DM117 - INGEGNERIA PER LA PROGETTAZIONE E PRODUZIONE INDUSTRIALE
- VirtualSanitizer – Un Digital Twin a supporto degli interventi di sanificazione di impianti e siti aziendali
Ente finanziatore: PNRR
Background tecnico-scientificoLa legionella è un batterio gram-negativo che può causare una grave forma di infezione polmonare chiamata legionellosi o malattia del legionario. La legionella è stata identificata in molti ambienti naturali e artificiali, come fiumi, laghi, acqua delle torri di raffreddamento, impianti di condizionamento dell'aria, docce e rubinetti, dove può proliferare se le condizioni sono favorevoli, come la temperatura dell'acqua tra 20°C e 50°C e la presenza di sedimenti o biofilm. La Legionellosi può essere contratta respirando l'aerosol (piccole goccioline) contenente il batterio. La malattia può causare febbre, tosse, dolori muscolari e di testa, ma anche complicazioni polmonari, renali e neurologiche in casi gravi. La legionella è una minaccia per la salute pubblica, quindi la prevenzione e il controllo della sua diffusione sono importanti, in particolare nelle strutture ad alto rischio, come gli ospedali. La presenza della legionella può essere verificata, a seconda delle esigenze di analisi e della natura del campione (acqua o contaminazione superficie solida) tramite metodi colturali, metodi molecolari, metodi immunoenzimatici. I metodi colturali consistono nella semina del campione su appositi terreni di coltura, alternano terreni non specifici e terreni selettivi, che permettono alla Legionella di crescere in maniera isolata. Dopo un periodo di incubazione, le colonie di batteri che si formano possono essere identificate mediante la presenza di un colorante specifico e contate. Questi metodi richiedono un tempo minimo di lettura che corrisponde al tempo di sviluppo di colonie visibili, dalla presenza di altri batteri o sostanze chimiche che potrebbero ostacolare la crescita della Legionella. I metodi molecolari, come la PCR (Polymerase Chain Reaction), sono basati sulla moltiplicazione a catena di specifiche sequenze del DNA del batterio in analisi e nel suo successivo rilevamento. La metodica soffre quindi di un’estrema suscettibilità alla contaminazione, e richiede quindi la presenza di operatori specializzati, che contribuiscono insieme ad altri fattori (reagenti, strumentazione, manutenzione, fermi macchina) ad un costo finale dell’analisi piuttosto elevato. I metodi immunoenzimatici costituiscono la soluzione più rapida ed economica rispetto alle prime due metodiche, presentando tuttavia una suscettibilità alla presenza di sostanze derivanti dalla matrice del campione e un limite di rilevabilità molto più alto. Il test si basa sulla cattura del batterio da parte di anticorpi specifici immobilizzati su appositi supporti (es. piastre di analisi in polistirene o supporti cartacei, filtri) e la rilevazione della sua presenza sull’anticorpo mediante reazione di un enzima che genera una sostanza colorata o una sostanza elettroattiva. I test immunoenzimatici sono ideali come test di screening. Per quanto riguarda il trattamento ed il prelievo del campione questo è legato alla tipologia di superficie in analisi (superficie liscia, porosa etc.). I tamponi vengono utilizzati per raccogliere campioni di sedimenti, biofilm da superfici come rubinetti, docce, torri di raffreddamento e altri impianti di condizionamento dell'aria, mentre prelievi di acqua vengono utilizzati per l’analisi diretta. Una volta raccolti, i tamponi possono essere analizzati per verificare la presenza della Legionella utilizzando i metodi diagnostici sopraccitati. Per l’analisi diretta delle acque vengono utilizzati sistemi immunocromatografici, dove il sistema immunoenzimatico viene immobilizzato su un filtro attraverso il quale viene fatto passare il campione. L’Aspergillus è invece una famiglia muffa, nello specifico fa parte dei miceti cosmopoliti, ubiquitari, riscontrabili nel suolo, nei materiali organici vegetali e negli animali. Gli Aspergillus crescono comunemente su substrati ricchi di polisaccaridi e di carbonio. I cibi ricchi di amido, come le patate ed i cereali, sono i serbatoi migliori per la crescita