过滤在制药及生物技术中发挥重要作用

作者：Ken Sutherland

欢迎访问e展厅 展厅 12 制药机械展厅 中药切片机, 中药提取浓缩机, 超微粉碎机, 滴丸机, 制丸机, ... 整个化工工业极其庞大，它是机械分离方法的应用领域，占全球过滤及沉降设备市场的约六分之一（并超过过滤介质市场的五分之一）。但是化工工业也处于不断变化之中（在技术上、经济上、公司结构上，甚至在地理上），这种变化甚至在2008/2009经济衰退影响之前就出现了。这种变化在“生命科学”领域，如制药及生物技术工业中也同样出现。 生命科学由两个相当不同的部分组成 ：一是制药工业，包含诸多大型及以盈利为主的公司，已建立良好的部门，广泛分布于世界各地 ；另一个是生物技术工业，由少数大型公司及诸多小型公司组成，业务发展快速，主要位于美国及西欧，花费了投资者的大量资金，但未获得巨大收益。 定义 制药工业比较容易理解 ：它是为保障人类和动物的健康而进行药物研发和生产的一个行业。对于人类为抵抗疾病而广泛使用的药物，通常采用基本化学途径进行生产，抗生素则主要使用发酵途径。 另一方面，对生物技术工业的定义则未能很好地理解，部分原因在于其用到的诸多的专业名词。两者主要的不同点在于，制药过程主要是化学过程，而生物技术几乎完全是生物过程，后者显然是可持续的。 在目前的情况下，两者边界的划分存在很明显的困难。例如，人类在采用生物技术来进行药物生产方面投入了大量工作，这应该可以视作是制药工业的一部分。另一方面，大量的药物生产在开始时利用的是自然的发酵产物，因而也可认为是生物技术。 另外，整个领域与“家居用品”及“医药与健康”领域之间的边界划分也同样困难。“保健食品”可以认为是一种设计成对人类健康特别有益的特殊食物，而“药用化妆品”则被证明对皮肤健康有利。 生物技术具有三个主要目标（也可以说是全人类的共同目标）： ◆治愈全世界的病人和患者； ◆提供更好的农作物，以改善食物的供应； ◆生产化石燃料的替代能源或化工原料。 因此，可通过生物技术的应用领域对其进行分类： ◆人类及动物健康（或者称为红色生物技术）； ◆农作物生产及农业加工改善（或者称为绿色生物技术以及蓝色生物技术，蓝色生物技术用以描述在海洋领域的应用）； ◆非食物性的作物及其他产品，诸如生物降解塑料及生物燃料（或者称为工业生物技术或白色生物技术）。 工业生物技术的潜力是巨大的，原则上，其可替代整个石化工业，包括液体燃料和化学品。工业生物技术有三种不同的水平，它们包括：通过发酵或酶过程进行一种化学品的生产，在生物燃料生产过程中通过生物提炼生产有机化学品副产物，以转基因植物或藻类生产特定的化学品。 综上所述，该领域覆盖了关于人类和动物健康，以及用有机体生产有用材料的所有过程。这些操作多数在液相中，并且往往是在固体悬浮液中进行，因此，过滤及离心技术在生产过程的原料、中间体或最终产物的纯化过程中，在废液的回收处理，以及制造工艺的保护系统中，作为固体回收步骤被广泛使用。 该领域的一个重要特性是经营规模。虽然有些加工过程规模比较大（生物乙醇、抗生素），但是大多数的生物技术应用都是小规模的，有时甚至极其微小。通常这不仅要求批量操作，而且设备的设计必须极其精密。 某些产物（或副产物）会具有毒性，因此操作系统需要极其安全，且要对所有入口及出口进行很好的保护以防止加工原料泄露至周边环境中，这是需要进行彻底全面过滤的一个重要例子。相反的情况也是如此，多数生物技术过程需小心处理，且易受到空气中杂质的污染，必须受到合适的保护。要求进行的保护可能只是防止灰尘，但也可能需要结合过滤产品以移除气态杂质。 设备的设计及操作标准极其严格，需要通过国家及国际机构强制执行，至少达到例如美国食品及药品管理局的严格程度。同时，药品生产质量管理规范GMP在该领域中是必不可少的。其中所使用的分离装置必须以最清洁的状态进行操作，以避免交叉污染。因此，该装置应易于清洗，最好是能使用某种原位清洗过程，包括蒸汽灭菌或强力清洗液等。清洗过程需给予清洗液足够的滞留时间以进行工作。 在装置运行过程中保持加工流体不含有害污染物是极其重要的。通常加热灭菌可满足该目的，但是却存在诸多无法容许且必然产生的热损伤。在这种情况下，可使用微孔过滤器去除细菌，并用超滤器去除病毒来对液体进行除菌。 生化分离 生化分离的关键是遵循特定的细胞生长过程，细胞大量生长及繁殖，同时产生特定有价值的产品，通常是蛋白质。这种产品可能以多种方式在细胞内或细胞外生产，并通过细胞壁的破碎释放出来。无论来源于哪里，都必须将其从细胞材料及周围液体中分离出来。