一次性生物工藝最近在生物制藥制造方面經歷了巨大的份額增長,并享受了從材料特性到工業4.0實施的技術進步。

與傳統的生物工藝相比,依靠耐用的不銹鋼設備,現代一次性系統(SUS)采用一次性組件的一次性使用。這種方法有望提高生產力、降低商品成本、提高產品質量以及簡化個性化醫療供應鏈的潛力。

在本文中,我們將提供有關一次性系統的關鍵概念、其優點和缺點以及它們是否可以兌現承諾的背景信息。

一次性系統在生物制藥行業的作用是什么?

 一次性生物工藝是生物制藥生產中相對較新的概念。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。與一次性系統相比,使用不銹鋼設備的傳統生產通常價格昂貴,因此需要高度的維護才能重復使用,因此幾年的運營支出很高。

 依賴不銹鋼設備的制造過程的缺點是靈活性低(即單個產品或制造步驟的專用生產線)以及確保設備準備就緒的時間和勞動力支出大。這需要原位清洗(CIP)和原位滅菌(SIP)程序,以及對重復使用的生物工藝設備的最終驗證,這些設備既耗時又具有約束力。

 一次性設備必將改變生物制藥公司設施中的絕大多數生物制造工藝步驟。由于生物工藝技術的幾個方面的簡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。

一次性技術在生產生物制藥時的六大優勢

以下是與傳統生物工藝硬件相比,一次性設備的六個主要優勢,與經濟因素、產品安全和質量以及商業模式可行性有關。

1. 降低成本

 與生物反應器系統相反,一次性設施更易于維護。使用一次性技術時,清潔 (CIP) 和滅菌 (SIP) 等復雜生產階段的成本變成零,從而節省了成本和資源。

 在材料和勞動力成本方面的直接節省是一次性系統的主要優勢之一。安裝的直接人工成本以及水和化學品的成本可以降至較低。此外,這些設施不需要清潔和消毒,這反過來又延長了使用壽命并進一步降低了總擁有成本。

 此外,一次性系統有助于減少初始投資和研發成本,鑒于對生物制藥的需求不斷增加,這是一個巨大的優勢。初始投資成本比同類不銹鋼設施的價格低約40%。

2. 提高生產力

 對于生物制藥公司來說,使用一次性技術可以提高生產力。自動化的成本和復雜性顯著降低。可以省略不同生產階段之間的清潔和驗證等復雜步驟。

 傳統上,生物制藥的生產需要鋼基生物反應器。這些需要清潔和消毒以生產無污染的生物產品,從而增加制造商的成本。

3. 簡化處置

 處理用過的一次性設備比處理不銹鋼設備相對容易。一次性系統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,是一個非常耗能的過程。

4. 減少能源和介質消耗,實現可持續制造工藝

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

 與基于不銹鋼設備的工廠相比,一次性組件可以大大減少介質消耗(水約為46%)。總而言之,與不銹鋼相比,碳排放(包括減少水、能源、化學品等)的平均減少量為 40%!

 在可持續性方面,與多用途不銹鋼產品相比,一次性產品具有更多優勢:如前所述,一次性系統主要由塑料制成,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存的化學能用于發電或供熱。一般來說,研究表明,實施一次性系統可以顯著減少生物制藥制造商對環境的影響。

5. 有效利用時間和資源

與前兩點相關,采用一次性生物反應器等一次性技術可以將時間和資源從清潔和滅菌重新分配給生產任務。

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

 此外,一次性設備的設置可以設計得更節省空間、更快速、更簡單,從而更保守地使用時間和資源,最終使制藥產品的價格更具競爭力。

6. 交叉污染風險最小化

 生物技術公司在重復使用設備時關注的一個問題是批次和產品之間交叉污染的風險。盡管已采取措施降低最終用戶的風險,但仍可能發生罕見的錯誤。

 一次性解決方案幾乎不可能發生交叉污染,因為當批次轉移到下一個制造步驟時,整個裝置就會被處理掉。

常用材料

生物工藝設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器、一次性混合器、培養基袋等。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個是:

• 聚乙烯 (PE) 和聚丙烯 (PP) – 透明,對水性介質具有化學惰性,PP 的材料性能可以在比 PE 更廣泛的范圍內進行調整

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

• 聚四氟乙烯(PTFE) – 稱為特氟龍;化學惰性很強,經FDA批準用于制藥和食品應用,在機械應力下較弱;當使用更具腐蝕性的       材料時,適用于內層

• 醋酸纖維素 (CA) – 硬質材料,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 具有很強的機械耐受性和耐用性,是復合材料部件外層的良好材料

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

   

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

• 惰性內層,用于容納腐蝕性化學品或溶劑,或保護內容物免受外層增塑劑的影響

• 氣密層以包含特定氣氛(內部二氧化碳升高,將氧氣拒之門外。

• 外層賦予抗撕裂、抗沖擊等機械阻力(總共最多六層)。

   

   

 說到多層:另一種多層復合的產品是一次性支持的IRIS 2D袋 - 一次性生物工藝容器旨在保護生物制劑以實現不間斷的供應鏈,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計中也由與供應商無關的公司提供,例如Single Use Support。

一次性生物工藝及其位置

 預計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色譜柱的費用為10萬美元,并且相對容易重復使用(陷阱:交叉污染風險)。

 然而,使用一次性組件的應用范圍正在不斷擴大,但最近在大流行期間,大量資本涌入醫療保健系統和生命科學,用于疫情之后的疫苗相關產品開發,該領域經歷了急劇激增。查找新型一次性系統的概述:

使用一次性系統進行流體管理

 液體管理是生物工藝的一個重要方面,因為所有制造步驟都發生在液相中。現代化的集成平臺解決方案可實現高度自動化的流體管理和處理。

 SUS為一次性生物工藝市場提供全自動一次性袋灌裝系統RoSS.FILL Bag,該系統允許無菌輸送物料流量高達每小時300升的液體。

 流體管理的另一端由細胞和基因治療分裝系統RoSS.FILL CGT覆蓋。它能夠滿足細胞和基因治療(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存溶液的耦合。

準備儲存和運輸

 現代生物制藥通常是在儲存和運輸過程中需要特殊條件的脆弱物質。圍繞CGT的生產環境對制藥業務的大公司來說是一個巨大的挑戰,他們的規模擴大和供應鏈面臨著挑戰。盡管如此,它們對于其他難以治療的疾病非常有效,并為無數患者提供了希望,因此努力得到了回報!

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

改用一次性生物工藝系統時要考慮的事項

 從不銹鋼設備轉換時,必須考慮一次性系統的幾個關鍵方面。

 在選擇材料時,必須考慮特定的應用,因為應避免使用可萃取物和可浸出物(例如增塑劑)。使用溶劑時,將選擇具有耐溶劑內襯的現代多層組件,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的理想選項,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。

光明的未來 – 展望近期發展

 如上所述,幾十年前,一次性系統幾乎不存在,此后經歷了巨大的增長。傳統的不銹鋼容器仍然主導著最大的商業規模生物過程(10.000升規模)。

 一次性生物加工市場規模的巨大增長空間,未來五年的復合年增長率(CAGR)估計為兩位數。在新冠大流行期間突出的生物制藥瓶頸進一步加速了這一趨勢,吸引了許多政府投資以推動發展。人們普遍預計這種勢頭將在未來十年繼續下去。