一次性生物工艺最近在生物制药制造方面经历了巨大的份额增长,并享受了从材料特性到工业4.0实施的技术进步。

与传统的生物工艺相比,依靠耐用的不锈钢设备,现代一次性系统(SUS)采用一次性组件的一次性使用。这种方法有望提高生产力、降低商品成本、提高产品质量以及简化个性化医疗供应链的潜力。

在本文中,我们将提供有关一次性系统的关键概念、其优点和缺点以及它们是否可以兑现承诺的背景信息。

一次性系统在生物制药行业的作用是什么?

 一次性生物工艺是生物制药生产中相对较新的概念。所有活性药物成分必须无菌才能给药。因此,它们必须在无菌条件下生产。与一次性系统相比,使用不锈钢设备的传统生产通常价格昂贵,因此需要高度的维护才能重复使用,因此几年的运营支出很高。

 依赖不锈钢设备的制造过程的缺点是灵活性低(即单个产品或制造步骤的专用生产线)以及确保设备准备就绪的时间和劳动力支出大。这需要原位清洗(CIP)和原位灭菌(SIP)程序,以及对重复使用的生物工艺设备的最终验证,这些设备既耗时又具有约束力。

 一次性设备必将改变生物制药公司设施中的绝大多数生物制造工艺步骤。由于生物工艺技术的几个方面的简化和定制以及降低商品成本,使工艺更具成本效益的潜力很大。

一次性技术在生产生物制药时的六大优势

以下是与传统生物工艺硬件相比,一次性设备的六个主要优势,与经济因素、产品安全和质量以及商业模式可行性有关。

1. 降低成本

 与生物反应器系统相反,一次性设施更易于维护。使用一次性技术时,清洁 (CIP) 和灭菌 (SIP) 等复杂生产阶段的成本变成零,从而节省了成本和资源。

 在材料和劳动力成本方面的直接节省是一次性系统的主要优势之一。安装的直接人工成本以及水和化学品的成本可以降至较低。此外,这些设施不需要清洁和消毒,这反过来又延长了使用寿命并进一步降低了总拥有成本。

 此外,一次性系统有助于减少初始投资和研发成本,鉴于对生物制药的需求不断增加,这是一个巨大的优势。初始投资成本比同类不锈钢设施的价格低约40%。

2. 提高生产力

 对于生物制药公司来说,使用一次性技术可以提高生产力。自动化的成本和复杂性显著降低。可以省略不同生产阶段之间的清洁和验证等复杂步骤。

 传统上,生物制药的生产需要钢基生物反应器。这些需要清洁和消毒以生产无污染的生物产品,从而增加制造商的成本。

3. 简化处置

 处理用过的一次性设备比处理不锈钢设备相对容易。一次性系统不需要任何精心的清洁和消毒,而是可以在使用后立即处理。

 相比之下,不锈钢的回收涉及熔化过程,是一个非常耗能的过程。

4. 减少能源和介质消耗,实现可持续制造工艺

 传统生物技术工厂的运行需要大量能量将不锈钢设备加热到工作温度,并在运行之间和运行期间消耗各种介质:加压空气、从去离子到灭菌的多种质量的水(注射用水、WFI)、废气、废水等。

 与基于不锈钢设备的工厂相比,一次性组件可以大大减少介质消耗(水约为46%)。总而言之,与不锈钢相比,碳排放(包括减少水、能源、化学品等)的平均减少量为 40%!

 在可持续性方面,与多用途不锈钢产品相比,一次性产品具有更多优势:如前所述,一次性系统主要由塑料制成,可以以其他塑料物品的形式回收利用,或者焚烧以释放其储存的化学能用于发电或供热。一般来说,研究表明,实施一次性系统可以显着减少生物制药制造商对环境的影响。

5. 有效利用时间和资源

与前两点相关,采用一次性生物反应器等一次性技术可以将时间和资源从清洁和灭菌重新分配给生产任务。

随着 CIP 和 SIP 变得不必要,这些程序的专职人员被腾出时间从事其他活动,例如立即处理下一批的设置或处理二手设备。通常,以前用于准备和清理每批产品后的大部分时间和劳动力都可以从制造工厂的计划中剔除,从而显着提高工厂单位时间的产量。

 此外,一次性设备的设置可以设计得更节省空间、更快速、更简单,从而更保守地使用时间和资源,最终使制药产品的价格更具竞争力。

6. 交叉污染风险最小化

 生物技术公司在重复使用设备时关注的一个问题是批次和产品之间交叉污染的风险。尽管已采取措施降低最终用户的风险,但仍可能发生罕见的错误。

 一次性解决方案几乎不可能发生交叉污染,因为当批次转移到下一个制造步骤时,整个装置就会被处理掉。

常用材料

生物工艺设备一般用于上游和下游的加工步骤。上游无菌耗材包括生物反应器、一次性混合器、培养基袋等。流行的下游组件是无菌连接器、过滤器和管道组件、分离塔。

 一次性组件通常由高性能聚合物材料制成。最重要的6个是:

• 聚乙烯 (PE) 和聚丙烯 (PP) – 透明,对水性介质具有化学惰性,PP 的材料性能可以在比 PE 更广泛的范围内进行调整

• 聚醚砜 (PES) – 耐热、耐冲击的塑料,非常适合高温工艺,经批准可用于婴儿用品

• 聚四氟乙烯(PTFE) – 称为特氟龙;化学惰性很强,经FDA批准用于制药和食品应用,在机械应力下较弱;当使用更具腐蚀性的       材料时,适用于内层

• 醋酸纤维素 (CA) – 硬质材料,由纤维素与乙酸酯化制成,是过滤滤芯的常用一次性材料

• 聚酰胺 (PA) – 尼龙是聚酰胺示例,PA 具有很强的机械耐受性和耐用性,是复合材料部件外层的良好材料

• 聚碳酸酯 – 聚对苯二甲酸乙二醇酯 PET 可能是最著名的代表;广泛用于食品容器和瓶子,虽然对强酸和强碱的抵抗力不是很强

   

 由于这些材料中的每一种都具有特别的性能,优点和缺点,因此高性能一次性组件通常由多种塑料材料组成。例如,生物反应器通常是层压箔袋,具有多层,具有不同的功能:

• 惰性内层,用于容纳腐蚀性化学品或溶剂,或保护内容物免受外层增塑剂的影响

• 气密层以包含特定气氛(内部二氧化碳升高,将氧气拒之门外。

• 外层赋予抗撕裂、抗冲击等机械阻力(总共最多六层)。

   

   

 说到多层:另一种多层复合的产品是一次性支持的IRIS 2D袋 - 一次性生物工艺容器旨在保护生物制剂以实现不间断的供应链,并提供不同的尺寸。

 最大的一次性组件制造商是默克-密理博、赛多利斯和赛默飞世尔科技。将一次性组件组装到定制设计中也由与供应商无关的公司提供,例如Single Use Support。

一次性生物工艺及其位置

 预计一些工艺步骤仍将是多用途的,例如用于单克隆抗体纯化的色谱柱;大型蛋白A色谱柱的费用为10万美元,并且相对容易重复使用(陷阱:交叉污染风险)。

 然而,使用一次性组件的应用范围正在不断扩大,但最近在大流行期间,大量资本涌入医疗保健系统和生命科学,用于疫情之后的疫苗相关产品开发,该领域经历了急剧激增。查找新型一次性系统的概述:

使用一次性系统进行流体管理

 液体管理是生物工艺的一个重要方面,因为所有制造步骤都发生在液相中。现代化的集成平台解决方案可实现高度自动化的流体管理和处理。

 SUS为一次性生物工艺市场提供全自动一次性袋灌装系统RoSS.FILL Bag,该系统允许无菌输送物料流量高达每小时300升的液体。

 流体管理的另一端由细胞和基因治疗分装系统RoSS.FILL CGT覆盖。它能够满足细胞和基因治疗(CGT)制造的所有要求,从最高精度的小体积无菌流体输送到与冷冻储存溶液的耦合。

准备储存和运输

 现代生物制药通常是在储存和运输过程中需要特殊条件的脆弱物质。围绕CGT的生产环境对制药业务的大公司来说是一个巨大的挑战,他们的规模扩大和供应链面临着挑战。尽管如此,它们对于其他难以治疗的疾病非常有效,并为无数患者提供了希望,因此努力得到了回报!

 这促使我们寻找解决方案来克服这些麻烦 - 例如,我们提供保护较小体积的原料药的解决方案 - RoSS.KSET - 和一次性袋保护RoSS Shell,提供足够的保护,防止机械应力,如冲击。

改用一次性生物工艺系统时要考虑的事项

 从不锈钢设备转换时,必须考虑一次性系统的几个关键方面。

 在选择材料时,必须考虑特定的应用,因为应避免使用可萃取物和可浸出物(例如增塑剂)。使用溶剂时,将选择具有耐溶剂内衬的现代多层组件,而不是更便宜的PVC组件。

 一次性支持可以帮助找到一次性组件平台的理想选项,以确保组件的兼容性和互操作性,从而充分利用一次性技术。

光明的未来 – 展望近期发展

 如上所述,几十年前,一次性系统几乎不存在,此后经历了巨大的增长。传统的不锈钢容器仍然主导着最大的商业规模生物过程(10.000升规模)。

 一次性生物加工市场规模的巨大增长空间,未来五年的复合年增长率(CAGR)估计为两位数。在新冠大流行期间突出的生物制药瓶颈进一步加速了这一趋势,吸引了许多政府投资以推动发展。人们普遍预计这种势头将在未来十年继续下去。