工艺效率

理所当然地，更高效的生产工艺可以降低对环境的影响，而 BCM 本质上比批次工艺更高效。这种效率始于上游生产操作。如本系列的第 1 部分所述，在细胞培养的 N-1 阶段使用灌流生物反应器，通过将更高密度的活细胞引入生产反应器，来启动生产过程。通常，灌流生物反应器，可以获得更高滴度的最终产品并减少从生物反应器中排出的不需要的物质（例如，死细胞、宿主细胞蛋白和其它工艺相关杂质）。在一项研究中，补料分批工艺的总体工艺量强度 (PMI) 为 2,737，而使用灌流生物反应器而不是补料分批生物反应器的类似工艺的总体 PMI 为 2,105，总体 PMI 降低了 23% 。

除了将灌流反应器引入生产过程对环境的直接影响之外，BCM 还将整体环境影响从上游工艺转移到下游工艺。当在已建立的 mAb 工艺中用灌流生物反应器代替补料分批生物反应器并将相应的下游纯化转换为半连续纯化时，对该工艺的总体 PMI 的相关贡献发生了变化。在补料分批工艺中，下游纯化占 PMI 的 54%，上游工艺占 32%，而在BCM 工艺中，下游工艺占总 PMI 的 34%，上游工艺占 47 %，反映了灌流反应器中培养基使用量的增加。灌流反应器中培养基使用量的增加可被这些反应器更高的生产率所抵消。当比较使用 PER.C6 细胞表达系统的批次、补料分批和灌流细胞生长模式生物反应器实现的 mAb 滴度时，这些技术分别实现了高达 0.5、8.0 和 27 g/L 的产量。因此，尽管PMI 可能会向与使用灌流生物反应器相关的上游工艺转移，这被生产的产品滴度增加所抵消，从而降低了该工艺的整体 PMI。

除了在上游工艺中生产更多起始材料的能力之外，BCM 在纯化该材料方面也比批次工艺更有效，尽管从上游到下游部分的完全 BCM 工艺的过渡仍然是技术挑战之一。典型的 mAb 纯化工艺流程涉及4个单元操作，包括Protein A 捕获、病毒灭活、流穿阴离子交换步骤以及某种精纯层析步骤（例如阳离子交换）。BCM 工艺通常使用包含相同矩阵的多柱串联连接。第一柱过载，后续柱捕获溢出。这使得该工艺能够以更短的保留时间实现更高的上样载量，从而提高效率并且通常使用更少的填料和缓冲液。由于产品的起始浓度更高以及所用柱的载量增加，BCM 工艺通常导致整体样品稀释度降低，从而可以最大限度地减少或消除对额外浓缩步骤的需求。例如，与相似的批次工艺相比，BCM 层析柱配置报告的单位体积生产率提高了 53 倍，缓冲液消耗减少了 90%。重组抗体的完全连续工艺将灌流反应器与多柱下游连续流动操作相结合，生产率提高了6倍，而另一个 mAb BCM 工艺使所需的填料体积减少了 95%，缓冲液消耗减少了44%。在灌流反应器中增加的起始材料的生产，再加上下游 BCM 纯化过程中更高的效率和降低的产品稀释，导致更有效的工艺，使用更少的资源生产更多的产品。

关于工艺效率要考虑的另一点是，更有效的工艺还可以减少在生产后需要适当处理和处置的废物。高 pH 值和低 pH 值缓冲液在排放到城市废水中之前需要进行中和，并且需要隔离和储存危险化学品，以便妥善处理。根据定义，更高效的工艺可以生产更多产品，减少浪费，减少对环境的影响。此外，如果 BCM 工艺得到充分控制，而不是由于生产过程中的故障而丢弃整批产品，可能可以将生产液流进行转移，直到问题解决后，再继续工艺进程，从而节省材料和资源。

塑料问题

一次性技术（SUT）当然可以用于批次生产，但 BCM 与 SUT 密切相关，包括预装的可抛弃型层析柱（通常在丢弃前可重复使用多个批次）、细胞袋、过滤器和接头。与更传统的固定不锈钢技术相比，这些类型的一次性工艺技术在灵活性和易用性方面具有多项优势，这对于开发 BCM 工艺非常重要。如本系列第 1 部分所述，SUT 还减少或消除了对大量在线清洁/在线灭菌 (CIP/SIP) 活动的需要。虽然一次性生产材料肯定会对环境产生负面影响，当在整个工艺流程中检查这些影响时，它们的影响远不及固定不锈钢设施中使用的资源。使用 SUT 的通用 2,000 L mAb 工艺的全球变暖潜能值 (GWP) 显示为每 1 公斤原料药产生 22.7 吨二氧化碳，大部分影响来自使用阶段。考虑到报废阶段的环境足迹，SUT 材料的处置（通常通过焚烧或回收）非常小，对任何影响类别的贡献最多为 3%。在另一项比较 SUT 与固定设施的研究中. 对于 2,000 L 规模的 10 批 mAb 运行（mAb 滴度为 6 g/L），SUT 工艺的累积能量需求 (CED) 和 GWP 分别降低 38% 和 34%，主要是由于减少了水和能源的使用。对 SUT 影响的任何检查还应包括组件进出设施的运输（对于固定设施的设备，通常只需要一次）和出于灭菌目的辐照 SUT 的要求。SUT 的供应链要求仅略高于固定设施，占设施整体生命周期影响的不到 1%。此外，固定设施中的耐用设备的预期寿命约为 10 年，之后它还必须更换，这比定期更换 SUT 的环境成本要高得多。