通常采用的方法是使用高速碟式离心机，随后很可能还会使用增泽过滤器、微孔过滤，以及错流超滤。 因此，过滤及离心沉降在生化领域的主要生产过程中发挥的重要作用是显而易见的，这些生产过程通常需要根据微粒大小不同将其进行分离。其他分离系统也在生命科学的应用中具有越来越重要的价值：如透析用于血液净化，层析用于分离及分析，渗透蒸发用于精细副产物的浓缩，甚至渗滤技术也被用于超滤中盐的移除。 诸多精密过滤装置被用于生物技术领域： ◆在实验室研究及新药开发中； ◆在测试实验室及试剂盒生产中； ◆在气体药物过滤及呼吸装置（尤其是吸入器）的保护措施中； ◆在用于医院、医疗及家用诊断试剂盒中，比如用于妊娠或糖尿病的测试； ◆在检测试剂盒、生物分析及其他的分析技术中。 该领域的公司结构 制药工业包含一些非常著名的公司。表1中列举了该领域中最大的公司、其总部，及2009年的营业额（以亿美元为单位）。 制药工业经历了相当长时间的企业收购活动，并且由于创业公司需要增加资本或扩大市场联系，这个模式也开始影响生物技术部分。 对于已经发生的企业兼并，通过表2中领先企业的变化作了一些展示。表2列举了自2000年以来直到最近Genzyme公司兼并完成的主要并购事件。在表2所列举的事件发生之前，上世纪90年代末同样出现了一些重要变化，包括： ◆Sandoz收购Ciba-Geigy，成立Novartis（1996）； ◆Zeneca（曾经的ICI制药部门）收购Astra，成立AstraZeneca（1998）； ◆Rhone-Poulenc收购Hoechst（曾经的世界第三大化学品公司），成立Aventis（1999）； ◆Pfizer兼并Warner-Lambert，使得其规模扩大一倍以上（1999）； ◆Glaxo Wellcome收购SmithKline Beecham，成立GSK（2000年1月）。 设备市场 对制药及生物技术领域的过滤及沉淀设备市场规模进行估计，表3显示了设备的总销售额，沉淀与过滤分别的销售额，以及过滤介质的销售额。该评估以2010年年中平均币值（mid-year average currency value）计，单位百万美元。 表3评估的设备仅包括用于安全操作的辅助设备（如驱动电机等）。 进一步的评估指出，在设备市场中，生物技术部分约占总设备销售额的5%（大约3-7%）。 发展趋势 设备市场必定与世界上存在的人口数量，及人们的生活标准紧密相连。伴随世界人口数量的增长，尤其在发展中国家，对更高的生活标准和更好的医疗服务需求的增加，将是进一步扩大制药及生物技术市场的强大推动力。 仅凭以上两个趋势，就能很容易预见制药及生物技术工业的金色未来。但是，在这个美好的未来到来之前，这两部分还面临一些需要解决的难题。特别是制药工业必须处理其大量重量级药物面临失去专利保护的问题，目前行业还鲜有这类药物的替代产品。此外，提供同样效果的仿制药品又更容易获得，对这种情况唯一有效的保护方法就是收购仿制药品制造商，或者是自己进行生产。为了节约成本，大多数国家政府的医疗保健系统都依靠仿制药品，而不选择专利药品。 制药业面临的其他消极因素有： ◆开发重要药物的巨大花费； ◆抗药性细菌（如MRSA）的传播； ◆市场上假药数量的增加； ◆对药物安全性的关注日益增加，新药的批准因此也更加困难； ◆药物市场需要更大的诚信——最近一连串的处罚应该会使市场记忆深刻。 生物技术工业也同样面临以上这些问题，同时还有其本身的一些问题： ◆生产大量生物化学品及生物燃料将需要大面积的土地以种植原料，这在食物与生物产品的需求达到平衡之前仍有很长的路要走； ◆多数生物产品的生产数量相对较少，因而费用较高； ◆必须克服大众对“科学家”不寄期望的情绪，并且能转而支持可持续的生物加工工艺； ◆必须发展更加成熟的市场，使之不会轻易因为坏消息（尤其是药物未能获得批准）而被扰乱。 当然，为了抵制这些消极因素，需要进行大量积极的工作来推动该领域的发展，尤其应该从可持续发展的角度出发，通过生化技术，甚至是借助病毒驱动的人造光合作用，来生产化学品及燃料。通过逐渐由分批加工变为连续加工，使生物技术及制药生产获得极大的帮助，同时减少药物生产的浪费。 通过发现旧药的新用途（甚至镇定剂萨力多胺都能够重新恢复使用），以及开发旧处方的新版本，将使生物化学品具有光明的前景。 在不考虑经济衰退的情况下，预计整个领域会实现10%或11%的增长。在中国，这个增长将接近15%或更高（尽管传统中医将会是强劲的对手）。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/6/2013)