Nel settore farmaceutico gli errori devono essere azzerati, soprattutto per quanto riguarda la produzione dei medicinali. Affinché possano essere garantiti standard qualitativi e di sicurezza elevati, è fondamentale che i componenti alla base di ogni prodotto farmaceutico si mescolino perfettamente tra loro. Così facendo, sarà possibile dosare in maniera perfetta la quantità dei principi attivi necessari.

Per riuscire in questo intento è però necessario affidarsi a macchinari che fanno della precisione la loro principale qualità: stiamo parlando degli omogeneizzatori industriali. Che cosa sono?

Nelle prossime righe osserveremo i processi fisici alla base del loro funzionamento e come questi macchinari vengono applicati in ambito farmaceutico. Infine, osserveremo quanto gli endoscopi industriali possano essere essenziali ai fini della loro manutenzione.

Come funziona un omogeneizzatore industriale?

Il funzionamento di questi macchinari si basa sul processo di omogeneizzazione, ovvero la capacità di trasformare una sostanza originariamente eterogenea in una formulazione del tutto uniforme e stabile nel tempo (nel senso che la composizione non subirà variazioni con il passare dei giorni).

Per uniformare gli elementi che andranno a comporre il medicinale o la crema, l’omogeneizzatore industriale esercita una serie di sollecitazioni fisiche di intensità estrema. Nella pratica, il macchinario frantuma gli agglomerati e i globuli presenti nel fluido inserito al suo interno riducendoli in dimensioni microscopiche, addirittura al di sotto del micron.

Facciamo però un passo per volta ed osserviamo una ad una le fasi che caratterizzano il processo di omogeneizzazione.

Aspirazione

Il fluido grezzo, contenente le polveri grossolane citate nel paragrafo precedente, viene prelevato dal serbatoio di stoccaggio e introdotto nel cilindro dell’omogeneizzatore attraverso un’apposita valvola d’ingresso. In questa fase il fluido viene mescolato a bassa pressione e a bassa velocità.

Pressurizzazione

A questo punto la valvola di aspirazione da cui è stato introdotto il liquido si chiude e si attiva la pompa dell’omogeneizzatore. I pistoni volumetrici che la caratterizzano generano una fortissima pressione (anche di alcune centinaia di bar) che spinge il fluido uno spazio ristretto: grazie ad essa le particelle della miscela iniziano a frantumarsi.

Cavitazione

La cavitazione rappresenta il passaggio centrale di tutto il processo. Il fluido ad altissima pressione viene spinto a forza attraverso un’apertura microscopica, il cosiddetto “ugello di omogeneizzazione”. Il passaggio forzato in questo spazio millimetrico genera contemporaneamente tre fenomeni fisici:

• accelerazione e caduta di pressione. La velocità del fluido aumenta istantaneamente in modo vertiginoso, mentre la pressione interna crolla a zero;
• forze di taglio intense: La differenza di velocità tra gli strati del fluido genera uno sforzo di taglio parallelo che inizia a stirare e spezzare le goccioline di grasso o gli agglomerati solidi.
• cavitazione meccanica. Il crollo improvviso della pressione fa sì che nel liquido si formino all’istante microscopiche bolle di vapore, le quali quasi immediatamente collassano e implodono violentemente generando onde d’urto ad altissima intensità che polverizzano le ultime particelle rimaste.

Scarico

Dopo aver superato l’ugello di omegeneizzazione, il fluido stabilizzato perde velocità e viene convogliato verso la valvola di uscita. Da qui, il prodotto finale esce dall’omogeneizzatore per essere inviato alle successive fasi di confezionamento o stoccaggio. Il risultato è un’emulsione perfettamente liscia.

A cosa servono gli omogeneizzatori nel settore farmaceutico?

L’azione degli omogeneizzatori industriali consente la produzione di numerosi prodotti farmacologici. Quali sono i più comuni?

• Sciroppi antibiotici: in particolare quelli per i bambini o quelli destinati al trattamento del reflusso gastrico.
• Soluzioni per flebo: gli omogeneizzatori permettono di creare soluzioni ricche di lipidi e vitamine da iniettare direttamente nel flusso sanguigno dei pazienti, ad esempio, in terapia intensiva.
• Creme e pomate: dai gel antinfiammatori per i dolori muscolari fino alle pomate cortisoniche.
• Spray nasali e inalatori per l’asma: questi farmaci per essere assorbiti attraverso le mucose nasali richiedono una finezza strutturale estrema, che può essere garantita solo dagli omogeneizzatori industriali.

