Stärkung des US-amerikanischen Bioproduktionssektors durch Standardisierung

Die Weiterentwicklung und Kommerzialisierung von Bioprozessen in den Vereinigten Staaten wird durch den Mangel an geeigneten und verfügbaren Anlagen im Pilot- und Produktionsmaßstab behindert. Diese Herausforderung ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass wir nicht mehr benötigte Anlagen aufgrund mangelnder Standardisierung und unzureichender Originalkonstruktion nicht umfunktionieren können. Historisch gesehen wurden die meisten Bioproduktionsanlagen mit Blick auf ein einziges Produkt gebaut und mit dem Schwerpunkt darauf, eine Anlage so kostengünstig und schnell wie möglich bereitzustellen. Während dies möglicherweise der beste Ansatz für einzelne Privatunternehmen ist, ist es nicht der beste Ansatz für die Bioökonomie als Ganzes. Die Biden-Harris-Administration sollte ein Programm zur Standardisierung des Baus von Bioproduktionsanlagen in den Vereinigten Staaten einführen, das auch die Umnutzung von Anlagen für andere Produkte in der Zukunft ermöglicht.

Durch staatlich geförderte Standardisierung können bessere Bioproduktionsanlagen gebaut werden, die je nach Bedarf neu eingesetzt werden können, um zukünftige Markt- und Regierungsanforderungen zu erfüllen und letztendlich den Mangel an Bioproduktionskapazitäten in unserem Land zu beheben. Dieses Programm wird dazu beitragen, US-Investitionen in die Bioökonomie zu schützen und die Kommerzialisierung der Biotechnologie zu beschleunigen. Durch die Durchsetzung bestehender Baunormen und die Einführung neuer Normen, die durch eine Reihe von Anreizprogrammen strikt eingehalten werden, wird eine weltweit führende Bioproduktionspräsenz geschaffen, die die Versorgungssicherheit für Schlüsselprodukte (Impfstoffe, Vitamine, Nahrungsbestandteile, Enzyme, erneuerbare Kunststoffe) erhöht. , verringert die Abhängigkeit vom Ausland und erhöht die Zahl inländischer Arbeitsplätze in der Bioproduktion. Darüber hinaus wird die verbesserte Verfügbarkeit von Anlagen im Pilot- und Produktionsmaßstab das Wachstum der Biotechnologie in den gesamten Vereinigten Staaten beschleunigen.

Dieses Memo beschreibt einen Rahmen für die Entwicklung und Umsetzung der notwendigen Standards, um eine Umnutzung von Bioproduktionsanlagen in der Zukunft zu ermöglichen. Ein Team von 10–12 Experten unter der Leitung des National Institute for Standards and Technology (NIST) sollte diese Standards entwickeln. Ein staatlich gefördertes Anreizprogramm mit geschätzten Kosten von 50 Millionen US-Dollar pro Jahr würde dann den Bau neuer Einrichtungen und die Anerkennung teilnehmender Unternehmen subventionieren.

Derzeit herrscht in den Vereinigten Staaten ein Mangel an Bioproduktionsanlagen sowohl im Pilot- als auch im Produktionsmaßstab, was die Produktentwicklung und -vermarktung erheblich behindert. Diese Herausforderung ist besonders groß für die Fermentationsindustrie, wo der Bau neuer Anlagen Jahre dauert und Hunderte Millionen Dollar an Infrastrukturinvestitionen erfordert. Viele Unternehmen verlassen sich auf kostspielige ausländische Vermögenswerte, um ihre Technologie voranzutreiben, oder verzögern ihre Kommerzialisierung um Jahre, während sie auf den Zugang zu einer der begrenzten Vertragspiloten oder Produktionsanlagen in den Vereinigten Staaten warten.

Warum mangelt es uns an diesen Einrichtungen? Dies liegt daran, dass zahlreiche Anlagen aufgrund veränderter Marktbedingungen, gescheiterter Produkteinführungen oder Insolvenz geschlossen wurden. Als die Anlagen schließlich aufgegeben und zur Verschrottung abgebaut wurden, ging damit auch die Möglichkeit einer Umnutzung teurer Infrastruktur verloren.

