特约专栏| 2022年8月22日

生物制药连续生产对环境有什么影响?第二部分

作者:约翰·f·科凯-昆,USP

一些- 958709520

第1部分在这两部分的系列中,我们开始比较生物制药连续生产(BCM)和生物批量生产对环境的影响。我们研究了用于评估环境影响的各种指标,并研究了在这种影响中扮演重要角色的水的使用。在本系列的第二部分中,我们将考虑过程效率、一次性使用技术(SUT)和设施要求,并将BCM与固定设施中的批量制造进行比较和对比。

流程效率

显而易见,更高效的制造过程可以降低对环境的影响,BCM本质上比批处理更高效。1、2这种效率从上游生产操作开始。如本系列第1部分所述,在细胞培养的N-1阶段使用灌注生物反应器,通过向生产反应器中引入更高密度的活细胞,从而启动生产过程。2一般来说,灌注生物反应器可以提高最终产品的效价,并减少从生物反应器中流出的不必要的物质(例如,死亡细胞、宿主细胞蛋白质和其他与过程相关的杂质)。在一项研究中,料批工艺的整体工艺质量强度(PMI)为2737,而使用灌注生物反应器代替料批生物反应器的类似工艺的整体工艺质量强度(PMI)为2105,整体PMI降低了23%。3.

除了在制造过程中引入灌注反应器对环境的直接影响外,BCM还将整个环境影响从上游过程转移到下游过程。在已建立的单抗工艺中,当灌注生物反应器取代饲料批次生物反应器,并将相应的下游净化转换为半连续时,该工艺对整体PMI的相关贡献发生了转移。在进料间歇工艺中,下游净化工艺占PMI的54%,上游工艺占32%,而在BCM工艺中,下游工艺占PMI的34%,上游工艺占47%,反映了灌注反应器中介质使用的增加。2、3灌注反应器中介质使用量的增加被这些反应器生产力的提高所抵消。当比较使用批次、喂食批次和灌注细胞生长模式生物反应器获得的单抗滴度时,使用PER。在C6细胞表达体系中,这些技术的产量分别高达0.5、8.0和27 g/L。4因此,虽然随着灌注生物反应器的使用,PMI可能会向上游过程转移,但这被生产的产品效价的增加所抵消,这降低了该过程的总体PMI。

除了在上游工艺中生产更多的起始物料外,BCM在净化物料方面的效率也比批处理工艺高(尽管,完全BCM工艺从上游到下游部分的过渡仍然是该技术的技术挑战之一)。2典型的单抗纯化过程包括四个单元操作,包括蛋白A捕获、病毒失活、通过阴离子交换的流程和某种抛光色谱步骤(如阳离子交换)BCM流程经常使用多个列,其中包含一系列连接的相同矩阵。1、5第一列是重载的,随后的列捕获溢出。这使得工艺在更短的停留时间内实现更高的加载能力,从而提高效率,通常使用更少的柱树脂和缓冲。1、5由于产品的起始浓度较高,加上所使用的色谱柱的容量增加,BCM工艺通常会导致整体较低的样品稀释度,这可以减少或消除对额外浓缩步骤的需要。1例如,与类似的批处理过程相比,BCM柱结构的蛋白质再折叠过程的体积生产率提高了53倍,缓冲液消耗减少了90%,浓度提高了4.5倍。1将灌注反应器与多柱下游连续流动操作相结合的重组抗体全连续工艺,与类似的间歇工艺相比,生产率提高了6倍,而另一种单抗BCM工艺减少了所需的树脂体积95%,缓冲液消耗44%。1灌注反应器中起始物料产量的增加,加上下游BCM净化过程中效率的提高和产品稀释的减少,导致了一个更有效的过程,用更少的资源生产更多的产品。

关于工艺效率需要考虑的另一点是,更高效的工艺也会减少生产后需要处理和适当处理的废物。高pH值和低pH值缓冲液在被释放到城市废物流之前需要中和,危险化学品需要被隔离和储存以进行适当处理。从定义上讲,更高效的生产过程生产更多的产品,浪费更少,对环境的影响更小。此外,如果BCM过程得到充分的控制,而不是由于制造过程中的故障而丢弃整个批次,可能会转移生产流程,直到问题解决,然后继续加工,从而节省材料和资源。5

但是所有的塑料怎么办呢?

虽然SUT当然可以用于批量生产,但BCM与SUT紧密相关,包括预包装的一次性色谱柱(通常在丢弃前多次重复使用)、细胞袋、过滤器和连接器。与传统的固定不锈钢工艺相比,这些一次性工艺技术在灵活性和易用性方面具有一些优势,这对BCM工艺的开发非常重要。正如本系列第1部分所讨论的,SUT还减少或消除了大量就地清洁/就地消毒(CIP/SIP)活动的需要。6虽然一次性制造材料对环境肯定有负面影响,但当这些影响贯穿整个流程时,它们的影响远不及固定不锈钢设施所使用的资源。6使用SUT的2000 l mAb通用工艺的全球变暖潜能值(GWP)为每公斤原料药22.7吨二氧化碳,其中大部分影响发生在该工艺的使用阶段。考虑到使用寿命结束阶段的环境足迹,SUT材料的处理,通常通过焚烧或回收,是非常小的,对任何影响类别的贡献最多为3%。7在另一项研究中,对比了SUT与固定设施在2000升规模下的10批次单抗活动(单抗滴度为6 g/L), SUT过程的累积能源需求(CED)和GWP分别比固定设施过程低38%和34%,主要是由于减少了水和能源的使用。6对SUT影响的任何检查还应包括进出设施的部件的运输(对于固定设施的设备一般只需要一次)和为灭菌目的对SUT进行辐照的要求。SUT的供应链需求仅略高于固定设施,占整个设施生命周期影响的不到1%。3.此外,固定设施中的耐用设备的预期寿命为~10年,之后也必须更换,这可能比定期更换SUT的环境成本高得多。6

