一次性生物工藝最近在生物制藥制造方面經(jīng)歷了巨大的份額增長(zhǎng),并享受了從材料特性到工業(yè)4.0實(shí)施的技術(shù)進(jìn)步。

與傳統(tǒng)的生物工藝相比,依靠耐用的不銹鋼設(shè)備,現(xiàn)代一次性系統(tǒng)(SUS)采用一次性組件的一次性使用。這種方法有望提高生產(chǎn)力、降低商品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及簡(jiǎn)化個(gè)性化醫(yī)療供應(yīng)鏈的潛力。

在本文中,我們將提供有關(guān)一次性系統(tǒng)的關(guān)鍵概念、其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以及它們是否可以兌現(xiàn)承諾的背景信息。

一次性系統(tǒng)在生物制藥行業(yè)的作用是什么?

 一次性生物工藝是生物制藥生產(chǎn)中相對(duì)較新的概念。所有活性藥物成分必須無菌才能給藥。因此,它們必須在無菌條件下生產(chǎn)。與一次性系統(tǒng)相比,使用不銹鋼設(shè)備的傳統(tǒng)生產(chǎn)通常價(jià)格昂貴,因此需要高度的維護(hù)才能重復(fù)使用,因此幾年的運(yùn)營(yíng)支出很高。

 依賴不銹鋼設(shè)備的制造過程的缺點(diǎn)是靈活性低(即單個(gè)產(chǎn)品或制造步驟的專用生產(chǎn)線)以及確保設(shè)備準(zhǔn)備就緒的時(shí)間和勞動(dòng)力支出大。這需要原位清洗(CIP)和原位滅菌(SIP)程序,以及對(duì)重復(fù)使用的生物工藝設(shè)備的最終驗(yàn)證,這些設(shè)備既耗時(shí)又具有約束力。

 一次性設(shè)備必將改變生物制藥公司設(shè)施中的絕大多數(shù)生物制造工藝步驟。由于生物工藝技術(shù)的幾個(gè)方面的簡(jiǎn)化和定制以及降低商品成本,使工藝更具成本效益的潛力很大。

一次性技術(shù)在生產(chǎn)生物制藥時(shí)的六大優(yōu)勢(shì)

以下是與傳統(tǒng)生物工藝硬件相比,一次性設(shè)備的六個(gè)主要優(yōu)勢(shì),與經(jīng)濟(jì)因素、產(chǎn)品安全和質(zhì)量以及商業(yè)模式可行性有關(guān)。

1. 降低成本

 與生物反應(yīng)器系統(tǒng)相反,一次性設(shè)施更易于維護(hù)。使用一次性技術(shù)時(shí),清潔 (CIP) 和滅菌 (SIP) 等復(fù)雜生產(chǎn)階段的成本變成零,從而節(jié)省了成本和資源。

 在材料和勞動(dòng)力成本方面的直接節(jié)省是一次性系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)之一。安裝的直接人工成本以及水和化學(xué)品的成本可以降至較低。此外,這些設(shè)施不需要清潔和消毒,這反過來又延長(zhǎng)了使用壽命并進(jìn)一步降低了總擁有成本。

 此外,一次性系統(tǒng)有助于減少初始投資和研發(fā)成本,鑒于對(duì)生物制藥的需求不斷增加,這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。初始投資成本比同類不銹鋼設(shè)施的價(jià)格低約40%。

2. 提高生產(chǎn)力

 對(duì)于生物制藥公司來說,使用一次性技術(shù)可以提高生產(chǎn)力。自動(dòng)化的成本和復(fù)雜性顯著降低。可以省略不同生產(chǎn)階段之間的清潔和驗(yàn)證等復(fù)雜步驟。

 傳統(tǒng)上,生物制藥的生產(chǎn)需要鋼基生物反應(yīng)器。這些需要清潔和消毒以生產(chǎn)無污染的生物產(chǎn)品,從而增加制造商的成本。

3. 簡(jiǎn)化處置

 處理用過的一次性設(shè)備比處理不銹鋼設(shè)備相對(duì)容易。一次性系統(tǒng)不需要任何精心的清潔和消毒,而是可以在使用后立即處理。

 相比之下,不銹鋼的回收涉及熔化過程,是一個(gè)非常耗能的過程。

4. 減少能源和介質(zhì)消耗,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)制造工藝

 傳統(tǒng)生物技術(shù)工廠的運(yùn)行需要大量能量將不銹鋼設(shè)備加熱到工作溫度,并在運(yùn)行之間和運(yùn)行期間消耗各種介質(zhì):加壓空氣、從去離子到滅菌的多種質(zhì)量的水(注射用水、WFI)、廢氣、廢水等。

 與基于不銹鋼設(shè)備的工廠相比,一次性組件可以大大減少介質(zhì)消耗(水約為46%)?？偠灾?與不銹鋼相比,碳排放(包括減少水、能源、化學(xué)品等)的平均減少量為 40%!

