长期以来，用于消费品的一次性塑料一直是环保运动的祸根，购物袋和吸管就是明显的例子。然而，与不锈钢替代品相比，生物加工中的一次性塑料具有显著的环境优势。除了为制药公司提供灵活、可扩展的解决方案外，一次性生物工艺设备已被证明是比可重复使用的不锈钢生物反应器更环保的选择。这适用于从小型中试设施到 20,000 L 生物反应器橇的规模。
在本文中，我们研究了一次性生物反应器与不锈钢反应器对环境的影响：
- 查看有关生物工艺对环境影响的文献。
- 以原位清洗/原位蒸汽灭菌 （CIP/SIP） 对环境影响为例，检查废水流。
- 讨论工艺强化作为减少生物工艺对整体环境影响的一种手段。
生物工艺对环境影响的研究
在本节中，我们将介绍两项研究表明，一次性生物反应器明显比不锈钢反应器更环保。这两项研究都做出了以下假设：
- 每批之间的 CIP/SIP 需要标准量的能源和支持设备
- 人们将一次性塑料与多用途不锈钢进行比较
- 一次性组件到达药品生产现场时，已经过辐照预灭菌
- 一次性组件通过危险废物焚烧进行处理（一些研究假设热回收;未显示对整体能源成本有重大影响）
研究 1：不锈钢生物反应器对人类和生态系统的危害更大
目的和设计：2014 年，GE Healthcare（现为 Cytiva）发表在《BioPharm International》上的一项研究着眼于单克隆抗体的生产，以比较一次性和不锈钢工艺技术。作者将药品生产分为 14 个单元作，外加一个额外的支持单元，包括 CIP/SIP 所需的所有作。能源成本的确定基于以下假设：多用途设备的使用寿命为 10 年，其中 25% 的设备再利用，67% 的设备被回收，其余 8% 被填埋。
结果和分析：作者评估了 100 L 、 500 L 和 2,000 L 规模的 100 批次活动的完整工艺流程。他们使用 18 个类别来评估环境影响，包括人类毒性以及水、金属、臭氧和化石的消耗。对于 2,000 L 体积，一次性生物反应器在 18 个类别中的每类都优于多用途生物反应器，如图 1 所示。
该研究比较了环境在各个生命周期阶段对人类健康、生态系统和资源的影响：供应链是指工艺设备（包括耗材）的材料和制造;使用阶段是指生产的影响，包括 CIP/SIP;报废是指设备的处置、再利用或回收。图 2 显示，生物工艺对环境的影响中约有 90% 是由于终生使用造成的。
主要发现：本研究得出结论，一次性设备明显比传统不锈钢设备更环保。最大的节省是生命周期使用的能源成本：节能归因于取消 CIP/SIP 所需的流程。
研究 2：CIP/SIP 占不锈钢撬块总能耗的一半以上
目的和设计：2009 年，BioProcess International 研究了一次性系统与多用途系统的能源成本。他们的能源计算基于以下因素：
- 一次性塑料假定完全由聚丙烯制成
- 不锈钢生物反应器的使用寿命为 600 个生产批次，但必须定期更换所需的液体和空气过滤器。
- 一次性生物容器装在不锈钢手提袋中，没有通气过滤器。
- 使用不锈钢外壳内的一次性胶囊过滤器代替标准的液体和废气过滤器。
- 使用一次性膜吸收剂胶囊代替标准层析柱和填料。
结果和分析：表 1 显示了一次性塑料系统与多用途不锈钢相比的能源计算摘要。材料生产是指制造两种解决方案的组件的能源成本;灭菌是指不锈钢系统在批次之间进行 SIP，或一次性系统通过辐照对组件进行预灭菌;清洁是指可重复使用的撬块的 CIP，通常使用无热原的蒸馏水、氢氧化钠和标准预定数量的磷酸的组合。
| 一次性能耗（兆焦耳） | 多用途不锈钢能耗（兆焦耳） | |
| 材料生产 | 4,100 | 1,100 |
| 灭菌 | 30 | 2,000 |
| 清洗 | 0 | 4,900 |
| 总共 | 4,130 | 8,000 |
