促进生物工艺现代化的3个关键领域

近年来，对治疗性蛋白质（尤其是单克隆抗体）的需求不断增长，这增加了对实用且经济的工艺技术的需求。自 20 世纪 80 年代初以来，药物生产工艺已经建立。这些工艺主要包括在搅拌罐生物反应器中进行生产、使用离心和膜技术澄清，然后进行亲和捕获层析、低 pH 病毒灭活、阳离子交换和阴离子交换层析法（或替代性层析技术）、除病毒过滤和用于产品制剂的超滤/洗滤 (UF/DF)。此类平台工艺可在非常大规模下持续运行，例如多个 10,000 L 生物反应器和更大的体积。产品回收率通常非常高。由于生物反应器中的产物滴度已提高到一定水平，进一步提高对产品成本可能影响甚微，因此，很多公司的工艺开发的重点正转向了解当前平台的工艺基础。

然而，随着更有效的产品，如抗体偶联药物，的推出，生物仿制药产品的竞争加剧，以及市场规模小得多的新产品的开发，包括用于个性化医疗的方法，预计某些疾病适应症对单克隆抗体的需求可能会减少。需求降低，加上重组蛋白滴度和产量增加，将导致生物反应器尺寸减小，对灵活设施的需求增加，周转时间缩短，从而导致一次性技术和其它创新技术的使用增加。这些创新技术和能力包括工艺强化，即使用高浓度的产物和反应物来强化生产，并将工艺步骤组合成单个单元。创新还体现在制药行业引入连续工艺策略以及迈向全自动化设施，从而能够以更低的成本和更高的质量快速响应产能需求。设施将变得模块化和可移动化，从而可以快速配置、组装和重新定位标准化的“即插即用”生产系统。预计行业还会更多引入过程分析技术 (PAT)，实现在线过程监控和实时药品放行。这包括开发支持多元数据分析、预测模型和闭环反馈控制的软件。本文将简介介绍促进生物制药行业开发和生产效率以及经济性的生物工艺技术领域。

一次性系统

在过去二十年中，一次性生产系统的发展一直在加速。一次性系统目前不仅用于培养，还用于下游单元操作，例如过滤和层析步骤。目前，生产流程仅使用一次性系统就可以生产生物制品。

一次性技术的优势在于：1）. 经济高效的生产技术：通过引入一次性系统，设施设计可以从系统中移除所有与工艺过程不直接相关的项目，例如不锈钢工厂内至关重要的在位清洗 (CIP) 和在位蒸汽灭菌 (SIP) 系统。此外，通过引入一次性系统可以降低资本成本 (CAPEX)。在比较一次性和重复使用不锈钢 2 × 1000 L 新设施成本的案例研究中，一次性设施显著降低了 CAPEX。总体而言，与固定的不锈钢设施相比，投资灵活的一次性设施是有益的。2). 增加 GMP 批次数量：通过引入一次性系统，可以增加生产活动中可生产的 GMP 批次数量，因为不再需要耗时的清洁和设备灭菌。因此，从一批到另一批所需的周转时间缩短了。3). 为GMP 设施设计提供灵活性：当使用不锈钢系统时，设备的变更可能会对不锈钢罐、管道等的设计产生影响。这些设备变更将影响设施的整体验证状态。通过使用一次性系统，设备变更可以轻松纳入其中，因为一次性工艺的设置非常灵活。与不锈钢系统一样，如果变更会影响已验证的工艺，则必须重新考虑工艺的已验证状态，并且可能需要重新验证。4). 加快实施和上市时间：由于一次性系统具有极大的灵活性，与“传统”不锈钢设备相比，产品上市速度受生产过程不同开发阶段可能引入的工艺变更的影响较小。但是，该工艺需要在上市前进行验证。如果在工艺验证后引入变更，则可能需要重新验证。在这方面，与传统的不锈钢设备没有区别。5). 降低水和废水成本：由于系统是一次性使用的，因此总清洁成本将大大降低。这不仅减少了用水量，还减少了清洁系统和为下一批产品进行设置所需的时间。6). 降低验证成本：使用一次性系统时，不再需要每年进行清洁和灭菌的验证成本。

当然，不锈钢生物反应器的优势显而易见，因为这种传统技术易于理解和控制，尽管不锈钢路线过去和现在仍存在挑战，例如昂贵且相对不灵活的设计、安装和维护成本，以及在设施和设备鉴定和验证工作上花费大量时间。但对于非常大体量的产品，不锈钢仍然是最经济可行的选择，因为目前的一次性生物反应器的可放大性有限。

连续生产

目前，大多数生物制药都是批次生产的。一般来说，一个生物反应器中的产物在一个纯化系统中处理，以生产药物物质。连续工艺旨在以较低的成本实现更高的产品质量。基本设计是以连续模式运行生物反应器过程。

在批次工艺中，细胞密度在培养过程中不断增加，直至达到最高水平，随后由于细胞裂解，细胞密度下降。产物将基于预先定义的活细胞密度收获，以防止细胞死亡影响产品质量。在连续模式下的生物反应器工艺中，细胞密度保持在相对稳定的水平，不是批次工艺那样持续约两周，而是持续数周。这是通过将生物反应器连接到灌流模式下的过滤装置来实现的，该过滤装置连续去除反应器内的产物、添加新鲜培养基，并通过细胞废弃，去除多余的细胞。随后将连续移除的产物上样到捕获柱上，后者可以半连续模式运行。原则上，连续工艺只能通过自动化系统操作，通过实时调整关键工艺参数 (CPP) 来实现关键质量属性 (CQA) 的期望值。这极大地提高了工艺稳健性、生产率和设备利用率。这种自动化连续工艺的总体结果是降低了生产成本。行业对生物制药行业连续工艺的兴趣日益浓厚，但由于存在许多挑战，采用率仍然很低：（1）以连续模式运行的不同单元操作需要仔细调整和协调；（2）与批次工艺相比，在产品开发过程的早期阶段也需要更高水平的工艺理解；（3）彻底了解灌流模式下的细胞行为至关重要，这需要先进的分析工具，以应用于过程控制分析，确保维持 CPP。