某些SUT的另一个优点,如一次性使用的膜过滤器,是它们不需要使用腐蚀性化学品和其他苛刻的处理,在每次使用后清洁和消毒设备和树脂,而可重复使用的柱是必需的。例如,0.1 M到1m的氢氧化钠溶液可用于清洁、消毒和储存色谱柱树脂。8这些清洁溶液在丢弃之前必须中和。用SUT替换可重复使用的树脂,如层析膜,进一步减少了需要处理的污水,然后才可以排放到城市废物流。

设备需求

除了用于生产和净化产品的设备之外,还必须考虑物理设施本身对环境的影响。设计用于生产生物药品的固定设施需要多年的时间和大量的专门材料来建造,而且如果在设计时没有考虑到灵活性,就很难更改以生产不同的产品。5这些类型的设施可能相当大,需要专门的供暖、空调和通风系统(HVAC),以保持适当的空气质量和气候控制过程的每个阶段。此外,固定设施批处理过程通常包括船舱步骤,需要适当大的船舱容器,这些容器需要在受控环境中适当维护,这也有助于设施的尺寸和能源需求。5这种固定设施的能源需求是相当可观的,这将大大增加这种设施的CED和GWP,但改用SUT可以减少38%的影响。6固定生物处理设施中用于暖通空调的能源估计占该设施总能源需求的65%。9设施内的空间类别或等级越高,能源消耗就越大,每层面积的平均能源消耗为47千瓦时/米,这也许并不奇怪2B类空间为854千瓦时/平方米。9相比之下,BCM流程通常是封闭系统,需要较少的环境控制来保持区域分类,因此消耗较少的能源。1还应指出的是,一个设施的二氧化碳排放水平是能源需求的函数,进一步有助于设施的环境影响。9

为适应SUT和BCM而设计的灵活设施可以比固定设施更小,对环境的影响更小。3.BCM通常比批处理更有效,因此在生产相同数量的材料时需要更小的物理占用。1、2此外,使用SUT的BCM流程在设计上是封闭系统,不太容易受到设施空气质量的影响,因此由于对整个设施保持一定空气质量的要求更少,因此影响更小。7还可以显著减少BCM过程中所需的消耗品,如介质、缓冲液和树脂,这进一步等同于减少了设备占地面积,因为存储和保持要求减少了。5BCM工艺还得益于缺乏保持步骤,因此无需在设施中使用储罐。5就设施和环境影响而言,还有其他一些因素更难量化,包括人工操作人员。在这里,BCM也可以提供一些好处,因为它通常需要更少的操作员和维护人员来运行流程和维护设施,以及更少的资源来构建设施。2BCM流程还具有使用相同设备的灵活性和可扩展性的额外好处。可以在将用于商业生产批次的相同设备上开发和验证工艺。2当工艺准备扩大规模时,可以简单地延长BCM工艺的运行时间,以增加材料的产量。这节省了从开发规模到商业规模的批量生产过程的工作量和对环境的影响,并消除了对试验设施的需要。

结论

在考虑将BCM作为批量制造的替代方案时,降低对环境的影响可以添加到BCM的优势列表中。正如本系列的第1部分所讨论的,水的使用在固定批量生产设施的环境影响中占主导地位,不仅是在生长介质和缓冲液的生产中,而且在CIP/SIP操作和这些过程中使用的WFI的生产中更是如此。BCM的更高效率,加上SUT的使用,大大减少了这一过程所需的水。BCM工艺还往往会产生更小的废物流,需要在处置前进行处理。3.BCM设施比固定设施更小,需要的环境控制更少,进一步减少了对环境的影响。此外,BCM工艺和设施的灵活性使生产更加高效,进一步节约资源。随着BCM技术的改进和商业化生物加工的实施,可能会实现环境影响方面的额外效益,在决定在生物疗法生产中使用BCM时应考虑到这些。

由于BCM对生物制造的未来的重要性,美国药典(USP)和BioPhorum正在组织生物制剂连续生产联合讲习班将于12月7日和8日在马里兰州罗克维尔举行。

参考文献

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关于作者:

John F. Kokai-Kun博士是美国药典外部科学合作主任。他获得了匹兹堡大学医学院微生物学博士学位,并在药物开发方面有20多年的经验。他曾在几家生物技术和制药公司担任不同职位,在那里他的研发工作主要集中在生物制剂和疫苗。Kokai-Kun也是卫生科学统一服务大学微生物学和免疫学的兼职助理教授,已从美国陆军退役。