用于mAb收获澄清的高度集成化混合式工艺系统
用于 2?000?L 一次性生物反应器的澄清收获系统——需要一次性使用技术与不锈钢技术紧密结合。目前大多数案例均采用了自行设计的设备集成方式。然而，巧妙地应用混合式系统设计，完美地 结合不锈钢技术和一次性使用技术才是更好的解决方案。同时，用户可以借助供应商的技术资源 进一步降低系统运行过程中的风险。
近年来，随着对单克隆抗 体 (monoclonal antibody, mAb) 商业化产能需求 的不断提升，新建商业化设施项目越来越多。其中大多数项目都采用了一次性使用设备，因为一次性使用技术能够提供高度的灵活性，使得这些设施能够兼容不同产品的生产工艺。大多数项目 采用了2 000 L 规模的生物反应 器，这是目前生物制药行业的普 遍标准。2 000 L 一次性生物反应 器也是当前已成功投产的最大规模的案例。一条下游纯化生产线 可以同时满足多达4 台 2 000 L 生 物反应器交替生产所需的纯化产 能。按照典型的批次培养周期为 2 周计算，每周可以完成2 个生产 批次的收获操作。
由于这些项目在收获工序都不可避免地引入了不锈钢设备，因此，这些宣称为一次性的生产设施实际采用的仍然是混合 式（Hybrid）系统[1]。几乎所有 生物反应器规模为 2 000 L 的生产 设施都是如此，因为收获和初步澄清环节常采用离心机来完成离心工艺，而离心机是不锈钢设备。2 000 L 生物反应器的料液收获工 序通常采用离心技术，因为其运行成本较低，且工艺开发相对简 单 [2]。
图 1 常见设备集成方式的简化工艺流程图。红色表示所有一次性设备 / 部件 / 管路，蓝色表示所有不锈钢设备 / 部 件 / 管路。洁净公用工程缩写 WFI 指注射用水（Water for Injection），所有对接均为卡箍快装接头
主要设备之间通过软管来连接对于软管的排布也提出了很高的要求，因为细胞培养间、收获间、纯化间之间的距离可能较远而且存在穿墙操作。另外，深层过滤 器在使用前需要用WFI进行高流 量冲洗，这可能会导致泵吸入侧的软管因负压而被吸瘪。按图示中的集成方式，设备之间的连接是开放式操作，这通常也是需要避免的。
以上所描述的简单集成系统需要许多手动操作，自动化程度非常有限，这不符合商业化生产系统的期望。最后需要指出的是，以上这种设备集成方式只能由用户自己去设计和实现，其中包括与各供应商之间的沟通和协调，这也是一项非常繁杂冗长的任务。
巧妙的工艺设计
高度集成化的单抗收获澄清系统概念如详细工艺流程图（图 2）所示，它恰当地应用了混合式 集成技术，克服了自行设计集成方式的问题，并具有额外的优点。它的基本概念基于以下三个原则：
● 将离心机的CIP罐独立出 来成为一个工艺罐，并将它用于其它用途；
● 延长离心机的不锈钢进液和出液管路，从而作为从一次性生物反应器至一次性 收获袋之间的不锈钢转移管路；
● 通过 Steam-To阀作为卫生 级接口，连接一次性使用组件（袋子、过滤器）与不锈钢转移管路。
图 2 集成化杂合系统的详细工艺流程图。红色表示所有一次性设备/ 部件/ 管路，蓝色表示所有不锈钢设备/ 部 件 / 管路。洁净公用工程缩写 WFI 指注射用水（Water for Injection）， PW 指纯化水（Puri?ed Water）， PS 指纯蒸汽 （Pure Steam）。所有固定不锈钢管路均具有 CIP/SIP功能，所有一次性和不锈钢系统对接均为功能性密闭连接，采 用 Steam-To 阀
该集成化收获澄清系统的良好设计必需要考虑到相关的生产工艺和主要设备参数，充分调和以避免造成设计缺陷或过度设计。表 1 总结了该工艺设计中考虑到 的所有参数。这些所选用的参数 适用于GEA的 CSC 20 离心机 [3] 和 Merck 的 Millistak+ Pod 抛弃型 深层过滤系统 [4]。它们是生物行业内常用于单抗收获澄清的两种设备。然而需要说明的是，这些工艺参数也可以类推到其它供应商的相似设备。
遵循以上第一个原则，该工 艺罐首先作为CIP罐用于CIP流 体储存并且通过CIP供给泵输送 至各个待清洗对象。CIP对象不 只是离心机，也包括深层过滤系统和所有的不锈钢转移管路。其次，该罐体也作为缓冲罐，用于平衡离心机和深层过滤系统的流量。该工艺罐的第三个用途是作 为 WFI储罐，用于深层过滤器的 WFI预冲洗。深层过滤器的WFI 冲洗过程需要较高的 WFI 流量（见 表 1）。该工艺罐配置了一台泵，这台泵也有三个用途。该泵被用 作 CIP泵时需要在高流量下运 行，被用作WFI冲洗进液泵时 需在中等流量下运行，被用作过滤进液泵时需在低流量下运 行。四元隔膜泵，如 Quattroflow QF4400S[5]，能够在很宽的流量 范围内运行，很好地满足了上述所有应用需求。
遵循以上第二个原则，收获间的不锈钢料液转移管路向上游延伸至细胞培养间的一次性生物反应器，向下游至纯化间的一次性收获袋。在细胞培养间的转移 管路也将用作离心机CIP时的供 给管路，与离心机一起清洗。离心机下游至纯化间的转移管路在清洗时采用单程冲洗至排水管路的方式。如图2 所示的集成化系统也 能够进行在线蒸汽灭菌（Steaming in Place, SIP），包括离心机、工艺 罐和所有不锈钢转移管路。与常用的设备集成方式相比，以上所述的集成化混合式系统所需的设备更少，但具有更高的自动化水平。更进一步地，如果由同一个供应商来负责工艺罐、深层过滤系统和所有的不锈钢转移管路，项目中的交接面数量就会减少。
图 3 Neumo 公司的 Steam-To 阀，用于一次性和不锈钢系统之间的卫生级连 接。剖视图显示了该阀门的阀芯结构和操作原理。安装图显示了该阀在管 路系统中的正确安装方式，将阀芯与产品管路形成的死角最小化
