Comparación del impacto ambiental de los biorreactores de un solo uso frente a los de acero inoxidable

Los plásticos de un solo uso para productos de consumo han sido durante mucho tiempo la bestia negra del movimiento ecologista, con las bolsas de la compra y las pajitas como ejemplos evidentes.

Los plásticos de un solo uso para productos de consumo han sido durante mucho tiempo la bestia negra del movimiento ecologista, con las bolsas de la compra y las pajitas como ejemplos evidentes. Sin embargo, los plásticos de un solo uso en el bioprocesamiento ofrecen importantes ventajas medioambientales en comparación con las alternativas de acero inoxidable. Además de ofrecer a las empresas farmacéuticas soluciones flexibles y escalables, los equipos de bioprocesamiento de un solo uso han demostrado ser una opción mucho más respetuosa con el medio ambiente que los biorreactores reutilizables de acero inoxidable. Esto es cierto para escalas que van desde pequeñas instalaciones piloto hasta skids de biorreactores de 20 000 L. En este artículo examinamos el impacto ambiental de los biorreactores de un solo uso frente a sus homólogos de acero inoxidable:

- Repasamos la bibliografía sobre el impacto ambiental del bioprocesamiento.

- Examinamos las corrientes de aguas residuales como ejemplo del impacto ambiental de la limpieza in situ y la esterilización in situ (CIP/SIP).

- Analizamos la intensificación de procesos como medio para reducir el impacto ambiental global del bioprocesamiento.

Estudios sobre el impacto ambiental del bioprocesamiento

En esta sección veremos dos estudios que demuestran que los biorreactores de un solo uso son considerablemente más respetuosos con el medio ambiente que los reactores de acero inoxidable. Ambos estudios parten de los siguientes supuestos:

- La CIP/SIP entre cada lote requiere una cantidad estándar de energía y de equipos de apoyo

- Se comparan plásticos de un solo uso con acero inoxidable de uso múltiple

- Los componentes de un solo uso llegan a la planta de fabricación farmacéutica preesterilizados por irradiación

- Los componentes de un solo uso se eliminan mediante incineración de residuos peligrosos (algunos estudios suponen recuperación de calor; no se ha demostrado que tenga un impacto significativo en los costes energéticos globales)

Estudio 1: los biorreactores de acero inoxidable son más perjudiciales para las personas y los ecosistemas

Objetivo y diseño: Un estudio de 2014 de GE Healthcare (ahora Cytiva), publicado en BioPharm International, examinó la producción de anticuerpos monoclonales para comparar las tecnologías de proceso de un solo uso y de acero inoxidable. Los autores dividieron la producción farmacéutica en 14 operaciones unitarias, más una unidad de apoyo adicional que abarcaba todas las operaciones necesarias para la CIP/SIP. Los costes energéticos se determinaron suponiendo que los equipos de uso múltiple tienen una vida útil de 10 años, tras la cual el 25 % de los equipos se reutiliza, el 67 % se recicla y el 8 % restante se lleva a vertedero. Resultados y análisis: Los autores evaluaron los trenes de proceso completos a escalas de 100 L, 500 L y 2000 L para una campaña de 10 lotes. Utilizaron 18 categorías para evaluar el impacto ambiental, entre ellas la toxicidad humana y el agotamiento del agua, los metales, el ozono y los combustibles fósiles. Para volúmenes de 2000 L, los biorreactores de un solo uso resultaron ventajosos frente a los de uso múltiple en cada una de las 18 categorías, como muestra la figura 1.

Figura 1. Se utilizaron 18 categorías para evaluar el impacto ambiental del bioprocesamiento de un solo uso frente al de uso múltiple. El impacto de los reactores de uso múltiple se normaliza al 100 %. Imagen del estudio de GE Healthcare.

El estudio comparó el impacto ambiental sobre la salud humana, los ecosistemas y los recursos en distintas fases del ciclo de vida: la cadena de suministro se refiere a los materiales y la fabricación de los equipos de proceso (incluidos los consumibles); la fase de uso se refiere a los impactos de la producción, incluida la CIP/SIP; y el fin de vida se refiere a la eliminación, reutilización o reciclaje de los equipos. La figura 2 muestra que aproximadamente el 90 % del impacto ambiental de un bioproceso procede del uso a lo largo de la vida útil.

