Economic and environmental sustainability of antimicrobial textiles

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Economic and environmental sustainability of antimicrobial textiles

Sostenibilità economica ed ambientale dei tessuti antibatterici

M.Perucca¹

1 Project HUB 360, Avigliana (TO) Italia

Keywords: antibacterial textiles, cativation, sonochemistry, LCA, environment, sustainability, nanoparticles, zinc oxide.

Abstract

Sonochemical processes have been applied to obtain efficient and effective antibacterial textiles with enhanced functionalities and durability to washing cycles. The technology exploits the anisotropic cavitation bubbles collapse to in-situ-synthesize metal-oxides nanoparticles.

The sonochemical process provides excellent compliance to the environmental end economic sustainability determining an interesting business opportunity for the textile sector. The current research carried out in the PROTECT project aims at developing an industrial scale pilot process supporting further technology improvement towards industrial exploitation and commercialization.

PROTECT: soluzioni per tessuti con proprietà antibatterica

I tessuti antibatterici rivestono un ruolo molto importante per la difesa dei pazienti ricoverati in strutture ospedaliere. Infatti è noto che almeno un paziente su dieci è affetto da infezioni contratte durante il periodo di degenzaⁱ.

La difesa contro agenti patogeni quali i batteri ha condotto ad uno sviluppo ad alla applicazione sempre più diffusa ed abituale di farmaci, in particolare antibiotici. E’ noto che l’approccio risulta vincente nel breve periodo ma innesca un meccanismo di selezione e resistenza dei patogeni rispetto a molteplici tipologie di farmaci. Questo fenomeno sta assumendo un livello epidemico, in particolar modo negli ambienti nosocomiali (ospedali, cliniche, strutture di degenza breve, case di cura per anziani,…) che comporta il bisogno di non solo trattare i pazienti infetti ma anche di preservare altri pazienti dall’insorgenza e dalla trasmissione di infezioni, che caratterizza una dei principali cause di morte a livello mondiale in situazioni di ricovero. Le infezioni associate all’uso di dispositivi medici (es. cateteri, cannule,…) sono trattate con strategie preventive, che prevedono l’uso massiccio di farmaci antibiotici e della sostituzione di dispositivi medicali stessi producendo stress da dolore e mancato confort del paziente ed un aggravio economico a carico del sistema sanitario nazionaleⁱⁱ. In Europa si contano circa tre milioni di pazienti infettati all’anno di cui 50.000 casi di morte per un costo totale stimato in 7 miliardi di Euro annui. L’80% delle infezioni sono contratte attraverso il contatto con dispositivi medici. Le attuali pratiche di uso eccessivo di antibiotici causa l’insorgenza di batteri resistenti a questi farmaci (AMR- Anti.Microbial Resistance), che produce un extra- costo per il sistema della sanità in Europa pari a 1,5 miliardi di Euroⁱⁱⁱ.

In relazione a questi bisogni sociali e di sicurezza per la salute, nell’ambito del progetto PROTECT^iv, Project HUB 360 affronta gli aspetti di sostenibilità economia ed ambientale dei processi innovativi per il ottenere la proprietà anti-batterica dei materiali in un contesto ampio, che, oltre al trattamento di tessuti, coinvolge anche il trattamento di superfici di dispositivi biomedicali e di filtri per la potabilizzazione dell’acqua. Nell’applicazione specifica di tessuti biomedicali, il progetto PROTECT offre due tecnologie complementari: il trattamento sonochimico ed il trattamento spray-coating dei tessuti. In questa sede limitiamo le nostre considerazioni economico-ambientali al processo sonochimico.

