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, single‑use bioprocessing equipment has proven to be a much more environmentally‑friendly option than reusable stainless steel bioreactors. This holds true for scales ranging from small pilot facilities to 20,000 L bioreactor skids. In this article, we look at environmental impacts of single use bioreactors vs. their stainless steel counterparts:

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.

While manufacturing stainless steel is significantly more energy intensive than manufacturing plastic, the disposable plastic components must be replaced for each batch. This results in a cumulative energy expenditure to produce single‑use components that is almost 4x greater than the energy expenditure to manufacture the equivalent multiuse components. While single‑use components are often disposed of by incineration, allowing for some energy recovery through heat, there is not nearly enough recovery to overcome the large difference in energy costs. SIP calculations assumed a steam generator output of 500 kW/h, and 100 L of water necessary to provide 30 minutes of steam at 130oC, with SIP between each batch. In contrast, single‑use components are irradiated by the manufacturer and then disposed of after use. This study found that sterilizing multiuse skids between batches is over 6x more energy intensive than sterilizing single‑use components before use. The largest energy expenditure in traditional bioreactor systems is in producing the pyrogen‑free distilled water necessary for cleaning. The 4,900 MJ which this study determined to be necessary for cleaning multiuse systems lies in sharp contrast to 0 MJ required for single‑use components, which do not need to be cleaned. 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, and must be processed as they leave pharmaceutical plants before they are introduced into the sewer system. Standard toxicity assessments calculate the concentrations of various trace metals and other materials which may be toxic to organisms, as well as looking at stream volumes, and the expected dilution of the waste streams when mixed with other waste at the treatment plant. Standard cleaning solutions for reusable stainless steel and plastic components include 1 M sodium hydroxide, 1 M phosphoric acid, pyrogen‑free distilled water, buffers, cleaning agents, and steam. Sanitation solutions are usually diluted bleach, and wipe‑down solutions are generally quaternary disinfectants. These solutions must then all be rinsed several times over — creating chemical runoffs which must be properly handled. To address the issues associated with chemical waste streams, regulatory drivers have moved pharmaceutical facilities from chemical sanitation to steam sanitation. Steam sanitation creates less chemical runoff and less energy is required to Behandlung der Abfallströme. Die Energiekosten für die Dampferzeugung können jedoch so hoch sein, dass sie diese Vorteile ausgleichen.

CIP/SIP has been shown in the studies cited here and others to be the primary contributor to the environmental footprint of a pharmaceutical manufacturing facility. As such, the primary advantage conveyed by single‑use systems is exactly that — they are disposed of and replaced, rather than cleaned and reused. Despite the higher manufacturing costs demanded by components which must be continually replaced, single‑use systems achieve a much lower environmental footprint by avoiding the energy costs of inline cleaning and sterilization. Despite their environmental advantages, single‑use skids are not always feasible, for reasons ranging from process scale to extreme operating conditions to fluid incompatibilities. Process intensification therefore provides a simple means by which to introduce significant energy savings into the plant.

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.