 在可持續(xù)性方面,與多用途不銹鋼產(chǎn)品相比,一次性產(chǎn)品具有更多優(yōu)勢(shì):如前所述,一次性系統(tǒng)主要由塑料制成,可以以其他塑料物品的形式回收利用,或者焚燒以釋放其儲(chǔ)存的化學(xué)能用于發(fā)電或供熱。一般來說,研究表明,實(shí)施一次性系統(tǒng)可以顯著減少生物制藥制造商對(duì)環(huán)境的影響。

5. 有效利用時(shí)間和資源

與前兩點(diǎn)相關(guān),采用一次性生物反應(yīng)器等一次性技術(shù)可以將時(shí)間和資源從清潔和滅菌重新分配給生產(chǎn)任務(wù)。

隨著 CIP 和 SIP 變得不必要,這些程序的專職人員被騰出時(shí)間從事其他活動(dòng),例如立即處理下一批的設(shè)置或處理二手設(shè)備。通常,以前用于準(zhǔn)備和清理每批產(chǎn)品后的大部分時(shí)間和勞動(dòng)力都可以從制造工廠的計(jì)劃中剔除,從而顯著提高工廠單位時(shí)間的產(chǎn)量。

 此外,一次性設(shè)備的設(shè)置可以設(shè)計(jì)得更節(jié)省空間、更快速、更簡(jiǎn)單,從而更保守地使用時(shí)間和資源,最終使制藥產(chǎn)品的價(jià)格更具競(jìng)爭(zhēng)力。

6. 交叉污染風(fēng)險(xiǎn)最小化

 生物技術(shù)公司在重復(fù)使用設(shè)備時(shí)關(guān)注的一個(gè)問題是批次和產(chǎn)品之間交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)。盡管已采取措施降低最終用戶的風(fēng)險(xiǎn),但仍可能發(fā)生罕見的錯(cuò)誤。

 一次性解決方案幾乎不可能發(fā)生交叉污染,因?yàn)楫?dāng)批次轉(zhuǎn)移到下一個(gè)制造步驟時(shí),整個(gè)裝置就會(huì)被處理掉。

常用材料

生物工藝設(shè)備一般用于上游和下游的加工步驟。上游無菌耗材包括生物反應(yīng)器、一次性混合器、培養(yǎng)基袋等。流行的下游組件是無菌連接器、過濾器和管道組件、分離塔。

 一次性組件通常由高性能聚合物材料制成。最重要的6個(gè)是:

• 聚乙烯 (PE) 和聚丙烯 (PP) – 透明,對(duì)水性介質(zhì)具有化學(xué)惰性,PP 的材料性能可以在比 PE 更廣泛的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整

• 聚醚砜 (PES) – 耐熱、耐沖擊的塑料,非常適合高溫工藝,經(jīng)批準(zhǔn)可用于嬰兒用品

• 聚四氟乙烯(PTFE) – 稱為特氟龍;化學(xué)惰性很強(qiáng),經(jīng)FDA批準(zhǔn)用于制藥和食品應(yīng)用,在機(jī)械應(yīng)力下較弱;當(dāng)使用更具腐蝕性的       材料時(shí),適用于內(nèi)層

• 醋酸纖維素 (CA) – 硬質(zhì)材料,由纖維素與乙酸酯化制成,是過濾濾芯的常用一次性材料

• 聚酰胺 (PA) – 尼龍是聚酰胺示例,PA 具有很強(qiáng)的機(jī)械耐受性和耐用性,是復(fù)合材料部件外層的良好材料

• 聚碳酸酯 – 聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 PET 可能是最著名的代表;廣泛用于食品容器和瓶子,雖然對(duì)強(qiáng)酸和強(qiáng)堿的抵抗力不是很強(qiáng)

   

 由于這些材料中的每一種都具有特別的性能,優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),因此高性能一次性組件通常由多種塑料材料組成。例如,生物反應(yīng)器通常是層壓箔袋,具有多層,具有不同的功能:

