未来工厂：一次性使用和连续工艺对工厂设计和运营的影响
本文节选自来自Bayer的研究人员发表的文章《FACILITY OF THE FUTURE：EFFECT OF DISPOSABLES AND CONTINUOUS PROCESSING ON PLANT DESIGN AND OPERATION》，详细内容，请参考原文。
新技术开发的最新进展对生产工厂产生了很大的影响，其使工厂设计、启用和运营更快、更便宜、更简单。一次性用品产品的使用与功能上完全封闭的系统相结合，促进了一种新的、革命性的宴会厅式设计，其没有或很少有隔断，这完全可以使不同产品在未分类的区域同时进行GMP生产成为可能，而这可以概括为“未来工厂”的概念。
在一次性使用产品方面，从细胞扩增、发酵、细胞去除、纯化到药物底物的制剂和储存，几乎所有的工艺步骤都可以使用一次性使用技术完成，但一次性使用技术仍然存在较大的局限性，包括一次性使用产品的预测试和质量控制、袋子和接头的标准化和质量确认、溶出性和析出性的验证以及对各个产品不同供应商的依赖。
生物生产领域的另一个新发展是连续工艺，替代传统的补料分批和批次操作，从而进一步降低生产工厂的占地面积和复杂性，其前期主要基于一种已经建立的技术，即在高细胞密度条件下，以连续灌流方式培养哺乳动物细胞，但现在，连续工艺的应用正在扩大，可以连续或半连续的方式，进行其它操作，包括细胞澄清、层析、过滤等。然而，连续工艺也有其局限性，这使其作为经典批次操作的替代方法而引入生物生产的过程较为复杂，至少在目前的时间点和技术水平来说是这样。
综上所述，一次性使用设备和封闭系统操作的进步，结合高细胞培养产能，确实有可能在类似实验室的环境中设计灵活的宴会厅式工厂，隔断更少，其规模受到一次性使用操作设备最大可用体积的限制。而这一规模在从批次操作转向连续操作时会进一步缩小，尽管与连续操作有关的其它主要风险目前可能被低估了。
简介
对单克隆抗体 (mAb) 等许多生物药产品的需求情况正在发生变化。而个体化医疗的发展，导致了针对特定的、高反应患者亚群的药物的开发，每一种药物的市场体量将会下降。此外，单克隆抗体不断提高的培养滴度已可高达10g/L，而导致了更小的培养体积需求，适应个别生物药市场的需求。这样，不仅药物开发，包括临床物料的生产，可以在3000L以下的一次性使用生物反应器内完成，低体积的商业化供应也可以使用这种方式进行，而后者目前的典型方式是使用10- 15000 L、基于标准不锈钢硬性管道的生产线。另一项新的发展以连续工艺为中心，以替代补料分批工艺和批次工艺，其驱动力仍然是降低生物技术工厂的占地面积，并更好地利用设备。连续工艺的基础是众所周知的连续灌流培养，如用于重组VIII因子的工艺，但现已通过连续或半连续的方式，延伸到了细胞澄清、纯化、过滤等单元操作，以及药物底物的后续步骤。
下文将介绍宴会厅的概念，以及一次性使用技术和连续工艺的好处和风险。最后将讨论与完全一次性使用批次工厂相比，连续工艺在多大程度上可以改善宴会厅式工厂的设计和运营。
未来工厂：宴会厅概念
宴会厅概念是一种创新的概念，能够在共享的低分类空间中并行进行不同的产品的处理，没有或只有有限的隔断 。
这种概念基于一个关键假设，即包括一次性使用系统在内的技术进步不断降低了环境对工艺影响的风险，而后者是标准工厂中采用高度分隔空间的主要原因。现在，大多数工艺步骤可以安全地以封闭或功能性封闭方式进行。剩余的几个开放式工艺步骤可以分开单独进行，即使用小面积的传统隔间。
未来工厂的概念 |
上游和下游采用完全或功能性封闭系统，主要基于一次性使用技术 除当前的运行模式外（一个车间一次生产一个产品），可以并行生产多个产品（一次生产多个产品） 降低HVAC/隔断需求（宴会厅概念） 减少/避免硬性管路（SIP/CIP） 建设更快、更便宜 基于宴会厅式的设计 |
宴会厅设置的基本概念是，在一个封闭或功能性封闭的系统中，工艺流与环境隔离，因此环境控制就不那么重要了。封闭系统的潜在破坏是主要的风险，需要通过严格的微生物监测并证明没有发生污染或交叉污染来解决。保持封闭的系统状态是非常重要的，必须采用基于风险的方法，并考虑到每个工艺步骤或操作，采取适当的风险缓解策略来应对。
但是，这种根本性变化可能不是最初引入的，而是可以在有关密封和隔离以及在同一区域平行处理几种产品的几个步骤中实施。
一次性使用技术的状态