di molte specie di Aspergillus. Ad ogni modo, queste muffe possono crescere anche in totale assenza di nutrienti essenziali: per riportare un esempio, Aspergillus niger cresce liberamente su pareti umide. La propagazione dei conidi (spore) avviene attraverso l'aria: si stima che l'uomo inali giornalmente un numero di cellule fungine pari a 6∙107, di cui l'8% è costituito da Aspergillus. Considerando che vengono inalate quantità così imponenti di Aspergillus, risulta chiaro che questi miceti non possono essere definiti patogeni a tutti gli effetti. Per questo motivo, gli Aspergillus sono considerati apatogeni nell'ospite sano, componenti della normale flora commensale umana e comuni saprofiti in natura.In generale, le infezioni da Aspergillus (aspergillosi) compaiono esclusivamente in presenza di alcune condizioni predisponenti. Dalle statistiche mediche si evince che i pazienti con un sistema immunitario compromesso sono ritenuti maggiormente a rischio di infezioni da Aspergillus. Ad ogni modo, gli immunodepressi non sono gli unici target delle infezioni da Aspergillus: asmatici, trapiantati, leucemici, pazienti sottoposti a chemioterapia, soggetti in cura con steroidi da lungo tempo e malati di fibrosi cistica, HIV o BPCO sono sensibili alle infezioni in generale, comprese quelle da Aspergillus. Per tali motivi, è fondamentale che si preveda un monitoraggio e una sanificazione nei confronti dell’Aspergillus specie in ambienti frequentati da soggetti potenzialmente a rischio. La presenza di muffe della famiglia degli Aspergillus viene attualmente rilevata prevalentemente attraverso metodiche molecolari (PCR-real time) e meno di frequente mediante tecniche colturali o immunoenzimatiche. A questi protocolli si aggiungono poi le metodiche indirette di rilevamento dei metaboliti dell’Aspergillus, quali per esempio la rilevazione cromatografica, mediante spettroscopia o tecniche immunoenzimatiche della presenza di micotossine o metaboliti quali la glucosammide.In Europa, la direttiva dell'Unione Europea 2000/54/CE e l’aggiornamento 2020/739 stabilisce i requisiti e la relativa protezione dei lavoratori contro i rischi derivanti da un'esposizione ad agenti biologici durante il lavoro. Tra essi sono presenti sia la legionella sia l’Aspergillus con medesima classificazione. In Italia, la normativa di riferimento è il Decreto Legislativo n. 81 del 2008, il quale prevede obblighi e responsabilità per il datore di lavoro, il responsabile del servizio prevenzione e protezione, e il personale addetto alla gestione e manutenzione degli impianti.Allo stato attuale, un intervento di sanificazione avviene dopo un’analisi ritenuta positiva della presenza di un batterio patogeno. Questo approccio ha diversi svantaggi. Innanzitutto si interviene solo dopo che sia avvenuta la contaminazione, con il rischio che la stessa abbia già potuto generare delle infezioni. In virtù della contaminazione, il sito deve essere isolato, con il rischio di interrompere attività e servizi essenziali. Al contrario, operare con una sanificazione periodica indipendentemente dalla contaminazione potrebbe portare a costi eccessivi i quanto si agirebbe speso senza l’effettiva necessità. Alla luce di queste considerazioni, nasce la necessità di passare dalla logica di gestione della contingenza ad approcci preventivi. A tale scopo è necessaria la definizione di metodi che prevedano attività di ispezione e di sanificazione periodiche e/o al verificarsi di specifiche condizioni, definite grazie allo sviluppo di modelli previsionali e di controllo che guidino la scelta e la pianificazione migliore degli interventi. Lo sviluppo di questi modelli deve passare attraverso un attento studio dei fattori di rischio e dei modelli di evoluzione degli agenti patogeni.1. E. Schuster · N. Dunn-Coleman · J. C. Frisvad P. W. M. van Dijck, On the safety of Aspergillus niger – a review, Applied Microbiology and Biotechnology (2002) 59:426–435, DOI 10.1007/s00253-002-1032-6]2. kit elisa: https://www.abcam.com/products/elisa/legionella-pneumophila-igg-elisa-kit-ab247197.html - cnsultato il 28 febbraio 20233. C. L. Allison, A. Moskaluk, S. Vande Woude, M. M. Reynolds, Detection