[訪GE通用電氣生命科學部產品經理徐景輝博士]
徐景輝博士，GE通用電氣生命科學部產品經理
PROCESS：一次性使用技術在當前生物制藥行業上下游工藝中的應用發展趨勢怎樣？與傳統技術相比，一次性使用技術有什么特點？在經濟性方面，是否會額外增加用戶的項目投入和生產成本？ 徐景輝：一次性生產工藝技術已成為當今生物制藥行業，工藝技術發展的主流和方向。根據最新數據（BioProcess International 10(2)February 2012），2012年全球一次性工藝產品市場份額為6億5000萬美金，并以35%年均復合增長率高速增長，到2017年有望突破28億美金。目前全球新型生物制藥廠房大部分集中在新興國家，尤其在中國，個人認為中國在一次性工藝方面將會有更高的增長。
圖1 全球傳統不銹鋼生物設備利用率及對原材料成本影響綜合分析
過去30年生物技術高速發展，但傳統生物工藝確未能為其提供最優化的解決方案，基于傳統工藝存在的諸多問題：如初期固定資產投資高（通常初始固定投資需要1~4億美金）成為許多中小型生物公司的絆腳石；建設工期長（通常需要2~4年）；固定占地面積大；缺乏靈活性。一旦廠房建成，如需改變工藝，或改換新藥生產，其改變及重新驗證成本極高。目前全球不銹鋼細胞培養罐產能已達到了4000t，如果按單克隆抗體表達量2g/L計算，其年產能可達到120t，盡管全球單抗藥物市場規模僅10~20t/a，但由于初始傳統廠房設計未能得到充分有效利用（如圖1所示，平均利用率低于40%），致使許多細胞培養罐閑置浪費，同時也是單抗藥物成本價格高昂原因之一；高維護及高溫高壓滅菌CIP成本；巨大驗證要求及投入；潛在工藝污染及操作者安全問題等。
圖2 一次性生物工藝與傳統不銹鋼初始投資成本對比
隨著生物技術（尤其蛋白表達量的提高）的發展，多元化市場（客戶定制藥，及新藥多樣化和市場較小特點）需求，以及患者對生物藥合理價格的渴求，一次性生物工藝技術可以在諸多方面滿足綜合市場需求，一次性技術既可以解決傳統工藝的諸多弊端，還可以為生物工藝帶來如下卓越優勢：
系統封閉，無菌化連接減除批次間交叉污染；
系統預先滅菌縮短批次間更換時間，進而加速臨床及新藥上市時間；
一次性系統具有使用靈活性，可以提高設備使用率；
降低生物制藥綜合成本；
對于生物公司而言，極大降低初始投資風險，一旦計劃生物藥未能批復，可以較容易進行一次性工藝轉換，用于其他藥品生產。
圖3 一次性和不銹鋼生產運行成本比較
在經濟性方面，一次性生產工藝技術無論在項目投入和生產成本方面較傳統不銹鋼都有很大的節省。如圖2所示，一次性生物工藝與傳統不銹鋼對比，在整個初始投資成本上，盡管廠房，工藝，工程，資產各占比例略有不同，但一次性工藝還是比傳統工藝在初始投資方面有30%降幅。
也許有人會質疑，是否一次性在生產耗材運行成本上有很大的提升，其實不然。圖3把一般生物生產運行成本做了基本比較，包含發酵，純化材料及耗材，工程配件，QA/QC，水及能源消耗，以及人工成本（人工成本對于發達與發展中國家不同，但所占比例只有8%較低，對整體成本影響不大），所以綜合生產耗材運行方面，一次性也比傳統工藝有9%的降幅。
圖4 標準生物生產廠房規劃，和一次性與不銹鋼生產車間設計、工藝規劃過程及水和能源需求比較
綜上所述，一次性生產工藝技術可謂Better (好) Faster (快) Cheaper (省)已成為當今生物制藥行業工藝技術發展的主流和方向。
PROCESS：在生物藥品生產車間設計、工藝規劃過程中，考慮到一次性使用技術的應用，應該注意哪些方面的問題，其驗證過程與傳統工藝有哪些不同?