2/13 L’impianto pilota installato presso la sede produttiva italiana di Klopman International permette di trattare in continuo il tessuto misto cotone-poliestere con l’impiego del processo sonochimico. I vantaggi di questa tecnologia, rispetto al più classico trattamento antibatterico con sali di argento, possono essere così riassunti. Lo specifico processo sonochimico:

- è realizzato in un solo step di trattamento - utilizza una quantità specifica di acqua minima

- richiede l’impiego di quantità di reagenti funzionali molto ridotte

- offre ai tessuti trattati una durata superiore rispetto ai cicli di manutenzione standard del tessuto - non evidenzia cessioni di composti funzionali nei lavaggi

- garantisce la possibilità di riciclo del materiale - evidenzia un minimo impatto ambientale relativo

La tecnologia

Una interessante soluzione alternativa alle tecniche e metodiche per la produzione di materiali antibatterici con elevata efficienza è offerta dai processi sonochimici per la funzionalizzazione delle superfici. I processi sonochimici si avvantaggiano del particolare stato energetico del mezzo liquido in cui si propagano le onde ultrasoniche per promuovere reazioni chimiche con maggiore efficienza rispetto ai processi termici convenzionali. Il campo acustico nel liquido, grazie al fenomeno della cavitazione aumenta l’attività chimica e si comporta come un catalizzatore delle reazioni; per esempio, permette di rompere legami ed aprire strutture molecolari cicliche^v o di sintetizzare prodotti e strutture più complesse^vi.

L’impiego di frequenze ed intensità ultrasoniche adeguate (tipicamente superiori ai 20kHz), permette di promuovere i processi sono-chimici utili, infatti le condizioni termodinamiche del campo acustico evidenziano proprietà locali particolarmente interessanti con condizioni fisiche e chimiche estreme per effetto della cavitazione. Le temperature di punta delle bolle di cavitazione raggiungono i 5000K e le pressioni 1000 atmosfere; risultano impressionanti i gradienti di riscaldamento e raffreddamento con valori di dieci miliardi di gradi al secondo (10¹⁰K/s)^{vii, viii}. Un effetto rilevante per la funzionalizzazione delle superfici solide estese è quello del collasso anisotropo delle bolle di cavitazione che genera dei getti di masse liquide ad elevata velocità (sino a 400m/s) dirette verso la superficie^ix. Questi getti sono associati a onde d’urto connesse alle perturbazioni ultrasoniche di elevata ampiezza ed intensità. Inoltre nelle soluzioni eterogenee solido-liquido e nelle sospensioni di polveri, gli effetti di collisioni ad alta velocità delle particelle permettono di variare ed ingegnerizzare la morfologia e la reattività delle nanoparticelle stesse attraverso il controllo dei parametri ultrasonici e composizionali del mezzo.

Figura 1 Schema delle tecnologie e delle applicazioni considerate nel progetto PROTECT. Il riquadro in giallo evidenzia l’applicazione per tessuti ospedalieri resi antibatteirici con processo in continuo roll-to-roll (R2R) che impiega la tecnologia sonochimica

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Figura 2 (In alto) simulazione relativa alla distribuzione della velocità di una bolla di cavitazione nella fase di collasso implosivo anisotropo ad un tempo di 300ns dall’inizio della fase di collasso ottenuto in un campo acustico alla frequenza di 20kHz^x;(in basso) sequenza di tre immagini di una bolla di cavitazione in collasso anisotropo con lo sviluppo di jet, estratta da un filmato acquisito con 37,500fps (immagini per secondo)^xi

La combinazione e la sovrapposizione dei processi tra le fasi nei campi acustici caratterizzati da soluzioni eterogenee liquido-liquido o liquido-solido permette appunto di ottenere la sono-catalisixii, xiii, xiv. Grazie a questo tipo di interazioni ed alle particolari condizioni termodinamiche, la cinetica delle reazioni chimiche può essere accelerata di un milione di volte^xv.

I processi sono-chimici da circa vent’anni sono stati diffusamente impiegati per lo studio e lo sviluppo di processi di sintesi di nano-particelle di ossidi metallici o per l’utilizzo di nano-polveri poste in sospensione per il trattamento fisico delle superfici.

