Renforcer le secteur américain de la biofabrication grâce à la normalisation

L'avancement et la commercialisation des bioprocédés aux États-Unis sont entravés par un manque d'installations à l'échelle pilote et à l'échelle de fabrication appropriées et disponibles. Ce défi découle en partie de notre incapacité à réaffecter des installations qui ne sont plus nécessaires en raison d'un manque de normalisation et d'une conception originale inadéquate. Historiquement, la plupart des installations de bioproduction ont été construites avec un seul produit à l'esprit et en mettant l'accent sur la livraison d'une installation aussi bon marché et rapide que possible. Bien que cela puisse être la meilleure approche pour les entreprises privées individuelles, ce n'est pas la meilleure approche pour la bioéconomie dans son ensemble. L'administration Biden-Harris devrait établir un programme pour normaliser la construction d'installations de biofabrication à travers les États-Unis qui permet également de réaffecter les installations à différents produits à l'avenir.

Grâce à la normalisation encouragée par le gouvernement, de meilleures installations de biofabrication peuvent être construites et redéployées au besoin pour répondre aux besoins futurs du marché et du gouvernement et, en fin de compte, résoudre le manque de capacité de biofabrication de notre pays. Ce programme aidera à protéger les investissements américains dans la bioéconomie et à accélérer la commercialisation de la biotechnologie. L'application des normes de construction existantes et l'établissement de nouvelles normes strictement respectées grâce à une série de programmes d'incitation établiront une empreinte de biofabrication de premier plan au niveau mondial qui augmentera la résilience de l'approvisionnement pour les produits clés (vaccins, vitamines, ingrédients nutritionnels, enzymes, plastiques renouvelables), réduit la dépendance à l'égard des pays étrangers et augmente le nombre d'emplois nationaux dans la biofabrication. En outre, l'amélioration de la disponibilité des installations à l'échelle pilote et à l'échelle de la fabrication accélérera la croissance de la biotechnologie aux États-Unis.

Cette note détaille un cadre pour développer et déployer les normes nécessaires pour permettre la réaffectation des installations de bioproduction à l'avenir. Une équipe de 10 à 12 experts dirigée par le National Institute for Standards and Technology (NIST) devrait développer ces normes. Un programme d'incitation parrainé par le gouvernement d'un coût estimé à 50 millions de dollars par an subventionnerait alors la construction de nouvelles installations et la reconnaissance des entreprises participantes.

Actuellement, les États-Unis sont confrontés à une pénurie d'installations de biofabrication à l'échelle pilote et à l'échelle de la fabrication, ce qui entrave gravement le développement et la commercialisation des produits. Ce défi est particulièrement important pour l'industrie de la fermentation, où la construction de nouvelles installations prend des années et nécessite des centaines de millions de dollars d'investissement en infrastructure. De nombreuses entreprises comptent sur des actifs étrangers coûteux pour faire progresser leur technologie ou retarder leur commercialisation pendant des années en attendant d'avoir accès à l'un des projets pilotes ou de fabrication à contrat limité aux États-Unis.

Pourquoi avons-nous une telle pénurie de ces installations? C'est parce que de nombreuses installations ont été fermées en raison de l'évolution des conditions du marché, de l'échec du lancement de produits ou de la faillite. Lorsque les installations ont finalement été abandonnées et démantelées pour la ferraille, la possibilité de réaffecter des infrastructures coûteuses a été perdue avec elles.

La plupart des installations de biofabrication aux États-Unis sont construites pour produire un produit spécifique, ce qui rend difficile leur réutilisation pour des produits alternatifs. En raison d'un financement strict et de délais de commercialisation serrés, les entreprises construisent souvent l'installation peu viable, ce qui aboutit finalement à une installation avec des caractéristiques de niche spécifiques à leur processus spécifique et qui a peu de chances d'être réaffectée. Lorsque l'installation n'est plus nécessaire pour son objectif initial, en raison de l'évolution de la demande du marché ou de difficultés financières, il est très peu probable qu'elle soit achetée par une autre organisation.

Ce défi n'est pas propre à l'industrie de la biofabrication. En fait, même dans l'industrie automobile bien établie, moins de la moitié de ses installations de fabrication sont réaffectées. Le taux de réaffectation des installations de bioproduction est beaucoup plus faible, compte tenu du niveau de normalisation plus faible. En outre, près de 30 % des installations de bioproduction actuellement en activité ont une capacité inutilisée qui pourrait être réaffectée. Ceci est décevant étant donné que bon nombre de ces installations de biofabrication ont des opérations en amont similaires impliquant un bioréacteur de semences (un petit bioréacteur à utiliser comme inoculum pour un récipient plus grand) pour initier la fermentation suivi d'un réacteur de production puis de cuves de récolte. Les opérations de traitement en aval sont moins similaires d'une installation à l'autre et représentent généralement bien moins de la moitié du capital requis pour construire une nouvelle installation.