徐景輝：不管采用一次性還是傳統不銹鋼工藝，廠房規劃及占地面積上大致相似，如圖4所示，主要包括行政樓，儲藏區域，中央水電系統及生產樓。但在生物藥品生產車間設計和水電系統方面，不同工藝要求相差很大。在生產設施上，傳統工藝需要額外24%空間，由于一次性工藝運行中，需要一次性耗材在批次間的更換，因此在儲藏空間上有更大的需求（額外81%）。毫無疑問，生產設施增加會造成初始投資和運行成本大幅增加，而額外的儲存空間對建造及維護成本影響甚小。傳統工藝需要管路WFI水和蒸汽，來實現批次間的清洗和滅菌，所以對水電系統有更大的需求。而GE運用其先進的EXCELLEREX的一次性技術為生物制藥客戶提供的模塊化廠房和靈活工廠，其設計更緊湊，使整體面積占用更小，在相同的高標準的質量要求下，總體投資比傳統的不銹鋼廠房要節省30%。另外，由于運用了一次性GE的模塊化廠房對環境的要求大大降低，可適用于各種環境，包括沙漠、綠地、林區邊緣等。
圖5 GE ReadyMate一次性無菌快接頭產品
在驗證方面，一次性系統由不同的高分子材料組成并與料液接觸，例如：低密度聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、有機硅橡膠等數十種，因此在選材時，例如一次性細胞反應袋或混合攪拌袋，應著重確保供應商已對生物相容性、無菌性、無顆粒物、無熱源、溶出物、溢出物及保質期等方面進行了全面的驗證。而對與傳統工藝而言，批次間無菌清洗驗證，對于生物制藥生產安全，避免交叉污染，起著至關重要的作用。
PROCESS：針對不同類型的生物藥品，如抗體、疫苗、血制、和API的生產，有哪些工藝適合采用一次性使用技術？
徐景輝：一次性技術可以在抗體、疫苗、血制、胰島素和API等不同工藝中有著廣泛的應用潛力，但由于成本原因，某些低附加值生物產品采用一次性技術可能還存在一些成本問題，另外對于原核微生物發酵需要較高壓力，一般的一次性細胞培養罐無法滿足要求，目前只有GE Xcellerex XDR一次性細胞培養罐可以滿足這方面的要求，最大可以做到500L培養規模。但局部采用一次性技術，在不同的生物生產中，可以起到畫龍點睛之筆。例如無菌連接技術，制藥廠家通常每年要進行25000次無菌連接，一些規模較大的廠家可能每年會超過100000次。
圖6 GE一次性整體工藝流程
一次性無菌快接頭和無菌焊接機的出現，有效幫助生產企業保證生產過程的無菌性，滿足在疫苗生產中來自時間、安全性和經濟性上不斷提升的壓力。GE革新的無菌連接技術ReadyMate縮短了無菌連接的時間:從15min降至20s以內,同時與其他無菌快接頭對比有以下卓越優勢：
在無控環境下實現無菌連接；
多種尺寸可供選擇(1/4”, 3/8”, 1/2”, 3/4”, mini-TC, TC)；
不同尺寸可相互連接；
無性別連接方式基于等同對稱連接面設計；
暢通大ID流路設計有效降低壓降；
連接簡單無需專業培訓；
可耐受500kPa壓力；
一次性技術在單克隆抗體生產中應用最為廣泛，隨著行業的發展，越來越多的新廠房建設開始采用完全的一次性工藝技術。GE作為一次性工藝設備的領導者，如今已可以做到最大至2000L的一次性完全整體解決方案。我們的產品無論是上游細胞培養，還是下游一次性純化，在規模，靈活性，整體性，及綜合驗證等方面可為客戶實現一站式服務。如圖5所示，在上游方面，采用當今的盛行的流加工藝，細胞從搖瓶到Wave波浪式生物反應器實現細胞的快速擴增，Wave生物反應器攪拌方式與搖瓶相似，低剪切力，高溶氧，精確的溫度，pH，溶氧等控制，為進一步細胞擴容提供了高密度強壯的種子，所以Wave波浪式生物反應器已成為單克隆抗體生產作為種子罐的標準配置。當細胞培養至數十升或上百升，基于其卓越的可放大性，高效噴氣及無介入式耦合磁力攪拌方式，GE一次性罐式XDR生物反應器成為最佳選擇, 其培養體積最大可至2000L。