Queste sono due metodiche che permettono di ottenere stabilmente specifiche proprietà di superficie come quella antibatterica. Entrambe i metodi sfruttano il fenomeno di collasso implosivo anisotropo delle bolle di cavitazione in prossimità di una superficie estesa per eiettare, attraverso i getti supersonici, le nano-particelle presenti nella soluzione eterogenea sulla superficie da trattare. Quando il materiale da funzionalizzare è un polimero, le nano-particelle, oltre che a produrre un rivestimento uniforme della superficie delle fibre del tessuto, restano stabilmente intrappolate nella matrice polimerica garantendo la stabilità della funzionalità conferita.

Le nano-particelle possono essere introdotte nel bagno sono-chimico (ex-situ) oppure sintetizzate in-situ.

Uno o l’altro metodo sono utilizzati a seconda delle specifiche esigenze e dei parametri di processo da impiegare, della disponibilità e costo delle nano-particelle. Da un punto di vista ambientale e di sicurezza è preferibile un processo di sintesi in situ, considerati anche i costi e la qualità delle nano-particelle disponibili

4/13 sul mercato. Infatti, dal punto di vista ambientale e di sicurezza, questa scelta risolve a priori una serie di complicanze e di criticità relative al trasporto, lo stoccaggio, la manipolazione delle nano-particelle in connessione ai rischi per la salute umana e la dispersione di potenziali nano-inquinanti nell’ambiente.

Inoltre il processo di sintesi in-situ sposa il criterio della semplicità ed efficacia di un processo a singolo stadio (one-step-process), garantisce un migliore presidio dei costi di produzione, permette la stabilità e la ripetibilità del processo sono-chimico a fronte di possibili variazioni delle qualità e caratteristiche dei lotti di nano-materiale (materia prima) in ingresso, di cui il processo ex-situ potrebbe soffrire. Infatti la variabilità nella distribuzione dimensionale delle nano-particelle, la morfologia superficiale e la struttura delle stesso può avere effetti molto diversi sulla superficie macroscopica da trattare variandone notevolmente le proprietà funzionali.

Efficacia del trattamento

L’evidenza dell’efficacia ed efficienza del processo sonochimico è stata valutata in precedenti ricerche in connessione agli aspetti di impatto ambientale efficienza economica e di fattibilità tecnica^xvi, evidenziando la stabilità del trattamento anche dopo numerosi cicli di manutenzione dei tessuti (sino a 60 lavaggi in condizione standard) e l’assenza di cessione di nanoparticelle, a tutela della salute umana e dell’ambiente. Il diagramma in Fig.3 rappresenta i valori relativi di attività antibatterica includendo le misure ottenute per i Benchmark e per i tessuti trattati con processo sonochimico in funzione dei cicli manutenzione. I tessuti trattati per la deposizione di nanoparticelle di ossido di zinco sono stati valutati sino a 10 lavaggi, quelli trattati con ossido di rame sono stati valutati si no a 60 cicli di lavaggio, evidenziando risultati fortemente migliorativi rispetto al benchmark.

Figura 3 Valutazione dell’attività antibatterica (AA) in funzione del numero di lavaggi per campioni trattati con diversi processi: piezoelettrico, (PIEZO/PZ) magnetostrittivo (MG), per la deposizione di nanoparticelle di ossido di zinco e di ossido di rame, trattamento con sali d’argento (silver salt). La deposizione di nanoparticelle di ossido di rame risulta mantenere degli ottimi valori di AA (i test per ZnO non sono riportati per i cicli di lavaggio)^xvii.

Recentemente sono stati sviluppati processi per il rivestimento di tessuti in cotone con delle particelle ibride di ossido di zinco e chitosano (ZnO/CS) per il trattamento di tessuti medicali finalizzato alla riduzione della quantità in peso di metalli senza deteriorarne la proprietà antibatterica^xviii.

