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La produzione di vaccini, resa possibile dal vuoto

Da Dr Graham Rogers
La produzione di vaccini, resa possibile dal vuoto

Al giorno d’oggi sentiamo parlare spesso di vaccini, anche a causa della pandemia Covid 19. L'uso del vuoto è parte integrante non solo della loro produzione ma anche di alcuni vaccini come il Pfizer Biontech che richiede una temperatura di -60°C per la conservazione e il trasporto.

L'uso del vuoto per la liofilizzazione nell'industria farmaceutica è ben noto, ma ci sono diverse fasi della sintesi in cui il vuoto è cruciale. La purificazione all'interno del processo di produzione è fondamentale e una centrifuga ad altissima velocità viene impiegata per facilitare questa fase. I diversi coefficienti di sedimentazione o la densità di galleggiamento dei componenti all'interno della miscela permettono di realizzare il processo di purificazione. Sono necessarie alte velocità di rotazione di più di 30.000 RPM per produrre una separazione completa delle specie attive e dei contaminanti indesiderati. Tali grandi velocità di rotazione causeranno l'attrito dell'aria all'interno della miscela e provocheranno la generazione di calore che potrebbe danneggiare i componenti attivi. L'uso di un sistema di pompe per alto vuoto che incorpora una pompa turbomolecolare (TMP), e idealmente una pompa a vuoto a secco, permette di estrarre il calore dalla miscela come illustrato di seguito.

TURBOVAC LP 1-1
Liofilizzazione

I componenti chiave dei vaccini sono microrganismi ed enzimi attivi che sono vivi e devono rimanere tali per essere efficaci.

Il vaccino vivo finito viene mescolato con uno stabilizzatore a base d'acqua per formare una sospensione e poi successivamente congelarne il materiale. Viene poi applicato il vuoto con un po' di calore, in modo che il ghiaccio passi da solido a vapore o sublimi. A causa della bassa temperatura del processo di sublimazione, i componenti del vaccino rimangono attivi e intatti.

Il diagramma di fase per l'acqua mostrato qui sotto illustra come a bassa pressione il ghiaccio solido si trasforma direttamente in vapore, senza alcuna fase liquida intermedia.

Curva di pressione del vapore/curva di pressione del vapore saturoEMEA-Leybold-PhaseDiagram-Vaccine-Blog
Diagramma di fase per l'acqua

Il vaccino liofilizzato può essere sigillato e conservato sotto vuoto; questo ha i vantaggi di offrire una lunga durata di conservazione, una rapida dissoluzione con il diluente durante l'uso, e caratteristiche di recupero invariate. Attualmente è il metodo più comune di conservazione dei vaccini vivi.


Produzione fiale di vetro

Prima del trasporto e dell'erogazione, il vaccino viene dispensato in fiale di vetro. La scelta corretta del vetro è cruciale per mantenere l'efficacia del vaccino, e solo il vetro borosilicato basso ha l'alta stabilità chimica necessaria per ottenere la stabilità a lungo termine del vaccino. Inoltre, ha un'eccellente stabilità all'espansione e alla contrazione termica, importante per la conservazione a lungo termine a temperature inferiori a quelle ambientali.

Il vuoto è richiesto in due fasi della produzione delle fiale di borosilicato:

  • Il processo di fusione per rimuovere l'aria intrappolata nel vetro, tipicamente operando a circa 50 mbar di pressione. La polvere di vetro e le alte temperature sono problemi che devono essere affrontati, e tradizionalmente sono state usate pompe ad anello liquido. Ma sempre più spesso, per ridurre i costi di gestione, vengono impiegate sia pompe rotative a palette che a vite a olio. Le pompe a vite a secco offrono un'alternativa senza olio.

  • Il processo di stampo richiede livelli di vuoto di circa 100 mbar. Tempi di pompaggio brevi e funzionamento continuo sono fondamentali, e anche in questo caso le pompe rotative a palette e a vite a olio, così come le pompe a vite a secco, sono sempre più utilizzate.


Trasporto e conservazione prima dell'uso.

Come menzionato, il primo vaccino approvato, Pfizer Biontech, richiede la conservazione a -60° C. Mantenere questa temperatura rappresenta una sfida significativa. L'uso della tecnologia VIP (Vacuum Insulation Panel) offre un metodo per mantenere queste temperature in modo efficiente dal punto di vista energetico. VIP offre una conduttività termica molto bassa di 0,004W (m.K), con uno spessore tipico della parete del contenitore di 25-60mm. In confronto, la lana minerale convenzionale di 150mm di spessore avrebbe un valore di 0,04W (m.K).

Questo significa non solo una maggiore efficienza, ma anche un maggiore stoccaggio all'interno dell'unità di refrigerazione.

Questa tecnologia ha applicazioni più ampie per isolare gli edifici più vecchi senza perdita significativa di spazio interno, riducendo notevolmente l'impronta di carbonio.

La struttura di VIP comprende tre parti: materiale isolante, un materiale di assorbimento del gas (Getter) e una pellicola isolante chiusa (barriera). Questa barriera isolante chiusa viene pompata ad un alto livello di vuoto prima della sigillatura, offrendo così eccezionali proprietà di isolamento.

Un tipico sistema a vuoto è mostrato qui sotto:

VIP productionEMEA-blog-vaccines-VIP-production

La sequenza di pompaggio del prevuoto ad alta velocità riduce al minimo il tempo prima che la pompa di diffusione entri in funzione, per dare una rapida rotazione dei pannelli.

Conclusioni
  • L'uso di un sistema di pompaggio ad alto vuoto in combinazione con una centrifuga Ultra-High-Speed permette la purificazione del vaccino minimizzando qualsiasi effetto dannoso del calore sul prodotto.

  • La liofilizzazione sotto vuoto offre una conservazione di massa a lungo termine prima del trasferimento in fiale di erogazione.

  • La produzione di fiale dipende dal vuoto per la rimozione dell'aria nel processo di fusione, e inoltre il vuoto è la chiave per lo stampaggio uniforme delle fiale.
  • La tecnologia dei pannelli isolanti sotto vuoto offre temperature basse affidabili ed efficienti dal punto di vista energetico, cruciali per la stabilità a lungo termine di alcuni vaccini.

Tags: Ricerca e Sviluppo, Ultra-alto Vuoto, Alto Vuoto, Vuoto Industriale

Su Dr Graham Rogers

Dr Graham Rogers
Dr Graham Rogers has extensive experience across the world of vacuum, having been involved in the detailed specification and technical selling of the complete range of products, principally for Leybold, over the past 30 years. He brings in-depth knowledge from the metallurgy, chemical, analytical, R&D and semiconductor sectors, and has a passion for helping customers in solving problems and developing solutions that will bring real process improvements and value. Graham is a science graduate from Oxford University, UK, where he gained his degree in Chemistry and a DPhil in Physical Chemistry. His journey into vacuum science began early on in his career when worked developing semiconductor processes particularly thin film coating, this led him into the exciting and inspiring world of vacuum and eventually Leybold. We are delighted to have Graham as a resident Consultant for Leybold, where he is able to share his knowledge and insight through our vacuum academy training, videos and blogs.

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