某些 SUT（如一次性膜过滤器）的另一个优点是，它们不需要像可重复使用的层析柱那样在每次运行后使用腐蚀性化学品和其它苛刻的处理来清洁和消毒设备和填料。例如，0.1 M 到 1 M 的氢氧化钠溶液常用于清洁、消毒和储存层析柱填料。这些清洁溶液必须在废弃之前进行中和。用 SUT 代替可重复使用的填料，如膜层析，进一步减少了在排放到城市废水之前需要处理的污水量。

设施要求

除了用于生产和纯化产品的设备外，还必须考虑物理设施本身对环境的影响。为生产生物药而设计的固定设施需要多年时间和大量专业材料才能建造，如果设计时没有考虑到灵活性，则可能难以改变，以生产不同的产品。这些类型的设施可能相当大并且需要专门的供暖、空调和通风系统 (HVAC)，旨在为工艺流程的每个阶段保持适当的空气质量和温度控制。此外，固定设施批次工艺通常包括需要适当大型储罐的储存步骤，这些储罐需要在受控环境中进行适当维护，这也可能导致设施的规模和能源需求。这种固定设施的能源需求可能相当大，大大提高了此类设施的 CED 和 GWP，但改用 SUT 可以将影响降低 38%。固定生物工艺设施中专用于 HVAC 的能源估计占总能源的 65% ，或许不足为奇的是，设施内空间的区域分类或等级越高，能源消耗就越大，平均每层建筑面积的能源消耗从未分类空间的 47 kWh/m² 到用于B级空间的 854 kWh /m²。相比之下，通常是封闭系统的 BCM 工艺需要较少的环境控制来维持区域分类，因此消耗较少的能源。还应注意，设施的 CO₂ 排放水平与能源需求有关，进一步加剧了设施对环境的影响。

设计用于容纳 SUT 并适用 BCM 的灵活设施比固定设施要小得多，对环境的影响也更小。BCM 通常比批次工艺更有效，因此生产相同数量的材料需要更小的物理足迹。此外，使用SUT 的 BCM 工艺在设计上是一个封闭系统，不易受到设施空气质量的影响，因此，在整个设施中保持一定空气质量的要求较少，继而影响较小。此外，还有潜力可以显著减少 BCM 工艺中所需的耗材（如培养基、缓冲液和填料），这进一步等同于随着储存和保持要求的降低而减少设施占地面积。BCM 工艺还受益于缺少保持步骤，这消除了在设施中存放储罐的需要。在设施和环境影响方面，还有其它一些更难以量化的因素，包括操作员。在这里，BCM 也可以提供一些好处，因为它通常需要更少的操作员和维护人员，来运行工艺和维护设施，以及构建设施所需的资源更少。BCM 工艺还具有使用相同的设备，实现灵活性和可放大性的额外好处。可以在将用于商业生产批次的相同设备上开发和验证工艺。当工艺准备好扩大规模时，可以简单地延长运行 BCM 工艺，以增加材料的产量。这节省了将批次工艺从开发规模放大到商业化规模的工作量和环境影响，并消除了对中试设施的需求。

总结

在考虑将 BCM 作为批次生产的替代方案时，可以将减少环境影响添加到 BCM 的优势列表中。正如本系列的第 1 部分所讨论的，水的使用在固定批次生产设施的环境影响中占主导地位，不仅用于生长培养基和缓冲液的生产，对于 CIP/SIP 操作和这些过程中使用的 WFI 的生产更是如此。BCM 的更高效率，加上 SUT 的使用，大大减少了这种工艺所需的水。BCM 工艺也往往会产生更小的废物，后者需要在处置前进行正确的处理。BCM 设施更小，与固定设施相比，需要更少的环境控制，从而进一步减少对环境的影响。此外，BCM 工艺和设施的灵活性允许实现更高效的生产，进一步节省资源。随着 BCM 技术的改进和在商业化生物工艺中的应用，可能会实现对环境影响的额外好处，在决定将 BCM 用于生物治疗药物的生产中时应考虑这些因素。

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原文：J.F.Kokai-Kun, What's The Environmental Impact Of Biopharma Continuous Manufacturing? Part II. Bioprocess Online, 2022.