Fortalecimiento del sector de biofabricación de EE. UU. a través de la estandarización

El avance y la comercialización de bioprocesos en los Estados Unidos se ven obstaculizados por la falta de instalaciones a escala piloto y de fabricación adecuadas y disponibles. Este desafío se deriva en parte de nuestra incapacidad para reutilizar las instalaciones que ya no son necesarias debido a la falta de estandarización y al diseño original inadecuado. Históricamente, la mayoría de las instalaciones de biofabricación se han construido con un solo producto en mente y con el objetivo de entregar una instalación de la manera más económica y rápida posible. Si bien este podría ser el mejor enfoque para empresas privadas individuales, no es el mejor enfoque para la bioeconomía en su conjunto. La Administración Biden-Harris debería establecer un programa para estandarizar la construcción de instalaciones de biofabricación en los Estados Unidos que también permita que las instalaciones se reutilicen para diferentes productos en el futuro.

A través de la estandarización incentivada por el gobierno, se pueden construir mejores instalaciones de biofabricación que se pueden redistribuir según sea necesario para satisfacer las necesidades gubernamentales y del mercado futuro y, en última instancia, resolver la falta de capacidad de biofabricación de nuestra nación. Este programa ayudará a proteger la inversión estadounidense en la bioeconomía y acelerará la comercialización de la biotecnología. La aplicación de los estándares de construcción existentes y el establecimiento de nuevos estándares que se cumplen estrictamente a través de una serie de programas de incentivos establecerán una huella de biofabricación líder en el mundo que aumenta la resiliencia del suministro de productos clave (vacunas, vitaminas, ingredientes nutricionales, enzimas, plásticos renovables) , reduce la dependencia de países extranjeros y aumenta el número de puestos de trabajo nacionales de biofabricación. Además, la disponibilidad mejorada de instalaciones a escala piloto y de fabricación acelerará el crecimiento de la biotecnología en los Estados Unidos.

Este memorándum detalla un marco para desarrollar e implementar los estándares necesarios para permitir la reutilización de las instalaciones de biofabricación en el futuro. Un equipo de 10 a 12 expertos dirigido por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) debe desarrollar estos estándares. Un programa de incentivos patrocinado por el gobierno con un costo estimado de $50 millones por año luego subsidiaría la construcción de nuevas instalaciones y el reconocimiento de las empresas participantes.

Actualmente, los Estados Unidos enfrentan una escasez de instalaciones de biofabricación tanto a escala piloto como a escala de fabricación que dificulta gravemente el desarrollo y la comercialización de productos. Este desafío es particularmente grande para la industria de la fermentación, donde las nuevas instalaciones tardan años en construirse y requieren cientos de millones de dólares en inversión en infraestructura. Muchas empresas dependen de activos extranjeros costosos para avanzar en su tecnología o retrasar su comercialización durante años mientras esperan el acceso a una de las instalaciones piloto o de fabricación de contrato limitado en los Estados Unidos.

¿Por qué tenemos tal escasez de estas instalaciones? Se debe a que se han cerrado numerosas instalaciones debido a cambios en las condiciones del mercado, lanzamientos de productos fallidos o quiebras. Cuando las instalaciones fueron finalmente abandonadas y desmanteladas como chatarra, se perdió junto con ellas la oportunidad de reutilizar infraestructura costosa.

La mayoría de las instalaciones de biofabricación de EE. UU. se construyen para producir un producto específico, lo que dificulta su reutilización para productos alternativos. Debido a la estricta financiación y los plazos ajustados para la comercialización, las empresas a menudo construyen instalaciones mínimamente viables, lo que finalmente da como resultado una instalación con características de nicho específicas para su proceso específico y que tiene pocas probabilidades de ser reutilizada. Cuando la instalación ya no se necesita para su propósito original, debido a cambios en la demanda del mercado o desafíos financieros, es muy poco probable que otra organización la compre.

Este desafío no es exclusivo de la industria de biofabricación. De hecho, incluso en la industria automotriz altamente establecida, menos de la mitad de sus instalaciones de fabricación se reutilizan. La tasa de reutilización de las instalaciones de biofabricación es mucho menor, dado el menor nivel de estandarización. Además, casi el 30 % de las instalaciones de biofabricación actualmente en funcionamiento tienen alguna capacidad ociosa que podría reutilizarse. Esto es decepcionante considerando que muchas de estas instalaciones de biofabricación tienen operaciones previas similares que involucran un biorreactor semilla (un biorreactor pequeño que se usa como inóculo para un recipiente más grande) para iniciar la fermentación seguida por un reactor de producción y luego tanques de cosecha. Las operaciones de procesamiento aguas abajo son menos similares entre las instalaciones y, por lo general, representan mucho menos de la mitad del capital necesario para construir una nueva instalación.