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Figura 4 Micrografie ESEM di tessuto in cotone con (A e B) trattamento sonochimico con nanoparticelle di ossido di Zinco (ZnO), (C e D) trattamento ibrido ossido di zinco-chitosano (ZnO/CS), (E ed F) trattameto con chitosano. Le immagini di sinistra hanno un ingrandimento 10000x, quelle di sestra 200000x. Le concentrazioni di nanoparticelle del trattamento sono 2mM e 0,3% (w/v), rispettivamente.^xix

L’effetto antibatterico delle nanoparticelle di ossido di zinco ed il chitosano è stato diffusamente riportato in diversi lavori scientifici ed il meccanismo riconosciuto dalla comunità scientifica è quello della dissoluzione di ioni zinco Zn²⁺ in soluzione acquosa associato con lo stress ossidativo delle cellule batteriche e la produzione di specie reattive ossigenate (ROS)^{xx, xxi} che causano l’inibizione degli enzimi cellulari ed il danneggiamento dei lisosomi e dei mitocondri, causandone la morte^xxii.

La permanenza della attività antibatterica delle superfici trattate con processo sono-chimico è evidente dai risultati sui test effettuati con patogeni quali lo Staphylococcus aureus e l’Escherichia coli su campioni sottoposti a 10 cicli di lavaggio alla temperatura di 75°C, corrispondenti ai parametri standard di manutenzione dei tessuti ospedalieri.

A B

D

D F C

E

55 nm 58 nm

18 nm

81 nm 44 nm

26 nm 12 nm

40 nm 23 nm

29 nm

29 nm

37 nm

15 nm

49 nm

E E

F

E

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Figura 5 Attività antibatterica residua dei rivestimenti sono-chimici soggetti a 10 cicli di lavaggio a 75°C valutati con contatto di 5 minuti con i patogeni di riferimento S.aureus e E.coli ^xxiii.

Oltre alla funzionalità antibatterica, il materiale trattato deve garantire un basso livello di tossicità per i tessuti dell’organismo con cui entra in contatto. Il test di vitalità cellulare effettuato su fibroblasti umani evidenzia come l’effetto singolo delle nano-particelle di ossido di zinco sia non solo antibatterico ma anche tossico. La funzionalizzazione ibrida ossido di zinco nanometrico e chitosano risponde alle specifiche funzionali e di sicurezza^xxiv.

Figura 6 Risultati del test di vitalità cellulare (viability test) a seguito del contatto con tessuto in cotone (a) non funzionalizzato (cotton), (b) funzionalizzato con chitosano (CS), (c) fuzionalizzato con solluzione 2 millimolare di ossido di Zinco (2nM ZnO), (d) funzionalizzazione ibrida con ossido di zinco e chitosano (2nM ZnO/CS)^xxv.

Il trattamento sono-chimico del tessuto con la deposizione simultanea di coloranti e di nano-particelle antibatteriche (ex-situ) ha permesso di ottenere un risultato migliorativo rispetto al processo tradizionale di immersione (es. dipping) per quanto riguarda la proprietà antibatterica. Esso ha anche evidenziato un rilascio ridotto (nell’intervallo 2,5-12%) degli ossidi metallici disciolti in ioni metallici M²⁺ e ossigeno O^2-. Non è stata rilevata la presenza di alcun deposito di nano-particelle depositate grazie ad una analisi HRTEM. Il

7/13 trattamento sono-chimico dopo cicli di immersione di 72 ore in soluzione salina a 40°C ha evidenziato anche una maggiore solidità del tessuto, superiore di tre volte rispetto alla tintura standard^xxvi

Figura 7 Immagini HRSEM delle fibre di cotone trattato con processo sono-chimico per tintura e funzionalizzazione con (a) colorante RB5 depositato sul substrato, (b) tessuto rivestito con nano-particelle di ossido di zinco (ZnO) in presenza di colorante RB5, (c) tessuto rivestito con nano-particelle di ossido di zinco (CuO) in presenza di colorante RB5^xxvii.

Il processo e le soluzioni abilitanti allo scale up

L’impianto sono-chimico piezoelettrico per la produzione di tessuti antibatterici realizzato nel contesto del progetto SONO^xxviii sviluppa un processo roll-to-roll.

