重新评估生物制造中一次性技术（SUT）的碳足迹：基于自下而上分析揭示的范式转变

《Biotechnology and Bioengineering》：Revisiting the Carbon Footprint of Single-Use Technologies in Biomanufacturing: A Bottom-Up Analysis Reveals a Paradigm Shift

　　

生物制药行业日益依赖一次性技术（single-use technologies, SUT）以实现运营灵活性。长期以来，由于节水节能优势，SUT被认为比不锈钢（stainless-steel, SST）系统更具可持续性。本研究通过2000 L规模的详细自下而上分析重新评估了这一范式。基于两个真实设施案例研究（全SUT设施和混合SUT设施），分析表明SUT的CO₂足迹显著高于此前假设。这一基于物理拆解和更新"从摇篮到大门"（cradle-to-gate）因子的细化分析，识别出过滤器和袋子是关键排放热点。一项单独的对比分析还显示，受电力网格渐进脱碳推动的关键SST工艺步骤，如今其碳足迹可低于相应的SUT对应步骤。研究数据表明，将SUT与SST相结合的运营优化混合设施设计，可显著减少塑料废物及相关排放。这些发现促使人们重新评估生物制药制造中的可持续性策略，并凸显了适配性混合模式作为减少生态足迹有效杠杆的潜力。

**研究背景与问题提出**

生物制药行业对一次性技术（SUT）的广泛采用带来了显著的运营优势，包括更快的换产速度、更高的运营灵活性以及更低的交叉污染风险。然而，这种运营优势伴随着显著的生态代价：产生大量塑料废物。长期以来，一个既定的范式认为，尽管存在废物问题，在SUT中生产生物制药原料药物仍比可重复使用的不锈钢系统（SST）更为环保，因为SUT消除了资源密集型的原位清洗（cleaning-in-place, CIP）/原位灭菌（sterilizing-in-place, SIP）操作，并且由于占地面积更小而减少了暖通空调（heating, ventilation, and air conditioning, HVAC）能耗。但这一优势将环境负担从制造阶段转移到了生命周期其他部分，特别是来自塑料材料持续消费及其处置的范围3排放（供应链排放）。对于制药行业而言，范围3排放占主导地位，通常占总碳足迹的90%以上，是目前主要的可持续性挑战。

当前有两个关键发展从根本上挑战了这一既定范式。第一，电力网格的渐进脱碳显著缓解了SST中能源密集型工艺的CO₂劣势。国际能源署预测，即使需求增长，到2035年非化石能源将供应全球近60%的电力。欧盟低碳电力占比已从2011年的51%上升至2024年的71%，加利福尼亚州更是多次实现100%可再生能源供电。此外，生物制药行业日益通过市场机制采购协议（Power Purchase Agreements, PPAs）、绿色电价和现场光伏发电等方式实现即时脱碳，领先跨国企业已在全球所有运营中实现100%可持续电力采购。第二，主要生命周期评估（life cycle assessment, LCA）数据库的更新导致塑料生产排放因子的重新评估大幅上调。这些变化条件创造了重新评估SUT可持续性平衡的紧迫需求。本研究旨在超越高层估算，建立一个细化的自下而上SUT碳足迹模型，以识别和评估数据驱动的缓解策略。

**研究方法**

本研究采用两部分方法论。模型A为"自下而上SUT足迹模型"，开发了"2K SU基准（理论）"、"2K全SUT（案例研究）"和"2K混合SUT（案例研究）"三种2000 L规模模型，通过四阶段自下而上方案——物料清单（bill of materials, BOM）提取、实际消耗核实、物理拆解及聚合物识别与精确称重——量化真实世界设施原型中所有一次性耗材的总碳足迹，聚焦材料相关范围3排放。模型B为"SUT与SST微观模型"，选择2000 L生物反应器运行和1200 L缓冲液制备两个代表性单元操作，隔离并比较SUT的范围3（塑料）排放与SST的范围2（能源）排放这一核心环境权衡，采用场地市场基础能源排放因子以确保测试脱碳后的现代范围2能源足迹。

**研究结果**

**3.1 一次性耗材的总体影响**

模型A分析量化了SUT使用情况： "2K混合SUT"工艺每批次360 kg，"2K全SUT"工艺每批次822 kg（标准化后），对应碳足迹分别为2.9吨和6.5吨CO₂eq。数据显示全SUT模型与混合SUT运营模型之间存在明显差异。基于手动称重耗材子集及其包装的外推，平均需在耗材净重基础上增加16%作为包装材料重量。"2K全SUT"工艺的SUT重量数据与基准SU模型相似，证实了量化方法的有效性，但与Budzinski等人2022年最后一份完整LCA中使用的2K SUT假设相比，本研究SUT数据高出29%，表明SUT中的塑料数量此前被低估。"2K混合SUT"工艺足迹比"2K全SUT"低62%，凸显了SUT的战略性整合是减排的决定性因素。

