Caratterizzazione di un liofilizzatore pilota per l’essiccazione di biomasse di batteri probiotici = Characterization of a pilot freeze-dryer for the drying of probiotic bacteria biomass

I probiotici sono definiti come microrganismi vivi che apportano benefici alla salute dell’ospite che li assume. Affinché la dose sia sufficiente a garantire l’effetto e si mantenga nel tempo è necessario che i batteri vengano prodotti e conservati in modo adeguato. Una delle tecniche più utilizzate per questo scopo è la liofilizzazione in bulk. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è la caratterizzazione di un impianto pilota di liofilizzazione sito presso l’azienda Probiotical S.p.A. finalizzato allo sviluppo di un ciclo ottimale di liofilizzazione per due formulazioni probiotiche appartenenti alla specie Lactobacillus rhamnosus, denominate Lr1 e Lr6. Inizialmente, l’impianto è stato caratterizzato in termini di coefficiente di scambio di calore e massima capacità di smaltire il flusso di sublimazione. Altra fase di caratterizzazione ha riguardato le formulazioni costituite dalle biomasse batteriche crioprotette: dal punto di vista termico, misurando temperatura di transizione vetrosa e di collasso con DSC e FDM, ed in seguito calcolando la resistenza al trasporto di materia Rp. Per ogni formulazione, attraverso l’utilizzo del software Lyosim, conoscendo Kv, Rp e Tc, è stato creato un design space per l’ottimizzazione dell’essicamento primario. Esso rappresenta un grafico, con la pressione della camera sulle ascisse e la temperatura dei ripiani sulle ordinate, in cui vengono riportate una serie di linee che indicano la percentuale di strato essiccato del prodotto posto nei vassoi. Al di sotto di esse sono presenti tutte le possibili coppie di valori che garantiscono che questa fase si completi senza che il prodotto collassi. Per la convalida del ciclo e la sua ottimizzazione è stato selezionato un punto il più vicino possibile alla linea più conservativa del grafico, per garantire che la temperatura di collasso non venisse mai superata. Con lo stesso software è stato stimato il tempo necessario per il completamento dell’essiccamento primario. Definito così il protocollo del primo step di essicazione, impostando gli stessi parametri di congelamento utilizzati per il calcolo dell’Rp, si è proceduto a liofilizzare le due biomasse. Infine, è stata valutata l’acqua libera residua e, attraverso le conte batteriche, sono state calcolate le percentuali di sopravvivenza dei microrganismi alla liofilizzazione. Le due formulazioni hanno restituito comportamenti simili con l’Lr1 che ha mostrato una temperatura di collasso più bassa rispetto all’Lr6 ed un Rp con valori più alti. Inserendo questi risultati nel software, sono stati restituiti due design space e relativi tempi di essiccamento molto simili. La resistenza più alta del ceppo Lr6, che avrebbe potuto spostare temperature e pressioni utilizzabili verso valori più bassi rispetto all’Lr1, è stata compensata da una temperatura di collasso più alta. Per questa ragione i protocolli ottimizzati sono risultati sostanzialmente uguali, prevedibile in quanto i ceppi appartengono alla stessa specie di microrganismi. L’applicazione dei cicli così ottimizzati ha evidenziato che le temperature dei prodotti non hanno superato la Tc durante il primario, che la biomassa batterica disidratata presenta un parametro di acqua libera più bassa rispetto ad un ciclo non ottimale ed una sopravvivenza maggiore alla fine del processo. Queste evidenze sia fisiche che biologiche rappresentano degli ottimi presupposti di qualità al tempo zero e sono tali da garantire una buona tenuta del prodotto probiotico anche durante la conservazione a lungo termine.