过程分析技术

过程分析技术(PAT) 被定义为“通过及时测量 (即在工艺过程中) 原材料和过程中的关键质量和性能属性来设计、分析和控制生产的系统，其目标是确保最终产品质量”。PAT框架的期望目标是设计和开发易于理解的工艺，以始终如一地确保预定义的质量。在以下情况下，一个工艺被认为是良好理解的：1. 识别和解释所有关键的可变性来源；2. 可变性由过程管理；以及3. 在针对所用材料、工艺条件、生产、环境和其它条件建立的设计空间内，产品质量属性可以准确可靠地预测。PAT实施的目标包括：:更好的工艺理解；提高产量；通过使用在线/近线或入线测量和控制，缩短生产周期；将批次工艺转化为连续工艺，降低能耗，提高效率；降低成本；以及实时放行。

PAT的实施可以分为三个阶段。设计阶段开始于工艺开发的早期，在此阶段，设计给定的单元操作，然后进行优化和表征，受工艺步骤影响的关键质量属性 (CQA) 与已确定影响CQA的关键工艺参数 (CPP) 一起被识别。这种工艺理解是PAT的本质，这对后两个阶段至关重要。在分析阶段，确定合适的分析设备来监控CQA和CPP。PAT应用可以是近线 (取样，隔离，并在工艺液流附近分析)、在线 (样品从工艺液流中取出进行分析，并返回工艺液流)、入线 (样品不取出，在位进行分析) 和离线 (样品从工艺液流中取出，并在远离工艺液流的位置进行分析)。对于PAT应用，有必要在要求的时间范围内提供分析结果，以促进实时决策。最后，控制阶段涉及基于过程理解的控制方案设计，使分析设备的数据可以用于实时过程决策，从而实现一致的工艺性能和产品质量。

现在，生物制药行业一致认同，使用PAT可以改进过程控制，提供更一致的产品质量，此外，还能提高操作效率，这对行业和监管机构都是有利的。然而，实现PAT需要更高层次的过程理解，这导致需要更多的时间和资源投入。尽管如此，行业在分析/监控关键工艺和质量属性方面的能力已经取得了重大进展，在利用收集到的数据进行后续工艺控制方面也做了很多探索，其目标是实现最佳产量和产品质量[，最终达到真正的PAT实施所带来的好处。

全面解决方案，包括试剂及耗材、仪器设备和服务。公司经营生物工艺解决方案、实验室产品及服务两大业务线，通过一站式生物工艺体系帮助合作伙伴实现高效、稳定、质量及成本可控的药物研发及生产流程。

DuoMix® 台式及落地式搅拌系统

多宁自主研发2– 20 L DuoMix®台式搅拌系统，50 – 3000 L DuoMix®落地搅拌系统及配套3D配液搅拌袋等产品，实现一站式配液整体解决方案，适合工艺开发及大规模生产等不同应用场景。DuoMix® 台式磁力搅拌系统由控制系统，带磁驱电机及称重模块的底座及支撑容器三部分组成，其中控制器可支持连接三台搅拌底座从而驱动三台搅拌单元同时工作，实现效率最大化。驱动单元与搅拌袋通过磁力耦合的方式传递动力，简便易操作。可选配 pH 及电导率传感器、温度传感器、温度控制单元及蠕动泵等可选模块使用。

DuoBioX® Pro 一次性生物反应器

多宁生物DuoBioX® Pro一次性生物反应器采用底部搅拌式罐体设计，可实现从50 -2,000 L规模生物工艺的连续放大，结合多宁完全自主研发制造的3D一次性细胞培养袋，具有良好的生物相容性优点，其灵活的管路设计，满足各类复杂的上游工艺过程；独特的搅拌通气一体组合设计，不仅能降低剪切，同时又保证了优异的传质和混匀性能，放大前后工艺一致性好，可广泛应用于生物制药工艺研发到GMP生产等各个阶段。

DuoPAT®过程分析终端

DuoPAT® 过程分析终端为多宁生物自主研发设计并全新推出的明星产品，适用于对管道或容器进行压力、流量实时监测及控制，如在制备培养基及缓冲液的过滤过程中，设备具有报警设置和浏览、数据和曲线记录、审计追踪、用户管理、数据保存和导出的功能。DuoPAT®配套压力传感器及流量计，实现实时监测及控制，可同时用于三通道压力及流量监测及数据记录；只需将泵和传感器通过线缆连接到DuoPAT®上实现即插即用，不需要复杂的安装、设置或布线；DuoPAT®具有强大的数据处理能力，配套压力传感器及流量计实现实时监测，控制及分析，生成压力 vs. 时间曲线、流量 vs. 时间曲线等图表，直观显示管路内的动态变化。

*详细产品信息，请联系marketing@duoningbio.com

A. S. Rathore, R. Bhambure, V. Ghare, Process analytical technology (PAT) for biopharmaceutical products. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2010.

M.Lebendiker, Purification and Quality Control of Recombinant Proteins Expressed in Mammalian Cells: A Practical Review. Recombinant Protein Expression in Mammalian Cells, 2024.

V. Jossen, R. Eibl, G. Broccard, et al., Single-Use Systems in Biopharmaceutical Manufacture: State of the Art and Recent Trends. Biopharmaceutical Manufacturing, 2024.