Il tessuto in bobina viene svolto ed immesso in un reattore sono-chimico composto da una vasca che contiene la soluzione acquosa di acetato di zinco ed etanolo oppure con l’utilizzo di una sospensione acquosa di nanoparticelle di ossidi metallici (CuO, ZnO, …). Questo volume di liquido viene sonicato attraverso particolari trasduttori piezoelettrici che ricevono il segnale elettrico derivante da un generatore di potenza e lo convertono in onda acustica (ultrasonica con frequenza superiore ai 20kHz), che si propaga nel mezzo liquido.

La frequenza e l’intensità dell’onda produce bolle di cavitazione la cui dinamica e termodinamica permette di sintetizzare le particelle di ossido di zinco a partire da acetato di zinco, che vengono iniettate nella superficie del tessuto in transito nel reattore alla velocità di circa 400m/s. Il tessuto, dopo l’immersione nel reattore, emerge dalla fase liquida e procede ad uno stadio di asciugatura e riavvolgimento della bobina. I sistemi ausiliari dell’impianto pilota permettono il dosaggio ed il ripristino continuo delle concentrazioni di reagenti e solvente nel reattore, mantenendo il pH della soluzione controllato intorno al valore 7-8, la regolazione del motore di avanzamento e dei sistemi di tensionamento permettono di definire il tempo di transito del tessuto nel volume di reazione.

Figura 8 (A destra) schema funzionale dell’impianto pilota impiegato anche per le analisi di impatto ambientale. Si possono identificare tre sotto sistemi: Subsyst.1) caratterizzato dal serbatoio reagenti e dall’impianto di ricircolo, con gli ausiliari di controllo e potenza; subsyst.2) definito dal sistema di alimentazione del tessuto e dal reattore sonochimico (bagno + trasduttori ultrasonici),;

subsyst.3) comprensivo dello stadio di risciacquo, asciugatura e riavvolgimento della matassa di tessuto. E’ importante osservare come il sistema sia chiuso (ricircolo dei fluidi).

(A sinistra) immagine dell’impianto pilota pre-industriale roll-to-toll impiegato per i test e le analisi di sostenibilità).

Il limite industriale del processo sonochimico dell’impianto pilota pre-industriale sviluppato nel progetto SONO, oltre a quello della velocità di processo limitata, è quello dell’altezza del tessuto.

8/13 L’innovazione tecnologia MUST (Modular Ultrasound Transducers)^xxix messa a punto negli ultimi anni da CEDRAT Technologies, technology provider nell’ambito del progetto PRETECT, ha permesso di sviluppare dei trasduttori ultrasonici utili al trattamento di tessuti con altezze superiori. Questa soluzione abilitante ha permesso la progettazione della fase di scale up-industriale della tecnologia.

Figura 9 La tecnologia MUST: Modular Ultrasound Transducers, messa a punto da CEDRAT technologies permette di realizzare configurazioni modulari per il trattamento di tessuti con altezze sino a 3m garantendo un trattamento uniforme. In alto l’immagine di una simulazione del campo ultrasonico per il trattametno, in basso a sinistra è raffigurato un elemento modulare della serie MUST.

Analisi dell’impatto ambientale

L’impatto ambientale di processi sonochimici per rivestimenti antibatterici di tessuti è stato analizzato per la sintesi di nanoparticelle di ossido di zinco (ZnO) e di rame (CuO) realizzati sia con l’impiego di trasduttori magnetostrittivi (MG) che con l’utilizzo di trasduttori piezoelettrici (PZ). L’impatto relativo di ogni singolo processo sonochimico è stato messo in relazione al processo di riferimento che impiega come additivo ioni argento, largamente in uso nell’industria tessile e commercializzata con diversi brand, quali SANIWEAR, PERMAGUARD, BIOACTIVE,…. Per l’analisi comparativa non si fa riferimento a nessun prodotto specifico presente sul mercato ma ad un processo equivalente definito come processo “Benchmark” per la deposizione di ioni argento, quale agente antibatterico.