Estados Unidos ha sido un punto caliente para la inversión en biotecnología, con muchas nuevas empresas y muchos éxitos comerciales. También tenemos un suministro sólido de dextrosa de maíz (un insumo crítico para la mayoría de las fermentaciones industriales), costos de energía razonables y la infraestructura de ingeniería para construir instalaciones de biofabricación de clase mundial que brindan ventajas sobre muchas ubicaciones en el extranjero. Nuestra huella de biofabricación existente ya es sustancial, con cientos de instalaciones de biofabricación en todo el país en una variedad de escalas, pero el diseño de estas instalaciones carece de la estandarización necesaria para satisfacer las necesidades actuales y futuras de nuestra industria de biofabricación. Ha habido algunas historias de éxito de instalaciones reutilizadas, como la utilizada por Gevo para la producción de biobutanol en Minnesota o la instalación de Freedom Pines en Georgia reutilizada por LanzaTech.

Sin embargo, hay numerosas historias de instalaciones que no pudieron reutilizarse, como la instalación de INEOS que se cerró en India River, Florida. Reutilizar estas instalaciones es un desafío por dos razones principales:

Para aumentar la velocidad a la que se reutilizan nuestras instalaciones de biofabricación, debemos establecer políticas y programas para hacer que todas las nuevas instalaciones de biofabricación sean sostenibles, más fiables y capaces de satisfacer las necesidades futuras de la industria. Estas políticas y estándares asociados establecerán un conjunto mínimo de pautas para materiales de construcción, esterilizabilidad, facilidad de limpieza, aislamiento de operaciones unitarias, mezcla, aireación y manejo de materiales de proceso que permitirán una amplia gama de compatibilidad entre muchos bioprocesos. Como ejemplo específico, todos los fermentadores, biorreactores y tanques de cosecha deben construirse con acero inoxidable de grado 316L como mínimo para garantizar que la gran mayoría de los caldos de fermentación y cultivo celular puedan alojarse en estos recipientes sin problemas de compatibilidad de materiales. Desafortunadamente, muchas de las instalaciones de biofabricación de EE. UU. en funcionamiento hoy en día se construyeron con acero inoxidable de grado 304, que es incompatible con caldos con alto contenido de sal o alto contenido de cloruro. Además, todos los equipos de proceso que contengan microorganismos vivos deben diseñarse según estándares asépticos, incluso si no se requiere que el producto actual sea axénico (ausente de microorganismos extraños).

Estos estándares deben centrarse en los equipos aguas arriba (fermentadores, tanques de preparación de medios, sistemas de esterilización), que son bastante universales en las industrias de alimentos, farmacéutica y biotecnológica industrial. Si bien existen algunas oportunidades para aplicar estos estándares a los equipos de procesos posteriores, las operaciones unitarias posteriores requeridas para fabricar diferentes productos biotecnológicos varían significativamente, lo que dificulta la reutilización de equipos.

Afortunadamente, los principios rectores que cubren la mayoría de los factores que deben abordarse ya han sido desarrollados por expertos de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), Equipos de Bioprocesos (BPE) y la Sociedad Internacional de Ingeniería Farmacéutica (ISPE). Estos estándares cubren la gama de especificaciones de biofabricación: tuberías, mezclas, válvulas, materiales de construcción y, en algunos casos, el diseño de operaciones unitarias específicas. Las empresas a menudo se ven obligadas a decidir entre seguir las mejores prácticas en el diseño de instalaciones y establecer plazos y presupuestos ajustados.

Seguir estos estándares aumenta los costos de capital de los equipos asociados entre un 20 % y un 30 % y puede extender los plazos de construcción, lo que impide que las empresas adopten los estándares aunque mejore directamente sus resultados al mejorar la confiabilidad del proceso.Nuestra mayor brecha hoy en día no es la capacidad de estandarizar, sino el incentivo para estandarizar. . Si el gobierno brinda incentivos para adoptar estos estándares, muchas empresas participarán, ya que se reconoce ampliamente que estos estándares darán como resultado instalaciones más confiables y más flexibles para productos futuros.