Figura 2. Comparación del impacto ambiental en distintas etapas del ciclo de vida. El funcionamiento durante la vida útil, incluida la CIP/SIP, representa el 90 % del coste ambiental total del bioprocesamiento. Imagen del estudio de GE Healthcare

Principales conclusiones: Este estudio concluyó que los equipos de un solo uso son considerablemente más respetuosos con el medio ambiente que los equipos tradicionales de acero inoxidable. El mayor ahorro está en los costes energéticos del uso a lo largo de la vida útil: el ahorro de energía se atribuye a la eliminación de los procesos necesarios para la CIP/SIP.

Estudio 2: la CIP/SIP representa más de la mitad del consumo total de energía de los skids de acero inoxidable

Objetivo y diseño: En 2009, BioProcess International examinó los costes energéticos de los sistemas de un solo uso frente a los de uso múltiple. Sus cálculos de energía se basaron en los siguientes factores:

- Se supone que los plásticos de un solo uso están fabricados íntegramente con polipropileno

- Los biorreactores de acero inoxidable tienen una vida útil de 600 lotes de producción, pero los filtros de líquido y de aire necesarios deben sustituirse con regularidad.

- Los biocontenedores de un solo uso se alojan en contenedores de acero inoxidable sin filtros de venteo.

- Se utilizan filtros de cápsula de un solo uso dentro de carcasas de acero inoxidable en lugar de los filtros estándar de líquido y de gases de escape.

- Se utilizan cápsulas absorbentes de membrana de un solo uso en lugar de las columnas de cromatografía y resinas estándar.

Resultados y análisis: La tabla 1 muestra un resumen de los cálculos de energía de los sistemas de plástico de un solo uso en comparación con los de acero inoxidable de uso múltiple. La producción de materiales se refiere al coste energético de fabricar los componentes de las dos soluciones; la esterilización se refiere a la SIP entre lotes en los sistemas de acero inoxidable o a la preesterilización de los componentes por irradiación en los sistemas de un solo uso; y la limpieza se refiere a la CIP de los skids reutilizables, que en la mayoría de los casos emplea una combinación de agua destilada libre de pirógenos, hidróxido de sodio y ácido fosfórico en cantidades estándar predeterminadas. Consumo de energía de un solo uso (megajulios) Consumo de energía del acero inoxidable de uso múltiple (megajulios) Producción de materiales 4 100 1 100 Consumo de energía de un solo uso (megajulios) Consumo de energía del acero inoxidable de uso múltiple (megajulios) Esterilización 30 2 000 Consumo de energía de un solo uso (megajulios) Consumo de energía del acero inoxidable de uso múltiple (megajulios) Limpieza 0 4 900 Consumo de energía de un solo uso (megajulios) Consumo de energía del acero inoxidable de uso múltiple (megajulios) Total 4 130 8 000 Tabla 1: Cálculos totales de energía del bioprocesamiento para sistemas de un solo uso en comparación con sistemas de acero inoxidable de uso múltiple. Aunque los sistemas de un solo uso tienen mayores costes de materiales para sustituir regularmente los componentes, consumen mucha menos energía a lo largo de su vida útil. Aunque fabricar acero inoxidable consume mucha más energía que fabricar plástico, los componentes de plástico desechables deben sustituirse en cada lote. Esto da lugar a un gasto acumulado de energía para producir los componentes de un solo uso que es casi 4 veces mayor que el gasto de energía para fabricar los componentes equivalentes de uso múltiple. Aunque los componentes de un solo uso suelen eliminarse por incineración, lo que permite recuperar algo de energía en forma de calor, la recuperación está lejos de ser suficiente para compensar la gran diferencia de costes energéticos. Los cálculos de SIP suponían una potencia de salida del generador de vapor de 500 kW/h y 100 L de agua necesarios para proporcionar 30 minutos de vapor a 130oC, con SIP entre cada lote. En cambio, los componentes de un solo uso los irradia el fabricante y se eliminan después de su uso. Este estudio comprobó que esterilizar los skids de uso múltiple entre lotes consume más de 6 veces más energía que esterilizar los componentes de un solo uso antes de su uso. El mayor gasto energético de los sistemas de biorreactor tradicionales está en producir el agua destilada libre de pirógenos necesaria para la limpieza. Los 4900 MJ que este estudio determinó necesarios para limpiar los sistemas de uso múltiple contrastan marcadamente con los 0 MJ que requieren los componentes de un solo uso, que no necesitan limpiarse. Principales conclusiones: A lo largo de una vida útil, los biorreactores de un solo uso consumen mucha menos energía que los de uso múltiple. La CIP/SIP representa la gran mayoría de las necesidades de energía de los skids de biorreactor tradicionales, lo que significa que la eliminación de la limpieza y la esterilización en línea es la principal ventaja ambiental de los sistemas de un solo uso.