**3.2 热点分析：识别主要驱动因素**

分析显示管路/套件、袋子和过滤器是最大的热点，共同构成了塑料质量和相关排放的大部分。两种原型过滤器数量范围相似，大多数过滤器质量来自深层过滤器，不仅用于收获澄清，还用于纯化以防止过滤器堵塞。虽然过滤器材料本身（如纤维素）排放因子较低，但周围塑料卡匣和胶囊的大量质量显著贡献于总体CO₂足迹。原型子类别的帕累托分析揭示，"2K混合SUT"工艺中最大的减排成就是通过消除或显著减少质量密集但低复杂度的耗材实现的，特别是大于1000 L体积的大型缓冲液袋和长管路。

**3.3 直接比较：模型B中的SUT与SST**

混合设施分析及其热点分析表明，战略性保留SST用于高容量操作是其较低碳足迹的关键驱动因素。微观模型直接比较结果显示，SST操作的CO₂排放可不到其SUT同等操作的一半。对于SST，SIP工艺用蒸汽是最大驱动因素（2K生物反应器占87%），而NaOH、水和电力的消耗由于采用市场基础排放因子计算，对CO₂eq排放影响很低。即使在悲观假设下（纯化石燃气用于蒸汽产生），SST在当前条件下仍保持优势。未来场地层面向更可持续蒸汽生产（如生物质或工业热泵）的技术投资可进一步减少SST排放。对于SUT，耗材本身的制造是最大杠杆，仅这一项就超过整个摊销SST工艺步骤（包括CIP/SIP操作）的排放。即使持乐观假设，如特定供应商数据使排放因子降低30%或通过化学热解使塑料废物减少50%，SUT足迹仅能达到SST数值。

**讨论与结论**

**4.1 SUT与SST足迹的反转**

本研究提供了SUT CO₂足迹的细化量化，表明关于可持续性的既定假设必须重新评估。Budzinski等人2022年的综合LCA使用2021年美国网格因子424 g/kWh，确定能源消耗为主要CO₂驱动因素，占每批次总足迹的89%（19.2吨CO₂eq），而SUT耗材本身被认为仅占7.5%（约1.6吨CO₂eq）。如今这一范式必须根本性地重新评估，因为两个驱动因素都已发生根本性转变。

第一，SST的能源劣势已基本过时。应用2025年Roche Penzberg场地的真实市场基础排放因子77 g CO₂e/kWh，Budzinski等人引用的能源消耗足迹削减82%至仅3.5吨CO₂eq。这种显著减少之所以可能，是因为能源是可脱碳资源；与之形成鲜明对比的是，基于化石燃料塑料的"从摇篮到大门"排放在化学上是固定的。生物制药制造设施通常需要多年时间进行规划、建设和GMP（good manufacturing practice）认证，这意味着即使今天在高碳强度地区规划的全SUT设施，到运营时当地电网组合也已大幅转向低碳强度。

第二，本研究表明塑料的范围3足迹远大于此前假设。本研究的自下分析显示，每批次耗材塑料质量高达822 kg（全一次性SUT设施）加128 kg包装废物，显著高于此前LCA报告。Ecoinvent数据库从v3.9到v3.12的排放因子更新，因更好计入天然气和石油开采中的逸散性甲烷排放，大幅增加了塑料的"从摇篮到大门"足迹。可再生能源倡议评估大宗商品塑料足迹增加了约30%；例如，低密度聚乙烯（low-density polyethylene, LDPE）颗粒{RoW}排放因子从2.48 kg CO₂eq/kg上升32%至3.30 kg CO₂eq/kg，而乙烯-醋酸乙烯共聚物（ethylene vinyl acetate, EVA）{RoW}飙升34%从2.52至3.37 kg CO₂eq/kg。同时欧洲数据集显著更低，凸显供应链地理正成为SUT可持续性分析中的关键区分因素。本研究对SUT耗材的自下而上分析，包括包装，结果为每批次7.6吨CO₂eq，现在看来显著大于—可能是两倍于—上述市场基础SUT能源足迹。这一比较强烈表明范式已经反转。而且如研究方法所述，这一7.6吨值代表保守下限；省略SUT特有的生命周期负担（如供应商端γ灭菌、药用级塑料排放因子、供应链和生产后固体废物高压灭菌）意味着全一次性生物加工的实际环境赤字在商业实践中可能更为显著。

对于已承诺雄心勃勃SBTi（Scientific Based Target initiative）目标的行业及其供应链网络，成功实现这些目标现在取决于开发有效策略来精确缓解这些材料相关范围3排放。最终，这凸显了集体行动的紧迫需求。研究人员呼吁一次性供应商拆除专有数据壁垒，公开披露组件特定排放因子；关于生产地点、塑料前体采购、可再生能源 adoption和场地特定可持续性举措的细化透明度，是可验证生命周期和真正全行业脱碳的唯一可行基础。