of glucosamine as a marker for Aspergillus niger: a potential screening method for fungal infections, Analytical and Bioanalytical Chemistry (2021) 413:2933–2941, doi.org/10.1007/s00216-021-03225-7]ObiettiviL’obiettivo del progetto è lo studio dei parametri di rilievo che influenzano il rischio di una contaminazione da legionella a Aspergillus e la definizione di un Digital Twin, basato su modello matematico, che possa supportare le azioni di sanificazione preventiva, condizionale e ad insorgenza dei siti di interesse. I modelli simulativi potranno essere impiegati anche per ottimizzare alcune scelte progettuali, di layout e di pianificazione e in generale per la gestione del rischio di contaminazione.L’idea è quella di basarsi sulle conoscenze presenti nella letteratura scientifica e sulle esperienze specifiche dell’azienda per mettere a punto dei modelli matematici avanzati che possano supportare la decisione di operare degli interventi di sanificazione preventiva o condizionale, come alternativa dell’attuale approccio ad insorgenza. Dati i parametri significativi di rischio all’insorgenza di una contaminazione patologica, il modello sarà in grado di analizzare, come sistema esperto assistito dal calcolatore, il rischio complessivo e la probabilità di sviluppare delle infezioni degli agenti indentificati.I modelli, sviluppati anche con tecniche di machine learning, potranno anche essere impiegati nelle scelte progettuali di ottimizzazione di layout, modifica di processi e impianti, nonché ottimizzazione di procedure operazionali. I modelli saranno, inoltre, correlati da studi su come ridurre operativamente i rischi su sistemi e apparecchiature esistenti mediante l’impiego di rivestimenti innovativi e biosensori immunoenzimatici.Work packagesWP1. Analisi dei dati storici disponibili sugli interventi di sanificazioneObiettivi: Il WP mira ad analizzare con strumenti statistici i dati disponibili sui siti, sulle modalità e sulle tempistiche di sanificazione messi a disposizione dal partner aziendale. Si analizzeranno i dati con lo scopo di identificare i parametri quantitativi e le condizioni rilevanti che legano un sito all’insorgenza di condizioni patogene e all’occorrenza dell’intervento di sanificazione. Descrizione: L’analisi dei dati storici è essenziale per poter valutare la quantità di informazioni sulla quale poi basare la definizione dei modelli numerici. Verranno raccolti i dati forniti dal partner aziendale e trattati con metodi statistici, organizzando un database interrogabile. Tali metodi statistici serviranno ad evidenziare i principali fattori di correlazione e rischio tra le caratteristiche dei siti di interesse e la possibilità e velocità di sviluppo di una contaminazione., nonché per identificare le principali fonti di rischio su cui focalizzare le azioni di monitoraggio.Deliverable: Report tecnico sull’analisi dei dati e identificazione dei principali parametri di rischio legati all’insorgenza delle condizioni per la sanificazione. Durata: 4 mesiWP2. Definizione di un modello di correlazione tra la probabilità di intervento di sanificazione e i parametri di rischio.Obiettivi: Il WP mira a definire un modello di correlazione tra i fattori di rischio evidenziati nel corso del WP1 e la probabilità di contaminazione che richiede un intervento. Descrizione. A partire dall’analisi di sensibilità dei fattori di rischio, si costruiranno e confronteranno diversi approcci basati su strumenti di intelligenza artificiale volti a definire un modello di correlazione che data la composizione dei fattori di rischio possa fornire uno o più indici quantitativi sulla probabilità di sviluppare una contaminazione. Tenendo conto di quanto emerso dalla fase di analisi e della qualità e quantità dei dati disponibili e misurabili verranno valutati i possibili strumenti di intelligenza artificiale basati su metodi supervisionati e non, tra i quali l’analisi di regressione, l’albero delle decisioni e le reti neurali artificiali. A valle dell’analisi saranno individuati uno o più modelli promettenti da utilizzare per lo sviluppo del Digital Twin.Deliverable: Modello di machine learning di correlazione. Report di deduzione