processo, offrendo le basi per un piano di miglioramento robusto e orientato ai risultati.

Miglioramenti guidati dai dati

Per rispondere in modo efficace alle criticità emerse nella fase di analisi, è stato definito e implementato un piano strutturato di interventi correttivi e migliorativi, guidato dai principi della verifica continua del processo (Continued Process Verification). L’approccio adottato si è basato sull’integrazione tra evidenze sperimentali, conoscenze pregresse e monitoraggio in tempo reale, con l’obiettivo di aumentare la coerenza delle performance produttive e ridurre la variabilità inter-batch. Tra le principali azioni messe in campo:

1. Ottimizzazione della composizione dei terreni di coltura

Un ruolo cruciale è stato attribuito alla revisione dei media di fermentazione, con particolare attenzione agli oligoelementi essenziali. L’introduzione controllata di zinco (Zn²⁺) e rame (Cu²⁺), elementi noti per il loro impatto sulla crescita batterica e sulla biosintesi delle OMV, ha permesso di stabilizzare il comportamento fermentativo. Questo ha consentito di prevenire arresti prematuri o cali di resa. La loro integrazione è stata calibrata sulla base di dati analitici ottenuti da tecniche avanzate come l’ICP-MS, garantendo precisione e ripetibilità.

2. Controllo proattivo del tempo di fermentazione

Per assicurare una riproducibilità costante tra i lotti, è stato introdotto un sistema di monitoraggio temporale stringente, con limiti di allerta definiti (≤ 23 ore) per la durata della fermentazione. Questo ha consentito di intercettare in tempo reale eventuali deviazioni rispetto al profilo ottimale, aumentando la capacità di prevenzione di anomalie e migliorando la qualità complessiva del materiale prodotto.

3. Strategie di miscelazione controllata delle materie prime

Un ulteriore passo avanti è stato compiuto attraverso l’adozione di strategie di blending delle materie prime impiegate nella preparazione dei media. Grazie a un’approfondita caratterizzazione chimica dei lotti in ingresso, è stato possibile bilanciare in modo intelligente le variazioni naturali tra le diverse partite di materia prima. Questo ha portato a una standardizzazione più solida del media di coltura, riducendo il rischio di variabilità tra cicli produttivi e migliorando la coerenza delle prestazioni.

4. Aggiustamento dinamico dei buffer in funzione della biomassa

Infine, è stato ottimizzato l’impiego dei buffer nella fase di inattivazione ed estrazione, adattandone la composizione alla quantità effettiva di biomassa presente al termine della fermentazione. Questa personalizzazione ha migliorato significativamente l’efficacia nella rimozione di componenti indesiderate, come i lipooligosaccaridi (LPS), noti per il loro impatto sulle proprietà immunologiche e sulla purezza del prodotto finale.

Risultati concreti

L’implementazione coordinata e progressiva degli interventi descritti ha generato un’ottimizzazione concreta e misurabile su diversi livelli del processo produttivo. Ciò ha segnato un deciso passo avanti verso l’eccellenza operativa. Non si è trattato solo di correggere deviazioni, ma di elevare le performance complessive, ottenendo benefici trasversali sia in termini di qualità del prodotto che di efficienza industriale.

1. Riduzione significativa delle non conformità (OOS): Uno dei risultati più tangibili è stato il calo sensibile dei lotti fuori specifica (Out of Specification), grazie al miglior controllo dei parametri critici e alla maggiore stabilità dei cicli di fermentazione. Il processo, una volta affetto da variabilità difficilmente prevedibile, è ora in grado di mantenersi entro limiti di accettabilità più stringenti, riducendo gli scarti e migliorando la pianificazione produttiva.
2. Miglioramento della qualità e della coerenza: Le caratteristiche critiche del prodotto — come il contenuto di proteine immunogeniche, il profilo dei lipopoligosaccaridi (LPS), la dimensione media delle vescicole e il livello di endotossine — hanno mostrato una maggiore uniformità tra batch. Questo ha reso più affidabile l’intero processo di rilascio e ha favorito la continuità della fornitura, elemento cruciale in ambito biofarmaceutico dove la riproducibilità è sinonimo di sicurezza e efficacia.
3. Aumento del rendimento nelle fasi finali: Particolarmente rilevante è stato il miglioramento delle rese nelle fasi downstream, con percentuali di recupero superiori al 90% nella sonicazione e nella filtrazione sterile. Questi risultati indicano non solo un minor spreco di materiale, ma anche una maggiore valorizzazione dell’intero ciclo produttivo, in termini di materia prima trasformata in prodotto finito conforme. Questo si traduce in un incremento dell’output utile per ogni batch avviato, con impatti positivi su costi, tempistiche e disponibilità di prodotto.

Nel complesso, i risultati ottenuti dimostrano come un approccio strutturato alla gestione del processo possa generare miglioramenti sistemici, andando ben oltre la semplice risoluzione di problemi contingenti. Il processo ottimizzato oggi rappresenta una piattaforma produttiva più solida, prevedibile e scalabile, pronta a rispondere alle sfide future dell’industria biotecnologica.

Verso una produzione sempre più robusta

Con la validazione delle nuove condizioni operative, è ora possibile lavorare su una base fermentativa stabile. Questo apre le porte a una caratterizzazione ancora più approfondita delle fasi downstream. I prossimi passi includono:

1. Raccolta sistematica di dati sui rendimenti reali, in un arco temporale prolungato (3-6 mesi).
2. Sviluppo di strategie avanzate di controllo di processo, con l’obiettivo di anticipare e prevenire deviazioni.

Questa esperienza dimostra come un approccio strutturato, guidato dai dati e focalizzato sul miglioramento continuo, possa trasformare la resa di un processo biofarmaceutico. Non solo si ottiene più prodotto: si ottiene un prodotto migliore, con maggiore sicurezza e qualità.

Il futuro della produzione biotecnologica passa da qui: dalla profonda conoscenza del processo e dalla capacità di agire strategicamente sui punti critici.