Comparaison de l’impact environnemental des bioréacteurs à usage unique et en acier inoxydable

Les plastiques à usage unique destinés aux produits de grande consommation sont depuis longtemps le fléau du mouvement écologiste, les sacs de courses et les pailles en étant des exemples évidents.

Les plastiques à usage unique destinés aux produits de grande consommation sont depuis longtemps le fléau du mouvement écologiste, les sacs de courses et les pailles en étant des exemples évidents. Les plastiques à usage unique dans les bioprocédés offrent toutefois des avantages environnementaux considérables par rapport aux solutions en acier inoxydable. En plus de fournir aux entreprises pharmaceutiques des solutions flexibles et évolutives, les équipements de bioprocédé à usage unique se sont révélés une option bien plus respectueuse de l’environnement que les bioréacteurs réutilisables en acier inoxydable. Cela vaut pour des échelles allant des petites installations pilotes aux skids de bioréacteurs de 20 000 L. Dans cet article, nous examinons l’impact environnemental des bioréacteurs à usage unique par rapport à leurs équivalents en acier inoxydable :

- Passer en revue la littérature sur les impacts environnementaux des bioprocédés.

- Examiner les flux d’eaux usées comme exemple de l’impact environnemental du nettoyage en place/stérilisation en place (CIP/SIP).

- Aborder l’intensification des procédés comme moyen de réduire l’impact environnemental global des bioprocédés.

Études sur les impacts environnementaux des bioprocédés

Dans cette section, nous examinerons deux études montrant que les bioréacteurs à usage unique sont nettement plus respectueux de l’environnement que les réacteurs en acier inoxydable. Ces deux études reposent sur les hypothèses suivantes :

- Le CIP/SIP entre chaque lot exige une quantité standard d’énergie et d’équipements annexes

- Les plastiques à usage unique sont comparés à de l’acier inoxydable réutilisable

- Les composants à usage unique arrivent sur le site de fabrication pharmaceutique pré-stérilisés par irradiation

- Les composants à usage unique sont éliminés par incinération de déchets dangereux (certaines études supposent une récupération de chaleur ; il n’a pas été démontré qu’elle ait un impact significatif sur les coûts énergétiques globaux)

Étude 1 : les bioréacteurs en acier inoxydable sont plus nocifs pour les humains et les écosystèmes

Objectif & conception : Une étude de 2014 de GE Healthcare (aujourd’hui Cytiva), publiée dans BioPharm International, a examiné la production d’anticorps monoclonaux pour comparer les technologies de procédé à usage unique et en acier inoxydable. Les auteurs ont découpé la production pharmaceutique en 14 opérations unitaires, plus une unité de support supplémentaire englobant toutes les opérations nécessaires au CIP/SIP. Les coûts énergétiques ont été déterminés en supposant que les équipements réutilisables ont une durée de vie de 10 ans, 25 % des équipements étant ensuite réutilisés, 67 % recyclés et les 8 % restants mis en décharge. Résultats & analyse : Les auteurs ont évalué les chaînes de procédé complètes aux échelles de 100 L, 500 L et 2 000 L pour une campagne de 10 lots. Ils ont utilisé 18 catégories pour évaluer l’impact environnemental, dont la toxicité pour l’homme ainsi que l’épuisement de l’eau, des métaux, de l’ozone et des ressources fossiles. Pour les volumes de 2 000 L, les bioréacteurs à usage unique se sont révélés plus avantageux que les bioréacteurs réutilisables dans chacune des 18 catégories, comme le montre la figure 1.

Figure 1. 18 catégories ont servi à évaluer les impacts environnementaux des bioprocédés à usage unique et réutilisables. L’impact des réacteurs réutilisables est normalisé à 100 %. Image tirée de l’étude de GE Healthcare.

L’étude a comparé l’impact environnemental sur la santé humaine, les écosystèmes et les ressources à différentes phases du cycle de vie : la chaîne d’approvisionnement désigne les matériaux et la fabrication des équipements de procédé (consommables compris) ; la phase d’utilisation désigne les impacts de la production, y compris le CIP/SIP ; et la fin de vie désigne l’élimination, la réutilisation ou le recyclage des équipements. La figure 2 montre qu’environ 90 % de l’impact environnemental d’un bioprocédé provient de l’utilisation sur toute la durée de vie.

Figure 2. Comparaison des impacts environnementaux à différentes étapes du cycle de vie. L’exploitation sur toute la durée de vie, y compris le CIP/SIP, représente 90 % du coût environnemental total d’un bioprocédé. Image tirée de l’étude de GE Healthcare

Principales conclusions : Cette étude a conclu que les équipements à usage unique sont nettement plus respectueux de l’environnement que les équipements traditionnels en acier inoxydable. Les économies les plus importantes portent sur les coûts énergétiques de l’utilisation sur toute la durée de vie : les économies d’énergie sont attribuées à la suppression des opérations nécessaires au CIP/SIP.