除一些大型的单元操作，如离心、层析和UF/DF操作仍然需要经典的硬管道外，大多数生物药生产的工艺步骤可以使用一次性使用产品完成，袋子的最大容量目前已可达3000L (图2)。
一次性使用技术对生物药生产的影响 |
完整的生物药生产工艺可以在一次性使用产品中完成，除了： - 离心 - 层析系统 - 大型UF/DF
以下为可用的单元操作： - 培养基和缓冲液的混合/储存/分配 - 种子扩增生产发酵 - 深层过滤去除细胞 - 层析柱 - UF/DF/除病毒过滤
但是，不同供应商通常使用不同的连接方式和系统对接界面，导致需要定制化的解决方案，一般非常昂贵。 |
这些基于一次性使用技术的单元操作包括培养基和缓冲液的混合/保存/分配、细胞种子的扩增和生产发酵、通过深层过滤去除细胞、一次性使用层析柱和UF/DF/除病毒过滤。许多一次性使用设备（如过滤器）通过集成到硬性管道系统中，在相当长一段时间以来，已经成为生物生产中不可分割的一部分。然而，完全一次性使用工艺的真正创新是随着一次性使用生物反应器 (SUB) 的发展而来的，这其中，已有多种最大体积可达2000L的商业化产品。
一次性使用产品有几个优点。首先，预灭菌的一次性使用系统可以在实验室样的环境中构建和操作。这非常适合小规模的研发活动，因其通常没有配套的工程基础设施，如在线蒸汽灭菌 (SIP)、在线清洗 (CIP)，进行这些操作需要公用设施、硬管道和自动化。另一个优点是在工厂建设和运行中节省时间和成本，主要的贡献是资本成本，减少公用设施的消耗，如气体、电力和水 (纯化水，WFI)以及减少工作人员。节省的时间取决于一次性使用的程度，因为大多数设施仍然包含非一次性使用的单元操作。总之，所有这些可在总体上大大降低产品成本（CoG），尽管一次性使用产品的物料成本也在增加。然而，这不仅仅是由较低的资本折旧补偿，因为相比硬性管道设计，使用一次性使用设备的资本成本在30-50%的范围内。
基于一次性使用的工厂的另一个优势是可以选择在多用途工厂中有效地进行简短的产品运行，包括通过简单地用新塑料袋替换已使用的塑料袋，来实现快速的产品轮转。此外，将一次性使用生产工艺转移到另一个地点也比较容易，而对于各个区域性市场来说，行业对药物的本地化生产的兴趣正变得越来越大。由于使用相同的一次性使用单元，结合本身较低的质量确认和验证工作要求，所以便于在所有预想的场所使用，工艺转移和实现生化可比性、相同的产品质量和最终监管批准的风险也可大大被降低。
正如前文所讨论的，使用一次性使用产品仍然有一些限制和风险。首先，有一个针对处理和操作一次性使用产品的最大体积相关的总体规模限制。对于发酵罐和更大的储袋，预计在3000升范围内，而对于便携式系统在1000升左右。另一个问题是对供应商的依赖性。各家供应商正在开发多种互不兼容的整合式系统，即不可能将不同供应商的系统与一个功能性封闭的大型工艺单元互连。为了在SUB的生物生产中符合期望的第二供应商概念，必须在两种生物反应器类型中证明生化可比性和产品质量，然后才能用于商业化生产。这将带来巨大的额外开发和验证工作，直到两个合适的系统被许可。此外，有必要得到供应商更高的质量控制。例如，袋子在出厂前应该进行压力测试，以减少故障率。最重要的是，获得完整的支持验证包 (包括溶出/析出的数据)以及来自供应商的法规支持文件，使监管申报更简单，这将是有利的。目前，供应商和用户正在进行一些关于标准化互联一次性使用系统的计划。与自动化、硬管道系统相比，使用一次性使用系统是劳动密集型的，因为将单个部件组装到操作单元是手工完成的。必需有训练有素的员工，以尽量减少操作失误。最后，使用一次性使用产品会增加物料成本，导致更多的浪费，这也需要解决。
连续工艺的优势和局限
连续工艺目前正在被评估作为批次/补料分批工艺的替代方案，以进一步降低生物技术工厂的占地面积。连续工艺的基础是已经良好建立且有商业化许可的连续灌流培养和细胞截留技术。到目前为止，这种技术主要用于不稳定的蛋白质，这些蛋白质在长期批次培养中不稳定，所以在发酵罐中停留时间相对较短。灌流是指培养基以与收获液收集相同的速率连续地加入到发酵罐中。此外，细胞被细胞截留系统截留，如重力沉降、连续流离心机或过滤单元。在这样的设置下，如果特异性灌流速率 (每个细胞的灌流量) 保持不变，就有可能获得培养体系中营养物质的稳态。从细胞澄清到随后的纯化、最终的除病毒纳滤以及制剂至原料药的下游操作以批次模式进行。
