Vergleich der Umweltauswirkungen von Einweg-Bioreaktoren und Edelstahl

Einwegkunststoffe für Konsumgüter sind seit langem der Fluch der Umweltbewegung, wobei Einkaufstüten und Strohhalme als offensichtliche Beispiele gelten. Einwegkunststoffe in der Biotechnologie bieten jedoch erhebliche Umweltvorteile im Vergleich zu den Alternativen aus Edelstahl. Sie bieten Pharmaunternehmen nicht nur die Möglichkeit flexible, skalierbare Lösungen, haben sich Einweg-Bioprozessanlagen als deutlich umweltfreundlichere Alternative zu wiederverwendbaren Bioreaktoren aus Edelstahl erwiesen. Dies gilt für Größenordnungen, die von kleinen Pilotanlagen bis hin zu 20.000-Liter-Bioreaktor-Skids reichen. In diesem Artikel betrachten wir die Umweltauswirkungen von Einweg-Bioreaktoren im Vergleich zu ihren Gegenstücken aus Edelstahl:

1. Sichtung der Literatur über die Umweltauswirkungen der Bioprozessierung.
2. Untersuchen Sie Abwasserströme als Beispiel für die Umweltauswirkungen von Clean-in-Place/Steam-in-Place (CIP/SIP).
3. Erörterung der Prozessintensivierung als Mittel zur Verringerung der Gesamtumweltauswirkungen der Bioprozesstechnik.

In diesem Abschnitt werden wir uns zwei Studien ansehen, die zeigen, dass Einweg-Bioreaktoren wesentlich umweltfreundlicher sind als Reaktoren aus rostfreiem Stahl. Beide Studien gehen von den folgenden Annahmen aus:

• CIP/SIP zwischen den einzelnen Chargen erfordert eine Standardmenge an Energie und Hilfsmitteln
• Einwegkunststoffe werden mit Mehrweg-Edelstahl verglichen
• Einwegkomponenten werden in der pharmazeutischen Produktionsstätte durch Bestrahlung vorsterilisiert
• Einwegkomponenten werden über die Sondermüllverbrennung entsorgt (einige Studien gehen von einer Wärmerückgewinnung aus; es wurde nicht nachgewiesen, dass diese einen signifikanten Einfluss auf die Gesamtenergiekosten hat)

Zweck und Gestaltung: A Studie von GE Healthcare aus dem Jahr 2014 (jetzt Cytiva), die in der Zeitschrift BioPharm International veröffentlicht wurde, untersuchte die Produktion von monoklonalen Antikörpern, um Einweg- und Edelstahl-Verfahrenstechnologien zu vergleichen. Die Autoren unterteilten die pharmazeutische Produktion in 14 Arbeitsschritte sowie eine zusätzliche Unterstützungseinheit, die alle für CIP/SIP erforderlichen Arbeitsschritte umfasst. Die Energiekosten wurden auf der Grundlage der Annahme ermittelt, dass die Mehrwegausrüstung eine Lebensdauer von 10 Jahren hat, wobei 25% der Ausrüstung wiederverwendet, 67% recycelt und die restlichen 8% deponiert werden. Ergebnisse und Analyse: Die Autoren bewerteten die kompletten Prozessabläufe im Maßstab 100 l, 500 l und 2.000 l für eine Kampagne mit 10 Chargen. Sie bewerteten die Umweltauswirkungen anhand von 18 Kategorien, darunter Humantoxizität sowie Wasser-, Metall-, Ozon- und Fossilabbau. Bei einem Volumen von 2.000 Litern erwiesen sich die Einweg-Bioreaktoren gegenüber den Mehrweg-Bioreaktoren in jeder der 18 Kategorien als vorteilhaft, wie in Abbildung 1 dargestellt.

In der Studie wurden die Umweltauswirkungen auf die menschliche Gesundheit, die Ökosysteme und die Ressourcen in verschiedenen Lebenszyklusphasen verglichen: Die Lieferkette bezieht sich auf die Materialien und die Herstellung der Prozessausrüstung (einschließlich der Verbrauchsmaterialien); die Nutzungsphase bezieht sich auf die Auswirkungen der Produktion, einschließlich CIP/SIP; und das Lebensende bezieht sich auf die Entsorgung, Wiederverwendung oder das Recycling der Ausrüstung. Abbildung 2 zeigt, dass etwa 90% der Umweltauswirkungen eines Bioprozesses auf folgende Faktoren zurückzuführen sind lebenslange Nutzung.

Wichtigste Ergebnisse: Diese Studie kam zu dem Schluss, dass Einweggeräte wesentlich umweltfreundlicher sind als herkömmliche Geräte aus Edelstahl. Die größten Einsparungen ergeben sich bei den Energiekosten für die Lebensdauer der Geräte, wobei die Energieeinsparungen auf die Abschaffung der für CIP/SIP erforderlichen Prozesse zurückzuführen sind.