L’analisi di impatto ambientale è stata realizzata secondo la metodologia Life Cycle Assessment (LCA) in coerenza con le prescrizioni dello standard ISO 14040. Le categorie di impatto considerate nell’analisi sono: il potenziale di riscaldamento globale (GWP), connesso all’effetto serra, i potenziali di: acidificazione (AP), eutrofizzazione (EP), riduzione dell’ozono (ODP), genesi di ozono fotochimico (POCP).

I dati di inventario per l’analisi dei processi sonochimici si riferiscono ad un tessuto misto 35% polyestere-65% cotone con un’altezza pari a 30cm e ad un regime operativo ‘lento’, in cui l’avanzamento del tessuto vale circa 0,6m/min.

Il confronto diretto tra i risultati ottenuti con un impianto pilota che impiega trasduttori magneto-strittivi (MG) ed un altro che fa uso di trasduttori piezo-eletttrici (PZ) ha permesso di evidenziare come i trasduttori piezoelettrici determinino un impatto ambientale più ridotto. Il confronto dei due metodi è stato riferito al benchmark- processo di riferimento per la resa antibatterica attraverso la deposizione di ioni di argento.

Figura 10 schema delle quattro fasi del Life Cycle Assessment (LCA) secondo lo standard ISO 14040

9/13 Per quanto riguarda l’impatto ambientale, è emerso che il processo piezoelettrico fosse più sostenibile a parità di funzionalità espressa, indipendentemente dalla chimica del processo di sintesi (sia per la produzione di nano-particelle di ossido di rame, che di zinco). Infatti l’apporto energetico necessario per il processo con trasduttori magnetostrittivi risulta superiore. Il processo sonochimico MG è addirittura peggiorativo rispetto al Benchmark per alcuni parametri di impatto (GWP, ODP), mentre il processo sonochimico PZ risulta essere nettamente migliorativo per tutte le categorie di impatto, riducendone i valori dal 45% al 99%, infatti gli impatti per la sintesi e rivestimento con nanoparticelle di ZnO si sono raggiunti impatti del 55% circa per GWP, 34% per ODP, 6% per AP, 3% per POCP e circa 1% per EP, rispetto al Benchmark.

Le analisi preliminari in preparazione del progetto PROTECT di scale-up del processo sonochimico a scala industriale hanno quindi fornito una netta indicazione per la scelta del processo sonochimico con trasduttori piezoelettrici quale tecnologia candidata alla realizzazione di un impianto pilota per processi industriali che garantiscano il rispetto dell’ambiente.

Figura 11 Comparazione diretta dei parametri di impatto ambientale connessi con le diverse soluzioni considerate: (a) sintesi e deposizione di nano-particelle di ossido di rame (CuO), (b) sintesi in situ e deposizione di nano-particelle di ossido di zinco (ZnO). Tutti i dati sono riferiti al benchmark, ossia il processo industriale per conferire proprietà antibatterica attraverso gli ioni argento sulla superficie^xxx

Sostenibilità economica del processo e scale-up design

Per quanto riguarda l’efficienza economica del processo sonochimico, sono stati valutati diversi scenari.

L’analisi considera le seguenti categorie di costo:

- reagenti e materiali derivanti dalla tecnosfera - consumo energetico ed energia diretta di processo - risorse umane

- consumo di acqua per i processi ausiliari - manutenzione

- investimento in ricerca e sviluppo

- investimento per la realizzazione/acquisto degli impianti - tasso di interesse

La variabilità dei seguenti parametri:

- orizzonte temporale- cinque anni produttivi dall’installazione/acquisto dell’impianto, oppure produzione dal sesto anno successivo all’installazione dell’impianto

- velocità di processo da 0.61 a 6.1m/s,

- intensità produttiva con 1 o 2 turni giornalieri;

10/13 ha permesso la definizione di sei scenari:

S1. primo quinquennio produttivo, 1 turno giornaliero, velocità minima (processo lento: 0,61m/s) S2. primo quinquennio produttivo, 2 turni giornalieri, velocità minima (processo lento: 0,61m/s) S3. produzione dal sesto anno con 1 o 2 turni, velocità minima (processo lento: 0,61m/s) S4. primo quinquennio produttivo, 1 turno giornaliero, velocità 6,1m/s

S5. primo quinquennio produttivo, con 2 turni, velocità 6,1m/s S6. produzione dal sesto anno con 1 o 2 turni, velocità 6,1m/s

Figura 12 Dati di impatto globale sui costi di trattamento relativi all’unità funzionale in funzione dei costi di risorse umane, energia diretta di processo, reagenti, manutenzione, ammortamento dei costi di investimento per l’acquisto dell’unità di trattamento sonochimico, ed ammortamento dei costi in ricerca e sviluppo. (in ordinata sono riportate unità arbitrarie). Le barre di istogramma evidenziate risultano fornire dati interessanti per la sostenibilità economica del processo^xxxi.

I risultati dell’analisi evidenziano chiaramente come il regime ‘lento’ non fornisca elementi di sostenibilità nei confronti dei processi benchmark a causa dei costi di ricerca e sviluppo e dei costi di investimento iniziale per l’acquisto degli impianti di trattamento, che, per i dei limitati volumi produttivi, si configurano come costi insostenibili. Da cui la necessità di beneficiare di una produttività degli impianti superiore. L’intervallo di velocità di processo stimato come sostenibile è quello 6-10m/s, che è stato identificato come il target per parametri di scale up dell’impianto pilota. Inoltre è stata definita un’altezza utile di trattamento di 120cm come altezza minima per realizzare processi di rilevanza industriale.

Questo parametro di progetto è possibile grazie alla soluzione MUST fornita da CEDRAT Technologies che permette di realizzare dei trasduttori ultrasonici modulari per il trattamento in continuo sino ad altezze di 3m.

Scenari produttivi e modelli di business

Nell’ambito del progetto PROTECT, Project HUB 360 si occupa della sostenibilità ambientale, economica e della realizzazione del business plan per lo sfruttamento industirale. I risultati preliminari sull’analisi dei modelli di business indicano la possibilità di una sostenibilità, con una implementazione su scala industriale e la possibilità di puntare ad acquisire in prima istanza dall’1% al 5% del mercato totale europeo relativo al comparto dei tessuti biomedicali da corsia. Lo scenario produttivo prevede un ramp up esponenziale per la produzione di set di lenzuola antibatteriche grazie alla messa a punto del processo produttivo di funzionalizzazione in relazione alla capacità produttiva dell’azienda di finissaggio e confezionamento.

11/13 Il modello coinvolge diversi attori: supplier-industria tessile dotata di area finissaggio e confezionamento (produttore dei capi antibatterici), buyer e service provider - lavanderia (acquisto e manutenzione prodotto- set lenzuola completo), service buyer - struttura nosocomiale (ospedale, clinica o casa di riposo), end-user- pazienti.

Il modello di business è particolarmente complicato poiché l’acquirente del prodotto fornisce un servizio le cui specifiche sono definite esclusivamente dal service buyer, il quale a sua volta non è il beneficiario ultimo del servizio acquistato (manutenzione delle lenzuola da corsia). Questa struttura determina delle dinamiche di penetrazione del mercato particolari.

In sintesi il modello prevede la seguente dinamica. Sulla base di una esigenza di rinnovo della dotazione di set di lenzuola da corsia l’ospedale bandisce una gara d’appalto, la lavanderia risponde alla gara offrendo il prodotto innovativo antibatterico acquistato dall’industria tessile, che lo realizza. L’industria tessile, acquista tessuto a basso costo, che successivamente sottoporrà a funzionalizzazione antibatterica condotta nella propria area-finissaggio dotata di impianto sonochimico.

