批次和连续单克隆抗体生产比较和经济性分析

来自美国新泽西州立大学的研究人员在2019年的一期《Ind. Eng. Chem. Res.》杂志上发表了题为“A Comparison Between Batch and Continuous Monoclonal Antibody Production and Economic Analysis”的文章。文章使用工艺模拟软件设计并建立了一种整合式连续工艺，并与补料分批工艺生产线进行了比较，比较研究基于产品成本（COG/g）计算和敏感度分析。结果显示，在mAb生产中，补料分批工艺COG/g为$99/g，而连续工艺为$51/g。由于连续工艺仅需要更小的占地和更少的储罐，相比补料分批，设施成本可降低66%。在连续生产中，初步捕获填料的利用率更高，这可使耗材成本降低68%。使用敏感度分析对在不同生产规模（50-1200kg/yr）、上游滴度（1.5-5.5g/L）和下游产量（70-80%）条件下的工艺进行评估，结果显示在整个范围内都可以观察到成本节省。本文为原文比较分析结果简介，详细内容，包括工艺描述、经济分析方法、使用的模拟软件平台，请参考原文。

批次和连续工艺流程比较（O.Yang, et al., 2019）。

成本比较

分析对补料分批和连续工艺进行成本比较，包括资金投入成本和操作成本以及成本细分，假定年产率为620kg/yr，mAb的销售价格为$20/mg。结果显示，补料分批工艺的整体资金成本为$165M，是连续工艺（$52M）的3倍。补料分批和连续工艺的操作成本分别为$61M/yr和$32M/yr。补料分批模式的综合成本为$99/g，而连续模式为$61/g。假定项目持续15年，其中3年设施构建以及7%利息，补料分批和连续工艺的净现值差为$720M。

补料分批（左）和连续（右）工艺中每个单元操作的成本占比（O.Yang, et al., 2019）。

如上图所示，在补料分批工艺中，上游细胞培养单元操作占比高达51%，种子制备占22%，这主要是由于两个单元操作的高设备成本，为降低前后批次之间的时间，达到620kg/yr的年产率，种子制备使用2 x 2个生物反应器（2种不同生物反应器，每种2个），细胞培养使用4个生产生物反应器。使用多个种子生物反应器和15000L生产生物反应器时，设备和劳动力成本约占种子制备成本的74%，占细胞培养的63%。相比补料分批工艺，使用灌流培养，特别是基于ATF平台的连续工艺可以将生物反应器的数量降低至2个种子生物反应器和1个灌流生产生物反应器。此外，生产生物反应器的尺寸也可以从15000L降低至2800L。所以，相比补料分批，连续工艺中的设备成本和劳动力成本可显著降低，即连续工艺中的上游成本可降低至原始成本的一半。上游单元操作的另一个主要成本来源是物料成本，补料分批生物反应器的单位体积产率（0.107 g/L/day），而在连续工艺中，单位体积产率可增加至1.68 g/L/day。但由于模型假定使用相同的培养基，所以培养基转换率没有显著的提升。从模拟结果看，这方面对整体成本来说不会形成显著的成本节省，上游单元操作在整体成本中的占比仍是最高的。

补料分批和连续上游-下游单元操作COG（O.Yang, et al., 2019）。

连续工艺不仅在上游操作中具有优势，在下游操作中也同样具有优势。上图比较了在补料分批和连续工艺中不同单元操作的COG/g。连续工艺可使初步捕获降低2倍，而在两种操作模式中，其在下游成本中的占比均最高。在初步捕获步骤中，Protein A层析柱的尺寸可从286L降低至4根3.14L的层析柱，这可降低资金投入和设施成本。PCC系统在Protein A层析柱之间形成内部连接，其可提高在该步骤中的蛋白质产量和填料利用。总结来说，成本节省的大部分来源于Protein A填料成本的降低。

