生物制藥連續(xù)生產對環(huán)境的影響

生物制藥連續(xù)生產(BCM)的一個經常被忽視的方面是與類似的批次工藝相比，它對環(huán)境的影響。人們普遍認為，生產模式的選擇會對環(huán)境和地球健康產生直接影響，盡管已經做出了一些努力來量化生物制藥生產對環(huán)境的直接影響，并比較批次與BCM工藝，但對這一主題的徹底評估是必要的，因為目前對BCM系統(tǒng)各個組件的影響的零碎理解可能會導致關于其對環(huán)境影響的錯誤信息。例如，在BCM工藝中對一次性生產設備（一次性技術，或SUT）的嚴重依賴可能會讓人產生這樣的印象，即它們比同類批次工藝更不可持續(xù)，即使耗材只是整體環(huán)境影響的一小部分。在本文中，我們將以單克隆抗體(mAb)為例，回顧與固定設施批次生產工藝相比，使用BCM工藝的靈活設施對環(huán)境影響的一些已發(fā)表內容（圖1）。圖1.上圖描繪了使用SUT的BCM工藝，而下圖描繪了具有類似產量輸出的mAb固定設施批次生產工藝。圖標旨在表示工藝的輸入和輸出量，包括材料、能源、水、最終產品和廢物流。Part1評估生產工藝的環(huán)境影響

有許多因素會影響生物生產過程對環(huán)境的影響，包括水和電的使用方式、生產設施的物理足跡以及工藝的效率。行業(yè)已經努力開發(fā)了對生物生產過程的環(huán)境影響的定量評估方法。工藝質量強度(PMI)是用于評估生產過程效率的指標（表1）。該指標評估生產1kg輸出材料所需的工藝的總質量輸入（以kg為單位），雖然它不考慮一個工藝的所有環(huán)境影響，但可以作為兩個相似工藝之間的初始比較。使用發(fā)酵罐或生物反應器的生物生產工藝的PMI明顯高于用于生產小分子活性藥物成分(API)的工藝。小分子API工藝的平均PMI為100至200kg/kg。而據估計，平均而言，生產1kgmAb輸出需要7,700kg輸入。此輸入包括用于制備培養(yǎng)基和緩沖液的水、原材料以及生產工藝中使用的任何其它耗材。然而，PMI用作對環(huán)境影響的評估時的一個弱點是，它沒有考慮生產過程中未直接使用的其它因素，例如用于清潔設備的水、用于為設施供電的電力或生產過程中產生的廢物。因此，需要其它的指標來解釋這些環(huán)境影響因素。表

1.

環(huán)境影響指標指標考量批次vs.BCM(SUT)工藝質量強度(PMI)輸入材料生產1kg輸出的總質量。只考慮一個工藝的輸入和輸出，而不考慮能源使用和其它環(huán)境因素。批次mAb工藝=7,700kg/kg。BCM可以將mAb工藝的PMI降低23%生命周期評估(LCA)量化工藝在整個生命周期內對環(huán)境的影響，并考慮三個階段：供應鏈階段、使用階段和生命結束階段。在工藝的整個生命周期中需要大量的數據。大部分的影響發(fā)生在使用階段，水的消耗，特別是在CIP/SIP，是主要的因素。使用SUT的BCM工藝不需要CIP/SIP。累積能源需求(CED)整個生命周期的能源需求，包括整個工藝生命周期消耗的能源的生產和分配。不包括物料輸入或產生的固體廢物大部分的影響發(fā)生在使用階段。使用SUT的工藝比固定設施不銹鋼工藝總體CED低32%。全球變暖潛能值(GWP)包括《京都議定書》規(guī)定的100年內所有溫室氣體。不包括物料輸入或產生的固體廢物。一般來說，反映CED。2000LmAbSUT工藝每公斤mAb排放22.7噸二氧化碳?；厥绽每蓽p少約10%。與固定設施不銹鋼工藝相比，SUT的整體GWP低34%。用于測量環(huán)境影響的其它更具包容性的方法包括生命周期評估

(LCA)、累積能源需求(CED)和全球變暖潛能值(GWP，表1)。這些影響測量包括了其它因素，故而超出了PMI的限制。LCA考慮了與工藝相關的歷史數據，但評估較為費時費力，需要更多的環(huán)境影響數據。LCA

