基于模型的生物药连续生产控制：工艺整合的作用
本文节选自《Model-based Control In Continuous Manufacturing Of Biotherapeutics: The Role Of Process Integration》，由于水平有限，详细内容，请参考原文或往期推送“生物药连续生产中基于模型的控制：技术赋能”。
在前一篇文章中，我们讨论了基于模型的控制及其实施的先决条件，以实现对各种单元操作的实时控制。这些基于模型的技术可用于创建端到端的整合式连续生产平台。与批量生产相比，连续生产提供了更短的开发时间，优化且均一的产品质量，更低的资本投入，且易于规模放大。因此，现在主要的关注点是满足关键的质量属性规格。连续工艺的四个关键要素是连续流、端到端整合、系统方法以及整合控制系统。此外，从已发表的文献中可以明显看出，整合上游和下游的工艺平台比仅仅将所有单元操作串联起来要复杂得多。需要调整流速、上样体积、工艺条件以及处理工艺偏差。因此，关键在于建立一个灵活和标准的平台，且具有实时监控、自动启动/停机和控制策略，并可应对动态变化的条件。
上游和下游应该以这样一种方式进行整合，即生物反应器的输出能够在下游进行连续处理。一种建议的方法是将生物反应器与澄清/细胞截留装置整合，然后是连续捕获层析。这里，细胞截留装置可以选择交替切向流过滤 (ATF)。这种装置的机理模型有助于比较它们的性能，从而设计最佳的过滤级联。除过滤装置外，离心机是另一种用于澄清的选择。利用计算流体动力学(CFD)模型对碟片式离心机进行了细胞裂解与应力关系的研究，结果表明，离心机的生产率随细胞裂解的减少而增加，转速越高，细胞损伤越大。在另一项研究中，使用了一个模型来预测流化床离心机中床高的变化率。得益于近年来的发展，声速分离也可作为截留装置。对于连续操作，声波分离器 (Pall) 可用于增强细胞分离。此类模型研究证明了关键工艺参数(CPP)对细胞分离效率的影响。它们也有助于加深对单元操作的理解，并有助于开发全自动的大规模连续细胞澄清系统。已经有研究开发并证实了这样一个整合平台，其包括捕获工艺 (两柱连续工艺)、病毒灭活工艺、精纯步骤(半连续，双柱)，然后是通过精纯步骤的分批液流。基于质量平衡的定制设计原则，以及用于开发控制策略的确定性和统计性模型，已经被设计用于直接连接单元操作。另一个端到端连续生物工艺的架构包括结合了ATF的灌流生物反应器，一个用于捕获的四柱周期性逆流层析PCC以及病毒灭活，然后是另一个PCC，用于中间体和精纯步骤。
在整合相邻下游单元操作时，还需要考虑下游工艺的“不连续”性质。重要的是要有一个装置来“吸收”来自上游单元的流量波动，以为下游工艺提供恒定的流量。缓冲罐是解决单元作业固有周期性的一种方法，使直接连接的整合工艺的实现成为可能。整合式生物工艺流程方案如图1所示，其中缓冲罐，也称为中间性储罐，用于创建端到端的平台。它们有助于维持较低的操作压力，并实现过程偏差的实时控制，后者可能由滴度变化、电荷变化或膜污染条件等因素所致。许多整合单元操作的平台包括周期性操作的层析工艺，中间有储罐，从而为下游操作提供恒定的流量，或者在灌流生物反应器与连续的捕获步骤之间添加一个缓冲罐，以控制从上游到下游单元操作的流量波动。这里，在线高效液相色谱，加上机械模型，也可用于控制和优化捕获工艺。在另一项研究中，一个整合的平台包括结合ATF的灌流生物反应器、捕获多柱层析、病毒灭活、单通过TFF、精纯膜、病毒过滤和单通过UF/DF，以及1个缓冲罐，最终获得了110 g/L浓度，而批次生产的结果为85g/L。这些缓冲罐有助于降低压力。然而，缓冲罐并不总是受鼓励的选择，主要是资本投入、滞留时间、生产力和运营等方面的负面影响。这里提到的大多数研究已经被验证用于小规模生物药的生产 (最短3.5天到最长31天)。
图1：一个端到端连续平台的例子，该平台通过使用缓冲罐而整合了多个单元操作
整合式连续生物工艺的现状
生物工艺生产的最新进展提高了工艺开发和生产率；然而，在实施这些措施的过程中出现了新的挑战。在操作、控制 (对于工艺开发控制挑战和工艺控制挑战)和验证方面都需要解决方案，以提高生产力和效率。生物反应器的操作需要有效地考虑工艺开发、过程控制和表征时间，同时考虑工艺的操作复杂性和污染风险。这些问题对于灌流操作来说是非常重要的。Transcenta的整合式生物工艺平台除了消除澄清和保持步骤外，还使用连续灌流来获得高生产率。该技术与稳健的过程控制策略和自动化相结合，减少了占地、人工、耗材和循环时间等。工艺产量增加了十倍。（相关阅读：生物行业将在五年内采用连续工艺）
在下游单元操作中，连续层析的采用仍具有挑战性，因为其操作需要一个集成的控制结构。然而，具有嵌入式数据系统的设备的可用性使得连续操作成为可能。对于传统方法难以生产的产品，可以采用上游灌流结合多柱层析(MCC)、在线调节和TFF。最近，亲和方法的进步也在帮助提高生产力；例如，Nanopareil的电纺纳米纤维、囊式膜和整体柱具有较短的保留时间和较高的动态结合载量。它改进了Protein A层析以及精纯层析，提供了快速的循环时间，减少了层析设备的占地，减少了缓冲液的消耗和废物的产生。在更广泛的范围内，采用上游和下游连续生产的一个基本问题是无法整合单元操作。虽然有许多创建整合平台的选项( 如前一节所述)，但这些平台在更大范围内的适用性还需要评估。
总结
行业需要在过程控制、实时监测、自动化、知识管理、减少碳足迹和资本投资的灵活基础设施、简化技术转让以及改善供应伙伴关系管理等方面进行进一步研究。为整个供应链建立一个综合模型或数字孪生模型将有助于优化工艺设计和实时决策，实现工艺自动化。现实生活中这样的例子还在等待中。此外，机会在于建立一种灵活的方法，使用自动化系统和数学模型来实现实时过程监测和控制。最后，能够适应连续生产需求的监管方法需要进一步发展。一次性使用标准、工艺验证策略、数据完整性、接口协议和供应商规范等方面都需要法规指导。
原文：A.S.Rathore, S.Nikita, G.Thakur, Model-based Control In Continuous Manufacturing Of Biotherapeutics: The Role Of Process Integration. BioProcess Online 2021.
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