最新的设备设计
阀环技术的应用使得管路设计非常巧妙，从而实现了同一个工艺罐和工艺泵能够用于三种不同功能。在欧洲，阀环技术的运用是卫生级管路系统中常见的做 法。由 T- 阀和Y- 阀组成的阀环， 能够实现所有料液接触不锈钢管路的完全清洗和排放，无死角和盲端。
遵循以上第三个原则，所有 一次性使用部件 / 管路与不锈钢设 备/管路之间的连接均采用SteamTo 阀。Steam-To 阀有可重复使用 和一次性使用两种形式，如来自 Neumo[6] 的为可重复使用，来自 Merck[7] 的为一次性使用。SteamTo 阀的操作原理如图3 所示。该 阀门与工艺管道之间采用1? ＂ 卫生型卡盘连接，阀芯与流体接触侧形成的盲端距离短（符合 ASPE-BPE死角<2D），满足 CIP和 SIP标准。从而，所有一次性 管路与不锈钢管路之间的对接均可以实现卫生级连接，达到功能 性密闭系统的标准 [8]。在SteamTo 阀与不锈钢管路安装连接后， 阀芯将在关闭状态下被蒸汽灭菌，以确保连接过程的卫生级别，然后才能开始工艺过程。工艺过程 之后，首先关闭 Steam-To阀，然 后清洗不锈钢管路，之后才能断开阀门，以确保阀门拆卸时产品不会暴露于操作环境。
按以上描述的混合式系统方式，深层过滤系统由两部分组成， 具备完整CIP/SIP功能的不锈钢 模块部分，以及抛弃型膜包组件部分。不锈钢模块部分包含了主要的产品流路以及自动化控制所需的仪表和阀门。深层过滤的过滤组件是抛弃型膜包，安装在可 移动的POD膜包夹具[4] 上。所 用的除菌级过滤器为可抛弃型的囊式过滤器，该过滤器也可以安装在靠近收获袋的位置。两种过 滤器均通过 Steam-To阀和软管连 接至不锈钢管路。由于深层过滤系统的尺寸较大，在厂房设计时就必需考虑到占地面积问题，比如生产规模的膜包夹具尺寸约为 220 cm×90 cm（长 × 宽）。图4为上海奥星制药技术装备有限公司设计的一套简洁、紧凑的深层过滤系统，其膜包夹具设计在系统框架结构的下方，这样系统的占地面积大大减少。安装和拆卸膜包时，夹具需要从系统框架下移出来。
图 4 紧凑型设计 的深层过滤系 统， 奥 星 公 司 的 3D 模型。深 层过滤膜包夹具 （Merck Pod）安 装于管路框架下 方并易于移出， 方便进行过滤膜 包的安装和拆卸
结论
当前许多商业化单抗生产项 目采用 2 000 L 规模一次性生物反 应器。在大多数项目中，虽然采用一次性生物反应器，但初步收获澄清是通过离心机离心完成的，而离心机是不锈钢设备。通常由 用户自行完成一次性使用系统 / 部 件与不锈钢系统 / 部件之间的安装 和对接，但这种集成方式是不理想的。
● 将工艺罐设计为多功能罐，收获房间所需设备数量更少；
● 跨房间的料液转移管路为不锈钢管路，不需要每批生产时在房间里操作很长的软管；
● 不锈钢系统更容易满足深 层过滤膜包冲洗时对WFI大用量/ 高流量的需求；
● 所有与产品接触的不锈钢 设备/管路均具有CIP和SIP功能；
● 通过 Steam-To阀进行卫生 级连接，实现了功能性密闭系统；
● 该系统具有高度的自动化水平，仅一次性过滤组件的连接和断开是手动操作；
● 交接面和供应商的数量也降到最少，只需要两个供应商，一个负责离心机，另一个负责工艺罐、深层过滤系统和所有的不锈钢管路。
【参考文献】
[1] Sinclair A., Hybrid Bioprocessing: A Q&A with Andrew Sinclair, Process Development Forum, June 28, 2017.
[2] Schmid R., Wieschelka S., Wagner R., Single-Use Depth Filters, Application in Clarifying Industrial Cell Cultures, Bioprocess International, 2017.01. [3]Purity is key, Pharmaceutical and biotech production with GEA centrifuges, Brochure GEA Germany, 2016.
[4] Millistak+ Pod disposable depth filter system, Data Sheet, Merck KgaA Germany, Ver.10.0, 2018.03.
[5] Expert Solutions for Biopharma Applications, Brochure Quattroflow Fluid Systems Germany, 2018.
[6] "Single seat valve-aseptic"Data Sheet Neumo Germany, https://gb.rieger-ventilevalves.com/Single-Seat-Valve/2-2-26--.html. [7] Lynx ST Connectors, Data Sheet, Merck KgaA Germany, Rev.7, 2018.01. [8] ISPE Baseline? Pharmaceutical Engineering Guide, Volume 6 – Biopharmaceutical Manufacturing Facilities, International Society for Pharmaceutical Manufacturing (ISPE), Second Edition, 2013.12.
文/ Wilfried Kappel，孙仁峰， 乌日图牧仁