补料分批和连续工艺的产品成本分析（O.Yang, et al., 2019）。

上图比较了补料分批和连续工艺的所有不同成本类别。连续工艺的主要优势在于资金成本投入和设施成本，这是由于其所用单元操作更小的占地所形成的。此外，连续工艺中不使用大体积的储罐，也有助于获得更低的操作和资金投入成本，而初步捕获操作中填料成本的降低也降低了一部分耗材成本。尽管连续工艺在物料和劳动力成本方面，也有下降，但不如其它那样显著。在劳动力成本方面，由于连续工艺连续运行，这就意味着从工艺开始到结束都需要占用多个劳动力单位，而物料成本主要来源于上游细胞培养工艺。灌流方法可通过更充分地利用细胞系以及连续补加培养基，可提高上游操作的产能。所以，通过使用不同的细胞系或培养基，提高培养基转化或利用率，可降低单位产物的物料成本。

更多分析结果，请参考原文。

总结

原文介绍了生物药生产在工艺强化方面的所做的工作，突出了替代性工艺单元和连续操作模式的优势。文章使用经济指标和敏感度分析，综合性比较了在生物药生产中的传统补料分批工艺和强化连续操作。从年产量620kg/yr的基础案例情况可见，占地更小且高自动化的连续工艺可显著降低资金投入成本、设施依赖型成本以及劳动力成本，连续工艺的耗材和物料成本也可以降低，主要是由于连续工艺中填料的利用率增加以及更小的占地，同时，可降低用于下游清洗和初步捕获的缓冲液使用。对于敏感度分析，设计了不同的状况，以比较不同操作条件的补料分批和连续工艺，包括不同的工厂产能、上游滴度以及下游产量。结果显示，随工厂产能的增加（从50kg/yr增加到1200kg/yr），补料分批和连续工艺的操作成本均降低，但在所有范围中，连续工艺的成本均低于补料分批工艺。相似的，随着滴度增加或下游产量增加，操作成本降低。提高上游滴度，会将工艺瓶颈从上游转移到下游，特别是初步捕获步骤，因为这会导致更长的下游操作时间。在连续工艺中，增加另一条下游线或提高初步捕获层析柱尺寸可“经济”地解决瓶颈。

原文模型中做了多个假定，以简化工艺和计算。如在上游工艺中，补料分批和连续工艺假定使用相同的种子制备操作。而在近些年，研究人员在使用N-1灌流生物反应器进行种子制备操作，其具有高密度种子细胞，之后再进行补料分批生产生物反应器操作。该方法可提高接种液细胞密度，降低生产生物反应器运行时间，提高产能和产物质量。此外，行业已对连续工艺中的大多数清洗方案进行了优化，补料分批工艺亦是如此。

除了经济性优势，连续生物药生产工艺在生产系统标准化、工艺灵活性、规模缩放、产物质量方面也具有优势，且其可使用一次性使用技术。连续工艺的开发也处在良好的法规环境中。2011年，美国FDA的战略计划指出，鼓励生物制品的连续生产，产物质量可使用QbD进行优化。FDA同时确认连续工艺在开发和生产方面具有优势。连续生物药生产可通过调整平行生产线的数量，快速调节产能。生产的持续时间也可以根据对特定产物的需求量进行更改。由于连续工艺可降低产物在生产线内的总时间，特别是在生物反应器内的时间，稳定和不稳定的蛋白质产物都可以使用多产品连续设施进行生产，进而实现工艺的标准化。更重要的是，降低生物反应器内滞留时间，消除中间体储存步骤，可提高产物质量，因为降低了产物降解以及分泌后酶修饰的风险。结合均一的微环境控制，连续工艺也可使产物异质性最小化。当然，要实现全面的整合式连续工艺还面临一定的挑战，如需要高度的自动化，以尽可能降低人为干预，以及可整合不同的供应商单元操作的控制系统。

原文：O.Yang, S.Prabhu, M.G.Ierapetritou, A Comparison Between Batch and Continuous Monoclonal Antibody Production and Economic Analysis. Ind. Eng. Chem. Res., 2019, DOI: 10.1021/acs.iecr.8b04717.

---

拓展阅读

---

更多阅读

---

XCell ATF - 细胞连续灌流培养的"行业标准"

OPUS 预装层析柱简介

KrosFlo KR2i TFF系统简介

---