Zweck und Gestaltung: Im Jahr 2009 untersuchte BioProcess International die Energiekosten von Einweg- und Mehrwegsystemen. Ihre Energieberechnungen basierten auf den folgenden Faktoren:

• Es wird davon ausgegangen, dass Einwegkunststoffe vollständig aus Polypropylen bestehen.
• Bioreaktoren aus Edelstahl haben eine Lebensdauer von 600 Produktionschargen, aber die erforderlichen Flüssigkeits- und Luftfilter müssen regelmäßig ausgetauscht werden.
• Einweg-Biocontainer sind in Edelstahlbehältern ohne Belüftungsfilter untergebracht.
• Anstelle der üblichen Flüssigkeits- und Abgasfilter werden Einweg-Kapselfilter in Edelstahlgehäusen verwendet.
• Einweg-Membranabsorberkapseln werden anstelle von Standard-Chromatographiesäulen und -harzen verwendet.

Ergebnisse und Analyse: Tabelle 1 zeigt eine Zusammenfassung der Energieberechnungen für Einweg-Kunststoffsysteme im Vergleich zu Mehrwegsystemen aus Edelstahl. Die Materialherstellung bezieht sich auf die Energiekosten für die Herstellung der Komponenten für die beiden Lösungen; die Sterilisation bezieht sich auf die SIP zwischen den Chargen bei Systemen aus rostfreiem Stahl oder die Vorsterilisation der Komponenten durch Bestrahlung bei Einwegsystemen; und die Reinigung bezieht sich auf die CIP für wiederverwendbare Skids, wobei meist eine Kombination aus pyrogenfreiem destilliertem Wasser, Natriumhydroxid und Phosphorsäure in standardmäßigen, vorher festgelegten Mengen verwendet wird.

Zwar ist die Herstellung von Edelstahl deutlich energieintensiver als die von Kunststoff, doch müssen die Einwegkomponenten aus Kunststoff bei jeder Charge ausgetauscht werden. Dies führt zu einem kumulativen Energieaufwand für die Herstellung von Einwegkomponenten, der fast viermal so hoch ist wie der Energieaufwand für die Herstellung der entsprechenden Mehrwegkomponenten. Zwar werden Einwegkomponenten häufig durch Verbrennung entsorgt, was eine gewisse Energierückgewinnung durch Wärme ermöglicht, doch reicht diese bei weitem nicht aus, um den großen Unterschied bei den Energiekosten auszugleichen. Bei den SIP-Berechnungen wurde von einer Leistung des Dampferzeugers von 500 kW/h und einem Wasserbedarf von 100 l ausgegangen, um 30 Minuten lang Dampf bei 130 °C bereitzustellen, wobei zwischen jeder Charge ein SIP-Vorgang durchgeführt wurde. Im Gegensatz dazu werden Einwegkomponenten vom Hersteller bestrahlt und nach dem Gebrauch entsorgt. Diese Studie ergab, dass die Sterilisation von Mehrweg-Skids zwischen den Chargen mehr als sechsmal energieintensiver ist als die Sterilisation von Einwegkomponenten vor dem Gebrauch. Der größte Energieaufwand in herkömmlichen Bioreaktorsystemen entsteht bei der Herstellung des für die Reinigung erforderlichen pyrogenfreien destillierten Wassers. Die 4.900 MJ, die laut dieser Studie für die Reinigung von Mehrwegsystemen erforderlich sind, stehen in scharfem Kontrast zu den 0 MJ, die für Einwegkomponenten benötigt werden, da diese nicht gereinigt werden müssen. Wichtigste Ergebnisse: Einweg-Bioreaktoren sind über die gesamte Nutzungsdauer hinweg deutlich weniger energieintensiv als Mehrweg-Bioreaktoren. CIP/SIP macht den größten Teil des Energiebedarfs für herkömmliche Bioreaktorskids aus, d. h. der Wegfall der Inline-Reinigung und -Sterilisation ist der wichtigste Umweltvorteil von Einwegsystemen.