Senza dimenticare il settore alimentale

Oltre al campo farmaceutico, gli omogeneizzatori industriali sono utilizzati tantissimo nel settore alimentare. L’applicazione più famosa è indubbiamente quella riguardante il latte. Questo, quando è crudo, contiene globuli di grassi che tendono ad emergere in superficie (quella che comunemente chiamiamo panna): il processo di omogeneizzazione li frantuma.

Lo stesso discorso vale per i succhi di frutta. In questo caso gli omogeneizzatori evitano che polpa e acqua della frutta si separino mantenendo la bevanda sempre densa e corposa. Infine, come non citare la maionese? Anche qui, nelle produzioni industriali, consentono ad olio e aceto di legare senza che la salsa “impazzisca”.

Quali sono le tipologie di omogeneizzatori industriali?

Nel contesto industriale vengono applicati diversi tipi di omogeneizzatori che variano a seconda del principio fisico che sfruttano: osserviamoli insieme!

Omogeneizzatori a rotore con statore

In questa conformazione è presente un albero metallico centrale detto “rotore”, il quale è avvolto da una gabbia metallica detta “statore”. Quando l’albero viene azionato genera un’enorme forza centrifuga che produce un effetto risucchio: il liquido viene aspirato al centro e poi scaraventato verso l’esterno attraverso le microfessure dello statore.

Le particelle vengono così sminuzzate dando origine ad una emulsione a media viscosità. Non a caso questi omogeneizzatori industriali vengono utilizzati per le emulsioni base delle creme cosmetiche.

Omogeneizzatori a pressione

Il processo di funzionamento degli omogeneizzatori a pressione è quello già illustrato nella sezione “Come funziona un omogeneizzatore industriale?”. L’estremo livello di parcellizzazione rende questi macchinari ideali per il settore farmaceutico e alimentare. In generale, sono perfetti per le produzioni industriali, in quanto consentono di lavorare in modo continuo enormi volumi di liquido.

Omogeneizzatori ad ultrasuoni

Gli omogeneizzatori ad ultrasuoni incarnano l’ultima evoluzione tecnologica di questa tipologia di macchinari. Sfruttano le ceramiche piezoelettriche, le quali, quando ricevano una scarica elettrica, iniziano a vibrare a frequenze altissime emettendo ultrasuoni. Dopodiché, le vibrazioni vengono trasmesse al fluido attraverso una sonda di metallo chiamata sonotrodo.

Gli ultrasuoni creano una tempesta invisibile nel fluido generando cicli continui di altissima e bassa pressione. Questa continua altalena genera bolle di vuoto che un istante dopo la genesi implodono violentemente. Si tratta del fenomeno di cavitazione che abbiamo già osservato nelle righe precedenti.

Attraverso questi omogeneizzatori industriali si possono effettuare lavorazioni su scala nanometrica, come ad esempio la rottura delle membrane dei batteri in laboratorio per estrarre il DNA o la creazione di nanocapsule per i farmaci tumorali.

Gli endoscopi per la manutenzione degli omogeneizzatori

Tra omogeneizzatori industriali e endoscopi esiste una stretta correlazione. Infatti, le sonde endoscopiche permettono di monitorare lo stato di salute di questi macchinari sotto diversi punti di vista.

Gli endoscopi industriali sono in primo luogo essenziali per le operazioni di manutenzione predittiva. Come abbiamo visto nei paragrafi precedenti, gli omogeneizzatori industriali generano delle pressioni altissime per miscelare le sostanze presenti nei liquidi. Tuttavia, la cavitazione alla base del processo di omogeneizzazione, non colpisce solo il fluido, ma anche le pareti interne del macchinario ed in particolare le valvole e gli ugelli.

Inoltre, l’alta pressione può rovinare con il tempo le saldature degli omogeneizzatori. Tramite le sonde endoscopiche è possibile, senza alcuno smontaggio, verificare se nelle aree più sensibili si siano verificati dei fenomeni di pitting.

Al tempo stesso in ambito farmaceutico è di vitale importanza la pulizia dei macchinari di produzione, compresi gli omogeneizzatori. Per mantenere standard elevati vengono applicati i protocolli CIP (Cleaning-in-place): vengono fatti circolare acidi e detergenti nei tubi degli impianti per rimuovere detriti e impurità. Ciò nonostante, i prodotti farmaceutici sono densi e oleosi, così, spesso e volentieri, nonostante i lavaggi, alcuni residui possono restare intaccati alle tubature.

Ancora una volta gli endoscopi industriali possono analizzare le superfici delle tubature ed individuare rapidamente le impurità sfuggite ai processi CIP.

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