一次性連接推動無菌工藝發展

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發布時間:2014/2/19 21:11:54大 中 小來源:作者：Colder Products Company生物制程市場業務部John Boehm

連接技術提高了靈活性和可靠性，推動了生物制藥商的成本節約。

當今市場及經濟環境對生物廠商和制藥商開發新藥物的需求，刺激生物制程廠商對各自制程系統進行審查，并尋找可以使處理系統更靈活、更可靠和更具性價比的途徑。越來越多的制造商轉而采用一次性的無菌處理系統，以滿足或超越分秒必爭的產品引進時間要求，并控制成本。

創新的一次性技術使得制藥商們能夠更靈活地用塑料處理方案代替傳統不銹鋼管道、設備以及工藝套件。大量的文章和案例研究都對轉而采用預先消毒一次性系統的好處進行了說明。但是，如果制藥商們無法以安全穩妥的方式連接設備的各個部分以形成一個*無菌的工藝，那么這些好處即不復存在。

連接設備或連接方法可能只是整個系統的一小部分，而連接和斷開管道進行工藝流體傳輸卻是一次性處理的一個重要方面。由于連接器可能是保持一次性生物制程真正無菌的決定性因素，因此制藥商們需要仔細考慮合適的可選方案。

無菌連接方案

生物制藥商們可以通過多種途徑在裝置操作內部或之間建立一個無菌連接。正確的選擇很大程度上取決于各設備的需求和優先選擇。

快速插拔接頭或配件（衛生或魯爾）通常和各種管道型號和尺寸配套使用。當和層流凈化罩一同使用時，這些連接器可以實現快速、簡便和安全的連接。管焊機是和半英寸直徑以及更小的熱塑料彈性管道建立無菌連接的可選方案。這些系統采用經加熱的可換刀片，用于在將兩根獨立的管道焊接起來時保持無菌性。一次性在線蒸汽滅菌（SIP）連接器可以在各種一次性系統和不銹鋼處理設備之間建立無菌連接。這些方法要求在連接點有蒸汽供應。由于引入了許多一次性無菌連接器，因此無需使用層流凈化罩或管焊機即可實現管對管無菌連接。這種能力開創了在灰色空間內的獨立一次性系統之間實現無菌流體輸送的方案。除了無菌接頭，還有一種配有截止閥的無菌插拔連接器，即便是在非受控的環境中，也能夠在斷開一次性管道的過程中以及斷開之后保持流體的無菌性。

確定某個特定應用場合的*方案取決于諸多因素，如所處理的流體、管道選擇、流量要求、層流凈化罩的可用空間、SIP或管道焊接設備等。其他還需要考慮的因素包括材料兼容性、產品可得性、連接方法是否已經通過驗證用于在設備或組織內使用、供應商的等。

*實踐指南

制藥商難以在可用的解決方案中確定用于評估的*方法或證明某特定工藝連接技術的合格性。生物制程系統聯盟（BPSA）技術委員會成立了小組委員會，負責處理主要一次性技術類別的*實踐，包括：薄膜和容器、過濾囊、管道、連接器和接頭。和傳統不銹鋼閥門相比，塑料連接器具有不同的特點，因此由各公司連接專家組成的小組針對質量試驗方法達成了共識指南，用于解決一次性連接技術的關鍵性能特點。

此次協作努力的結果是形成了連接器和接頭的通用試驗模型、試驗頻率以及試驗依據或行業標準總結等。相關試驗包括：爆破試驗、完整性（滲漏）試驗、細菌挑戰性試驗/沾污試驗、生物相容性試驗、微粒試驗、理化試驗、流量試驗/壓降試驗以及滅菌工藝的兼容性試驗。當制藥商制定選擇、驗證和批準連接方案所用的方法時，該模型成為參考。在技術評估的過程中，BPSA成員公司的代表也會向用戶提供寶貴的支持和幫助。

