[访GE通用电气生命科学部产品经理徐景辉博士]
徐景辉博士，GE通用电气生命科学部产品经理
PROCESS：一次性使用技术在当前生物制药行业上下游工艺中的应用发展趋势怎样？与传统技术相比，一次性使用技术有什么特点？在经济性方面，是否会额外增加用户的项目投入和生产成本？ 徐景辉：一次性生产工艺技术已成为当今生物制药行业，工艺技术发展的主流和方向。根据最新数据（BioProcess International 10(2)February 2012），2012年全球一次性工艺产品市场份额为6亿5000万美金，并以35%年均复合增长率高速增长，到2017年有望突破28亿美金。目前全球新型生物制药厂房大部分集中在新兴国家，尤其在中国，个人认为中国在一次性工艺方面将会有更高的增长。
图1 全球传统不锈钢生物设备利用率及对原材料成本影响综合分析
过去30年生物技术高速发展，但传统生物工艺确未能为其提供最优化的解决方案，基于传统工艺存在的诸多问题：如初期固定资产投资高（通常初始固定投资需要1~4亿美金）成为许多中小型生物公司的绊脚石；建设工期长（通常需要2~4年）；固定占地面积大；缺乏灵活性。一旦厂房建成，如需改变工艺，或改换新药生产，其改变及重新验证成本极高。目前全球不锈钢细胞培养罐产能已达到了4000t，如果按单克隆抗体表达量2g/L计算，其年产能可达到120t，尽管全球单抗药物市场规模仅10~20t/a，但由于初始传统厂房设计未能得到充分有效利用（如图1所示，平均利用率低于40%），致使许多细胞培养罐闲置浪费，同时也是单抗药物成本价格高昂原因之一；高维护及高温高压灭菌CIP成本；巨大验证要求及投入；潜在工艺污染及操作者安全问题等。
图2 一次性生物工艺与传统不锈钢初始投资成本对比
随着生物技术（尤其蛋白表达量的提高）的发展，多元化市场（客户定制药，及新药多样化和市场较小特点）需求，以及患者对生物药合理价格的渴求，一次性生物工艺技术可以在诸多方面满足综合市场需求，一次性技术既可以解决传统工艺的诸多弊端，还可以为生物工艺带来如下卓越优势：
系统封闭，无菌化连接减除批次间交叉污染；
系统预先灭菌缩短批次间更换时间，进而加速临床及新药上市时间；
一次性系统具有使用灵活性，可以提高设备使用率；
降低生物制药综合成本；
对于生物公司而言，极大降低初始投资风险，一旦计划生物药未能批复，可以较容易进行一次性工艺转换，用于其他药品生产。
图3 一次性和不锈钢生产运行成本比较
在经济性方面，一次性生产工艺技术无论在项目投入和生产成本方面较传统不锈钢都有很大的节省。如图2所示，一次性生物工艺与传统不锈钢对比，在整个初始投资成本上，尽管厂房，工艺，工程，资产各占比例略有不同，但一次性工艺还是比传统工艺在初始投资方面有30%降幅。
也许有人会质疑，是否一次性在生产耗材运行成本上有很大的提升，其实不然。图3把一般生物生产运行成本做了基本比较，包含发酵，纯化材料及耗材，工程配件，QA/QC，水及能源消耗，以及人工成本（人工成本对于发达与发展中国家不同，但所占比例只有8%较低，对整体成本影响不大），所以综合生产耗材运行方面，一次性也比传统工艺有9%的降幅。
图4 标准生物生产厂房规划，和一次性与不锈钢生产车间设计、工艺规划过程及水和能源需求比较
综上所述，一次性生产工艺技术可谓Better (好) Faster (快) Cheaper (省)已成为当今生物制药行业工艺技术发展的主流和方向。
PROCESS：在生物药品生产车间设计、工艺规划过程中，考虑到一次性使用技术的应用，应该注意哪些方面的问题，其验证过程与传统工艺有哪些不同?