Ejemplo: corrientes de residuos resultantes de la CIP/SIP

Las corrientes de residuos resultan de la limpieza de los componentes reutilizables y deben tratarse al salir de las plantas farmacéuticas antes de incorporarse a la red de alcantarillado. Las evaluaciones estándar de toxicidad calculan las concentraciones de diversos metales traza y otros materiales que pueden ser tóxicos para los organismos, además de considerar los volúmenes de las corrientes y la dilución prevista de las corrientes de residuos al mezclarse con otros residuos en la planta de tratamiento. Las soluciones de limpieza estándar para los componentes reutilizables de acero inoxidable y de plástico incluyen hidróxido de sodio 1 M, ácido fosfórico 1 M, agua destilada libre de pirógenos, tampones, agentes de limpieza y vapor. Las soluciones de saneamiento suelen ser lejía diluida, y las soluciones para limpiar con un paño suelen ser desinfectantes cuaternarios. Todas estas soluciones deben aclararse después varias veces, lo que genera vertidos químicos que deben gestionarse adecuadamente. Para abordar los problemas asociados a las corrientes de residuos químicos, los factores normativos han llevado a las instalaciones farmacéuticas a pasar del saneamiento químico al saneamiento con vapor. El saneamiento con vapor genera menos vertidos químicos y requiere menos energía para tratar las corrientes de residuos. Sin embargo, el coste energético de la generación de vapor puede ser lo bastante grande como para contrarrestar estas ventajas.

Impacto de la CIP/SIP y papel de la intensificación de procesos como solución correctora

En los estudios citados aquí y en otros se ha demostrado que la CIP/SIP es el principal factor que contribuye a la huella ambiental de una instalación de fabricación farmacéutica. Por ello, la principal ventaja que aportan los sistemas de un solo uso es precisamente esa: se eliminan y se sustituyen, en lugar de limpiarse y reutilizarse. A pesar de los mayores costes de fabricación que exigen los componentes que deben sustituirse continuamente, los sistemas de un solo uso logran una huella ambiental mucho menor al evitar los costes energéticos de la limpieza y la esterilización en línea. A pesar de sus ventajas ambientales, los skids de un solo uso no siempre son viables, por motivos que van desde la escala del proceso hasta las condiciones extremas de funcionamiento o las incompatibilidades de los fluidos. Por ello, la intensificación de procesos ofrece un medio sencillo de introducir ahorros de energía significativos en la planta.

Los sistemas híbridos ofrecen un diseño práctico y respetuoso con el medio ambiente

Los sistemas híbridos, formados por una combinación de skids de un solo uso y de uso múltiple, pueden ofrecer una oportunidad única de reducir la huella ambiental de una planta sin necesidad de rehacer por completo el proceso de fabricación. Esto permite a los diseñadores de sistemas aprovechar las plataformas con soluciones de un solo uso adecuadas, reconociendo al mismo tiempo sus limitaciones en otras áreas.

Los skids diseñados para una CIP/SIP sencilla reducen el uso de agua, vapor y productos químicos

Fabricar skids más fáciles de limpiar daría lugar a procedimientos de CIP/SIP que requieren menos agua y menos productos químicos, lo que supone menos tratamiento de aguas residuales, menos generación de vapor y un menor coste energético global de la limpieza. Los skids que permiten la dilución de tampones en línea permitirían depósitos de almacenamiento de tampón más pequeños, con lo que habría menos equipos que limpiar y esterilizar y se ahorraría tiempo al no tener que trasladar distintas piezas por la instalación. Esto, a su vez, puede conducir a instalaciones de menor tamaño, con menores costes de climatización (HVAC).

La formación de los operarios significa producir solo los residuos estrictamente necesarios

Ampliar la formación de los operarios es un paso más sencillo hacia un procesamiento más ajustado y hacia la intensificación de procesos. Los excedentes están incorporados a los procedimientos operativos estándar, pero los operarios demasiado cautelosos pueden querer añadir un aclarado adicional. Formar a fondo a los operarios en los POE y en la razón de cada paso puede evitar la producción innecesaria de agua de aclarado o de tampón, y reducir el inventario a lo estrictamente necesario. Esto es especialmente útil dado que los gases refrigerantes tienen una gran huella ambiental. En conjunto, estos factores indican que los biorreactores de un solo uso frente a los de acero inoxidable no son los únicos factores del impacto ambiental global del bioprocesamiento. Más información: la intensificación de procesos significa instalaciones más ecológicas, mayor productividad y menor coste de los bienes producidos $