生物药连续生产的原理现在也被用于以连续或半连续的模式进行下游操作，以应对来自上游细胞培养的连续液流。下游操作通常不能以真正连续的方式进行，但至少可以使用双系统模式操作：一个系统进行操作，另一个系统备用，如果第一个系统开始发生性能下降，如堵塞，可立即进行切换。对于所有的过滤步骤，如细胞澄清或超滤/洗滤/纳滤步骤，这是可以实现的。但对于柱层析，情况就有所不同了。这里，连续的产物液流是通过模拟移动床技术来实现的，这其实就是依序操作多根小规模的层析柱。但对于此，供应商们正在加快开发更优化的单元，因为行业对此兴趣极大。
连续工艺的优势和潜在的问题如下表所示。优势最主要的就是通过更小的操作单元，降低工厂占地，这甚至可以更容易地在实验室样的基础设施内获得产物。如果所有工艺步骤都维持连续操作，甚至可以将设备和“建筑”脱离开来。理论上讲，连续生产更容易操作，但仅在其实现完全自动化的情况下。灵活工厂的其它优势与一次性使用的优势一样：更容易在站点之间进行技术转移，以及更低的产品成本（CoG）。
连续工艺的优势和挑战 |
优势： |
挑战： 不可能实现真正的稳态 需要在完整运行期间维持相同的质量 |
但是，连续工艺也有缺点，包括来自灌流生产的挑战。相比补料分批培养，连续培养中的产物滴度会低得多。对于mAb，可获得的滴度一般在补料分批的20-40%范围内。更低的滴度也就意味着更高体积的培养基和收获液处理。其它潜在的问题与产物质量有关，这可从批次定义开始。由于工艺将连续进行长达2-3个月，需要确保整个培养周期内产物质量不发生变化。而产物质量很容易受不断变化的死细胞和碎片量的影响，需要想办法将后者从培养中去除。如前文所述，在灌流中有可能达到代谢物的稳态条件，但不能达到细胞碎片及其相关降解活性（酶类活性）的“稳态”。此外，还需要完成更多的工艺验证工作。对此，需要使用3个完整时长的连续工艺验证运行（对于3个月的生产循环来说，将至少需要10个月）与3-5个补料分批模式运行（需要2-3个月）进行比较。
最后，一些单元操作很难实现连续，比如纳滤。除了灌流培养外，目前的大多数技术仍还不成熟，需要进一步的开发，特别是纯化工艺。
总结来说，连续工艺能够成为当前批次工艺的可行替代方法仍有待观察，特别是考虑到目前的补料分批培养已经可以达到>10g/L的滴度，且作为良好建立的工艺模式，失败风险低，行业从业人员经验丰富，且产品成本已经降到了相当低的水平。
总结
封闭式工艺结合基于一次性使用技术的预灭菌可抛弃型产品正在快速成熟，使大多数细胞培养工艺可以在可抛弃型的单元操作内进行，即可在置于实验室样环境中的封闭式系统中进行，降低了对空间隔断和洁净室分级的要求，且可能可在宴会厅式布局的工厂内，进行多个产品的并行生产。但是，由于一次性使用技术行业仍在发展当中，还有些问题有待解决和改进，如验证、高质量和标准化产品的安全供应、质量控制等等。
基于一次性使用技术的灵活工厂，特别是采用基于功能性封闭操作单元的批次和补料分批模式的工厂，已经被开发成为标准硬性管路工厂的可行替代方案，特别是对于体积需求较低的产品。此类工厂可以更快地建设，占地更小，且工程复杂性较低。此外，此类工厂的确认和验证更简单，成本更低，更容易运营，特别是在产品更替频繁的多用途环境当中。还有可能减少隔断，降低洁净室分级。但是，其实施需要一步一步地进行，首先是用于所有操作的宴会厅式D级洁净室，其中可使用封闭式工艺，但仍需要维持针对种子实验室（C级）和除病毒过滤后最终药物底物制剂（C级）的独立区域。
相比批次/补料分批，连续工艺可进一步降低单个操作单元的体积，所以，在宴会厅式布局中采用一次性使用技术将更加简单，从而可提供设备和工厂的利用率。但是，连续操作也存在一些潜在的风险，所以对于批次工艺已经良好建立的产品，如mAb，不太可能在短期内实现全面的替代。连续单元操作设计的技术发展、有助于获得更高滴度的更好工艺控制系统（PAT等）以及维持连续工艺中产物质量的更多经验，能否帮助这种生产模式成为目前标准补料分批/批次模式的可行替代，还有待时日。
原文：B.Bodeker, FACILITY OF THE FUTURE: EFFECT OF DISPOSABLES AND CONTINUOUS PROCESSING ON PLANT DESIGN AND OPERATION. BioPharma Asia, 2021.
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