生物制药企业碳足迹的基准化

纵观我们所处的行业，可以显而易见的发现，医疗机构正积极的将可持续性措施作为企业责任目标的组成部分而加以实施。在这一方面，葛兰素史克公司（GSK）可谓目标远大。GSK 公司展望了到2050 年的碳中和价值链，目标是实现水资源的可持续利用、废料的减少和循环。

GSK 公司的愿景

GSK 公司所做出的努力，可以激励其他企业，谋求自身的环境可持续性发展措施。GSK 公司已经为其他业务单元构建了碳足迹模型，而研发机构内部的生物制药业务也开始了探讨单克隆抗体和其他蛋白治疗剂的生产对环境的影响，为的是更全面地获取信息，实现GSK 公司的环境可持续性愿景。

研究的目的是针对生物制药领域的碳排放增加制定基线值，并明确了解能够在今后的工艺和产品中有效地减少这一数值的方法或操作的改进。本文探讨了GSK 公司BPDS（生物制药产品开发及供应）团队的各项努力，明确了在生物药物生产过程和产品价值链中，造成碳排放和水资源使用的最主要因素。通过研究，希望涵盖的各项结论能够帮助生物制药企业，抓住各种特定的机会，更快速地减少碳足迹。

何为“碳足迹”？

让我们回顾一下历史。“碳足迹”这个术语是如何界定的？“碳足迹”这个单位大约是在2000 年的时候首次提出的，近年来已经得到了广泛的运用。这个术语指的是特定的个人、机构、实体或系统，因为消耗了物料和使用了能源，所排放的二氧化碳数量和碳当量。GSK 公司的长期规划中，碳足迹是三个主要可持续性目标之一，另外两个是废料/ 循环以及水资源。为了本研究的目标和实施，碳足迹汇总了原料和成分的使用、电力和燃料消耗。

结果评述

研究人员经过数年艰苦的努力，构建了严谨的模型，对生物企业中三种产品的初级和次级生产进行了探讨。结果有些出乎意料。

研究团队发现，生产设施内直接的能源利用是首要的碳足迹增加因素，设施内与维持洁净的GMP 环境有关的HVAC（暖通空调系统）的运行是唯一最大的碳排放或碳当量的来源；原料和运输之类的因素——甚至工艺本身——相比之下都不起眼了。

因此，优化设施是整体上减少碳足迹的关键所在。根据这个基准化项目，GSK 公司不仅着眼于设施内部提高效能的可能性，还关注各种能够减少工厂内时间的工艺和技术进步。

与直觉相反的应当是，数据表明直接的工艺单元操作、物料和成分对碳足迹的影响最小。不过，良好设计一直都是以批次生产率为核心，包括改善工艺滴度；这方面的努力确切地证实了“良好设计”与可持续性设计是一致的，而努力缩短工艺时间、改善滴度并随之改善批次生产率，也能够降低每一个单元制造产品所产生的碳足迹。

制定的最初目标是针对初级和次级生产，设定碳排放的标准化基准平均值—— 每个剂量13 kg CO2e（carbon dioxide equivalents，二氧化碳当量）。

GSK 公司如何确定相关的碳足迹

GSK 公司首先明确价值链所有组成部分的当前碳足迹，从药瓶融化到终产品的包装，其中包括原料、运行、运输、废料和处置。之后对当前产品总的碳足迹的平均值（每一批次为709 公吨CO2e）进行基准化，从而制定适当的减排目标，并了解今后可能出现的碳法规和资源短缺造成的影响。通过这样的模型，评估碳减排措施，为的是用于新的和现有的产品，持续数年，降低碳足迹。

何为重点？

BPDS 团队针对两个商业生产规模的主要生物药物工艺平台（哺乳动物细胞培养，MCC；微生物发酵，MF）实施了评估。评估涉及三种产品，分别称为MF Process 1 、 MCC Process 1 和2。

研究分析了这些产品在目前生产方式下的碳足迹，随后与一系列改善之后的结果对比。生产工艺模型结束之后，进行灵敏度分析，判断特定的生产改进技术对各项操作及其相应的碳足迹的影响。

这些研究的实施过程中运用了Carbon Trust Footprint Expert 工具，由Carbon Trust organization 公司开发。该模型的运用和确认参照了生物制药工艺的各项详细规定。

模型

碳足迹模型囊括了与生产有关的所有重要的直接和间接的能源使用项目，例如HVAC、工艺设施以及其他任何会出现在生产相关设施能源清单中的设备或负载。模型中还包括原料、可抛弃部件、废料和运输。所有这些组成部分都通过排放因子进行了模式化，排放因子或源自Carbon Trust 公司的“碳足迹参考数据库 3.2”，或是GSK 公司的数据库。

