生物制藥連續(xù)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響

生物制藥連續(xù)生產(chǎn)(BCM)的一個(gè)經(jīng)常被忽視的方面是與類(lèi)似的批次工藝相比，它對(duì)環(huán)境的影響。人們普遍認(rèn)為，生產(chǎn)模式的選擇會(huì)對(duì)環(huán)境和地球健康產(chǎn)生直接影響，盡管已經(jīng)做出了一些努力來(lái)量化生物制藥生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的直接影響，并比較批次與BCM工藝，但對(duì)這一主題的徹底評(píng)估是必要的，因?yàn)槟壳皩?duì)BCM系統(tǒng)各個(gè)組件的影響的零碎理解可能會(huì)導(dǎo)致關(guān)于其對(duì)環(huán)境影響的錯(cuò)誤信息。例如，在BCM工藝中對(duì)一次性生產(chǎn)設(shè)備（一次性技術(shù)，或SUT）的嚴(yán)重依賴可能會(huì)讓人產(chǎn)生這樣的印象，即它們比同類(lèi)批次工藝更不可持續(xù)，即使耗材只是整體環(huán)境影響的一小部分。在本文中，我們將以單克隆抗體(mAb)為例，回顧與固定設(shè)施批次生產(chǎn)工藝相比，使用BCM工藝的靈活設(shè)施對(duì)環(huán)境影響的一些已發(fā)表內(nèi)容（圖1）。圖1.上圖描繪了使用SUT的BCM工藝，而下圖描繪了具有類(lèi)似產(chǎn)量輸出的mAb固定設(shè)施批次生產(chǎn)工藝。圖標(biāo)旨在表示工藝的輸入和輸出量，包括材料、能源、水、最終產(chǎn)品和廢物流。Part1評(píng)估生產(chǎn)工藝的環(huán)境影響

有許多因素會(huì)影響生物生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響，包括水和電的使用方式、生產(chǎn)設(shè)施的物理足跡以及工藝的效率。行業(yè)已經(jīng)努力開(kāi)發(fā)了對(duì)生物生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境影響的定量評(píng)估方法。工藝質(zhì)量強(qiáng)度(PMI)是用于評(píng)估生產(chǎn)過(guò)程效率的指標(biāo)（表1）。該指標(biāo)評(píng)估生產(chǎn)1kg輸出材料所需的工藝的總質(zhì)量輸入（以kg為單位），雖然它不考慮一個(gè)工藝的所有環(huán)境影響，但可以作為兩個(gè)相似工藝之間的初始比較。使用發(fā)酵罐或生物反應(yīng)器的生物生產(chǎn)工藝的PMI明顯高于用于生產(chǎn)小分子活性藥物成分(API)的工藝。小分子API工藝的平均PMI為100至200kg/kg。而據(jù)估計(jì)，平均而言，生產(chǎn)1kgmAb輸出需要7,700kg輸入。此輸入包括用于制備培養(yǎng)基和緩沖液的水、原材料以及生產(chǎn)工藝中使用的任何其它耗材。然而，PMI用作對(duì)環(huán)境影響的評(píng)估時(shí)的一個(gè)弱點(diǎn)是，它沒(méi)有考慮生產(chǎn)過(guò)程中未直接使用的其它因素，例如用于清潔設(shè)備的水、用于為設(shè)施供電的電力或生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢物。因此，需要其它的指標(biāo)來(lái)解釋這些環(huán)境影響因素。表

1.