Les États-Unis ont été un point chaud pour les investissements dans les biotechnologies, avec de nombreuses startups et de nombreux succès commerciaux. Nous avons également un approvisionnement solide en dextrose de maïs (un intrant essentiel pour la plupart des fermentations industrielles), des coûts énergétiques raisonnables et l'infrastructure d'ingénierie pour construire des installations de bioproduction de classe mondiale offrant des avantages par rapport à de nombreux sites étrangers. Notre empreinte de biofabrication existante est déjà importante, avec des centaines d'installations de biofabrication à travers le pays à diverses échelles, mais la conception de ces installations manque de la normalisation nécessaire pour répondre aux besoins actuels et futurs de notre industrie de biofabrication. Il y a eu quelques réussites d'installations réaffectées, comme celle utilisée par Gevo pour la production de bio-butanol dans le Minnesota ou l'installation de Freedom Pines en Géorgie réaménagée par LanzaTech.

Cependant, il existe de nombreuses histoires d'installations qui n'ont pas pu être réaffectées, comme l'installation INEOS qui a été fermée à India River, en Floride. La réaffectation de ces installations est difficile pour deux raisons principales :

Afin d'augmenter le rythme auquel nos installations de biofabrication sont réaffectées, nous devons établir des politiques et des programmes pour rendre toutes les nouvelles installations de biofabrication durables, plus fiables et capables de répondre aux besoins futurs de l'industrie. Ces politiques et les normes associées établiront un ensemble minimal de lignes directrices pour les matériaux de construction, la stérilisabilité, la nettoyabilité, l'isolement du fonctionnement de l'unité, le mélange, l'aération et la manipulation des matériaux de processus qui permettront une large gamme de compatibilité entre de nombreux bioprocédés. À titre d'exemple spécifique, tous les fermenteurs, bioréacteurs et réservoirs de récolte doivent être construits en acier inoxydable de qualité 316L minimum pour garantir que la grande majorité des bouillons de fermentation et de culture cellulaire puissent être logés dans ces récipients sans problèmes de compatibilité matérielle. Malheureusement, de nombreuses installations de bioproduction américaines en activité aujourd'hui ont été construites avec de l'acier inoxydable de qualité 304, qui est incompatible avec les bouillons à haute teneur en sel ou en chlorure. De plus, tous les équipements de traitement contenant des micro-organismes vivants doivent être conçus selon des normes aseptiques, même si le produit actuel n'est pas tenu d'être axénique (absent de micro-organismes étrangers).

Ces normes devraient se concentrer sur les équipements en amont (fermenteurs, cuves de préparation des milieux, systèmes de stérilisation), qui sont assez universels dans les industries alimentaires, pharmaceutiques et biotechnologiques industrielles. Bien qu'il existe certaines possibilités d'appliquer ces normes à l'équipement de traitement en aval, les opérations unitaires en aval nécessaires à la fabrication de différents produits biotechnologiques varient considérablement, ce qui rend plus difficile la réaffectation de l'équipement.

Heureusement, des principes directeurs couvrant la plupart des facteurs à prendre en compte ont déjà été élaborés par des experts de l'American Society of Mechanical Engineers (ASME), de Bioprocess Equipment (BPE) et de l'International Society for Pharmaceutical Engineering (ISPE). Ces normes couvrent toute la gamme des spécifications de biofabrication : tuyauterie, mélange, vannes, matériaux de construction et, dans certains cas, la conception d'opérations unitaires spécifiques. Les entreprises sont souvent obligées de choisir entre suivre les meilleures pratiques en matière de conception d'installations et respecter des délais et des budgets serrés.

Le respect de ces normes augmente les coûts d'investissement de l'équipement associé de 20 % à 30 % et peut prolonger les délais de construction, empêchant les entreprises d'adopter les normes, même si cela améliore directement leur chiffre d'affaires ou leur résultat net en améliorant la fiabilité des processus.Notre plus grande lacune aujourd'hui n'est pas la capacité à standardiser mais plutôt l'incitation à standardiser . Si le gouvernement offre des incitations à adopter ces normes, de nombreuses entreprises participeront car il est largement reconnu que ces normes se traduiront par des installations plus fiables et plus flexibles pour les produits futurs.