在收獲階段，一次性深層過濾技術已成為當前標準方式。在下游純化上，ÄKTAready一次性液相層析系統，設計用于生產規模放大和早期臨床階段的生產。系統為即插即用型操作，一次性的流動路線，因此不需要生產/批次之間的清洗和清洗過程的驗證。在項目之間替換流動路線十分簡單，且當和ReadyToProcess層析柱一起使用時，去除了交叉污染風險。ÄKTAready系統具有生物兼容性且是清潔的，并符合用于藥物研發的Ⅰ到Ⅲ期和全規模生產的所有GLP和cGMP的要求。在最終產品配置及分裝上，我們采用了一次性混合攪拌器配合UF/DF操作單元，確保最終產品無菌性。以上只是GE一次性整體解決方案的案例之一，基于一次性工藝技術的靈活性，客戶可以自由選擇排列不同的一次性產品單元，以實現最優化的現代化的生物制藥工藝平臺。
圖7 GE Xcellerex XDR一次性攪拌罐式生物反應器系列
PROCESS：目前市場上出現了越來越多的一次性使用生物反應器，從工作原理來看有哪些類型？一次性使用反應器也可以像不銹鋼罐一樣對通氣、攪拌、pH、溶氧、取樣、補料等參數進行很好的在線監測、記錄和控制嗎？
徐景輝：一次性生物反應器是實現整體一次性生物生產工藝的關鍵，也是提高產品表達量，提升整體生產力的驅動力。過去10年間，隨著1998年Wave波浪式一次性生物反應器的誕生以及其穩定技術驅動，目前市場上出現了許多不同類型的一次性生物反應器，例如：攪拌罐式，激浪式，氣體驅動式，中空纖維式反應器等。在大規模生物生產上，一次性攪拌罐式生物反應器已成為主要應用類型，基于其較容易可放大性，最大培養規模，和傳統不銹鋼罐的技術相似性。
GE XcellerexXDR一次性攪拌罐式生物反應器（產品線如圖7所示）, 從多年生物制藥生產實踐中量身打造，無論是從規模容量，完整的工藝摸索及可放大性，聚焦GMP標準，還是靈活性上均符合現代化一次性生產要求。以下是一些XDR一次性攪拌罐式生物反應器的卓越優勢：
規模容量：10~2000L培養量，最低20%至整罐培養體積，使工藝生產放大更靈活。
完整的工藝摸索及可放大性：完全的工藝參數摸索、預測，即放大可與不銹鋼罐相比擬，Xcellerex可以提供工藝放大，建模相關技術支持；Xcellerex利用磁攪拌獨特專利技術去除傳統機械攪拌泄漏風險及復雜安裝過程；整合在下攪拌漿基床上的氣體噴射方式排除了氣體噴射方向和攪拌方向偏移，同時優化了氣體質量轉移均勻度，進而極大降低系統復雜性同時提升穩固性。在極低的剪切力下實現最大化的氣體質量轉移；多種可供選擇的氣體噴射構建可以支持不同工藝需求(界面/湍流剪切，客戶需求，泡沫等)。
聚焦GMP標準：工業級標準的控制系統Rockwell/Allen Bradley with Wonderware HMI/Historian/Programming 專業為生物制藥工藝環境設計，同時通過XcellerexFlexFactory靈活工廠平臺，可以實現多種選擇的自控解決方案；完善的單點式技術支持(硬件設備，機械，及工藝過程)，系統亦可實現遠程技術支持；從PLC到放大器，到質量流量計及其它組件，Xcellerex一次性生物反應器可謂在極致中打造而生；美國藥典Class VI塑料膜,經全面的驗證符合生物制藥生產要求；無介入式磁攪拌細胞培養袋極大降低泄漏可能性；至今工藝/細胞培養無任何客戶投訴。
靈活性：最低20%至整罐培養體積，使工藝生產放大更靈活；Xcellerex獨有的微生物（microbial）一次性生物反應器平臺為哺乳動物細胞培養工藝提供了更多的工具（冷凝器、多極攪拌漿、大尺寸過濾器、降低渦流阻隔板）。
綜上所述，GE XcellerexXDR是市場上更接近傳統不銹鋼罐設計的一次性攪拌罐式生物反應器。