Die meisten Bioproduktionsanlagen in den USA sind auf die Herstellung eines bestimmten Produkts ausgelegt, was es schwierig macht, sie für alternative Produkte umzuwidmen. Aufgrund der strikten Finanzierung und der engen Zeitvorgaben für die Kommerzialisierung bauen Unternehmen oft die am wenigsten rentable Anlage, was letztendlich zu einer Anlage mit Nischenmerkmalen führt, die für ihren spezifischen Prozess spezifisch sind und bei der die Wahrscheinlichkeit einer Umnutzung gering ist. Wenn die Anlage aufgrund veränderter Marktnachfrage oder finanzieller Herausforderungen nicht mehr für ihren ursprünglichen Zweck benötigt wird, ist es sehr unwahrscheinlich, dass sie von einer anderen Organisation gekauft wird.

Diese Herausforderung betrifft nicht nur die Bioproduktionsindustrie. Tatsächlich werden selbst in der hoch etablierten Automobilindustrie weniger als die Hälfte der Produktionsanlagen umfunktioniert. Aufgrund des geringeren Standardisierungsgrads ist die Rate der Umnutzung von Bioproduktionsanlagen viel geringer. Darüber hinaus verfügen fast 30 % der derzeit betriebenen Bioproduktionsanlagen über ungenutzte Kapazitäten, die umgenutzt werden könnten. Dies ist enttäuschend, wenn man bedenkt, dass viele dieser Bioproduktionsanlagen über ähnliche Vorgänge verfügen, die einen Saatbioreaktor (einen kleinen Bioreaktor, der als Inokulum für einen größeren Behälter verwendet wird) zur Einleitung der Fermentation umfassen, gefolgt von einem Produktionsreaktor und dann Erntetanks. Nachgelagerte Verarbeitungsvorgänge sind in den einzelnen Anlagen weniger ähnlich und machen in der Regel weit weniger als die Hälfte des für den Bau einer neuen Anlage erforderlichen Kapitals aus.

Die Vereinigten Staaten sind ein Hotspot für Biotech-Investitionen mit vielen Start-ups und vielen kommerziellen Erfolgen. Wir verfügen außerdem über eine solide Versorgung mit Maisdextrose (ein entscheidender Rohstoff für die meisten industriellen Fermentationen), angemessene Energiekosten und die technische Infrastruktur zum Bau erstklassiger Bioproduktionsanlagen, die gegenüber vielen ausländischen Standorten Vorteile bieten. Unsere bestehende Bioproduktionspräsenz ist mit Hunderten von Bioproduktionsanlagen im ganzen Land in unterschiedlichen Größenordnungen bereits beträchtlich, aber dem Design dieser Anlagen mangelt es an der Standardisierung, die erforderlich ist, um den aktuellen und zukünftigen Anforderungen unserer Bioproduktionsindustrie gerecht zu werden. Es gab einige Erfolgsgeschichten über die Umnutzung von Anlagen, beispielsweise die von Gevo für die Produktion von Biobutanol in Minnesota genutzte Anlage oder die von LanzaTech umgestaltete Anlage Freedom Pines in Georgia.

Es gibt jedoch zahlreiche Berichte über Anlagen, die nicht umgewidmet werden konnten, wie etwa die Schließung der INEOS-Anlage in India River, Florida. Die Umnutzung dieser Einrichtungen ist aus zwei Hauptgründen eine Herausforderung:

Um die Rate der Umnutzung unserer Bioproduktionsanlagen zu erhöhen, müssen wir Richtlinien und Programme festlegen, um alle neuen Bioproduktionsanlagen nachhaltiger, zuverlässiger und in der Lage zu machen, den zukünftigen Anforderungen der Industrie gerecht zu werden. Diese Richtlinien und zugehörigen Standards werden einen Mindestsatz an Richtlinien für Baumaterialien, Sterilisierbarkeit, Reinigbarkeit, Isolierung des Anlagenbetriebs, Mischen, Belüftung und Handhabung von Prozessmaterialien festlegen, die eine breite Palette an Kompatibilität über viele Bioprozesse hinweg ermöglichen. Als konkretes Beispiel sollten alle Fermenter, Bioreaktoren und Erntetanks mindestens aus Edelstahl der Güteklasse 316L gefertigt sein, um sicherzustellen, dass der Großteil der Fermentations- und Zellkulturbrühen ohne Bedenken hinsichtlich der Materialkompatibilität in diesen Gefäßen untergebracht werden kann. Leider wurden viele der heute in Betrieb befindlichen Bioproduktionsanlagen in den USA aus Edelstahl der Güteklasse 304 gebaut, der mit Brühen mit hohem Salz- oder Chloridgehalt nicht kompatibel ist. Darüber hinaus sollten alle Prozessgeräte, die lebende Mikroorganismen enthalten, nach aseptischen Standards konzipiert sein, auch wenn das aktuelle Produkt nicht unbedingt axenisch (ohne fremde Mikroorganismen) sein muss.

