一次性连接推动无菌工艺发展

作者：Colder Products公司 John Boehm

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, ... 连接技术提高了灵活性和可靠性，推动了生物制药商的成本节约。 当今市场及经济环境对生物厂商和制药商开发新药物的需求，刺激生物制程厂商对各自制程系统进行审查，并寻找可以使处理系统更灵活、更可靠和更具性价比的途径。越来越多的制造商转而采用一次性的无菌处理系统，以满足或超越分秒必争的产品引进时间要求，并控制成本。 创新的一次性技术使得制药商们能够更灵活地用塑料处理方案代替传统不锈钢管道、设备以及工艺套件。大量的文章和案例研究都对转而采用预先消毒一次性系统的好处进行了说明。但是，如果制药商们无法以安全稳妥的方式连接设备的各个部分以形成一个完全无菌的工艺，那么这些好处即不复存在。 连接设备或连接方法可能只是整个系统的一小部分，而连接和断开管道进行工艺流体传输却是一次性处理的一个重要方面。由于连接器可能是保持一次性生物制程真正无菌的决定性因素，因此制药商们需要仔细考虑合适的可选方案。 无菌连接方案 生物制药商们可以通过多种途径在装置操作内部或之间建立一个无菌连接。正确的选择很大程度上取决于各设备的需求和优先选择。 快速插拔接头或配件（卫生或鲁尔）通常和各种管道型号和尺寸配套使用。当和层流净化罩一同使用时，这些连接器可以实现快速、简便和安全的连接。管焊机是和半英寸直径以及更小的热塑料弹性管道建立无菌连接的可选方案。这些系统采用经加热的可换刀片，用于在将两根独立的管道焊接起来时保持无菌性。一次性在线蒸汽灭菌（SIP）连接器可以在各种一次性系统和不锈钢处理设备之间建立无菌连接。这些方法要求在连接点有蒸汽供应。由于引入了许多一次性无菌连接器，因此无需使用层流净化罩或管焊机即可实现管对管无菌连接。这种能力开创了在灰色空间内的独立一次性系统之间实现无菌流体输送的方案。除了无菌接头，还有一种配有截止阀的无菌插拔连接器，即便是在非受控的环境中，也能够在断开一次性管道的过程中以及断开之后保持流体的无菌性。 确定最适合某个特定应用场合的最佳方案取决于诸多因素，如所处理的流体、管道选择、流量要求、层流净化罩的可用空间、SIP或管道焊接设备等。其他还需要考虑的因素包括材料兼容性、产品可得性、连接方法是否已经通过验证用于在设备或组织内使用、供应商的技术支持等。 最佳实践指南 制药商难以在可用的解决方案中确定用于评估的最佳方法或证明某特定工艺连接技术的合格性。生物制程系统联盟（BPSA）技术委员会成立了小组委员会，负责处理主要一次性技术类别的最佳实践，包括：薄膜和容器、过滤囊、管道、连接器和接头。和传统不锈钢阀门相比，塑料连接器具有不同的特点，因此由各公司连接专家组成的小组针对质量试验方法达成了共识指南，用于解决一次性连接技术的关键性能特点。 此次协作努力的结果是形成了连接器和接头的通用试验模型、试验频率以及试验依据或行业标准总结等。相关试验包括：爆破试验、完整性（渗漏）试验、细菌挑战性试验/沾污试验、生物相容性试验、微粒试验、理化试验、流量试验/压降试验以及灭菌工艺的兼容性试验。当制药商制定选择、验证和批准连接方案所用的方法时，该模型成为绝佳参考。在技术评估的过程中，BPSA成员公司的代表也会向用户提供宝贵的支持和帮助。 应用举例： 用不锈钢反应器进行发酵种子培养： 现代生物制程设备普遍采用容量1000升至25000升的生产生物反应器。要从几毫升培养菌中几百万个细胞的种菌放大到这些生产量，这一挑战要求在种子培养沿线各点实现无菌输送。传统生物制程设备通过和阀门以及刚性管道连接的专用不锈钢生物反应器系列实现放大。为避免生产过程之间发生污染，各生物反应器、容器和管路中都配有原位清洗（CIP）系统，用于清除剩余物料。