• 惰性內(nèi)層,用于容納腐蝕性化學(xué)品或溶劑,或保護(hù)內(nèi)容物免受外層增塑劑的影響

• 氣密層以包含特定氣氛(內(nèi)部二氧化碳升高,將氧氣拒之門外。

• 外層賦予抗撕裂、抗沖擊等機(jī)械阻力(總共最多六層)。

   

   

 說到多層:另一種多層復(fù)合的產(chǎn)品是一次性支持的IRIS 2D袋 - 一次性生物工藝容器旨在保護(hù)生物制劑以實(shí)現(xiàn)不間斷的供應(yīng)鏈,并提供不同的尺寸。

 最大的一次性組件制造商是默克-密理博、賽多利斯和賽默飛世爾科技。將一次性組件組裝到定制設(shè)計(jì)中也由與供應(yīng)商無關(guān)的公司提供,例如Single Use Support。

一次性生物工藝及其位置

 預(yù)計(jì)一些工藝步驟仍將是多用途的,例如用于單克隆抗體純化的色譜柱;大型蛋白A色譜柱的費(fèi)用為10萬美元,并且相對(duì)容易重復(fù)使用(陷阱:交叉污染風(fēng)險(xiǎn))。

 然而,使用一次性組件的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大,但最近在大流行期間,大量資本涌入醫(yī)療保健系統(tǒng)和生命科學(xué),用于疫情之后的疫苗相關(guān)產(chǎn)品開發(fā),該領(lǐng)域經(jīng)歷了急劇激增。查找新型一次性系統(tǒng)的概述:

使用一次性系統(tǒng)進(jìn)行流體管理

 液體管理是生物工藝的一個(gè)重要方面,因?yàn)樗兄圃觳襟E都發(fā)生在液相中。現(xiàn)代化的集成平臺(tái)解決方案可實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的流體管理和處理。

 SUS為一次性生物工藝市場(chǎng)提供全自動(dòng)一次性袋灌裝系統(tǒng)RoSS.FILL Bag,該系統(tǒng)允許無菌輸送物料流量高達(dá)每小時(shí)300升的液體。

 流體管理的另一端由細(xì)胞和基因治療分裝系統(tǒng)RoSS.FILL CGT覆蓋。它能夠滿足細(xì)胞和基因治療(CGT)制造的所有要求,從最高精度的小體積無菌流體輸送到與冷凍儲(chǔ)存溶液的耦合。

準(zhǔn)備儲(chǔ)存和運(yùn)輸

 現(xiàn)代生物制藥通常是在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中需要特殊條件的脆弱物質(zhì)。圍繞CGT的生產(chǎn)環(huán)境對(duì)制藥業(yè)務(wù)的大公司來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn),他們的規(guī)模擴(kuò)大和供應(yīng)鏈面臨著挑戰(zhàn)。盡管如此,它們對(duì)于其他難以治療的疾病非常有效,并為無數(shù)患者提供了希望,因此努力得到了回報(bào)!

 這促使我們尋找解決方案來克服這些麻煩 - 例如,我們提供保護(hù)較小體積的原料藥的解決方案 - RoSS.KSET - 和一次性袋保護(hù)RoSS Shell,提供足夠的保護(hù),防止機(jī)械應(yīng)力,如沖擊。

改用一次性生物工藝系統(tǒng)時(shí)要考慮的事項(xiàng)

 從不銹鋼設(shè)備轉(zhuǎn)換時(shí),必須考慮一次性系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵方面。

 在選擇材料時(shí),必須考慮特定的應(yīng)用,因?yàn)閼?yīng)避免使用可萃取物和可浸出物(例如增塑劑)。使用溶劑時(shí),將選擇具有耐溶劑內(nèi)襯的現(xiàn)代多層組件,而不是更便宜的PVC組件。

 一次性支持可以幫助找到一次性組件平臺(tái)的理想選項(xiàng),以確保組件的兼容性和互操作性,從而充分利用一次性技術(shù)。

光明的未來 – 展望近期發(fā)展

 如上所述,幾十年前,一次性系統(tǒng)幾乎不存在,此后經(jīng)歷了巨大的增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的不銹鋼容器仍然主導(dǎo)著最大的商業(yè)規(guī)模生物過程(10.000升規(guī)模)。

 一次性生物加工市場(chǎng)規(guī)模的巨大增長(zhǎng)空間,未來五年的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)估計(jì)為兩位數(shù)。在新冠大流行期間突出的生物制藥瓶頸進(jìn)一步加速了這一趨勢(shì),吸引了許多政府投資以推動(dòng)發(fā)展。人們普遍預(yù)計(jì)這種勢(shì)頭將在未來十年繼續(xù)下去。