徐景辉：不管采用一次性还是传统不锈钢工艺，厂房规划及占地面积上大致相似，如图4所示，主要包括行政楼，储藏区域，中央水电系统及生产楼。但在生物药品生产车间设计和水电系统方面，不同工艺要求相差很大。在生产设施上，传统工艺需要额外24%空间，由于一次性工艺运行中，需要一次性耗材在批次间的更换，因此在储藏空间上有更大的需求（额外81%）。毫无疑问，生产设施增加会造成初始投资和运行成本大幅增加，而额外的储存空间对建造及维护成本影响甚小。传统工艺需要管路WFI水和蒸汽，来实现批次间的清洗和灭菌，所以对水电系统有更大的需求。而GE运用其先进的EXCELLEREX的一次性技术为生物制药客户提供的模块化厂房和灵活工厂，其设计更紧凑，使整体面积占用更小，在相同的高标准的质量要求下，总体投资比传统的不锈钢厂房要节省30%。另外，由于运用了一次性GE的模块化厂房对环境的要求大大降低，可适用于各种环境，包括沙漠、绿地、林区边缘等。
图5 GE ReadyMate一次性无菌快接头产品
在验证方面，一次性系统由不同的高分子材料组成并与料液接触，例如：低密度聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、有机硅橡胶等数十种，因此在选材时，例如一次性细胞反应袋或混合搅拌袋，应着重确保供应商已对生物相容性、无菌性、无颗粒物、无热源、溶出物、溢出物及保质期等方面进行了全面的验证。而对与传统工艺而言，批次间无菌清洗验证，对于生物制药生产安全，避免交叉污染，起着至关重要的作用。
PROCESS：针对不同类型的生物药品，如抗体、疫苗、血制、和API的生产，有哪些工艺适合采用一次性使用技术？
徐景辉：一次性技术可以在抗体、疫苗、血制、胰岛素和API等不同工艺中有着广泛的应用潜力，但由于成本原因，某些低附加值生物产品采用一次性技术可能还存在一些成本问题，另外对于原核微生物发酵需要较高压力，一般的一次性细胞培养罐无法满足要求，目前只有GE Xcellerex XDR一次性细胞培养罐可以满足这方面的要求，最大可以做到500L培养规模。但局部采用一次性技术，在不同的生物生产中，可以起到画龙点睛之笔。例如无菌连接技术，制药厂家通常每年要进行25000次无菌连接，一些规模较大的厂家可能每年会超过100000次。
图6 GE一次性整体工艺流程
一次性无菌快接头和无菌焊接机的出现，有效帮助生产企业保证生产过程的无菌性，满足在疫苗生产中来自时间、安全性和经济性上不断提升的压力。GE革新的无菌连接技术ReadyMate缩短了无菌连接的时间:从15min降至20s以内,同时与其他无菌快接头对比有以下卓越优势：
在无控环境下实现无菌连接；
多种尺寸可供选择(1/4”, 3/8”, 1/2”, 3/4”, mini-TC, TC)；
不同尺寸可相互连接；
无性别连接方式基于等同对称连接面设计；
畅通大ID流路设计有效降低压降；
连接简单无需专业培训；
可耐受500kPa压力；
一次性技术在单克隆抗体生产中应用最为广泛，随着行业的发展，越来越多的新厂房建设开始采用完全的一次性工艺技术。GE作为一次性工艺设备的领导者，如今已可以做到最大至2000L的一次性完全整体解决方案。我们的产品无论是上游细胞培养，还是下游一次性纯化，在规模，灵活性，整体性，及综合验证等方面可为客户实现一站式服务。如图5所示，在上游方面，采用当今的盛行的流加工艺，细胞从摇瓶到Wave波浪式生物反应器实现细胞的快速扩增，Wave生物反应器搅拌方式与摇瓶相似，低剪切力，高溶氧，精确的温度，pH，溶氧等控制，为进一步细胞扩容提供了高密度强壮的种子，所以Wave波浪式生物反应器已成为单克隆抗体生产作为种子罐的标准配置。当细胞培养至数十升或上百升，基于其卓越的可放大性，高效喷气及无介入式耦合磁力搅拌方式，GE一次性罐式XDR生物反应器成为最佳选择, 其培养体积最大可至2000L。