每次培养开始时都通过SIP系统来实现无菌保证，该系统由蒸汽管、温度传感器和冷凝液收集管道组成。这些CIP和SIP系统要求进行广泛的验证试验，并且系统中包含的阀门和管道可能还会形成附加的验证问题。此外，在对连接管道和阀门网络进行重大维护或变动之后，还必须对CIP和SIP系统重新进行验证。 一次性系统技术的进步促使生物制程工程师将多数存储容器和固定管网替换为一次性的存储系统和输送管路。一次性使用无需对诸多配件进行CIP验证。此外，由于无需使用高价的阀门以及阀门与无菌管道组件，因而又能降低维护和资本费用。图1所示为采用不锈钢生物反应器的生产套件，其中结合了一次性技术用于细胞培养基的保存和关键输送管路。细胞培养基保存系统通往经伽马射线预先消毒的生物制程设备，通常配有集成过滤器、采样系统和连接器。通过采用SIP连接器，操作人员可以在事先经过消毒的一次性系统和不锈钢生物反应器之间实现无菌连接，进而实现细胞培养基的无菌输送。同样，一次性输送管路还可以通过蠕动泵或头部空间压力，在生物反应器之间输送种菌。这种输送管路可以减少输送所需的可重复使用阀门的个数，并避免CIP和SIP验证的问题区域。在各个经过预先消毒的输送管路末端安装一次性SIP连接器，可以实现和传统固定管道同等级别的无菌保障，并且资本费用更低。 随着一次性生物反应器（SUB）越来越被接受，及其可用性的提高，用户可以建立全部由各种容积SUB组成的或者是由SUB和传统不锈钢生物反应器组成的（当容积要求较高时）挠性种子培养系统。将一系列SUB作为一个完整系统进行组装、消毒和安装是不切实际的，因此，可采用一次性连接，通过将工艺套件中安装的各个配件连接起来，从而实现安全无菌工艺。如前所述，这可以通过快速连接器、管道焊接或无菌连接设备来实现。如果将较小容积的SUB和较大容积的传统不锈钢反应器相连，则可以将快速连接或无菌接头与层流净化罩配合、或者采用SIP连接器来实现无菌培养基输送。图2所示为一台模型设备，其中包括一次性生物反应器和不锈钢生物反应器。 缓冲剂/培养基应用： 内部培养基/缓冲剂制备要求在混合之后、保存之前进行在线无菌过滤处理。有不少制药商通过过滤完整性试验来确保产品纯度、并降低产品损耗。过滤完整性试验用于确定所用的过滤器是否正常运行、以及从滤液中滤掉的部分粒径是否最小。为确定在无菌方面的潜在违规行为，以及如果需要重新运行分批工艺时，可以在过滤之前、过滤之后或者在过滤之前和之后都进行这些试验。 在过去，生物制程设备不锈钢过滤外壳中采用的是配有可更换滤芯的严格密封的系统，装配、验证和生产后清洁耗时较多。而在这些过滤完整性试验系统中引进一次性配件后，可以降低发生污染的风险，同时还能提高制程弹性。在过滤和过滤完整性试验中使用的一次性配件包括一次性过滤囊、贮藏袋、管道、夹具和连接器等。连接器是过滤系统内各配件之间至关重要的接口，可以实现以快速、简便的方式将子系统集成为更大的生产工艺。 一次性配件和系统可以代替培养基和缓冲剂制备所需的某一台或全部不锈钢设备（图3）。一次性使用袋或专用混合袋系统可取代固定放置的混合槽。采用集成过滤囊的使用袋系统既可以取代不锈钢过滤外壳，也可取代无菌持物罐。在工艺流体被滤入无菌持物袋中之后，通过装有阀门的无菌插拔接头，即可快速、简便地将过滤器断开，以进行滤后完整性试验。借助这种无菌插拔技术，技术人员可以自信地将过滤器拆下来，而不会对保持袋中所存放的内容物造成污染，同时还能保持过滤器潮湿以便进行完整性试验。在将过滤器拆下来之后，可采用自动设备，通过起泡点、气体扩散或降低压力的方法来进行测试。试验一经确认过滤器完好，即可释放所存放的细胞培养基，继续进行处理。延长使用一次性配件进行过滤器完整性试验，是制药商简化生物制程并以更快的速度将产品投放市场的又一途径。 套件至套件输送的一次性使用： 上游生产完成之后，必须以无菌的方式将含有蛋白质的培养基输送至生产设备中的不同位置，用于进行最后的填充操作。