表 1：与多用途不锈钢系统相比，一次性系统生物工艺的总能量计算。虽然一次性系统定期更换组件的材料成本较高，但它们在其生命周期内的能源密集度要低得多。虽然制造不锈钢比制造塑料更耗能，但每批都必须更换一次性塑料部件。这导致生产一次性组件的累积能源支出几乎是制造同等多用途组件的能源支出的 4 倍。虽然一次性组件通常通过焚烧处理，允许通过热量进行一些能量回收，但回收率几乎不足以克服能源成本的巨大差异。
SIP 计算假设蒸汽发生器的输出为 500 kW/h，在 130oC 下提供 30 分钟的蒸汽需要 100 升水，每批之间有 SIP。相比之下，一次性组件由制造商进行辐照，然后在使用后丢弃。这项研究发现，与使用前对一次性组件进行灭菌相比，批次之间的多用途橇进行消毒的能耗高出 6 倍以上。
传统生物反应器系统中最大的能源消耗是生产清洁所需的无热原蒸馏水。本研究确定清洁多用途系统所需的 4,900 MJ 与不需要清洁的一次性组件所需的 0 MJ 形成鲜明对比。
主要发现：在使用寿命内，一次性生物反应器的能源密集度明显低于多用途生物反应器。CIP/SIP 占传统生物反应器橇的绝大部分能源需求，这意味着无需在线清洁和灭菌是一次性系统的关键环境优势。
示例：CIP/SIP 产生的废液流
废物流来自清洁可重复使用的组件，必须在离开制药厂时进行处理，然后才能进入下水道系统。标准毒性评估计算可能对生物体有毒的各种微量金属和其他材料的浓度，并查看水流体积，以及废物流在处理厂与其他废物混合时的预期稀释度。
可重复使用的不锈钢和塑料部件的标准清洁溶液包括 1 M 氢氧化钠、1 M 磷酸、无热原的蒸馏水、缓冲液、清洁剂和蒸汽。卫生溶液通常是稀释的漂白剂，擦拭溶液通常是季铵盐消毒剂。然后，这些溶液必须全部冲洗数次，从而产生必须正确处理的化学径流。
为了解决与化学废物流相关的问题，监管驱动者已将制药设施从化学卫生转移到蒸汽卫生。蒸汽净化产生的化学径流更少，处理废物流所需的能源更少。然而，蒸汽产生的能源成本可能足以抵消这些优势。
CIP/SIP 的影响以及工艺强化作为补救解决方案的作用
此处引用的研究和其他研究表明，CIP/SIP 是导致制药设施环境足迹的主要因素。因此，一次性系统传达的主要优势正是——它们被丢弃和更换，而不是清洁和再利用。尽管必须不断更换的组件要求更高的制造成本，但一次性系统通过避免在线清洁和消毒的能源成本，大大降低了对环境的影响。
尽管具有环保优势，但一次性撬块并不总是可行的，原因从工艺规模到极端作条件再到流体不相容性。因此，过程强化提供了一种简单的方法，通过这种方法可以为工厂带来显著的节能效果。
混合动力系统提供实用、环保的设计
混合系统由一次性和多用途撬块组合而成，可以提供独特的机会来减少工厂的环境足迹，而无需对制造过程进行全面改造。这使系统设计人员能够利用具有适当一次性解决方案的撬块，同时认识到它们在其他领域的局限性。
为轻松 CIP/SIP 设计的撬块可减少水和蒸汽，并减少化学品
制造更易清洁的撬块将导致 CIP/SIP 程序需要更少的水和化学品，从而减少废水处理、减少蒸汽产生并全面降低清洁能源成本。允许在线缓冲液稀释的撬块将允许使用更小的缓冲液储存罐，从而减少需要清洁和消毒的设备，并且无需在设施中移动各种部件，从而节省时间。这反过来又可以导致更小的设施规模，从而降低 HVAC 成本。
作员培训意味着只生产绝对必要的废物
扩大对作员的培训是实现更精益加工和实现流程强化的一个更简单的步骤。超标作程序已纳入标准作程序，但格外谨慎的作员可能希望添加额外的漂洗。对作人员进行严格 SOP 和每个步骤背后的推理培训，可以防止不必要的冲洗水或缓冲液产生，并将库存减少到绝对必要的水平。鉴于制冷剂气体对环境的影响很大，这一点特别有用。总之，这些因素表明，与不锈钢相比，一次性生物反应器并不是生物工艺对整体环境影响的唯一因素。