Étude 2 : le CIP/SIP représente plus de la moitié de la consommation d’énergie totale des skids en acier inoxydable

Objectif & conception : En 2009, BioProcess International a examiné les coûts énergétiques des systèmes à usage unique et réutilisables. Leurs calculs d’énergie reposaient sur les facteurs suivants :

- Les plastiques à usage unique sont supposés entièrement fabriqués en polypropylène

- Les bioréacteurs en acier inoxydable ont une durée de vie de 600 lots de production, mais les filtres à liquide et à air nécessaires doivent être remplacés régulièrement.

- Les biocontainers à usage unique sont logés dans des bacs en acier inoxydable sans filtres d’évent.

- Des filtres à capsule à usage unique logés dans des boîtiers en acier inoxydable sont utilisés à la place des filtres standard pour liquides et gaz d’échappement.

- Des capsules d’absorbeur à membrane à usage unique sont utilisées à la place des colonnes de chromatographie et des résines standard.

Résultats & analyse : Le tableau 1 présente une synthèse des calculs d’énergie pour les systèmes en plastique à usage unique par rapport à l’acier inoxydable réutilisable. La production des matériaux désigne le coût énergétique de fabrication des composants des deux solutions ; la stérilisation désigne le SIP entre les lots pour les systèmes en acier inoxydable ou la pré-stérilisation des composants par irradiation pour les systèmes à usage unique ; et le nettoyage désigne le CIP pour les skids réutilisables, le plus souvent à l’aide d’une combinaison d’eau distillée apyrogène, d’hydroxyde de sodium et d’acide phosphorique, en quantités standard prédéterminées. Consommation d’énergie, usage unique (mégajoules) Consommation d’énergie, acier inoxydable réutilisable (mégajoules) Production des matériaux 4 100 1 100 Consommation d’énergie, usage unique (mégajoules) Consommation d’énergie, acier inoxydable réutilisable (mégajoules) Stérilisation 30 2 000 Consommation d’énergie, usage unique (mégajoules) Consommation d’énergie, acier inoxydable réutilisable (mégajoules) Nettoyage 0 4 900 Consommation d’énergie, usage unique (mégajoules) Consommation d’énergie, acier inoxydable réutilisable (mégajoules) Total 4 130 8 000 Tableau 1 : calculs de l’énergie totale des bioprocédés pour les systèmes à usage unique par rapport aux systèmes en acier inoxydable réutilisables. Si les systèmes à usage unique ont des coûts de matériaux plus élevés en raison du remplacement régulier des composants, ils sont nettement moins énergivores sur toute leur durée de vie. Si la fabrication de l’acier inoxydable est nettement plus énergivore que celle du plastique, les composants jetables en plastique doivent être remplacés à chaque lot. Il en résulte une dépense d’énergie cumulée pour produire les composants à usage unique presque 4 fois supérieure à celle nécessaire pour fabriquer les composants réutilisables équivalents. Si les composants à usage unique sont souvent éliminés par incinération, ce qui permet de récupérer une partie de l’énergie sous forme de chaleur, cette récupération est loin de suffire à compenser la grande différence de coûts énergétiques. Les calculs du SIP supposaient un générateur de vapeur d’une puissance de 500 kW/h et 100 L d’eau nécessaires pour fournir 30 minutes de vapeur à 130 °C, avec un SIP entre chaque lot. En revanche, les composants à usage unique sont irradiés par le fabricant, puis éliminés après usage. Cette étude a constaté que la stérilisation des skids réutilisables entre les lots est plus de 6 fois plus énergivore que la stérilisation des composants à usage unique avant utilisation. La plus grande dépense d’énergie des systèmes de bioréacteurs traditionnels tient à la production de l’eau distillée apyrogène nécessaire au nettoyage. Les 4 900 MJ que cette étude a jugés nécessaires au nettoyage des systèmes réutilisables contrastent fortement avec les 0 MJ requis pour les composants à usage unique, qui n’ont pas besoin d’être nettoyés. Principales conclusions : Sur toute la durée de vie, les bioréacteurs à usage unique sont nettement moins énergivores que les bioréacteurs réutilisables. Le CIP/SIP représente la grande majorité des besoins énergétiques des skids de bioréacteurs traditionnels, ce qui signifie que la suppression du nettoyage et de la stérilisation en ligne est le principal avantage environnemental des systèmes à usage unique.