在收获阶段，一次性深层过滤技术已成为当前标准方式。在下游纯化上，ÄKTAready一次性液相层析系统，设计用于生产规模放大和早期临床阶段的生产。系统为即插即用型操作，一次性的流动路线，因此不需要生产/批次之间的清洗和清洗过程的验证。在项目之间替换流动路线十分简单，且当和ReadyToProcess层析柱一起使用时，去除了交叉污染风险。ÄKTAready系统具有生物兼容性且是清洁的，并符合用于药物研发的Ⅰ到Ⅲ期和全规模生产的所有GLP和cGMP的要求。在最终产品配置及分装上，我们采用了一次性混合搅拌器配合UF/DF操作单元，确保最终产品无菌性。以上只是GE一次性整体解决方案的案例之一，基于一次性工艺技术的灵活性，客户可以自由选择排列不同的一次性产品单元，以实现最优化的现代化的生物制药工艺平台。
图7 GE Xcellerex XDR一次性搅拌罐式生物反应器系列
PROCESS：目前市场上出现了越来越多的一次性使用生物反应器，从工作原理来看有哪些类型？一次性使用反应器也可以像不锈钢罐一样对通气、搅拌、pH、溶氧、取样、补料等参数进行很好的在线监测、记录和控制吗？
徐景辉：一次性生物反应器是实现整体一次性生物生产工艺的关键，也是提高产品表达量，提升整体生产力的驱动力。过去10年间，随着1998年Wave波浪式一次性生物反应器的诞生以及其稳定技术驱动，目前市场上出现了许多不同类型的一次性生物反应器，例如：搅拌罐式，激浪式，气体驱动式，中空纤维式反应器等。在大规模生物生产上，一次性搅拌罐式生物反应器已成为主要应用类型，基于其较容易可放大性，最大培养规模，和传统不锈钢罐的技术相似性。
GE XcellerexXDR一次性搅拌罐式生物反应器（产品线如图7所示）, 从多年生物制药生产实践中量身打造，无论是从规模容量，完整的工艺摸索及可放大性，聚焦GMP标准，还是灵活性上均符合现代化一次性生产要求。以下是一些XDR一次性搅拌罐式生物反应器的卓越优势：
规模容量：10~2000L培养量，最低20%至整罐培养体积，使工艺生产放大更灵活。
完整的工艺摸索及可放大性：完全的工艺参数摸索、预测，即放大可与不锈钢罐相比拟，Xcellerex可以提供工艺放大，建模相关技术支持；Xcellerex利用磁搅拌独特专利技术去除传统机械搅拌泄漏风险及复杂安装过程；整合在下搅拌浆基床上的气体喷射方式排除了气体喷射方向和搅拌方向偏移，同时优化了气体质量转移均匀度，进而极大降低系统复杂性同时提升稳固性。在极低的剪切力下实现最大化的气体质量转移；多种可供选择的气体喷射构建可以支持不同工艺需求(界面/湍流剪切，客户需求，泡沫等)。
聚焦GMP标准：工业级标准的控制系统Rockwell/Allen Bradley with Wonderware HMI/Historian/Programming 专业为生物制药工艺环境设计，同时通过XcellerexFlexFactory灵活工厂平台，可以实现多种选择的自控解决方案；完善的单点式技术支持(硬件设备，机械，及工艺过程)，系统亦可实现远程技术支持；从PLC到放大器，到质量流量计及其它组件，Xcellerex一次性生物反应器可谓在极致中打造而生；美国药典Class VI塑料膜,经全面的验证符合生物制药生产要求；无介入式磁搅拌细胞培养袋极大降低泄漏可能性；至今工艺/细胞培养无任何客户投诉。
灵活性：最低20%至整罐培养体积，使工艺生产放大更灵活；Xcellerex独有的微生物（microbial）一次性生物反应器平台为哺乳动物细胞培养工艺提供了更多的工具（冷凝器、多极搅拌浆、大尺寸过滤器、降低涡流阻隔板）。
综上所述，GE XcellerexXDR是市场上更接近传统不锈钢罐设计的一次性搅拌罐式生物反应器。