Le National Institute for Standards and Technology (NIST) devrait lancer un programme axé sur les normes de biofabrication. Le programme proposé pourrait être hébergé ou coordonné à partir d'un nouveau bureau au NIST - par exemple, comme décrit dans le "Bureau du programme Bio for America (BAPO)" proposé précédemment - qui devrait collaborer étroitement avec le Bureau du secrétaire au commerce et le sous-secrétaire au commerce pour les normes et la technologie, ainsi que d'autres parties prenantes gouvernementales et non gouvernementales, le cas échéant. Le NIST est le choix approprié car il abrite une expertise interdisciplinaire en ingénierie et en sciences physiques, de l'information, chimiques et biologiques; est une agence non réglementaire du département américain du Commerce, dont la mission est de « stimuler la compétitivité économique des États-Unis, de renforcer l'industrie nationale et de stimuler la croissance d'emplois de qualité dans toutes les communautés du pays » ; et est un organisateur neutre pour les consortiums industriels, les organismes d'élaboration de normes, les laboratoires fédéraux, les universités, les ateliers publics et les tests de comparabilité interlaboratoires.

L'administration Biden-Harris devrait parrainer une initiative visant à encourager la normalisation qui permettra la réaffectation des installations de bioproduction, résultant en une bioéconomie plus intégrée et transparente. Pour ce faire, le Congrès devrait affecter des fonds à un programme axé sur les normes de biofabrication au NIST. Ce programme doit :

Premièrement, le programme devra être financé par le Congrès et mis en place au sein du NIST. Les montants des subventions varieront en fonction de la taille de l'installation, mais on estime que chaque entreprise participante recevra en moyenne 6 millions de dollars, ce qui entraînera un coût total du programme de l'ordre de 30 à 50 millions de dollars par an. Bien que les coûts puissent sembler élevés, l'investissement présente un risque réduit de par sa conception, car les installations qui adoptent le programme sont mieux équipées pour être réaffectées si l'entreprise d'origine abandonne l'installation.

Ensuite, des normes de conception et de construction seraient définies pour garantir les meilleures chances de redéploiement ainsi qu'un fonctionnement fiable. Bien que des normes pertinentes existent (c'est-à-dire les normes ASME BPE), elles devraient être affinées et élaborées par un groupe d'experts établi par le NIST dans le but de promouvoir la réorientation. Le taux d'adoption des normes non obligatoires existantes est faible, en particulier en dehors de l'industrie pharmaceutique. Ce nouveau programme du NIST devrait établir un panel d'experts, comprenant des représentants de l'industrie et du gouvernement, pour développer et publier pleinement ces normes. Un groupe de 10 à 12 membres pourrait élaborer ces normes en un an. Par la suite, le groupe pourrait se réunir régulièrement pour réviser et mettre à jour ces normes selon les besoins.

Une fois les normes publiées, le NIST devrait lancer (et gérer) un programme d'incitation correspondant pour attirer la participation. Le programme devrait être conçu de telle sorte qu'une économie de coût supplémentaire estimée à 50 % soit réalisée en adhérant à ces normes. En d'autres termes, l'infrastructure améliorée établie en suivant les normes ne serait pas entièrement subventionnée, mais elle serait subventionnée au taux de 50 %. Le programme du NIST pourrait superviser le respect des nouvelles normes par les candidats et décerner des récompenses, le cas échéant. Le NIST devrait également travailler avec d'autres agences gouvernementales fédérales qui soutiennent le développement de la capacité de biofabrication (par exemple, le ministère de l'Énergie [DOE], le ministère de la Défense [DoD] et le ministère de l'Agriculture [USDA]) pour explorer les incitations financières et les besoins de financement pour soutenir le respect des normes.

En outre, le gouvernement devrait reconnaître les installations construites selon les nouvelles normes par une certification qui pourrait être utilisée pour renforcer les activités grâce à la confiance des clients dans la fiabilité de l'approvisionnement et la performance globale. Le NIST publiera chaque année une liste des installations certifiées et cherchera des occasions de reconnaître les entreprises qui participent largement comme un moyen de reconnaître leur adoption de ce programme. De plus, ce type de certification pourrait devenir une condition préalable pour recevoir un financement d'autres organisations gouvernementales (c.-à-d. DoE, DoD, USDA) pour des programmes de financement liés à la biofabrication.