環(huán)境影響指標(biāo)指標(biāo)考量批次vs.BCM(SUT)工藝質(zhì)量強(qiáng)度(PMI)輸入材料生產(chǎn)1kg輸出的總質(zhì)量。只考慮一個(gè)工藝的輸入和輸出，而不考慮能源使用和其它環(huán)境因素。批次mAb工藝=7,700kg/kg。BCM可以將mAb工藝的PMI降低23%生命周期評(píng)估(LCA)量化工藝在整個(gè)生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境的影響，并考慮三個(gè)階段：供應(yīng)鏈階段、使用階段和生命結(jié)束階段。在工藝的整個(gè)生命周期中需要大量的數(shù)據(jù)。大部分的影響發(fā)生在使用階段，水的消耗，特別是在CIP/SIP，是主要的因素。使用SUT的BCM工藝不需要CIP/SIP。累積能源需求(CED)整個(gè)生命周期的能源需求，包括整個(gè)工藝生命周期消耗的能源的生產(chǎn)和分配。不包括物料輸入或產(chǎn)生的固體廢物大部分的影響發(fā)生在使用階段。使用SUT的工藝比固定設(shè)施不銹鋼工藝總體CED低32%。全球變暖潛能值(GWP)包括《京都議定書(shū)》規(guī)定的100年內(nèi)所有溫室氣體。不包括物料輸入或產(chǎn)生的固體廢物。一般來(lái)說(shuō)，反映CED。2000LmAbSUT工藝每公斤mAb排放22.7噸二氧化碳。回收利用可減少約10%。與固定設(shè)施不銹鋼工藝相比，SUT的整體GWP低34%。用于測(cè)量環(huán)境影響的其它更具包容性的方法包括生命周期評(píng)估

(LCA)、累積能源需求(CED)和全球變暖潛能值(GWP，表1)。這些影響測(cè)量包括了其它因素，故而超出了PMI的限制。LCA考慮了與工藝相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)，但評(píng)估較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，需要更多的環(huán)境影響數(shù)據(jù)。LCA

可用于檢查從原材料提取到廢物處理的整個(gè)過(guò)程對(duì)工藝生命周期的環(huán)境影響。LCA研究要求明確定義系統(tǒng)邊界，涵蓋工藝的整個(gè)生命周期，編制一份清單，該清單需考慮一系列類(lèi)別的環(huán)境影響，包括材料和能源利用。這種類(lèi)型的評(píng)估可用于比較可能具有相似PMI、但對(duì)環(huán)境的總體影響卻大不相同的兩個(gè)工藝的環(huán)境影響。其它測(cè)量，如CED和GWP，也考慮了工藝的生命周期階段。這些分析分為三個(gè)階段，包括供應(yīng)鏈階段、使用階段（實(shí)際生產(chǎn)，包括在線清潔/滅菌[CIP/SIP]）和報(bào)廢階段，其中包括耗材的處置以及耐用組件的再利用和回收。這些環(huán)境影響的各種測(cè)量都可以用于評(píng)估生產(chǎn)工藝的整體環(huán)境影響。Part2、無(wú)處不在的水