Exemple : les flux de déchets issus du CIP/SIP

Des flux de déchets résultent du nettoyage des composants réutilisables et doivent être traités à leur sortie des usines pharmaceutiques avant d’être rejetés dans le réseau d’assainissement. Les évaluations de toxicité standard calculent les concentrations de divers métaux traces et d’autres substances susceptibles d’être toxiques pour les organismes, et examinent aussi les volumes des flux et la dilution attendue des flux de déchets lorsqu’ils sont mélangés à d’autres déchets à la station d’épuration. Les solutions de nettoyage standard pour les composants réutilisables en acier inoxydable et en plastique comprennent l’hydroxyde de sodium 1 M, l’acide phosphorique 1 M, l’eau distillée apyrogène, des tampons, des agents nettoyants et de la vapeur. Les solutions d’assainissement sont généralement de l’eau de Javel diluée, et les solutions d’essuyage sont généralement des désinfectants à base d’ammonium quaternaire. Toutes ces solutions doivent ensuite être rincées plusieurs fois — ce qui génère des effluents chimiques qui doivent être correctement traités. Pour répondre aux problèmes liés aux flux de déchets chimiques, des exigences réglementaires ont fait passer les installations pharmaceutiques de l’assainissement chimique à l’assainissement à la vapeur. L’assainissement à la vapeur génère moins d’effluents chimiques et demande moins d’énergie pour traiter les flux de déchets. Cependant, le coût énergétique de la production de vapeur peut être assez élevé pour annuler ces avantages.

Impact du CIP/SIP et rôle de l’intensification des procédés comme solution corrective

Il a été démontré, dans les études citées ici et dans d’autres, que le CIP/SIP est le principal contributeur à l’empreinte environnementale d’une installation de fabrication pharmaceutique. L’avantage principal des systèmes à usage unique est donc précisément celui-ci : ils sont éliminés et remplacés, plutôt que nettoyés et réutilisés. Malgré les coûts de fabrication plus élevés qu’exigent des composants à remplacer en permanence, les systèmes à usage unique atteignent une empreinte environnementale bien plus faible en évitant les coûts énergétiques du nettoyage et de la stérilisation en ligne. Malgré leurs avantages environnementaux, les skids à usage unique ne sont pas toujours envisageables, pour des raisons allant de l’échelle du procédé aux conditions de fonctionnement extrêmes ou aux incompatibilités de fluides. L’intensification des procédés offre donc un moyen simple d’introduire des économies d’énergie importantes dans l’usine.

Les systèmes hybrides offrent une conception pratique et soucieuse de l’environnement

Les systèmes hybrides, composés d’une combinaison de skids à usage unique et réutilisables, peuvent offrir une occasion unique de réduire l’empreinte environnementale d’une usine sans exiger une refonte complète du procédé de fabrication. Les concepteurs de systèmes peuvent ainsi tirer parti de skids dotés de solutions à usage unique appropriées, tout en tenant compte de leurs limites dans d’autres domaines.

Des skids conçus pour un CIP/SIP facile réduisent l’eau, la vapeur et les produits chimiques

Des skids plus faciles à nettoyer permettraient des procédures de CIP/SIP exigeant moins d’eau et moins de produits chimiques — d’où moins de traitement des eaux usées, moins de production de vapeur et un coût énergétique de nettoyage globalement plus bas. Des skids permettant la dilution des tampons en ligne autoriseraient des cuves de stockage de tampon plus petites, d’où moins d’équipements à nettoyer et à stériliser, et un gain de temps puisqu’il n’est plus nécessaire de déplacer divers éléments dans l’installation. Cela peut à son tour conduire à des installations plus petites, dont les coûts de CVC sont plus faibles.

La formation des opérateurs permet de ne produire que les déchets strictement nécessaires

Développer la formation des opérateurs est une étape plus simple vers un traitement plus allégé et vers l’intensification des procédés. Des marges sont prévues dans les procédures opératoires normalisées, mais des opérateurs trop prudents peuvent vouloir ajouter un rinçage supplémentaire. Former étroitement les opérateurs aux SOP et à la logique de chaque étape peut éviter une production inutile d’eau de rinçage ou de tampon — et réduire les stocks au strict nécessaire. C’est particulièrement utile étant donné que les gaz réfrigérants ont une empreinte environnementale importante. Ensemble, ces facteurs indiquent que la comparaison entre bioréacteurs à usage unique et en acier inoxydable n’est pas le seul facteur de l’impact environnemental global des bioprocédés. En savoir plus : l’intensification des procédés signifie des installations plus vertes, une productivité accrue et un coût des marchandises réduit $