Enfin, pour mesurer le succès du programme, le NIST devrait suivre le taux de redéploiement des installations participantes. Le taux de réussite du redéploiement des installations ne participant pas au programme doit également être suivi comme référence. Au bout de 10 ans, on s'attendrait à au moins un doublement du taux de redéploiement. Si cela ne se produit pas, le programme devrait être réévalué et une enquête devrait être menée pour comprendre pourquoi les installations participantes n'ont pas été redéployées. Si nécessaire, les normes de biofabrication existantes doivent être adaptées.

Compte tenu du grand écart dans les actifs de biofabrication nécessaires pour répondre à nos besoins futurs à travers les États-Unis, il est d'une importance primordiale pour le gouvernement fédéral d'agir rapidement pour normaliser nos installations de biofabrication. Cette normalisation permettra une réorientation et construira une bioéconomie plus forte. En établissant un programme qui normalise la conception et la construction d'installations de biofabrication à travers le pays, nous pouvons nous assurer que les installations sont construites pour répondre aux besoins à long terme de l'industrie, en garantissant l'approvisionnement en produits critiques et en réduisant notre dépendance à l'égard des pays étrangers pour les besoins de biofabrication. À long terme, cela stimulera également l'innovation biotechnologique, car les entreprises en démarrage devront moins investir dans la biofabrication en raison de la meilleure disponibilité des actifs de fabrication.

Un comité devra être établi pour créer un plan budgétaire détaillé; cependant, les estimations approximatives sont les suivantes : Une installation de bioproduction typique coûte entre 100 et 400 millions de dollars à construire, selon l'échelle et la complexité. Si le programme est conçu pour soutenir cinq installations de biofabrication par an, et que nous supposons en outre un coût de construction moyen de 200 millions de dollars, dont 40 millions de dollars d'équipements qui s'appliquent à la nouvelle norme, une subvention de 15 % entraînerait l'attribution d'environ 6 millions de dollars à chaque installation participante. Si l'on suppose que le respect de ces normes augmente les coûts des équipements associés de 30 %, l'augmentation nette des coûts serait de 40 millions de dollars à 52 millions de dollars. Cette subvention de 15 % est conçue pour compenser le coût d'application de ces nouvelles normes à environ 50 cents sur le taux du dollar. De plus, il y aura des frais généraux pour exécuter le programme au NIST, mais ceux-ci devraient être faibles. Ainsi, le nouveau programme coûterait entre 30 et 50 millions de dollars par an pour fonctionner, selon le nombre d'entreprises qui participent et sont récompensées sur une base annuelle.

Lorsqu'elles demandent un financement, les entreprises décriront l'installation à construire et la manière dont les fonds seront utilisés pour la rendre plus flexible pour une utilisation future. Un panel d'experts du NIST évaluera et hiérarchisera les nominations, en mettant l'accent sur la sélection d'installations dans différents secteurs de fabrication : alimentation, pharmacie et biotechnologie industrielle.

Étant donné que la durée de vie des installations de bioproduction est de l'ordre de plusieurs années, il est prévu que ce programme prendra plusieurs années avant qu'un véritable impact ne soit observé. Pour cette raison, l'évaluation du programme est placée 10 ans après le lancement, date à laquelle on s'attend à ce que plus de 20 installations aient participé au programme, et au moins quelques-unes auront été réorientées pendant cette période.

Maintenir les normes générales dans toutes les industries permet de réaffecter les installations dans différentes industries. Le fait que différentes normes existent dans les industries, et sont présentes dans certaines industries mais pas dans d'autres, fait partie du défi actuel du redéploiement des installations.

L'accent initial est mis sur la normalisation aux États-Unis. Finalement, la normalisation à une échelle plus globale peut être poursuivie, ce qui permettra aux États-Unis de tirer plus facilement parti des installations à l'échelle internationale. Cependant, la normalisation internationale présente une toute nouvelle série de défis en raison des différences dans la disponibilité des équipements et des matériaux de construction.

Les acides aminés sont des intrants essentiels mais coûteux pour la bioproduction à grande échelle. Le financement fédéral peut encourager une production évolutive, réduisant ces coûts de moitié.

Voici les trois principaux points à retenir des leaders de l'industrie lors de la Conférence sur le leadership en bioéconomie avancée de cette année.

Au cours de l'année écoulée, des avancées politiques importantes ont été réalisées dans le domaine de la bioéconomie américaine, la partie de l'économie tirée par les sciences de la vie et la biotechnologie, et rendue possible par l'ingénierie, l'informatique et les sciences de l'information.1 La bioéconomie comprend une large gamme de produits et de processus, des vaccins à ARNm et des cultures résistantes à la sécheresse aux engrais microbiens et à la fermentation bioindustrielle. […]

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