Diese Standards sollten sich auf vorgelagerte Geräte (Fermenter, Medienaufbereitungstanks, Sterilisationssysteme) konzentrieren, die in der Lebensmittel-, Pharma- und industriellen Biotechnologieindustrie ziemlich universell sind. Zwar gibt es einige Möglichkeiten, diese Standards auf nachgelagerte Prozessanlagen anzuwenden, die für die Herstellung verschiedener Biotech-Produkte erforderlichen nachgelagerten Betriebsabläufe variieren jedoch erheblich, was die Wiederverwendung der Anlagen schwieriger macht.

Glücklicherweise wurden von Experten der American Society of Mechanical Engineers (ASME), der Bioprocess Equipment (BPE) und der International Society for Pharmaceutical Engineering (ISPE) bereits Leitprinzipien entwickelt, die die meisten zu berücksichtigenden Faktoren abdecken. Diese Standards decken das gesamte Spektrum der Spezifikationen für die Bioproduktion ab: Rohrleitungen, Mischsysteme, Ventile, Baumaterialien und in einigen Fällen auch die Gestaltung spezifischer Betriebsabläufe. Unternehmen sind oft gezwungen, sich zwischen der Einhaltung bewährter Methoden bei der Anlagenplanung und der Einhaltung enger Zeitpläne und Budgets zu entscheiden.

Die Einhaltung dieser Standards erhöht die Kapitalkosten der zugehörigen Ausrüstung um 20 bis 30 % und kann die Bauzeit verlängern, sodass Unternehmen nicht in der Lage sind, die Standards zu übernehmen, obwohl sie durch die Verbesserung der Prozesszuverlässigkeit direkt ihren Umsatz oder ihr Endergebnis verbessern.Unsere größte Lücke besteht heute nicht in der Fähigkeit zur Standardisierung, sondern in den Anreizen zur Standardisierung . Wenn die Regierung Anreize zur Übernahme dieser Standards schafft, werden viele Unternehmen teilnehmen, da allgemein anerkannt ist, dass diese Standards zu zuverlässigeren und flexibleren Anlagen für zukünftige Produkte führen werden.

Das National Institute for Standards and Technology (NIST) sollte ein Programm initiieren, das sich auf Bioproduktionsstandards konzentriert. Das vorgeschlagene Programm könnte in einem neuen Büro am NIST untergebracht oder koordiniert werden – beispielsweise wie im zuvor vorgeschlagenen „Bio for America Program Office (BAPO)“ beschrieben – das eng mit dem Büro des Handelsministers zusammenarbeiten sollte der Unterstaatssekretär für Handel für Standards und Technologie sowie gegebenenfalls weitere staatliche und nichtstaatliche Interessengruppen. NIST ist die richtige Wahl, da es über interdisziplinäres Fachwissen in den Bereichen Ingenieurwesen sowie physikalische, informationstechnische, chemische und biologische Wissenschaften verfügt; ist eine nichtregulierende Behörde des US-Handelsministeriums, deren Aufgabe es ist, „die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit der USA voranzutreiben, die heimische Industrie zu stärken und das Wachstum hochwertiger Arbeitsplätze in allen Gemeinden im ganzen Land anzukurbeln“; und ist ein neutraler Veranstalter für Industriekonsortien, Normungsorganisationen, Bundeslabore, Universitäten, öffentliche Werkstätten und Vergleichstests zwischen Labors.

Die Biden-Harris-Administration sollte eine Initiative fördern, um Anreize für die Standardisierung zu schaffen, die die Umnutzung von Bioproduktionsanlagen ermöglicht und so zu einer stärker integrierten und nahtlosen Bioökonomie führt. Zu diesem Zweck sollte der Kongress Mittel für ein Programm bereitstellen, das sich auf Bioproduktionsstandards am NIST konzentriert. Dieses Programm sollte:

Erstens muss das Programm vom Kongress finanziert und innerhalb des NIST vertreten werden. Die Höhe der Prämien variiert je nach Größe der Einrichtung, es wird jedoch geschätzt, dass jedes teilnehmende Unternehmen durchschnittlich 6 Millionen US-Dollar erhält, was zu Gesamtkosten des Programms in der Größenordnung von 30 bis 50 Millionen US-Dollar pro Jahr führt. Auch wenn die Kosten hoch erscheinen mögen, ist die Investition konstruktionsbedingt mit einem geringeren Risiko verbunden, da Anlagen, die das Programm übernehmen, besser für eine Umnutzung gerüstet sind, falls das ursprüngliche Unternehmen die Anlage aufgibt.