该套件可能在隔壁的房间中，或者在更远的位置。传统生物制程设备采用不锈钢歧管完成输送，其中配有管道或者可重复使用的软管，作为输送管路。在每次输送培养基之前，该设备需要在使用和进行无菌处理之前完成经验证的CIP和/或清洗步骤。 随着一次性配件被接受，工艺工程师们纷纷在工艺套件的生物反应器和输送容器之间采用一次性输送管路。通过采用经过预先消毒处理的连接器和管道，无需对不锈钢管道或设备进行消毒处理，即可将培养基从生产套件转移至制备套件。除了提高生产速度之外，当制药商确定各生产套件中运行的工艺时，这些一次性的系统又为制药商们提供了更大的灵活性。移动性的增强避免了严格密封管道可能会在生产设备上形成的一些限制。套件至套件输送工艺中发生交叉污染的风险较高，尤其是在多产品设施中。而采用无菌连接器作为管件工艺之间的接口，可以降低这些风险，并提高药物开发和传输的速度与安全性。 配置与充装： 在最终配置和剂量充装过程中，产品安全问题以及整体产品价值是当务之急。和以往的应用类似，传统充装工艺包括通过可重复使用的阀门、硬管以及钢管连接的不锈钢设备。同样的，可以采用包括散装储存容器、过滤器、管道、连接器甚至是一次性充装歧管在内的一次性技术，来降低发生污染的风险，并缩短运行停机时间。 图4所示为充装作业，其中采用了一次性歧管系统以及无菌过滤器，用于在散装存储袋和隔离器的充装设备之间输送药物产品。为解决产品质量问题并减少废弃物，可在最终生产阶段组合进行滤前和滤后完整性试验。在进行滤前试验时，过滤器组件通过无菌连接器和无菌持物罐连接。经连接，即用产品制剂湿润过滤器，然后再进行滤前试验。在确定过滤器完好之后，对和冲洗袋相连的管路进行冲砂处理，并以无菌的方式将过滤器组件连接至隔离器输送管路。可采用SIP连接将隔离器管路预先安装到药瓶充装系统中，以此来缩短故障停机时间。然后打开流量夹开始过滤。过滤完成之后，可通过无菌插拔接头将过滤器从组件上拆下来，以保持过滤器的无菌性，直至可以进行滤后完整性试验。借助滤前和滤后完整性试验，操作人员可确保在最终药物配制过程中保持产品的纯度，并准备就绪可以发放。 一次性连接的未来发展 对于采用一次性系统或者装有传统不锈钢设备的无菌工艺而言，连接和断开管道进行流体输送是无菌工艺的关键。无菌连接技术可以将不同的子系统或工艺组合起来，从而提高了从上游发酵至下游充装过程中的灵活性和效率。由于连接器是保持工艺无菌性的决定性因素，用户需要仔细选择合适的连接方案和产品。 诸如BPSA等机构提供的行业支持、以及供应商持续的产品开发，将进一步满足小批量生产产品转换更快对无菌处理的需求。处理能力更大的系统和管道范围可实现更高效的操作，并为制药商们提供以更快的速度将产品投放市场所需的灵活性。因此，连接技术的进步有助于满足业界对快速药品开发、工艺可靠性以及提高生产效率的需求。 作者介绍： John Boehm是Colder Products Company生物制程市场业务部经理。他是生物制程系统联盟（BPSA）的副主席，同时还是连接器和接头小组委员会的教育主席和总监。他拥有机械工程学士学位和工商管理硕士学位。电邮：john.boehm@colder.com。 参考文献： 1.“Complete BPSA Component Quality Test Matrices,” Author/s: BPSA Technology Committee, BioProcess International, May 2008. 2.“Bio-Process System Alliance Component Quality Test Matrices,” Author/s: BPSA Technical Committee, BioProcess International, April-May 2007.

文章内容仅供参考 (投稿) (2/26/2014)