應用舉例：

用不銹鋼反應器進行發酵種子培養：

現代生物制程設備普遍采用容量1000升至25000升的生產生物反應器。要從幾毫升培養菌中幾百萬個細胞的種菌放大到這些生產量，這一挑戰要求在種子培養沿線各點實現無菌輸送。傳統生物制程設備通過和閥門以及剛性管道連接的不銹鋼生物反應器系列實現放大。為避免生產過程之間發生污染，各生物反應器、容器和管路中都配有原位清洗（CIP）系統，用于清除剩余物料。每次培養開始時都通過SIP系統來實現無菌保證，該系統由蒸汽管、溫度傳感器和冷凝液收集管道組成。這些CIP和SIP系統要求進行廣泛的驗證試驗，并且系統中包含的閥門和管道可能還會形成附加的驗證問題。此外，在對連接管道和閥門網絡進行重大維護或變動之后，還必須對CIP和SIP系統重新進行驗證。

一次性系統技術的進步促使生物制程工程師將多數存儲容器和固定管網替換為一次性的存儲系統和輸送管路。一次性使用無需對諸多配件進行CIP驗證。此外，由于無需使用高價的閥門以及閥門與無菌管道組件，因而又能降低維護和資本費用。圖1所示為采用不銹鋼生物反應器的生產套件，其中結合了一次性技術用于細胞培養基的保存和關鍵輸送管路。細胞培養基保存系統通往經伽馬射線預先消毒的生物制程設備，通常配有集成過濾器、采樣系統和連接器。通過采用SIP連接器，操作人員可以在事先經過消毒的一次性系統和不銹鋼生物反應器之間實現無菌連接，進而實現細胞培養基的無菌輸送。同樣，一次性輸送管路還可以通過蠕動泵或頭部空間壓力，在生物反應器之間輸送種菌。這種輸送管路可以減少輸送所需的可重復使用閥門的個數，并避免CIP和SIP驗證的問題區域。在各個經過預先消毒的輸送管路末端安裝一次性SIP連接器，可以實現和傳統固定管道同等級別的無菌保障，并且資本費用更低。

隨著一次性生物反應器（SUB）越來越被接受，及其可用性的提高，用戶可以建立全部由各種容積SUB組成的或者是由SUB和傳統不銹鋼生物反應器組成的（當容積要求較高時）撓性種子培養系統。將一系列SUB作為一個完整系統進行組裝、消毒和安裝是不切實際的，因此，可采用一次性連接，通過將工藝套件中安裝的各個配件連接起來，從而實現安全無菌工藝。如前所述，這可以通過快速連接器、管道焊接或無菌連接設備來實現。如果將較小容積的SUB和較大容積的傳統不銹鋼反應器相連，則可以將快速連接或無菌接頭與層流凈化罩配合、或者采用SIP連接器來實現無菌培養基輸送。圖2所示為一臺模型設備，其中包括一次性生物反應器和不銹鋼生物反應器。

緩沖劑/培養基應用：

內部培養基/緩沖劑制備要求在混合之后、保存之前進行在線無菌過濾處理。有不少制藥商通過過濾完整性試驗來確保產品純度、并降低產品損耗。過濾完整性試驗用于確定所用的過濾器是否正常運行、以及從濾液中濾掉的部分粒徑是否zui小。為確定在無菌方面的潛在違規行為，以及如果需要重新運行分批工藝時，可以在過濾之前、過濾之后或者在過濾之前和之后都進行這些試驗。

在過去，生物制程設備不銹鋼過濾外殼中采用的是配有可更換濾芯的嚴格密封的系統，裝配、驗證和生產后清潔耗時較多。而在這些過濾完整性試驗系統中引進一次性配件后，可以降低發生污染的風險，同時還能提高制程彈性。在過濾和過濾完整性試驗中使用的一次性配件包括一次性過濾囊、貯藏袋、管道、夾具和連接器等。連接器是過濾系統內各配件之間至關重要的接口，可以實現以快速、簡便的方式將子系統集成為更大的生產工藝。

一次性配件和系統可以代替培養基和緩沖劑制備所需的某一臺或全部不銹鋼設備（圖3）。一次性使用袋或混合袋系統可取代固定放置的混合槽。采用集成過濾囊的使用袋系統既可以取代不銹鋼過濾外殼，也可取代無菌持物罐。在工藝流體被濾入無菌持物袋中之后，通過裝有閥門的無菌插拔接頭，即可快速、簡便地將過濾器斷開，以進行濾后完整性試驗。借助這種無菌插拔技術，技術人員可以自信地將過濾器拆下來，而不會對保持袋中所存放的內容物造成污染，同時還能保持過濾器潮濕以便進行完整性試驗。在將過濾器拆下來之后，可采用自動設備，通過起泡點、氣體擴散或降低壓力的方法來進行測試。試驗一經確認過濾器完好，即可釋放所存放的細胞培養基，繼續進行處理。延長使用一次性配件進行過濾器完整性試驗，是制藥商簡化生物制程并以更快的速度將產品投放市場的又一途徑。