El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) debería iniciar un programa centrado en los estándares de biofabricación. El programa propuesto podría albergarse o coordinarse desde una nueva oficina en el NIST, por ejemplo, como se describe en la "Oficina del Programa Bio for America (BAPO)" propuesta anteriormente, que debería colaborar estrechamente con la Oficina del Secretario de Comercio y el Subsecretario de Comercio para Estándares y Tecnología, así como otras partes interesadas gubernamentales y no gubernamentales, según corresponda. NIST es la opción adecuada porque alberga experiencia interdisciplinaria en ingeniería y ciencias físicas, de la información, químicas y biológicas; es una agencia no reguladora del Departamento de Comercio de EE. UU., cuya misión es "impulsar la competitividad económica de EE. UU., fortalecer la industria nacional y estimular el crecimiento de empleos de calidad en todas las comunidades del país"; y es un convocante neutral para consorcios de la industria, organizaciones de desarrollo de estándares, laboratorios federales, universidades, talleres públicos y pruebas de comparabilidad entre laboratorios.

La Administración Biden-Harris debería patrocinar una iniciativa para incentivar la estandarización que permita la reutilización de las instalaciones de biofabricación, lo que dará como resultado una bioeconomía más integrada y fluida. Para hacerlo, el Congreso debería asignar fondos para un programa centrado en los estándares de biofabricación en el NIST. Este programa debe:

Primero, el programa deberá ser financiado por el Congreso y respaldado dentro del NIST. Los montos de los premios variarán según el tamaño de la instalación, pero se estima que cada empresa participante recibirá un promedio de $6 millones, lo que lleva a un costo total del programa en el rango de $30 millones a $50 millones por año. Si bien los costos pueden parecer altos, la inversión tiene un riesgo reducido por diseño, ya que las instalaciones que adoptan el programa están mejor equipadas para ser readaptadas en caso de que la empresa original abandone las instalaciones.

A continuación, se definirían estándares de diseño y construcción que aseguren la mayor posibilidad de redistribución junto con una operación confiable. Si bien existen estándares relevantes (es decir, estándares ASME BPE), deben ser refinados y elaborados por un panel de expertos establecido por NIST con el fin de promover la reutilización. La tasa de adopción de los estándares no obligatorios existentes es baja, particularmente fuera de la industria farmacéutica. Este nuevo programa NIST debe establecer un panel de expertos, incluidos representantes de la industria y el gobierno, para desarrollar y publicar completamente estos estándares. Un panel de 10 a 12 miembros podría desarrollar estos estándares en el plazo de un año. Posteriormente, el panel podría reunirse periódicamente para revisar y actualizar estos estándares según sea necesario.

Una vez que se publican los estándares, el NIST debe lanzar (y administrar) un programa de incentivos correspondiente para atraer la participación. El programa debe diseñarse de manera que se logre un ahorro de costos incremental estimado del 50 % al adherirse a estos estándares. En otras palabras, la infraestructura mejorada establecida siguiendo los estándares no sería subsidiada en su totalidad, sino que sería subsidiada a una tasa del 50%. El programa NIST podría supervisar el cumplimiento de los nuevos estándares por parte de los solicitantes y otorgar premios según corresponda. El NIST también debe trabajar con otras agencias del gobierno federal que apoyan el desarrollo de la capacidad de biofabricación (por ejemplo, el Departamento de Energía [DOE], el Departamento de Defensa [DoD] y el Departamento de Agricultura [USDA]) para explorar incentivos financieros y requisitos de financiación para apoyar la adherencia. con los estándares.

Además, el gobierno debe reconocer las instalaciones construidas según los nuevos estándares con una certificación que podría usarse para fortalecer el negocio a través de la confianza del cliente en la confiabilidad del suministro y el rendimiento general. NIST publicará una lista de instalaciones certificadas anualmente y buscará oportunidades para reconocer a las empresas que participan ampliamente como una forma de reconocer su adopción de este programa. Además, este tipo de certificación podría convertirse en un requisito previo para recibir financiamiento de otras organizaciones gubernamentales (es decir, DoE, DoD, USDA) para programas de financiamiento relacionados con la biofabricación.

Por último, para medir el éxito del programa, el NIST debe realizar un seguimiento de la tasa de redistribución de las instalaciones participantes. La tasa de éxito de la redistribución de las instalaciones que no participan en el programa también se debe rastrear como referencia. Después de 10 años, se esperaría al menos una mejora del doble en la tasa de redistribución. Si esto no ocurre, se debe reevaluar el programa y se debe realizar una investigación para comprender por qué no se redistribuyeron las instalaciones participantes. Si es necesario, se deben ajustar los estándares de biofabricación existentes.