del modello di correlazione.Durata: 4 mesiWP3. Sviluppo di trattamenti delle superfici a rischio mediante coating antibattericoObiettivi: il WP mira a individuare soluzioni antibatteriche idonee al contrasto dello sviluppo di infezioni indoor da legionella e Aspergillus. Descrizione: le attività riguarderanno la formulazione, lo sviluppo di tecniche di deposizione di coating antibatterici in funzione della natura del substrato (metallici, polimerici, base cellulosa, materiali da costruzione) e la caratterizzazione meccanica dei coating. Saranno impiegati additivi antibatterici specifici (ioni Ag+, biossido di titanio, polimeri zwitterionici, MXene). La funzionalità dei rivestimenti sviluppati sarà valutata nei confronti degli agenti patogeni di interesse. Deliverable: protocolli, dimostratori e relazioni tecniche. Durata: 12 mesiWP4: Definizione di biosensori innovatori Obiettivi: il WP prevede la messa a punto di un metodo di monitoraggio in continuo per il rischio biologico dell’aria e dell’acqua.Descrizione: le attività del WP riguarderanno ai fini del rilevamento del batterio della legionella: l’individuazione della catena immunoenzimatica più idonea; la definizione del protocollo monofase; la conversione del prodotto della catena in segnale elettrico; la progettazione del sistema automatizzato; validazione dei sensori sviluppati, effettuata contestualmente alla fase di test del Digital Twin (WP6). Ai fini del rilevamento dell’Aspergillus le attività di ricerca riguarderanno: l’individuazione del metabolita secondario (genere micotossine) idoneo alla determinazione indiretta dell’Aspergillus, utilizzando come criteri di selezione la disponibilità di kit commerciali e l’elevata presenza anche nelle fasi di sviluppo del micete. Si arriverà alla definizione di un protocollo monofase a rilevazione elettrochimica.Deliverable: protocolli di analisi e relazioni tecniche.Durata: 12 mesiWP5. Definizione di un Digital Twin a supporto della pianificazione degli interventi di sanificazione e di ottimizzazione del sito di interesse.Obiettivi: Il WP mira a definire un gemello digitale (Digital Twin) di un generico sito di interesse che a partire dalla conoscenza delle informazioni del sito di interesse, dei parametri di rischio identificati nel WP1 e utilizzando il modello di correlazione sviluppato nel WP2, sia in grado di stimare la necessità di un intervento preventivo di sanificazione.Descrizione. Lo sviluppo di un Digital Twin è il cuore del progetto. L’idea è di disporre di uno strumento di simulazione numerica, in grado di prendere in ingresso i parametri di rischio del sito di interesse e sia in grado di stimare in maniera quantitativa la necessità di un intervento di sanificazione preventiva. Il modello sarà sviluppato con logiche di machine learning in maniera tale da combinare il modello di correlazione ad un classificatore di rischio. I parametri di input del modello saranno quelli identificati nel corso del WP1 ai quali si andranno ad aggiungere i modelli di correlazione definiti nel WP2. Inoltre, il modello conterrà la possibilità di attuare o meno gli interventi tecnici di rivestimento secondo le metodologie identificate nel WP3 per poter valutarne l’efficacia a livello di intero sistema. Il modello potrà avere come input anche informazioni dai sensori fisici collocati nel sito di interesse e dai biosensori progettati ad hoc nel WP4 per poter rendere più attendibili i suoi risultati di classificazione di rischio. Il modello potrà servire non solo come stima della necessità di un intervento di sanificazione, ma anche come strumento di progettazione per verificare l’impatto di modifiche funzionali del sito di interesse. In quest’ottica, il Digital Twin si pone come strumento ad ampia validità dalla progettazione all’intervento.Deliverable: Modello matematico di Digital Twin, codici di calcolo a supporto della modellazione.Durata: 8 mesiWP6. Test del Digital Twin su un caso di studio specifico concordato con l’azienda partner.Obiettivi: Il WP mira a sperimentare l’usabilità e l’affidabilità del Digital Twin sviluppato nel WP5 mediante applicazione ad uno specifico caso di studio su in sito di interesse