Confronto dell’impatto ambientale tra bioreattori monouso e in acciaio inossidabile

Le plastiche monouso per i prodotti di consumo sono da tempo la bestia nera del movimento ambientalista, con i sacchetti della spesa e le cannucce come esempi evidenti.

Le plastiche monouso per i prodotti di consumo sono da tempo la bestia nera del movimento ambientalista, con i sacchetti della spesa e le cannucce come esempi evidenti. Le plastiche monouso nel bioprocesso, tuttavia, offrono vantaggi ambientali significativi rispetto alle alternative in acciaio inossidabile. Oltre a offrire alle aziende farmaceutiche soluzioni flessibili e scalabili, le apparecchiature monouso per il bioprocesso si sono dimostrate un’opzione molto più rispettosa dell’ambiente rispetto ai bioreattori riutilizzabili in acciaio inossidabile. Questo vale per scale che vanno dai piccoli impianti pilota agli skid per bioreattori da 20.000 L. In questo articolo esaminiamo l’impatto ambientale dei bioreattori monouso rispetto ai loro equivalenti in acciaio inossidabile:

- Esaminiamo la letteratura sull’impatto ambientale del bioprocesso.

- Esaminiamo i flussi di acque reflue come esempio dell’impatto ambientale del lavaggio in sede e della sterilizzazione in sede (CIP/SIP).

- Discutiamo l’intensificazione di processo come mezzo per ridurre l’impatto ambientale complessivo del bioprocesso.

Studi sull’impatto ambientale del bioprocesso

In questa sezione esamineremo due studi che mostrano come i bioreattori monouso siano significativamente più rispettosi dell’ambiente rispetto ai reattori in acciaio inossidabile. Entrambi gli studi partono dai seguenti presupposti:

- Il CIP/SIP tra un lotto e l’altro richiede una quantità standard di energia e di apparecchiature di supporto

- Le plastiche monouso vengono confrontate con l’acciaio inossidabile multiuso

- I componenti monouso arrivano allo stabilimento di produzione farmaceutica già sterilizzati per irraggiamento

- I componenti monouso vengono smaltiti tramite incenerimento come rifiuti pericolosi (alcuni studi ipotizzano il recupero di calore; non è dimostrato che abbia un impatto significativo sui costi energetici complessivi)

Studio 1: I bioreattori in acciaio inossidabile sono più dannosi per gli esseri umani e per gli ecosistemi

Scopo e impostazione: Uno studio del 2014 di GE Healthcare (ora Cytiva), pubblicato su BioPharm International, ha esaminato la produzione di anticorpi monoclonali per confrontare le tecnologie di processo monouso e in acciaio inossidabile. Gli autori hanno suddiviso la produzione farmaceutica in 14 operazioni unitarie, più un’unità di supporto aggiuntiva che comprende tutte le operazioni necessarie per il CIP/SIP. I costi energetici sono stati determinati partendo dal presupposto che le apparecchiature multiuso abbiano una vita utile di 10 anni, con il 25% delle apparecchiature riutilizzato, il 67% riciclato e il restante 8% smaltito in discarica. Risultati e analisi: Gli autori hanno valutato le linee di processo complete alle scale di 100 L, 500 L e 2.000 L per una campagna di 10 lotti. Hanno utilizzato 18 categorie per valutare l’impatto ambientale, tra cui la tossicità per l’uomo e l’esaurimento di acqua, metalli, ozono e combustibili fossili. Per volumi di 2.000 L, i bioreattori monouso si sono dimostrati vantaggiosi rispetto ai bioreattori multiuso in ciascuna delle 18 categorie, come mostrato nella Figura 1.

Figura 1. Sono state utilizzate 18 categorie per valutare l’impatto ambientale del bioprocesso monouso rispetto a quello multiuso. L’impatto dei reattori multiuso è normalizzato al 100%. Immagine dallo studio di GE Healthcare.

Lo studio ha confrontato l’impatto ambientale sulla salute umana, sugli ecosistemi e sulle risorse nelle varie fasi del ciclo di vita: la catena di fornitura si riferisce ai materiali e alla fabbricazione delle apparecchiature di processo (compresi i materiali di consumo); la fase di utilizzo si riferisce agli impatti della produzione, compreso il CIP/SIP; e il fine vita si riferisce allo smaltimento, al riutilizzo o al riciclo delle apparecchiature. La Figura 2 mostra che circa il 90% dell’impatto ambientale di un bioprocesso deriva dall’utilizzo nell’arco della vita utile.