Als nächstes würden Design- und Baustandards definiert, die die größtmögliche Chance auf eine Umschichtung und einen zuverlässigen Betrieb gewährleisten. Es gibt zwar relevante Standards (z. B. ASME BPE-Standards), diese sollten jedoch von einem vom NIST eingesetzten Expertengremium verfeinert und ausgearbeitet werden, um die Umnutzung zu fördern. Die Akzeptanzrate der bestehenden nicht verbindlichen Standards ist gering, insbesondere außerhalb der Pharmaindustrie. Dieses neue NIST-Programm sollte ein Expertengremium einrichten, dem Industrie- und Regierungsvertreter angehören, um diese Standards vollständig zu entwickeln und zu veröffentlichen. Ein Gremium aus 10–12 Mitgliedern könnte diese Standards innerhalb eines Jahres entwickeln. Danach könnte das Gremium regelmäßig zusammentreten, um diese Standards bei Bedarf zu überprüfen und zu aktualisieren.

Sobald die Standards veröffentlicht sind, sollte NIST ein entsprechendes Anreizprogramm starten (und verwalten), um die Teilnahme zu fördern. Das Programm sollte so konzipiert sein, dass durch die Einhaltung dieser Standards schätzungsweise 50 % zusätzliche Kosteneinsparungen erzielt werden. Mit anderen Worten: Die verbesserte Infrastruktur, die durch die Einhaltung der Standards geschaffen wird, würde nicht vollständig, sondern mit einem Satz von 50 % subventioniert. Das NIST-Programm könnte die Einhaltung der neuen Standards durch die Bewerber überwachen und gegebenenfalls Auszeichnungen vergeben. NIST sollte auch mit anderen Bundesbehörden zusammenarbeiten, die die Entwicklung von Bioproduktionskapazitäten unterstützen (z. B. Energieministerium [DOE], Verteidigungsministerium [DoD] und Landwirtschaftsministerium [USDA]), um finanzielle Anreize und Finanzierungsanforderungen zur Unterstützung der Einhaltung zu prüfen mit den Standards.

Darüber hinaus sollte die Regierung Einrichtungen, die nach den neuen Standards gebaut wurden, mit einer Zertifizierung auszeichnen, die zur Stärkung des Geschäfts durch das Vertrauen der Kunden in die Lieferzuverlässigkeit und die Gesamtleistung genutzt werden könnte. NIST wird jährlich eine Liste zertifizierter Einrichtungen veröffentlichen und nach Möglichkeiten suchen, Unternehmen zu würdigen, die sich umfassend beteiligen, um so deren Übernahme dieses Programms anzuerkennen. Darüber hinaus könnte diese Art der Zertifizierung eine Voraussetzung für den Erhalt von Mitteln von anderen Regierungsorganisationen (z. B. DoE, DoD, USDA) für Förderprogramme im Zusammenhang mit der Bioproduktion werden.

Um den Erfolg des Programms zu messen, sollte das NIST schließlich die Umschichtungsrate der teilnehmenden Einrichtungen verfolgen. Die Erfolgsquote der Umschichtung von Einrichtungen, die nicht am Programm teilnehmen, sollte ebenfalls als Basiswert verfolgt werden. Nach zehn Jahren wäre eine mindestens zweifache Verbesserung der Umschichtungsquote zu erwarten. Geschieht dies nicht, sollte das Programm neu bewertet und eine Untersuchung durchgeführt werden, um zu verstehen, warum die teilnehmenden Einrichtungen nicht neu eingesetzt wurden. Bei Bedarf sollten die bestehenden Bioproduktionsstandards angepasst werden.