水是批次生物生產(chǎn)工藝對(duì)環(huán)境影響的最大影響因素。生物藥中的用水量是小分子生產(chǎn)中用水量的100倍以上，并且可能占此類(lèi)工藝的PMI的90%以上。據(jù)估計(jì)，典型的20,000L批次mAb生產(chǎn)工廠一年可以使用超過(guò)150萬(wàn)加侖的水。目前，下游純化操作的層析步驟直接消耗了生產(chǎn)過(guò)程中最多的水。事實(shí)上，一項(xiàng)研究計(jì)算出單克隆抗體中的所有層析步驟消耗了抗體整體生產(chǎn)過(guò)程的62%的水，通過(guò)將層析步驟從三個(gè)減少到兩個(gè)，該工藝的PMI可降低50%以上。在上游生產(chǎn)方面，用于細(xì)胞生長(zhǎng)（在大型設(shè)施中可能是數(shù)萬(wàn)升）包含大部分直接用于這部分工藝的水。用于維持許多生物反應(yīng)器生長(zhǎng)溫度的蒸汽加熱加劇了上游用水量。上游工藝中直接用水的第二大貢獻(xiàn)者是種子培養(yǎng)/生物反應(yīng)器，用水而占總PMI的18%。此外，增加生物反應(yīng)器的尺寸并不一定會(huì)導(dǎo)致整體PMI下降，因?yàn)橼厔?shì)是大型生產(chǎn)罐的PMI更高。除了對(duì)生物藥生產(chǎn)用水的PMI有直接貢獻(xiàn)外，還有大量的水用于清洗和消毒批次生產(chǎn)中使用的設(shè)備。不銹鋼重復(fù)使用設(shè)備需要在批次或活動(dòng)之間進(jìn)行大量清洗，然后必須進(jìn)行蒸汽滅菌(CIP/SIP)。清洗過(guò)程需要大量的各種清潔劑，然后是多次用水沖洗。之后用更多的水進(jìn)行蒸汽滅菌。CIP/SIP操作在不銹鋼設(shè)施的用水需求中占主導(dǎo)地位，占該工藝的GWP和CED的40%。生物藥生產(chǎn)工藝也使用注射用水(WFI)，這是高度資源密集型的生產(chǎn)。市政用水經(jīng)過(guò)軟化、過(guò)濾，然后進(jìn)行反滲透。然后進(jìn)行紫外光處理和連續(xù)去離子處理，以生產(chǎn)純化水，然后進(jìn)行蒸餾以生產(chǎn)WFI。一項(xiàng)研究使用1.41的轉(zhuǎn)換因子來(lái)計(jì)算WFI與市政用水相比的PMI貢獻(xiàn)，即與進(jìn)入工廠的水相比，生產(chǎn)WFI所需的資源要多41%，而且與同等的BCM工藝相比，批次工藝往往使用更多的WFI。BCM工藝通常比批次工藝需要更少的水。在25-L批次模式工藝和25-L連續(xù)模式工藝的頭對(duì)頭比較中，BCM工藝中的緩沖液量顯著減少。例如，與同等批次操作相比，BCM工藝中的ProteinA捕獲步驟減少了95%的填料體積和44%的緩沖液消耗。流穿層析法是一個(gè)非常適合連續(xù)操作的工藝步驟，它還可以通過(guò)消除層析基質(zhì)的漂洗和洗脫需要來(lái)大大降低緩沖液的利用量。使用膜層析法，而不是更傳統(tǒng)的填料柱層析法，可以進(jìn)一步減少工藝中緩沖液的使用，BCM工藝非常適合使用膜層析技術(shù)。事實(shí)上，BCM中的某些單元操作可能比相當(dāng)?shù)呐喂に嚥僮飨牡木彌_液少90%。然而，在上游生產(chǎn)過(guò)程中，BCM工藝與批次工藝的用水量可能存在權(quán)衡。BCM中使用的灌流生物反應(yīng)器比批次反應(yīng)器需要更多的培養(yǎng)基，但這可以通過(guò)培養(yǎng)基優(yōu)化以及在N-1階段使用灌流生物反應(yīng)器來(lái)抵消（N-1

灌流是指在生產(chǎn)生物反應(yīng)器（N）之前步驟中的細(xì)胞生長(zhǎng)強(qiáng)化，以增加密度并縮短生產(chǎn)反應(yīng)器的培養(yǎng)時(shí)間）。以N-1階段獲得的更高的細(xì)胞密度接種生產(chǎn)生物反應(yīng)器（N），可使生產(chǎn)生物反應(yīng)器的細(xì)胞達(dá)到最佳密度并更快地以最大限度進(jìn)行mAb生產(chǎn)，從而節(jié)省時(shí)間和培養(yǎng)基。BCMmAb工藝的最后一步也可能比標(biāo)準(zhǔn)批次洗濾中使用的緩沖液消耗明顯更高，從而在一定程度上降低了BCM的環(huán)境優(yōu)勢(shì)。在后文中，將介紹BCM結(jié)合使用一次性技術(shù)（SUT）時(shí)的額外環(huán)境優(yōu)勢(shì)，其不需要CIP/SIP活動(dòng)，進(jìn)一步降低了工藝的總耗水量。如前文所述，與批次工藝相比，BCM工藝可以大大提高產(chǎn)能和工藝效率，而這些因素與用水量成反比。該工藝越高效，生產(chǎn)1kg最終產(chǎn)品所需的水就越少。在考慮工藝的總耗水量時(shí)，與固定設(shè)施批