生物制药连续生产对环境的影响是什么

6/6生物制药连续生产对环境的影响是什么？连续生产为生物制药的未来提供了许多诱人的机会，从更高的效率到更低的成本，再到提高工艺的可放大性。许多令人兴奋的新技术正在被研究用于以连续形式进行生物药的上游生产和下游纯化。虽然目前还没有商业化的生物药采用完全连续的工艺，并且仍然存在许多技术挑战，但在灌流生物反应器的使用以及以连续形式执行的下游单元操作的策略方面都取得了许多成功。除了将生物生产工艺转变为完全连续工艺的技术挑战，实施该技术还有其它挑战，从风险逆境（例如，不想承担将使用中的批次工艺转换为连续工艺的风险）到监管不确定性，再到数据分析与集成挑战。生物制药连续生产(BCM)的一个经常被忽视的方面是与类似的批次工艺相比，它对环境的影响。人们普遍认为，生产模式的选择会对环境和地球健康产生直接影响，尽管已经做出了一些努力来量化生物制药生产对环境的直接影响，并比较批次与BCM工艺，但对这一主题的彻底评估是必要的，因为目前对BCM系统各个组件的影响的零碎理解可能会导致关于其对环境影响的错误信息。例如，在BCM工艺中对一次性生产设备（一次性技术，或SUT）的严重依赖可能会让人产生这样的印象，即它们比同类批次工艺更不可持续，即使耗材只是整体环境影响的一小部分。在本文中，我们将以单克隆抗体(mAb)为例，回顾与固定设施批次生产工艺相比，使用BCM工艺的灵活设施对环境影响的一些已发表内容（图1）。图1.上图描绘了使用SUT的BCM工艺，而下图描绘了具有类似产量输出的mAb固定设施批次生产工艺。图标旨在表示工艺的输入和输出量，包括材料、能源、水、最终产品和废物流。评估生产工艺的环境影响有许多因素会影响生物生产过程对环境的影响，包括水和电的使用方式、生产设施的物理足迹以及工艺的效率。行业已经努力开发了对生物生产过程的环境影响的定量评估方法。工艺质量强度(PMI)是用于评估生产过程效率的指标（表1）。该指标评估生产1kg输出材料所需的工艺的总质量输入（以kg为单位），虽然它不考虑一个工艺的所有环境影响，但可以作为两个相似工艺之间的初始比较。使用发酵罐或生物反应器的生物生产工艺的PMI明显高于用于生产小分子活性药物成分(API)的工艺。小分子API工艺的平均PMI为100至200kg/kg。而据估计，平均而言，生产1kgmAb输出需要7,700kg输入。此输入包括用于制备培养基和缓冲液的水、原材料以及生产工艺中使用的任何其它耗材。然而，PMI用作对环境影响的评估时的一个弱点是，它没有考虑生产过程中未直接使用的其它因素，例如用于清洁设备的水、用于为设施供电的电力或生产过程中产生的废物。因此，需要其它的指标来解释这些环境影响因素。表

1.

环境影响指标指标考量批次vs.BCM(SUT)工艺质量强度(PMI)输入材料生产1kg输出的总质量。只考虑一个工艺的输入和输出，而不考虑能源使用和其它环境因素。批次mAb工艺=7,700kg/kg。BCM可以将mAb工艺的PMI降低23%生命周期评估(LCA)量化工艺在整个生命周期内对环境的影响，并考虑三个阶段：供应链阶段、使用阶段和生命结束阶段。在工艺的整个生命周期中需要大量的数据。大部分的影响发生在使用阶段，水的消耗，特别是在CIP/SIP，是主要的因素。使用SUT的BCM工艺不需要CIP/SIP。累积能源需求(CED)整个生命周期的能源需求，包括整个工艺生命周期消耗的能源的生产和分配。不包括物料输入或产生的固体废物大部分的影响发生在使用阶段。使用SUT的工艺比固定设施不锈钢工艺总体CED低32%。全球变暖潜能值(GWP)包括《京都议定书》规定的100年内所有温室气体。不包括物料输入或产生的固体废物。一般来说，反映CED。2000LmAbSUT工艺每公斤mAb排放22.7吨二氧化碳。回收利用可减少约10%。与固定设施不锈钢工艺相比，SUT的整体GWP低34%。用于测量环境影响的其它更具包容性的方法包括生命周期评估