Figura 2. Confronto degli impatti ambientali nelle varie fasi del ciclo di vita. L’esercizio nell’arco della vita utile, compreso il CIP/SIP, rappresenta il 90% del costo ambientale totale del bioprocesso. Immagine dallo studio di GE Healthcare

Risultati principali: Questo studio ha concluso che le apparecchiature monouso sono significativamente più rispettose dell’ambiente rispetto alle tradizionali apparecchiature in acciaio inossidabile. I maggiori risparmi si hanno nei costi energetici dell’utilizzo nell’arco della vita utile: il risparmio energetico è attribuito all’eliminazione dei processi necessari per il CIP/SIP.

Studio 2: Il CIP/SIP rappresenta oltre la metà del consumo energetico totale degli skid in acciaio inossidabile

Scopo e impostazione: Nel 2009, BioProcess International ha esaminato i costi energetici dei sistemi monouso rispetto a quelli multiuso. I calcoli energetici si basavano sui seguenti fattori:

- Si ipotizza che le plastiche monouso siano realizzate interamente in polipropilene

- I bioreattori in acciaio inossidabile hanno una vita utile di 600 lotti di produzione, ma i filtri per liquidi e per aria richiesti devono essere sostituiti regolarmente.

- I biocontenitori monouso sono alloggiati in contenitori di acciaio inossidabile senza filtri di sfiato.

- Al posto dei filtri standard per liquidi e per gas di scarico si utilizzano filtri a capsula monouso all’interno di alloggiamenti in acciaio inossidabile.

- Al posto delle colonne cromatografiche e delle resine standard si utilizzano capsule monouso con membrane assorbenti.

Risultati e analisi: La Tabella 1 mostra una sintesi dei calcoli energetici per i sistemi in plastica monouso rispetto all’acciaio inossidabile multiuso. La produzione dei materiali si riferisce al costo energetico di fabbricazione dei componenti per le due soluzioni; la sterilizzazione si riferisce al SIP tra un lotto e l’altro per i sistemi in acciaio inossidabile oppure alla pre-sterilizzazione dei componenti per irraggiamento per i sistemi monouso; e la pulizia si riferisce al CIP per gli skid riutilizzabili, il più delle volte con una combinazione di acqua distillata apirogena, idrossido di sodio e acido fosforico in quantità standard predeterminate. Consumo energetico monouso (megajoule) Consumo energetico acciaio inossidabile multiuso (megajoule) Produzione dei materiali 4.100 1.100 Consumo energetico monouso (megajoule) Consumo energetico acciaio inossidabile multiuso (megajoule) Sterilizzazione 30 2.000 Consumo energetico monouso (megajoule) Consumo energetico acciaio inossidabile multiuso (megajoule) Pulizia 0 4.900 Consumo energetico monouso (megajoule) Consumo energetico acciaio inossidabile multiuso (megajoule) Totale 4.130 8.000 Tabella 1: Calcoli energetici totali per il bioprocesso con sistemi monouso rispetto ai sistemi multiuso in acciaio inossidabile. Pur avendo costi dei materiali più elevati per la sostituzione regolare dei componenti, i sistemi monouso sono significativamente meno energivori nell’arco della loro vita utile. Sebbene la fabbricazione dell’acciaio inossidabile sia significativamente più energivora della fabbricazione della plastica, i componenti in plastica usa e getta devono essere sostituiti a ogni lotto. Ne risulta una spesa energetica cumulativa per produrre i componenti monouso quasi 4 volte superiore alla spesa energetica per fabbricare i componenti multiuso equivalenti. Anche se i componenti monouso vengono spesso smaltiti per incenerimento, consentendo un certo recupero di energia sotto forma di calore, il recupero è ben lontano dall’essere sufficiente a compensare la grande differenza di costi energetici. I calcoli del SIP hanno ipotizzato una potenza del generatore di vapore di 500 kW/h e 100 L di acqua necessari per fornire 30 minuti di vapore a 130oC, con SIP tra un lotto e l’altro. Al contrario, i componenti monouso vengono irraggiati dal produttore e poi smaltiti dopo l’uso. Questo studio ha rilevato che sterilizzare gli skid multiuso tra un lotto e l’altro è oltre 6 volte più energivoro che sterilizzare i componenti monouso prima dell’uso. La maggiore spesa energetica nei sistemi tradizionali per bioreattori è la produzione dell’acqua distillata apirogena necessaria per la pulizia. I 4.900 MJ che questo studio ha stabilito essere necessari per la pulizia dei sistemi multiuso sono in netto contrasto con gli 0 MJ richiesti per i componenti monouso, che non devono essere puliti. Risultati principali: Nell’arco di una vita di utilizzo, i bioreattori monouso sono significativamente meno energivori dei bioreattori multiuso. Il CIP/SIP rappresenta la stragrande maggioranza del fabbisogno energetico degli skid tradizionali per bioreattori, il che significa che l’eliminazione della pulizia e della sterilizzazione in linea è il principale vantaggio ambientale dei sistemi monouso.