Angesichts der großen Lücke bei den Bioproduktionsanlagen, die zur Deckung unseres künftigen Bedarfs in den Vereinigten Staaten benötigt werden, ist es für die Bundesregierung von größter Bedeutung, bald Maßnahmen zur Standardisierung unserer Bioproduktionsanlagen zu ergreifen. Diese Standardisierung wird eine Umnutzung ermöglichen und eine stärkere Bioökonomie aufbauen. Durch die Einrichtung eines Programms, das die Planung und den Bau von Bioproduktionsanlagen im ganzen Land standardisiert, können wir sicherstellen, dass die Anlagen so gebaut werden, dass sie den langfristigen Bedürfnissen der Branche gerecht werden. Dadurch wird die Versorgung mit kritischen Produkten gesichert und unsere Abhängigkeit vom Ausland für den Bioproduktionsbedarf verringert. Langfristig wird es auch biotechnologische Innovationen vorantreiben, da Startup-Unternehmen aufgrund der verbesserten Verfügbarkeit von Produktionsanlagen weniger in die Bioproduktion investieren müssen.

Es muss ein Ausschuss eingerichtet werden, der einen detaillierten Haushaltsplan erstellt. Grobe Schätzungen lauten jedoch wie folgt: Der Bau einer typischen Bioproduktionsanlage kostet je nach Umfang und Komplexität zwischen 100 und 400 Millionen US-Dollar. Wenn das Programm darauf ausgelegt ist, fünf Bioproduktionsanlagen pro Jahr zu unterstützen, und wir außerdem von durchschnittlichen Baukosten von 200 Millionen US-Dollar ausgehen, wovon 40 Millionen US-Dollar auf Geräte entfallen, die dem neuen Standard entsprechen, würde ein Zuschuss von 15 % zu einer Gewährung von etwa 6 Millionen US-Dollar führen an jede teilnehmende Einrichtung. Wenn wir davon ausgehen, dass die Einhaltung dieser Standards die Kosten für die zugehörige Ausrüstung um 30 % erhöht, würde der Nettokostenanstieg von 40 Millionen US-Dollar auf 52 Millionen US-Dollar betragen. Dieser Zuschuss von 15 % soll die Kosten für die Anwendung dieser neuen Standards in Höhe von etwa 50 Cent auf den Dollarkurs ausgleichen. Darüber hinaus fallen für die Durchführung des Programms am NIST einige Gemeinkosten an, die jedoch voraussichtlich gering sein werden. Somit würde die Durchführung des neuen Programms zwischen 30 und 50 Millionen US-Dollar pro Jahr kosten, je nachdem, wie viele Unternehmen teilnehmen und jährlich Auszeichnungen erhalten.

Bei der Beantragung von Fördermitteln beschreiben die Unternehmen die zu errichtende Anlage und wie die Mittel verwendet werden, um sie für die künftige Nutzung flexibler zu gestalten. Ein NIST-Gremium aus Fachexperten wird die Nominierungen bewerten und priorisieren, wobei der Schwerpunkt auf der Auswahl von Einrichtungen in verschiedenen Fertigungssektoren liegt: Lebensmittel, Pharma und industrielle Biotechnologie.

Angesichts der Tatsache, dass die Lebensdauer von Bioproduktionsanlagen in der Größenordnung von Jahren liegt, ist zu erwarten, dass dieses Programm mehrere Jahre dauern wird, bis tatsächliche Auswirkungen zu beobachten sind. Aus diesem Grund wird die Evaluierung des Programms auf 10 Jahre nach dem Start verschoben. Zu diesem Zeitpunkt wird erwartet, dass mehr als 20 Einrichtungen am Programm teilgenommen haben und zumindest einige in diesem Zeitraum umgewidmet wurden.

Die branchenübergreifende Beibehaltung der Standards ermöglicht die Umnutzung von Anlagen in verschiedenen Branchen. Die Tatsache, dass branchenübergreifend unterschiedliche Standards existieren und in einigen Branchen vorhanden sind, in anderen jedoch nicht, ist Teil der aktuellen Herausforderung bei der Umstrukturierung von Einrichtungen.

Der Schwerpunkt liegt zunächst auf der Standardisierung innerhalb der Vereinigten Staaten. Letztendlich kann eine Standardisierung auf globalerer Ebene angestrebt werden, was es den Vereinigten Staaten erleichtern wird, Einrichtungen international zu nutzen. Allerdings stellt die internationale Normung aufgrund der unterschiedlichen Geräteverfügbarkeit und Baumaterialien eine ganze Reihe neuer Herausforderungen dar.

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