Ricerca e sviluppo (2017-2018) per conto di NATURA srl (sede di Casoria) di un prototipo di apparecchiatura meccatronica complessa (PREMATIC-LAB) per l’automazione delle fasi di pre-analitica di campioni di “matrice solida” in ambito ambientale: “Attività di Ricerca Industriale e Sviluppo Sperimentale per la realizzazione di un prototipo di apparecchiatura meccatronica modulare, destinata ai laboratori di analisi ambientale, in grado di automatizzare le fasi di processo relative alla preparazione (preanalitica) dei campioni a matrice solida, con incremento di produttività in condizioni di eco-compatibilità” – PON 2014-2020 ASSE 1 – Programma Operativo Nazionale “Imprese e Competitività” 2014/2020 FESR, – Azione 1.1.3 – Bando MISE 2016.
Soggetti Proponenti e Sedi di riferimento:
- NATURA Srl – Casoria (NA),
- TELEMATIC Solution Srl – Capua (CE) – Milano (MI)
- SAPIENZA INNOVAZIONE Soc.Cons. – Roma (RM)
Giovanni Mappa, in qualità di coordinatore dell’area RSI (Ricerca, Sviluppo, Innovazione) di NATURA srl e Responsabile Tecnico Scientifico del Progetto.
SCHEDA TECNICA
Il “Prodotto”
PREMATIC-LAB è una apparecchiatura meccatronica robotizzata che opera come un laboratorio automatico di analisi chimico-fisiche in scala ridotta, ed è in grado di eseguire autonomamente i cicli di preparativa (workflow di preanalitica) dei campioni di matrici solide (terreni, sedimenti, rifiuti): in ingresso riceve campioni omogeneizzati; in uscita rende disponibili le provette contenenti un “liquido” nel quale sono state concentrate le sostanze (inquinanti) presenti nel campione “solido”. Le provette, di diversa misura e configurazione, possono essere poi inviate alla successiva “fase analitica” per le determinazioni previste.
La fase di preanalitica dei campioni è un trattamento fondamentale per ciascun laboratorio di analisi ambientali e alimentari, sia perché il campione di per sé, rappresenta statisticamente una realtà molto più estesa sottoposta ad indagine (v. bonifica), sia perché per poter analizzare le varie sostanze inquinanti presenti, ad es. in un terreno, le apparecchiature di analisi disponibili operano solo su liquido e non su solidi tal quali.
PREMATIC-LAB è in grado di eseguire autonomamente e in maniera combinata ed integrata, a seconda del “pacchetto analitico” definito per ciascun campione, il workflow delle linee di processo di “preparativa”, ossia:
- PREPARAZIONE ELUATI che dà luogo (output) a unità “Falcon” da 50 ml;
- MINERALIZZAZIONE che dà luogo (output) a “Provette” da 10 ml;
- ESTRAZIONE che dà luogo che dà luogo (output) a unità “Vial” da 1 ml.
A partire da uno stesso “pacchetto analitico”, in PREMATIC-LAB possono essere attivate tutte le linee di produzione o solo alcune di esse. In alcuni casi per uno stesso campione ogni linea può essere attivata anche più di una volta (es. estrazione per SVOC ed estrazione per Idrocarburi).
Il “Bisogno Tecnico” che è in grado di soddisfare
PREMATIC-LAB rappresenta la soluzione alla necessità di eliminare il “collo di bottiglia” costituito dalla stessa fase di preanalitica dei campioni, che ancora oggi, viene eseguita “a mano” (come prescritto dalle normative). Mentre però, le apparecchiature di analitica possono essere caricate per lavorare H24, la fase di preanalitica per non diventare “limitante” per la produttività complessiva di un laboratorio di analisi ambientali, richiederebbe tre turni di lavoro di operatori specializzati.
Le attività di processo automatizzate riguardano principalmente il “prelievo e la contestuale misurazione” di aliquote di campione (processo che “manualmente” viene eseguito in due fasi e per iterazioni successive); il loro “trasferimento” (manipolazione) ai diversi moduli di trattamento di linea di processo (dosaggio reagenti di solventi o acidi, trattamenti chimico-fisici, estrazione, mineralizzazione, sonicazione, ecc.)