**4.2 混合模型作为有效缓解策略**

"2K混合SUT"案例研究证明是一种高效的缓解策略，尽管这一配置并非源于积极的可持续性决策，而是随着时间推移为优化现有基础设施运营工作流程而务实演变的结果。该混合模型相比"全SUT"模型具有显著更低的足迹（2.9吨对6.5吨CO₂eq）。热点分析提供了原因：混合设施足迹更低是因为它避免了全SUT模型的主要热点，即质量密集的大型缓冲液袋（≥1000 L）及其相关长管路。

对于上游工艺，大体积培养基在现有不锈钢容器中制备，通过在线无菌过滤直接转移至生物反应器系统或需要时转移至较小的SUT卫星袋；这种直接转移架构通过完全消除中间大容量一次性储液袋及其相关复杂转移管组装的需显著节省塑料。使用2000 L不锈钢收获罐代替一次性收获袋额外节省10 kg塑料，相当于67 kg CO₂ eq。对于下游纯化步骤，浓缩缓冲液与在线稀释相结合；浓缩缓冲液（如10×）在SST容器中制备，然后过滤至小型可管理的SUT袋（如200 L）。这种做法有多重益处：（1）用较小体积袋替代>1000 L SUT袋；（2）这些小袋保持物理移动性（带轮），完全消除了对远距离制备室延伸的重型一次性转移管组装和复杂分配歧管的需求；（3）稀释用纯化水袋可在严格验证和有效期限制内多次重复使用。混合设施还实施了其他务实解决方案，如可重复使用不锈钢连接器或在同一产品活动期内于验证有效期窗口内重复使用转移套件，所有这些都贡献于其更低的CO₂ eq足迹。

微观模型量化了这些特定SUT组件的高影响，显示仅替换单个1200 L缓冲液制备步骤即可节省约66 kg CO₂ eq。因此，"混合SUT"案例研究证明，务实的"适配目的"混合解决方案是减少CO₂足迹最有效且立即可用的缓解策略。它解决了核心目标冲突：务实地为高容量操作利用SST的CO₂优势，同时不牺牲核心工艺步骤中SUT的运营优势（如灵活性、更低资本支出和快速产品换产）。虽然某些SUT袋的多批次重复使用场景在严格验证壁垒内技术可行—且已完全整合到本研究SUT模型的基线边界中—但通过设施布局优化结构性消除转移管路仍是总塑料质量减少的更具影响力的杠杆。

真正的可持续性关键在于底层原则：系统性避免高容量耗材。使用浓缩液和在线稀释是这方面最有力的例子，因为它同样可以应用于优化的全SUT设计以显著减少塑料废物。

**4.3 更可持续SUT使用的解决方案**

全一次性设施中工艺与混合设施中工艺之间的比较分析揭示，通过系统性实施现有技术，已可避免超过50%的一次性塑料相关碳足迹。这表明全SUT实施存在"收益递减规律"。虽然SUT的运营灵活性对于复杂核心工艺（生物反应器、色谱）仍有价值，但对于简单、高容量的辅助操作，一次性塑料的环境成本超过了收益。

短期缓解策略应聚焦于废物减少（"Reduce"）和再利用。技术开发者应优化收获澄清和捕获步骤以减少深层过滤器尺寸和洗涤缓冲液体积，并探索进一步再利用选项；设施/制造科学与技术（manufacturing science and technology, MSAT）部门应推广大型不锈钢容器缓冲液制备、不锈钢收获罐、浓缩缓冲液在线稀释以及袋或套件一定程度的重复使用；场地工程师可通过优化HVAC设置或进一步整合可再生能源/无化石蒸汽生产直接减少范围1和2排放，新建"绿地"设施应将SST战略性用于大容量缓冲液和培养基制备作为首要可持续性措施；供应商则需提高特定排放因子、结构材料和单个产品组件重量的透明度，重新设计拆卸选项并减少预组装耗材中的硅胶管含量以帮助化学热解，同时提高产品质量以减少缺陷并探索包装用再生材料。

**研究结论**

本研究通过详细的自下而上分析，证明了生物制药制造中关于SUT可持续性的传统范式需要根本性重新评估。研究数据表明：（1）SUT的碳足迹显著高于此前假设，材料相关范围3排放现在是主要环境热点而非能源消耗；（2）电力网格脱碳和市场基础可再生能源采购使SST的关键工艺步骤在碳足迹上优于或可与SUT竞争；（3）运营优化的混合设施设计结合SUT与SST，可显著减少塑料废物和相关排放，是立即可用的高效缓解策略。这些发现发表于《Biotechnology and Bioengineering》，促使生物制药制造领域重新评估可持续性策略，并凸显适配性混合模式作为减少生态足迹有效杠杆的潜力。加速实现真正可持续性不在于寻找单一永久解决方案，而在于拥抱基于数据的持续重新评估的动态过程，以驾驭不断演变的技术和生态格局。研究人员呼吁供应商提高透明度，使全行业能够基于可验证的生命周期数据做出知情决策并推进脱碳进程。