Einweg-Bioreaktoren vs. Edelstahl: Vergleich der Umweltauswirkungen

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. Einweg-Bioprozessanlagen bieten Pharmaunternehmen nicht nur flexible, skalierbare Lösungen, sondern haben sich auch als wesentlich umweltfreundlicher erwiesen als wiederverwendbare Bioreaktoren aus Edelstahl. Dies gilt für Größenordnungen, die von kleinen Pilotanlagen bis zu 20.000-Liter-Bioreaktoren reichen.

In diesem Artikel befassen wir uns mit den Umweltauswirkungen von Einweg-Bioreaktoren im Vergleich zu ihren Gegenstücken aus Edelstahl:

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

Studien zu den Umweltauswirkungen 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 wesentlichen Einfluss auf die Gesamtenergiekosten hat)

Studie 1: Bioreaktoren aus Edelstahl sind schädlicher für Menschen und Ökosysteme

Zweck und Aufbau: In einer 2014 von GE Healthcare (jetzt Cytiva) durchgeführten und in der Zeitschrift BioPharm International veröffentlichten Studie wurde die Produktion monoklonaler Antikörper untersucht, um Einweg- und Edelstahl-Verfahrenstechnologien zu vergleichen. Die Autoren unterteilten die pharmazeutische Produktion in 14 Arbeitseinheiten 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 vollständigen Prozessabläufe in den Größenordnungen 100 l, 500 l und 2.000 l für eine Kampagne mit 10 Chargen. Sie bewerteten die Umweltauswirkungen anhand von 18 Kategorien, darunter Humantoxizität, Wasser-, Metall- und Ozonabbau sowie fossile Brennstoffe. 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.

Abbildung 1. Zur Bewertung der Umweltauswirkungen von Einweg- und Mehrweg-Bioprozessen wurden 18 Kategorien verwendet. Die Auswirkungen von Mehrzweckreaktoren sind auf 100 % normiert. Bild aus der Studie von GE Healthcare.

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, die Wiederverwendung oder das Recycling der Ausrüstung. Abbildung 2 zeigt, dass etwa 90 % der Umweltauswirkungen eines Bioprozesses aus der Nutzungsphase resultieren.

Abbildung 2. Vergleich der Umweltauswirkungen in verschiedenen Lebenszyklusphasen. Der Betrieb über die gesamte Lebensdauer, einschließlich CIP/SIP, macht 90 % der gesamten Umweltkosten der Bioprozesstechnik aus. Abbildung aus der Studie von GE Healthcare.

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.

Studie 2: CIP/SIP macht mehr als die Hälfte des Gesamtenergieverbrauchs von Edelstahlskids aus

Zweck und Aufbau: 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 für Systeme aus Edelstahl oder die Vorsterilisation der Komponenten durch Bestrahlung für Einwegsysteme; 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.

Tabelle 1: Gesamtenergieberechnungen für Bioprozesse für Einwegsysteme im Vergleich zu Mehrwegsystemen aus Edelstahl. Einwegsysteme haben zwar höhere Materialkosten für den regelmäßigen Austausch von Komponenten, sind aber über ihre gesamte Lebensdauer hinweg deutlich weniger energieintensiv.

Die Herstellung von rostfreiem Stahl ist zwar wesentlich energieintensiver als die von Kunststoff, aber die Einwegkomponenten aus Kunststoff müssen bei jeder Charge ersetzt 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 oft durch Verbrennung entsorgt, was eine gewisse Energierückgewinnung durch Wärme ermöglicht, doch reicht diese nicht annähernd aus, um den großen Unterschied in den Energiekosten auszugleichen.

Bei den SIP-Berechnungen wurde von einer Dampferzeugerleistung von 500 kW/h und 100 l Wasser ausgegangen, die erforderlich sind, um 30 Minuten lang Dampf bei 130^o C zu erzeugen, wobei zwischen jeder Charge ein SIP stattfindet. Im Gegensatz dazu werden Einwegkomponenten vom Hersteller bestrahlt und dann nach Gebrauch entsorgt. Die Studie ergab, dass die Sterilisation von Mehrweg-Skids zwischen den Chargen mehr als 6-mal energieintensiver ist als die Sterilisation von Einwegkomponenten vor der Verwendung.