Una corretta preparazione dei campioni è fondamentale per la successiva corretta determinazione analitica delle sostanze presenti negli stessi e per l’emissione di un rapporto di prova finale di qualità.
La soluzione PREMATIC-LAB è in grado di incrementare non solo la produttività giornaliera (numero di campioni analizzati) più che dimezzando i costi rispetto ad un turno di operatori, ma è in grado di aumentare l’efficienza produttiva complessiva (meno sprechi) e la sicurezza degli operatori della fase “preanalitica”, rendendo di fatto oggettiva, tracciabile, affidabile e sicura, la preparazione dei campioni .
Lo Scenario del Mercato di riferimento
Una apparecchiatura come PREMATIC-LAB, essendo nata da una esigenza reale “di campo” di un laboratorio di analisi ambientali di media dimensione come quello di NATURA Srl, rappresenta una soluzione possibile per tutta la gamma di laboratori simili (ambientali e alimentari) che hanno necessità di automatizzare la fase preanalitica di campioni a matrice solida.
L’interesse commerciale è soprattutto da parte di possibili fornitori di apparecchiature e strumentazione da laboratorio, che sono interlocutori privilegiati e che già forniscono alcune delle apparecchiature per la preanalitica presenti in PREMATIC-LAB.
In generale, i fornitori di apparecchiature di laboratorio di analisi ambientali e alimentari perseguono una politica di vendita “per componenti” (singoli processi) non integrabili con altri, ossia forniscono separatamente sistemi di prelievo; stazioni di pesatura; ribaltamento; stazioni di centrifugazione; stazioni di dosaggio reattivi; sistemi di Mineralizzazione (CEM);sistemi di sonicazione; sistemi di concentrazione (Biotage); sistemi di filtrazione con anidrificazione; ecc.. Nella quasi totalità dei casi, si tratta di apparecchiature di tipo “stand-alone”, non alimentabili automaticamente, non interfacciabili informaticamente e non collegabili in rete tra loro.
Una apparecchiatura come PREMATIC-LAB, in grado di eseguire interamente e autonomamente (in poco spazio) i cicli di pre-trattamento chimico-fisico di campioni di matrici solide, non risulta oggi essere già presente né sul mercato nazionale (e internazionale), né allo stato dell’arte della letteratura tecnico-scientifica. In PREMATIC-LAB si è riusciti ad integrare le diverse apparecchiature di processo in linee automatiche (robotizzate) di trattamento, sia attraverso modifiche di tipo hardware e software ad apparecchiature di mercato, sia attraverso la progettazione ad-hoc di nuove apparecchiature interfacciabili da sistemi di automazione e controllo.
Value Proposition CVP
La proposta di Valore che PREMATIC-LAB rappresenta per i laboratori di analisi ambientali (e non solo), ma più specificatamente per i fornitori di apparecchiature e strumentazione da laboratorio di analisi, è quella di essere una soluzione ed un esempio “unico” (al momento) di integrazione informatica di laboratorio (v. Industria 4.0), di efficienza produttiva in continuo, di tracciabilità e sicurezza per gli operatori, il tutto in soli 20 m³ di ingombro (base 2m x 4m, 2,5 m circa di altezza).
PREMATIC-LAB come “soluzione innovativa in risposta a un problema tecnico”, risulta posizionarsi come una “invenzione industriale”, ovvero un nuovo prodotto di interesse per il mercato delle analisi ambientali e alimentari.
Valutazione AS-IS del Livello di Maturità Tecnologica del prototipo (TRL-Technology Readness Level)
I test in ambiente di laboratorio R%S hanno consentito di evidenziare come e di quanto i risultati di funzionalità meccatronica di sistema differiscono da quanto ipotizzato in fase di progettazione.
Sono stati effettuati anche dei test di confronto tra i risultati analitici ottenuti con PREMATIC-LAB e quelli effettuati, sul medesimo campione, in maniera tradizionale (manualmente): i primi risultati sono risultati incoraggianti rispetto ad una successiva validazione in ambiente reale.
Lo stato di maturità tecnologica raggiunto da PREMATIC-LAB ad oggi (AS-IS), corrisponderebbe ad un valore (autovalutato) di TRL4, ossia di “validazione in laboratorio” della tecnologia dei componenti/assemblati/ integrati, rispetto ad una valutazione d’insieme e alla esplicitazione dell’interazione e influenza reciproca.