(LCA)、累积能源需求(CED)和全球变暖潜能值(GWP，表1)。这些影响测量包括了其它因素，故而超出了PMI的限制。LCA考虑了与工艺相关的历史数据，但评估较为费时费力，需要更多的环境影响数据。LCA

可用于检查从原材料提取到废物处理的整个过程对工艺生命周期的环境影响。LCA研究要求明确定义系统边界，涵盖工艺的整个生命周期，编制一份清单，该清单需考虑一系列类别的环境影响，包括材料和能源利用。这种类型的评估可用于比较可能具有相似PMI、但对环境的总体影响却大不相同的两个工艺的环境影响。其它测量，如CED和GWP，也考虑了工艺的生命周期阶段。这些分析分为三个阶段，包括供应链阶段、使用阶段（实际生产，包括在线清洁/灭菌[CIP/SIP]）和报废阶段，其中包括耗材的处置以及耐用组件的再利用和回收。这些环境影响的各种测量都可以用于评估生产工艺的整体环境影响。无处不在的水水是批次生物生产工艺对环境影响的最大影响因素。生物药中的用水量是小分子生产中用水量的100倍以上，并且可能占此类工艺的PMI的90%以上。据估计，典型的20,000L批次mAb生产工厂一年可以使用超过150万加仑的水。目前，下游纯化操作的层析步骤直接消耗了生产过程中最多的水。事实上，一项研究计算出单克隆抗体中的所有层析步骤消耗了抗体整体生产过程的62%的水，通过将层析步骤从三个减少到两个，该工艺的PMI可降低50%以上。在上游生产方面，用于细胞生长（在大型设施中可能是数万升）包含大部分直接用于这部分工艺的水。用于维持许多生物反应器生长温度的蒸汽加热加剧了上游用水量。上游工艺中直接用水的第二大贡献者是种子培养/生物反应器，用水而占总PMI的18%。此外，增加生物反应器的尺寸并不一定会导致整体PMI下降，因为趋势是大型生产罐的PMI更高。除了对生物药生产用水的PMI有直接贡献外，还有大量的水用于清洗和消毒批次生产中使用的设备。不锈钢重复使用设备需要在批次或活动之间进行大量清洗，然后必须进行蒸汽灭菌(CIP/SIP)。清洗过程需要大量的各种清洁剂，然后是多次用水冲洗。之后用更多的水进行蒸汽灭菌。CIP/SIP操作在不锈钢设施的用水需求中占主导地位，占该工艺的GWP和CED的40%。生物药生产工艺也使用注射用水(WFI)，这是高度资源密集型的生产。市政用水经过软化、过滤，然后进行反渗透。然后进行紫外光处理和连续去离子处理，以生产纯化水，然后进行蒸馏以生产WFI。一项研究使用1.41的转换因子来计算WFI与市政用水相比的PMI贡献，即与进入工厂的水相比，生产WFI所需的资源要多41%，而且与同等的BCM工艺相比，批次工艺往往使用更多的WFI。BCM工艺通常比批次工艺需要更少的水。在25-L批次模式工艺和25-L连续模式工艺的头对头比较中，BCM工艺中的缓冲液量显著减少。例如，与同等批次操作相比，BCM工艺中的ProteinA捕获步骤减少了95%的填料体积和44%的缓冲液消耗。流穿层析法是一个非常适合连续操作的工艺步骤，它还可以通过消除层析基质的漂洗和洗脱需要来大大降低缓冲液的利用量。使用膜层析法，而不是更传统的填料柱层析法，可以进一步减少工艺中缓冲液的使用，BCM工艺非常适合使用膜层析技术。事实上，BCM中的某些单元操作可能比相当的批次工艺操作消耗的缓冲液少90%。然而，在上游生产过程中，BCM工艺与批次工艺的用水量可能存在权衡。BCM中使用的灌流生物反应器比批次反应器需要更多的培养基，但这可以通过培养基优化以及在N-1阶段使用灌流生物反应器来抵消（N-1

灌流是指在生产生物反应器（N）之前步骤中的细胞生长强化，以增加密度并缩短生产反应器的培养时间）。以N-1阶段获得的更高的细胞密度接种生产生物反应器（N），可使生产生物反应器的细胞达到最佳密度并更快地以最大限度进行mAb生产，从而节省时间和培养基。BCMmAb工艺的最后一步也可能比标准批次洗滤中使用的缓冲液消耗明显更高，从而在一定程度上降低了BCM的环境优势。在后文中，将介绍BCM结合使用一次性技术（SUT）时的额外环境优势，其不需要CIP/SIP活动，进一步降低了工艺