Der größte Energieaufwand in herkömmlichen Bioreaktorsystemen besteht in der Herstellung des für die Reinigung erforderlichen pyrogenfreien destillierten Wassers. Die in dieser Studie ermittelten 4.900 MJ, die für die Reinigung von Mehrwegsystemen erforderlich sind, stehen im krassen Gegensatz zu 0 MJ für Einwegkomponenten, die nicht gereinigt werden müssen.

Wichtigste Ergebnisse: Während der gesamten Nutzungsdauer sind Einweg-Bioreaktoren 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.

Beispiel: Abfallströme, die bei CIP/SIP entstehen

Abfallströme entstehen bei der Reinigung wiederverwendbarer Komponenten und müssen beim Verlassen der pharmazeutischen Anlagen aufbereitet werden, bevor sie in die Kanalisation gelangen. Standardmäßige Toxizitätsbewertungen berechnen die Konzentrationen verschiedener Spurenmetalle und anderer Stoffe, die für Organismen giftig sein können, sowie das Volumen der Abfallströme und die erwartete Verdünnung der Abfallströme, wenn sie in der Kläranlage mit anderen Abfällen vermischt werden.

Zu den Standardreinigungslösungen für wiederverwendbare Edelstahl- und Kunststoffteile gehören 1 M Natriumhydroxid, 1 M Phosphorsäure, pyrogenfreies destilliertes Wasser, Puffer, Reinigungsmittel und Dampf. Sanitärlösungen sind in der Regel verdünnte Bleichmittel, und Wischdesinfektionslösungen sind im Allgemeinen quaternäre Desinfektionsmittel. Diese Lösungen müssen dann alle mehrmals gespült werden, wodurch chemische Abwässer entstehen, die ordnungsgemäß behandelt werden müssen.

Um die mit den chemischen Abfallströmen verbundenen Probleme zu lösen, haben die Behörden die pharmazeutischen Einrichtungen von der chemischen Reinigung auf die Dampfsanierung umgestellt. Bei der Dampfsanierung werden weniger Chemikalien freigesetzt und es wird weniger Energie zur Behandlung der Abfallströme benötigt. Die Energiekosten für die Dampferzeugung können jedoch so hoch sein, dass sie diese Vorteile zunichte machen.

Auswirkungen von CIP/SIP und die Rolle der Prozessintensivierung als Abhilfemaßnahme

Die hier und in anderen Studien zitierten Studien haben gezeigt, dass CIP/SIP den größten Anteil am ökologischen Fußabdruck einer pharmazeutischen Produktionsanlage hat. Der Hauptvorteil von Einwegsystemen ist also genau das: Sie werden entsorgt und ersetzt, statt gereinigt und wiederverwendet. Trotz der höheren Herstellungskosten, die durch Komponenten entstehen, die ständig ersetzt werden müssen, haben Einwegsysteme einen viel geringeren ökologischen Fußabdruck, da die Energiekosten für die Inline-Reinigung und -Sterilisation entfallen.

Trotz ihrer Umweltvorteile sind Einweg-Skids nicht immer praktikabel, sei es aus Gründen der Prozessgröße, extremer Betriebsbedingungen oder der Unverträglichkeit von Flüssigkeiten. Die Prozessintensivierung ist daher ein einfaches Mittel, um 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.

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

Die Herstellung von mehr reinigungsfähigen Skids würde zu CIP/SIP-Verfahren führen, die weniger Wasser und weniger Chemikalien benötigen, was zu weniger Abwasserbehandlung, weniger Dampferzeugung und insgesamt niedrigeren Energiekosten für die Reinigung führt. Skids, die eine Inline-Pufferverdünnung ermöglichen, würden kleinere Puffertanks erlauben, was zu weniger zu reinigenden und zu sterilisierenden Geräten und zu einer Zeitersparnis führen würde, da verschiedene 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.

Die Ausweitung der Schulungen für die 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.