Esempio: i flussi di rifiuti derivanti dal CIP/SIP

I flussi di rifiuti derivano dalla pulizia dei componenti riutilizzabili e devono essere trattati all’uscita dagli stabilimenti farmaceutici prima di essere immessi nella rete fognaria. Le valutazioni standard della tossicità calcolano le concentrazioni di vari metalli in traccia e di altri materiali che possono essere tossici per gli organismi, oltre a considerare i volumi dei flussi e la diluizione attesa dei flussi di rifiuti quando vengono miscelati con altri rifiuti all’impianto di trattamento. Le soluzioni di pulizia standard per i componenti riutilizzabili in acciaio inossidabile e in plastica comprendono idrossido di sodio 1 M, acido fosforico 1 M, acqua distillata apirogena, tamponi, detergenti e vapore. Le soluzioni di sanificazione sono di solito candeggina diluita, e le soluzioni per la pulizia con panno sono in genere disinfettanti quaternari. Tutte queste soluzioni devono poi essere risciacquate più volte — generando scarichi chimici che devono essere gestiti correttamente. Per affrontare i problemi associati ai flussi di rifiuti chimici, i fattori normativi hanno spinto gli stabilimenti farmaceutici a passare dalla sanificazione chimica alla sanificazione a vapore. La sanificazione a vapore genera meno scarichi chimici ed è necessaria meno energia per trattare i flussi di rifiuti. Tuttavia, il costo energetico della generazione di vapore può essere abbastanza elevato da annullare questi vantaggi.

L’impatto del CIP/SIP e il ruolo dell’intensificazione di processo come soluzione correttiva

Gli studi citati qui e altri hanno dimostrato che il CIP/SIP è il principale contributore all’impronta ambientale di uno stabilimento di produzione farmaceutica. Per questo, il vantaggio principale offerto dai sistemi monouso è esattamente questo — vengono smaltiti e sostituiti, anziché puliti e riutilizzati. Nonostante i costi di fabbricazione più elevati richiesti da componenti che devono essere sostituiti continuamente, i sistemi monouso ottengono un’impronta ambientale molto inferiore evitando i costi energetici della pulizia e della sterilizzazione in linea. Nonostante i loro vantaggi ambientali, gli skid monouso non sono sempre fattibili, per ragioni che vanno dalla scala del processo alle condizioni operative estreme fino all’incompatibilità dei fluidi. L’intensificazione di processo offre quindi un mezzo semplice per introdurre nello stabilimento significativi risparmi energetici.

I sistemi ibridi offrono una progettazione pratica e attenta all’ambiente

I sistemi ibridi, costituiti da una combinazione di skid monouso e multiuso, possono offrire un’opportunità unica per ridurre l’impronta ambientale di uno stabilimento senza richiedere una revisione completa del processo di produzione. Questo consente ai progettisti di sistemi di sfruttare gli skid con soluzioni monouso appropriate, riconoscendone al tempo stesso i limiti in altri ambiti.

Gli skid progettati per un CIP/SIP semplice comportano meno acqua e vapore e meno prodotti chimici

Realizzare skid più facili da pulire comporterebbe procedure CIP/SIP che richiedono meno acqua e meno prodotti chimici — con il risultato di un minor trattamento delle acque reflue, una minore generazione di vapore e un costo energetico di pulizia complessivamente inferiore. Gli skid che consentono la diluizione dei tamponi in linea permetterebbero di avere serbatoi di stoccaggio dei tamponi più piccoli, con conseguenti minori apparecchiature da pulire e sterilizzare e un risparmio di tempo grazie al fatto di non dover spostare vari componenti nello stabilimento. Ciò può a sua volta portare a stabilimenti di dimensioni inferiori, con costi HVAC più bassi.

La formazione degli operatori significa produrre solo i rifiuti strettamente necessari

Ampliare la formazione degli operatori è un passo più semplice verso una lavorazione più snella e verso l’intensificazione di processo. Le eccedenze sono previste nelle procedure operative standard, ma gli operatori eccessivamente prudenti possono voler aggiungere un risciacquo in più. Formare con cura gli operatori sulle SOP e sulle ragioni di ciascuna fase può evitare una produzione inutile di acqua di risciacquo o di tampone — e ridurre le scorte a ciò che è strettamente necessario. Questo è particolarmente utile dato che i gas refrigeranti hanno una grande impronta ambientale. Nel loro insieme, questi fattori indicano che i bioreattori monouso rispetto a quelli in acciaio inossidabile non sono gli unici fattori dell’impatto ambientale complessivo del bioprocesso. Per saperne di più: l’intensificazione di processo significa stabilimenti più verdi, maggiore produttività e costi dei prodotti venduti più bassi $