Figura 13 Modello di business che coinvolge diversi attori: lavanderia (acquisto e manutenzione prodotto), end user: struttura ospedaliera, industria tessile: produttore dei capi antibatterici, confezione e finissaggio

La struttura degli investimenti in questa linea di produzione evidenzia un peso per i macchinari e la tecnologia di poco superiore al 10% dei costi totali riferiti al primo anno, e tende a ridursi progressivamente sino al 5% dal terzo anno produttivo. I costi diretti di produzione costituiscono la componente preponderante, crescente dal circa 85% del primo anno sino al 90% a partire dal terzo anno e comprende tutte le attività relative alla produzione, incluse le risorse umane dedicate.

Fabric Confectino and finisher – seller (KLO)

Hospital / clinicsLoundry

Order received by Laundry End of project

Low cost raw fabric procurement

Bed sheet confection

Delivery to Laundries

Public tender assignment or order by clinic

First cycle use

Disposal of waste product Places order to

Bed sheets manufacturer

Nth use phase cycle Maintenance cycles

End of Maintenance contract Internal fabric

functionalisation

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Figura 14 Dati sugli investimenti e peso delle voci relative investimenti in macchinari e tecnologia, costi di struttura (indiretti) e costi diretti relativi alla produzione, comprensive dei costi di risorse umane dedicate alle attività produttive.

Il margine operativo lordo (MOL) atteso derivante dalla commercializzazione della linea di prodotti antibatterici nel modello cresce esponenzialmente, seguendo l’incremento della capacità produttiva annua, mantenendosi a valori limitati per i primi tre anni per poi subire una rapida crescita dal quarto anno sino a coprire con il quinto anno il 70% del MOL su base quinquennale.

Figura 15 crescita esponenziale del Margine Operativo Lordo nei primi cinque anni, derivanti dalla commercializzazione del tessuto antibatterico realizzato con processo sonochimico.

I risultati derivanti dal modello di business e dal business plan preliminare sono confortanti. Le stime di crescita del fatturato derivante da questa linea di produzione relative al primo quinquennio evidenziano come il processo sonochimico costituisca una opportunità di business interessante e scalabile.

Nell’ambito del progetto PROTECT si stanno considerando schemi produttivi efficaci e soluzioni efficienti per lo sfruttamento industriale della tecnologia e dei processi realizzati, valutando altri business models scalabili con un numero di unità di funzionalizzazione sonochimica crescenti.

PROTECT fornirà risultati interessanti durante lo sviluppo delle attività progettuali, per ora è work in progress.

75%

80%

85%

90%

95%

100%

Year 1 Year 2 Year 3 Year 4 Year 5

Total Capital investment

Investment in Fixed Assets (manufacturing) Total Indirect costs Total Direct Costs

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

valore precentuale MOL su base 5 anni

Anno di produzione

progressione MOL % su base 5 anni

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xxii H. Fukui, M. Horie, S. Endoh, H. Kato, K. Fujita, K. Nishio, L. K. Komaba, J. Maru, A. Miyauhi, A. Nakamura, S.

Kinugasa, Y. Yoshida, Y. Hagihara, H. Iwahashi Chem. Biol. Interact. 2012, 198, 29-37.

xxiii Ibid.

xxiv Ibid.

xxv Ibid.

xxvi I.Perelshtein, A.Lipovsky, N.Perkas, T.Tzanov and A.Gedanken, Sonochemical co-deposition of antibacterial nanoparticles and dyes on textiles, Beilstein J. Nanotechnol. 2016, 7, 1–8.

xxvii Ibid.

xxviii Ibid.

xxix the fp7 SONO project Cedrat technologies sonicator; Cedrat White Paper: http://www.cedrat-

technologies.com/fileadmin/user_upload/cedrat_groupe/Technologies/Actuators/Sonic%20%26%20ultrasonic%20ge nerators/Sono_Project/Presentation_SONO.pdf

xxx M.Perucca, G.Piacenza, IFATCC XIII congress, Budapest

xxxi Ibid.