套件至套件輸送的一次性使用：

上游生產完成之后，必須以無菌的方式將含有蛋白質的培養基輸送至生產設備中的不同位置，用于進行zui后的填充操作。該套件可能在隔壁的房間中，或者在更遠的位置。傳統生物制程設備采用不銹鋼歧管完成輸送，其中配有管道或者可重復使用的軟管，作為輸送管路。在每次輸送培養基之前，該設備需要在使用和進行無菌處理之前完成經驗證的CIP和/或清洗步驟。

隨著一次性配件被接受，工藝工程師們紛紛在工藝套件的生物反應器和輸送容器之間采用一次性輸送管路。通過采用經過預先消毒處理的連接器和管道，無需對不銹鋼管道或設備進行消毒處理，即可將培養基從生產套件轉移至制備套件。除了提高生產速度之外，當制藥商確定各生產套件中運行的工藝時，這些一次性的系統又為制藥商們提供了更大的靈活性。移動性的增強避免了嚴格密封管道可能會在生產設備上形成的一些限制。套件至套件輸送工藝中發生交叉污染的風險較高，尤其是在多產品設施中。而采用無菌連接器作為管件工藝之間的接口，可以降低這些風險，并提高藥物開發和傳輸的速度與安全性。

配置與充裝：

在zui終配置和劑量充裝過程中，產品安全問題以及整體產品價值是當務之急。和以往的應用類似，傳統充裝工藝包括通過可重復使用的閥門、硬管以及鋼管連接的不銹鋼設備。同樣的，可以采用包括散裝儲存容器、過濾器、管道、連接器甚至是一次性充裝歧管在內的一次性技術，來降低發生污染的風險，并縮短運行停機時間。

圖4所示為充裝作業，其中采用了一次性歧管系統以及無菌過濾器，用于在散裝存儲袋和隔離器的充裝設備之間輸送藥物產品。為解決產品質量問題并減少廢棄物，可在zui終生產階段組合進行濾前和濾后完整性試驗。在進行濾前試驗時，過濾器組件通過無菌連接器和無菌持物罐連接。經連接，即用產品制劑濕潤過濾器，然后再進行濾前試驗。在確定過濾器完好之后，對和沖洗袋相連的管路進行沖砂處理，并以無菌的方式將過濾器組件連接至隔離器輸送管路。可采用SIP連接將隔離器管路預先安裝到藥瓶充裝系統中，以此來縮短故障停機時間。然后打開流量夾開始過濾。過濾完成之后，可通過無菌插拔接頭將過濾器從組件上拆下來，以保持過濾器的無菌性，直至可以進行濾后完整性試驗。借助濾前和濾后完整性試驗，操作人員可確保在zui終藥物配制過程中保持產品的純度，并準備就緒可以發放。

一次性連接的未來發展

對于采用一次性系統或者裝有傳統不銹鋼設備的無菌工藝而言，連接和斷開管道進行流體輸送是無菌工藝的關鍵。無菌連接技術可以將不同的子系統或工藝組合起來，從而提高了從上游發酵至下游充裝過程中的靈活性和效率。由于連接器是保持工藝無菌性的決定性因素，用戶需要仔細選擇合適的連接方案和產品。

諸如BPSA等機構提供的行業支持、以及供應商持續的產品開發，將進一步滿足小批量生產產品轉換更快對無菌處理的需求。處理能力更大的系統和管道范圍可實現更的操作，并為制藥商們提供以更快的速度將產品投放市場所需的靈活性。因此，連接技術的進步有助于滿足業界對快速藥品開發、工藝可靠性以及提高生產效率的需求。

作者介紹：

John Boehm是Colder Products Company生物制程市場業務部。他是生物制程系統聯盟（BPSA）的副主席，同時還是連接器和接頭小組委員會的教育主席和總監。他擁有機械工程學士學位和工商管理碩士學位。電郵：john.boehm@colder.com。