可用于檢查從原材料提取到廢物處理的整個過程對工藝生命周期的環(huán)境影響。LCA研究要求明確定義系統(tǒng)邊界，涵蓋工藝的整個生命周期，編制一份清單，該清單需考慮一系列類別的環(huán)境影響，包括材料和能源利用。這種類型的評估可用于比較可能具有相似PMI、但對環(huán)境的總體影響卻大不相同的兩個工藝的環(huán)境影響。其它測量，如CED和GWP，也考慮了工藝的生命周期階段。這些分析分為三個階段，包括供應鏈階段、使用階段（實際生產，包括在線清潔/滅菌[CIP/SIP]）和報廢階段，其中包括耗材的處置以及耐用組件的再利用和回收。這些環(huán)境影響的各種測量都可以用于評估生產工藝的整體環(huán)境影響。Part2、無處不在的水

水是批次生物生產工藝對環(huán)境影響的最大影響因素。生物藥中的用水量是小分子生產中用水量的100倍以上，并且可能占此類工藝的PMI的90%以上。據估計，典型的20,000L批次mAb生產工廠一年可以使用超過150萬加侖的水。目前，下游純化操作的層析步驟直接消耗了生產過程中最多的水。事實上，一項研究計算出單克隆抗體中的所有層析步驟消耗了抗體整體生產過程的62%的水，通過將層析步驟從三個減少到兩個，該工藝的PMI可降低50%以上。在上游生產方面，用于細胞生長（在大型設施中可能是數萬升）包含大部分直接用于這部分工藝的水。用于維持許多生物反應器生長溫度的蒸汽加熱加劇了上游用水量。上游工藝中直接用水的第二大貢獻者是種子培養(yǎng)/生物反應器，用水而占總PMI的18%。此外，增加生物反應器的尺寸并不一定會導致整體PMI下降，因為趨勢是大型生產罐的PMI更高。除了對生物藥生產用水的PMI有直接貢獻外，還有大量的水用于清洗和消毒批次生產中使用的設備。不銹鋼重復使用設備需要在批次或活動之間進行大量清洗，然后必須進行蒸汽滅菌(CIP/SIP)。清洗過程需要大量的各種清潔劑，然后是多次用水沖洗。之后用更多的水進行蒸汽滅菌。CIP/SIP操作在不銹鋼設施的用水需求中占主導地位，占該工藝的GWP和CED的40%。生物藥生產工藝也使用注射用水(WFI)，這是高度資源密集型的生產。市政用水經過軟化、過濾，然后進行反滲透。然后進行紫外光處理和連續(xù)去離子處理，以生產純化水，然后進行蒸餾以生產WFI。一項研究使用1.41的轉換因子來計算WFI與市政用水相比的PMI貢獻，即與進入工廠的水相比，生產WFI所需的資源要多41%，而且與同等的BCM工藝相比，批次工藝往往使用更多的WFI。BCM工藝通常比批次工藝需要更少的水。在25-L批次模式工藝和25-L連續(xù)模式工藝的頭對頭比較中，BCM工藝中的緩沖液量顯著減少。例如，與同等批次操作相比，BCM工藝中的ProteinA捕獲步驟減少了95%的填料體積和44%的緩沖液消耗。流穿層析法是一個非常適合連續(xù)操作的工藝步驟，它還可以通過消除層析基質的漂洗和洗脫需要來大大降低緩沖液的利用量。使用膜層析法，而不是更傳統(tǒng)的填料柱層析法，可以進一步減少工藝中緩沖液的使用，BCM工藝非常適合使用膜層析技術。事實上，BCM中的某些單元操作可能比相當的批次工藝操作消耗的緩沖液少90%。然而，在上游生產過程中，BCM工藝與批次工藝的用水量可能存在權衡。BCM中使用的灌流生物反應器比批次反應器需要更多的培養(yǎng)基，但這可以通過培養(yǎng)基優(yōu)化以及在N-1階段使用灌流生物反應器來抵消（N-1

灌流是指在生產生物反應器（N）之前步驟中的細胞生長強化，以增加密度并縮短生產反應器的培養(yǎng)時間）。以N-1階段獲得的更高的細胞密度接種生產生物反應器（N），可使生產生物反應器的細胞達到最佳密度并更快地以最大限度進行mAb生產，從而節(jié)省時間和培養(yǎng)基。BCMmAb工藝的最后一步也可能比標準批次洗濾中使用的緩沖液消耗明顯更高，從而在一定程度上降低了BCM的環(huán)境優(yōu)勢。在后文中，將介紹BCM結合使用一次性技術（SUT）時的額外環(huán)境優(yōu)勢，其不需要CIP/SIP活動，進一步降低了工藝的總耗水量。如前文所述，與批次工藝相比，BCM工藝可以大大提高產能和工藝效率，而這些因素與用水量成反比。該工藝越高效，生產1kg最終產品所需的水就越少。在考慮工藝的總耗水量時，與固定設施批