Abfallströme entstehen durch Reinigung wiederverwendbarer Komponenten, und müssen beim Verlassen der pharmazeutischen Produktionsstätten aufbereitet werden, bevor sie in die Kanalisation eingeleitet werden. Bei standardmäßigen Toxizitätsbewertungen werden die Konzentrationen verschiedener Spurenmetalle und anderer Stoffe, die für Organismen toxisch sein können, berechnet; außerdem werden die Durchflussmengen sowie die zu erwartende Verdünnung der Abwasserströme bei der Vermischung mit anderen Abwässern in der Kläranlage berücksichtigt. Zu den Standardreinigungslösungen für wiederverwendbare Edelstahl- und Kunststoffkomponenten gehören 1 M Natriumhydroxid, 1 M Phosphorsäure, pyrogenfreies destilliertes Wasser, Puffer, Reinigungsmittel und Dampf. Desinfektionslösungen bestehen in der Regel aus verdünntem Bleichmittel, und Lösungen zum Abwischen sind meist quartäre Desinfektionsmittel. Diese Lösungen müssen anschließend alle mehrmals abgespült werden – wodurch chemische Abwässer entstehen, die ordnungsgemäß entsorgt werden müssen. Um die mit chemischen Abfallströmen verbundenen Probleme anzugehen, haben regulatorische Vorgaben dazu geführt, dass pharmazeutische Betriebe von der chemischen Desinfektion auf die Dampfdesinfektion umgestellt haben. Die Dampfdesinfektion verursacht weniger chemische Abwässer und erfordert weniger Energie, um Behandlung der Abfallströme. Die Energiekosten für die Dampferzeugung können jedoch so hoch sein, dass sie diese Vorteile ausgleichen.

In den hier zitierten und anderen Studien hat sich gezeigt, dass CIP/SIP den größten Anteil am ökologischen Fußabdruck einer pharmazeutischen Produktionsstätte hat. Der Hauptvorteil von Einwegsystemen liegt daher genau darin, dass sie entsorgt und ersetzt werden, anstatt gereinigt und wiederverwendet zu werden. Trotz der höheren Herstellungskosten, die durch die ständig zu ersetzenden Komponenten entstehen, erzielen Einwegsysteme einen deutlich geringeren ökologischen Fußabdruck, da die Energiekosten für die Inline-Reinigung und -Sterilisation vermieden werden. Trotz ihrer ökologischen Vorteile sind Einweg-Skids nicht immer realisierbar, was auf Gründe wie den Prozessumfang, extreme Betriebsbedingungen oder Unverträglichkeiten der Medien zurückzuführen ist. Die Prozessintensivierung bietet daher eine einfache Möglichkeit, erhebliche Energieeinsparungen in der Anlage zu erzielen.

Hybridsysteme bieten ein praktisches, umweltbewusstes Design

Hybride Systeme, die aus einer Kombination von Single-Use- und Multi-Use-Skids bestehen, können eine einzigartige Möglichkeit bieten, den ökologischen Fußabdruck einer Anlage zu verringern, ohne dass eine vollständige Überarbeitung des Herstellungsprozesses erforderlich ist. Auf diese Weise können Systementwickler die Vorteile von Skids mit geeigneten Einweglösungen nutzen, während sie gleichzeitig deren Grenzen in anderen Bereichen anerkennen.

Kufen, die für einfaches CIP/SIP ausgelegt sind, führen zu weniger Wasser und Dampf und weniger Chemikalien

Die Herstellung von mehr reinigungsfähigen Kufen würde zu CIP/SIP-Verfahren führen, die weniger Wasser und weniger Chemikalien benötigen, was zu einer geringeren Abwasserbehandlung, weniger Dampferzeugung und insgesamt niedrigeren Energiekosten für die Reinigung führt. Kufen, die eine Inline-Pufferverdünnung ermöglichen, würden kleinere Puffertanks erlauben, was zu weniger zu reinigenden und zu sterilisierenden Geräten und zu Zeiteinsparungen führen würde, da die verschiedenen Teile nicht mehr in der Anlage bewegt werden müssten. Dies wiederum kann zu kleineren Anlagen führen, die geringere HLK-Kosten verursachen.

Die Schulung des Personals bedeutet, dass nur die unbedingt notwendigen Abfälle erzeugt werden.

Eine erweiterte Schulung der Bediener ist ein einfacher Schritt zur Verschlankung und Intensivierung der Prozesse. Überschussmengen sind in den Standardarbeitsanweisungen vorgesehen, aber besonders vorsichtige Bediener möchten vielleicht eine zusätzliche Spülung durchführen. Eine genaue Schulung des Bedienpersonals über die Standardarbeitsanweisungen und die Gründe für die einzelnen Schritte kann unnötige Spülwasser- oder Pufferproduktion verhindern und den Bestand auf das absolut Notwendige reduzieren. Dies ist besonders nützlich, wenn man bedenkt, dass Kältemittelgase einen großen ökologischen Fußabdruck haben. Zusammengenommen weisen diese Faktoren darauf hin, dass Einweg-Bioreaktoren im Vergleich zu Edelstahl nicht die einzigen Faktoren für die Gesamtumweltauswirkungen der Bioverarbeitung sind.