Lo stato di preparazione alla commercializzazione è stato autovalutato essere pari ad un primo livello (CRL 1 Commercialization Readness Level) contestualmente al TRL4, considerando in maniera integrata i seguenti parametri:
- Assessment Tecnologico
- Livello di Sviluppo del Prodotto
- Livello di Definizione/Progettazione
- Scenario Competitivo
- Gruppo di Lavoro (Team)
- Modello di Business e la Value Proposition
- Catena di Produzione e Fornitura
Azioni da intraprendere per la successiva fase di Ingegnerizzazione e di innalzamento del TRL e del CRL del prototipo, in nell’ottica di Industrializzazione di PREMATIC-LAB come prodotto.
Fase di Ingegnerizzazione
La “ingegnerizzazione del prodotto” viene qui considerata come la fase intermedia nella quale il prototipo realizzato viene sottoposto ad una serie di analisi e approfondimenti sia tecnico-funzionali-costruttivi, sia rispetto ai requisiti funzionali e commerciali validati nell’ambito di una fase reale di User Experience (UX).
Le attività di “transizione” verso l’industrializzazione previste sono qui di seguito elencate:
- Definizione dei “Dati di Targa” (di esercizio) mediante una serie di test di validazione (confronto automatico-manuale) per la definizione dei “range” di funzionalità operativa di normale esercizio e ammissibile del prototipo.
- Analisi di scalabilità e replicabilità; specifiche tecnico-funzionali dei componenti e manualistica.
- Integrazioni tecnologiche (sensori e dispositivi) per la tracciabilità e la difendibilità dei risultati ottenuti.
- Approfondimenti (UX User Experience) sugli utilizzatori e requisiti funzionali realmente utili e di valore.
- Approfondimenti sul Mercato di interesse per individuare i segmenti potenziali.
- Definizione Progettuale del Prodotto “Pilota”
- Implementazione delle integrazioni tecnologiche di sistema sul Prodotto “Pilota”
- Testing e validazione delle performance di sistema in ambito operativo reale (TRL7)
- Strategie di Branding (positioning, pricing)
Azioni TO-BE per il raggiungimento del Livello di Maturità Tecnologica del prodotto TRL-7 e di “Prontezza” Commerciale CRL = 7
Lo stato di maturità tecnologica minimo che PREMATIC-LAB dovrà raggiungere (TO-BE) per poter aprire la strada alla fase di industrializzazione (TO-BE), corrisponde ad un valore (autovalutato) di TRL7, ossia di “sistema prototipo validato in ambiente operativo (reale)”.
Si tratta di raggiungere un livello di maturità tecnologica, validato in un ambito operativo reale, di pre-produzione, ossia tutti i componenti tecnologici del prototipo PREMATIC-LAB rispondono definitivamente ai requisiti funzionali degli end-user in maniera singola ed integrata.
Le azioni dal punto di vista della preparazione alla commercializzazione del prototipo-prodotto con TRL7 sono di miglioramento dei seguenti parametri:
- Livello di Sviluppo del Prodotto
- Livello di Definizione/Progettazione
- Scenario Competitivo
- Gruppo di Lavoro (Team)
- Modello di Business e la Value Proposition
- Catena di Produzione e Fornitura
La fase di ingegnerizzazione dell’attuale prototipo di PREMATIC-LAB necessita di una nuova organizzazione come quella che può derivare dalla costituzione di una “newco” ad hoc per lo sviluppo del prodotto che si inserirebbe poi in una nuova organizzazione a rete di imprese (partners), motivate dall’obiettivo comune di rafforzare il potenziale di commercializzazione del prodotto e di margine operativo.
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Giovanni Mappa, in qualità di coordinatore dell’area RSI (Ricerca, Sviluppo, Innovazione) di NATURA srl e Responsabile Tecnico Scientifico del Progetto.
Soggetti Proponenti e Sedi di riferimento:
PREMATIC-LAB PREMATIC-LAB PREMATIC-LAB PREMATIC-LAB PREMATIC-LAB PREMATIC-LAB PREMATIC-LAB
ANOVA 