identificato con l’azienda partner. Descrizione. A partire dalla raccolta dei dati del sito di interesse e dallo studio dei fattori di rischio, verrà personalizzato il modello di Digital Twin sviluppato nel corso del WP5 per potersi adattare al sito di interesse scelto. Verranno pertanto eseguite delle stime sull’andamento delle condizioni rischiose del sito e si stimeranno le azioni di interventi di sanificazione, confrontandoli con le metodiche attualmente in essere. Deliverable: Report di impostazione del Digital Twin e di confronto con le condizioni effettive del sito di interesse.Durata: 4 mesiWP7. Ottimizzazione e generalizzazione del Digital TwinObiettivi: Il WP mira a migliorare e correggere il modello di Digital Twin a partire dall’interpretazione dei risultati dei test sul campo. Descrizione. A partire dai risultati dei test sull’impiego del Digital Twin del WP6 saranno implementate delle modifiche volte a migliorare sia l’affidabilità sia l’accuratezza del modello. Si rivedranno criticamente i modelli di correlazione e valuteranno se gli intervalli di confidenza del classificatore di insorgenza di contaminazione possano essere migliorati. Verrà definito anche un piano di aggiornamento del modello per prevedere un addestramento continuo per migliorarne le prestazioni.Deliverable: Modello matematico ottimizzato di Digital Twin, codici di calcolo a supporto della modellazione.Durata: 3 mesi
- VirtualSanitizer – A Digital Twin to support the sanitization of company plants and sites
Legionella is a gram-negative bacterium that can cause a serious form of lung infection called legionellosis or Legionnaires' disease. Legionella has been identified in many natural and man-made environments, such as rivers, lakes, cooling tower water, air conditioning systems, showers and faucets, where it can thrive if conditions are right, such as water temperatures between 20°C and 50°C and the presence of sediment or biofilm. Legionellosis can be contracted by breathing in the aerosol (small droplets) containing the bacterium. The disease can cause fever, cough, headache and muscle aches, but also pulmonary, renal and neurological complications in severe cases. Legionella is a public health threat, so preventing and controlling its spread is important, particularly in high-risk settings, such as hospitals. The presence of legionella can be verified, depending on the analysis requirements and the nature of the sample (water or solid surface contamination) using cultural methods, molecular methods, immunoenzymatic methods. The cultural methods consist in sowing the sample on special culture media, alternating non-specific media and selective media, which allow Legionella to grow in isolation. After an incubation period, the colonies of bacteria that form can be identified by the presence of a specific dye and counted. These methods require a minimum reading time that corresponds to the development time of visible colonies, from the presence of other bacteria or chemicals that could hinder the growth of Legionella. Molecular methods, such as PCR (Polymerase Chain Reaction), are based on the chain multiplication of specific DNA sequences of the bacterium under analysis and its subsequent detection. The method therefore suffers from an extreme susceptibility to contamination, and therefore requires the presence of specialized operators, who contribute together with other factors (reagents, instrumentation, maintenance, machine downtime) to a rather high final cost of the analysis. Immunoenzymatic methods are the quickest and most economical solution compared to the first two methods, however presenting a susceptibility to the presence of substances deriving from the sample matrix and a much higher limit of detection. The test is based on the capture of the bacterium by specific antibodies immobilized on special supports (e.g. analysis plates in polystyrene or paper supports, filters) and the detection of its presence on the antibody by reaction of an enzyme which generates a colored substance or an electroactive substance. Enzyme immunoassays are ideal as a screening test
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