Dada la gran brecha en los activos de biofabricación necesarios para satisfacer nuestras necesidades futuras en los Estados Unidos, es de suma importancia que el gobierno federal actúe pronto para estandarizar nuestras instalaciones de biofabricación. Esta estandarización permitirá la reutilización y construirá una bioeconomía más fuerte. Al establecer un programa que estandarice el diseño y la construcción de instalaciones de biofabricación en todo el país, podemos garantizar que las instalaciones se construyan para satisfacer las necesidades a largo plazo de la industria, asegurando el suministro de productos críticos y reduciendo nuestra dependencia de países extranjeros para las necesidades de biofabricación. A largo plazo, también estimulará la innovación en biotecnología, ya que las empresas emergentes necesitarán invertir menos en biofabricación debido a la mayor disponibilidad de activos de fabricación.

Será necesario establecer un comité para crear un plan presupuestario detallado; sin embargo, las estimaciones aproximadas son las siguientes: La construcción de una instalación típica de biofabricación cuesta entre $100 millones y $400 millones, según la escala y la complejidad. Si el programa está diseñado para respaldar cinco instalaciones de biofabricación por año, y además asumimos un costo de construcción promedio de $200 millones, de los cuales $40 millones son equipos que se aplican al nuevo estándar, un subsidio del 15 % daría como resultado la adjudicación de ~$6 millones a cada establecimiento participante. Si asumimos que seguir estos estándares aumenta los costos de los equipos asociados en un 30%, el aumento neto de costos sería de $40 millones a $52 millones. Este subsidio del 15% está diseñado para compensar el costo de aplicar estos nuevos estándares a aproximadamente 50 centavos de dólar. Además, habrá algunos costos generales para ejecutar el programa en el NIST, pero se espera que sean pequeños. Por lo tanto, el nuevo programa costaría en el rango de $ 30 millones a $ 50 millones por año, dependiendo de cuántas empresas participen y se otorguen anualmente.

Cuando soliciten financiación, las empresas describirán la instalación que se construirá y cómo se utilizarán los fondos para que sea más flexible para su uso futuro. Un panel de expertos en la materia del NIST evaluará y priorizará las nominaciones, con énfasis en la selección de instalaciones en diferentes sectores de fabricación: alimentos, productos farmacéuticos y biotecnología industrial.

Dado que la vida útil de las instalaciones de biofabricación es del orden de los años, se espera que este programa tarde varios años antes de que se observe un verdadero impacto. Por esta razón, la evaluación del programa se ubica 10 años después del lanzamiento, momento en el cual se espera que más de 20 instalaciones hayan participado en el programa, y ​​al menos algunas se habrán readaptado durante ese tiempo.

Mantener los estándares generales en todas las industrias permite reutilizar las instalaciones en diferentes industrias. El hecho de que existan diferentes estándares en todas las industrias, y estén presentes en algunas industrias pero no en otras, es parte del desafío actual en la reubicación de las instalaciones.

El enfoque inicial está en la estandarización dentro de los Estados Unidos. Eventualmente, se puede buscar la estandarización a una escala más global, lo que facilitará que Estados Unidos aproveche las instalaciones a nivel internacional. Sin embargo, la estandarización internacional presenta toda una nueva serie de desafíos debido a las diferencias en la disponibilidad de equipos y materiales de construcción.

Los aminoácidos son insumos esenciales pero costosos para la bioproducción a gran escala. La financiación federal puede incentivar la producción escalable, reduciendo estos costos a la mitad.

Estas son las tres conclusiones principales de los líderes de la industria de la Conferencia de Liderazgo en Bioeconomía Avanzada de este año.

Durante el año pasado, hubo avances significativos en las políticas relacionadas con la bioeconomía de EE. UU., la parte de la economía impulsada por las ciencias de la vida y la biotecnología, y posibilitada por la ingeniería, la computación y la ciencia de la información.1 La bioeconomía incluye una amplia gama de productos y procesos, desde vacunas de ARNm y cultivos resistentes a la sequía hasta fertilizantes microbianos y fermentación bioindustrial. […]

La pandemia de COVID-19 ha puesto de relieve la importancia esencial de las capacidades de biofabricación, que se extienden al nivel geopolítico, así como la fragilidad de muchas cadenas de suministro y procesos.