关于能源组成的评估，该研究中运用了两种建模方法：“自下而上”和“自上而下”。“自下而上”指的是模型中有关工厂操作的详细数据和假设（例如生物反应器的蒸汽流速度，或者是洁净室的气体交换率），用于计算每一个系统和每一个单元操作的能源消耗。“自上而下”的模式是在较长的时间范围内（例如一年）运用能源清单，以及该时间段内的批次持续时间（工厂内时间），判断一个批次的总能耗。

“自下而上”的方法让该模型具备相当大的灵活性，可以进行精准的灵敏性分析，并能了解哪些设施参数影响到了碳足迹。不过如果缺乏充足的校准数据，这种方式就会遗失重要的能源消耗组成部分。因此，无论是否具备数据，总的碳足迹都是利用“自上而下”方法中的能源消耗数据来计算的。“自下而上”分析单独用于灵敏度分析，以及获得颗粒性更出色的数据（尤其是通过单元操作和资源）。

微生物& 哺乳动物细胞培养的碳足迹对比

微生物及哺乳动物细胞工艺的比较显示，发酵液滴度和批次生产率会显著地影响每一单元的碳足迹。滴度越高，碳排放分布越广。

研究发现，哺乳动物细胞和微生物工艺的碳足迹之间存在显著差异，原因在于总的工厂内时间和批次生产率。与哺乳动物细胞工艺相比，所研究的微生物生产工艺的持续时间要少60%，因此微生物工艺每一剂量的碳足迹要低得多。并且微生物工艺的高批次生产率也加深了这一影响。

探讨研究结果（背景之下）

以日常用品和服务的碳足迹作为背景，对这些结果进行比较，会得出意味深长的结论。

“环境影响背景”（Environmental Impact Context）图表，是将本研究中探讨的三种商业规模的产品，与常见的疫苗和小分子产品进行了对比，结果显示微生物和哺乳动物工艺每一个操作单元的CO2 公斤数明显更高。不过，一般的个体在一般的工作日内，产生的碳足迹影响类似。出于比较的目的，还显示了建筑行业的高碳影响，以及其他多种日常用品。

值得注意的是，生物制药工艺的碳密集性显著低于其他活动，例如改造房屋、横贯大陆的飞行、房屋取暖或制冷、或是生产电子设备。

结果分析

借助高能效的HVAC 系统和多种设施对碳足迹减少的所具有的影响不应当被低估，正如GSK 公司最近的研究指出的。

如表1所示，工艺和设施电力、照明、直接加工、燃料以及HVAC 对碳足迹的增加影响，都分别加以评估。生产设施的增加作用主要与HVAC 系统的运行有关，这与生物药品生产活动所要求的分级区域的维护直接相关。

灵敏度分析

GSK 公司的团队将生物药品每一剂量的碳足迹基线设定为13 kg 二氧化碳当量，并且发现了减少碳排放需要重点关注的领域，之后该团队进一步检测了工艺变更对碳足迹的影响。

一些灵敏度分析，包括滴度提升、单次使用技术、可重复使用过滤器、室内气体交换率减少（从分级区域转移至受控但未分级区域）、设施升级（联合发热和发电）以及吹灌封技术（目标是结束次级生产过程），都包括在各种被测试的改善措施中。

灵敏度分析的结论清晰明了。若可行，则执行——关闭程序、去除加工步骤、提升生产率、缩短工厂内时间都是如此。良好设计操作可以让生产效率更高，也更加具有可持续性。

行业历程

总而言之，结论显示初级生产对碳足迹的影响比次级生产显著得多。同时，GSK 公司论证了包括运输（包括冷藏）、原料、包装和废料在内的所有因素，每一个对碳足迹的增加都只有少量影响，因为初级生产的碳足迹实在巨大。此外，灵敏度分析还显示了一个重要的结论，改善生物反应器的生产率（改良测试之一），可以显著降低每一个产品单元的碳足迹，因为能源和物料的使用只会增加很少。所有测试的改良方法都显示对总的碳足迹有一定程度的改善。

为了最大限度地减少碳足迹，必须着眼于影响最大的领域。可以认为，对于当前生物药物生产的情况，碳的主要增加因素来自于生产设施，应当以此作为减少碳足迹的重点关注领域。物料输入、包装、标注和运输带来的碳增量与此相比都微乎其微了。如果要减少与生物产品有关的温室气体的排放，应当彻底评估能效设计以及设施的运营，尤其是设施中的HVAC 系统、工厂设施和工艺设施。

这一信息表明，为了降低碳足迹并提升可持续性，新的和现有的产品都可以实施碳足迹减少技术。除了降低碳足迹，每一种减少碳的策略都与设施生产率或能源消耗有关，因此对于成本节约以及投资回报都具有潜在的意义。

通过该项研究，更深入地了解了GSK 公司生物药物生产过程中当前碳足迹的增加因素。研究的目标在于，这些结论可以为其他企业提供信息，努力向前去解决一个被认为难以完成的任务。GSK 公司将继续建模、搜集数据并加以实施，确保该企业能够在2050 年实现碳中和的愿景。目前该行业具备了一个更加精细明确的方案，致力于减少生物制造过程中的碳排放。