Study and development of a unidirectional airflow chamber to investigate air-robot interactions for pharmaceutical applications

Over the years, robotics has been used in various areas of industrial production and with different applications, and, in this way, it has managed to improve and make more efficient human work to the point of replacing human presence for certain tasks. The COVID-19 pandemic, along with forced closures and social distancing, pushed industries that had not yet integrated automation and robotics to adopt these technologies in order to keep production going. In this situation, the European Union has reviewed and updated the legislation on pharma ceutical production, a sector which is subject to numerous regulations. Consequently, in 2022, the new revised legislation on pharmaceutical production in the European Union has been released, effectively giving the green light to the use of robots for sterile production. For this type of production, isolators are used: chambers with controlled unidirectional airflow that ensure sterility during operations. The aim of this thesis is to analyze the interaction between the robot in movement and the air inside the isolator and the consequent creation of turbulence that would not guar antee sterility during operations. The study is carried out in both stationary and moving robot conditions and conducted through the use of CFD for the simulation aspect of the problem and compared with preliminary experimental results. Finally, a robot movement is thought as first possible trajectory to avoid turbulence gen eration during an object handling operation (pick and place) within the isolator.

Nel corso degli anni, la robotica ha trovato ampio impiego in diversi settori della pro duzione industriale, dimostrandosi un valido strumento per migliorare e rendere più ef f iciente il lavoro umano. In molti casi, le tecnologie robotiche hanno persino sostituito l’intervento diretto delle persone per l’esecuzione di compiti specifici. Con l’avvento della pandemia di COVID-19 e le conseguenti chiusure forzate e misure di distanziamento sociale, molte aziende che fino a quel momento non avevano adottato l’automazione o la robotica si sono trovate costrette a introdurle per evitare l’interruzione delle attività produttive. Nel 2022, l’Unione Europea ha aggiornato la normativa sulla produzione farmaceutica, ponendo particolare attenzione alla produzione sterile, un ambito soggetto a regolamentazioni stringenti. Questo aggiornamento ha ufficialmente aperto alla possi bilità di utilizzare robot nella produzione sterile, segnando un importante passo avanti per l’automazione in questo settore. La produzione sterile si avvale di isolatori, ambi enti caratterizzati da flussi unidirezionali d’aria, progettati per mantenere condizioni di sterilità durante le operazioni. Questa tesi si propone di analizzare l’interazione tra il movimento di un robot e l’aria all’interno di un isolatore, valutando l’eventuale gener azione di turbolenze che potrebbero compromettere le condizioni di sterilità. Lo studio è condotto considerando sia il robot in posizione statica sia in movimento, utilizzando la fluidodinamica computazionale (CFD) per simulare il problema. I risultati delle simu lazioni vengono poi confrontati con dati sperimentali. Infine, viene proposto un percorso di movimento del robot come soluzione iniziale per minimizzare la generazione di turbolenze durante operazioni di movimentazione di oggetti (pick and place) all’interno dell’isolatore, garantendo così la sterilità durante le attività operative.