图1 小体积囊式滤器。

本文论述了抛弃型设备的性能特点、技术进展和未来发展趋势，从经济和环境的层面证明抛弃型产品是十分可取的。

当前，利用膜过滤的无菌工艺在生物技术行业中占据了越来越重要的地位，原因在于使用膜过滤的冷除菌方式是生物溶液灭菌的唯一方法。任何热处理都会对药物产品及目的蛋白产生破坏性影响。为了确保除菌过滤后的产品保持无菌状态，人们越来越多地在无菌滤液的工艺过程处理或储存过程中使用抛弃型工艺解决方案。新抛弃型产品的连接技术能使滤液储存袋与分装线结合在一起使用。如果产品需要运输到另一个工厂分装，可将滤液进行可控冷冻运输，到达工厂后再进行解冻。在冷冻过程中通过可控冻融工艺避免了传统冷冻工艺中存在的液体流动和蛋白浓缩问题，从而确保将蛋白质降解控制在最低程度。

此外，生物物质常常很难从固定的不锈钢设备上清除。设备的清洗及清洗验证过程繁复耗时，而且清洗必须格外彻底，以避免有残留物及潜在的交叉污染风险。清洗和灭菌不锈钢容器、输送管路或滤壳，使得生产批次间隔时间长达8~10h，同时需要使用大量的清洁剂和注射用水。有计算表明，考虑注射用水的成本，清洗和灭菌1000L不锈钢罐的费用最高可达5000美元。而同等规格的液体储存袋价格只有300~500美元。现有工艺过程中清洗所消耗的大量时间和成本，推动了抛弃型解决方案的发展，选择抛弃型解决方案可以减少生产批次准备时间及清洗费用。抛弃型混匀系统可与囊式滤器及储液袋连接，此类相互连接的一次性系统均为γ射线灭菌的即用型产品。

抛弃型设备的另一个好处是使用者不会与产品直接接触。因此，抛弃型设备在有细胞毒性药物的工艺处理中使用越来越普及。采用抛弃型工艺过程生产药品，工艺过程转换中无需将过滤器从滤壳中拆除或手工清洗容器。当药品可能对操作者产生潜在危害时，抛弃型工艺设备是理想的选择。

抛弃型设备的进展

第一代抛弃型装置很可能是囊式滤器，能过滤小体积液体，且无需购买滤壳及清洗。这些囊式滤器是将塑胶滤壳及滤芯组合到一个抛弃型单元（图1）。当前的囊式滤器过滤面积有0.01~4m2多种规格，能够装配至其他设备，且耐高压灭菌。在多数情况下与抛弃型设备连接使用的囊式滤器在交货时已经过过滤器生产厂家的γ射线预灭菌。

一次性使用无菌储液袋最先在少量液体储存、生物制药溶液和培养基的运输中取代玻璃瓶、塑料瓶或不锈钢容器。最早在工艺生产中使用的是血袋及输液袋。随后由于对无菌储液袋的机械稳定性要求提高，因此研发出了高强度的高分子膜。这些高分子膜材料按不同的结构方式复合，生产出的无菌储液袋具有良好的机械强度，适合大容量液体储存，并且更加灵活和耐用。同时减少溶出物释放，降低蛋白质吸附，大大增强了化学相容性及氧气阻隔性能（图2）。

图2 无菌储液袋膜结构图。

无菌储液袋从设计到生产中所用的高分子膜材料的复合方式的不同组合，取决于应用需求或使用经验。现今储液袋的设计容量从20ml到3000L。组件不仅仅局限于储液袋和滤器，还可根据使用者的特定要求设计出复合组装产品。例如：缓冲液储存袋系统通常是相同体积的多连袋，每个储液袋可通过封管机与系统断开。由于质量保证需要，这类系统也可做为取样袋使用。在车间里，滤过液可以储存起来或者转移到不同的工艺流程中。大容量液体系统的储存需要与托盘或储存箱系统配合使用，以避免大体积液体流动产生的影响。这种储存系统内的储液袋需要以一种合适的方式展开，否则进液时会由于挤压出现褶皱，损害聚合物薄膜。灌液和袋子所有出口连接的优化设计是使储液袋排空时的液体残留体积最小化的基础。

抛弃型系统不仅仅局限于储液袋或滤器，还有多种不同的设备组件，它们可与一次性使用系统或工艺过程相结合使用。这类设备组件包括：混匀系统（不同混匀方式与工作体积）；传感器，例如：溶氧、pH和电导率；无菌液体传输连接器和管路；液体取样装置；生物反应器（不同培养方式、工作体积及搅拌技术）；液体和固体无菌传输系统；冷冻/解冻储液袋；超滤及透析；膜层析（离子交换）；病毒去除（滤器及紫外灭活装置）。

随着行业对一次性使用系统更为紧迫的创新需求，其他的设备解决方案很快随之而来，首先设计出的是抛弃型阀门、泵头及灌装系统。

混匀技术

抛弃型混匀系统，液体处理范围为5~3000L，通常用于缓冲液及培养基的配制、pH调整、超滤/透析、蛋白折叠、产品混和或终端配制。新的应用是通过调整pH值进行病毒灭活。这种混匀袋采用抛弃型电位pH传感器来确定灭活过程中所需的pH水平。

混匀方法有很多种，例如循环、混匀袋的脉动、磁力搅拌、搅拌棒或桨叶、以及超导悬浮搅拌等。与其他方法不同，超导悬浮搅拌的独特性在于桨叶不与储液袋接触，而是悬浮于磁场中。这种方式能够避免对袋子的摩擦，从而达到快速彻底的混匀效果。由于具体应用不同，混匀方式的复杂程度也不同，因此选择合理混匀技术的是很有必要的。液/液混匀的方式比较简单，而液/固的混匀相对困难，需要在设计以及混匀方式上进行评价。

图3 可行的抛弃型工艺处理流程。

抛弃型生物反应器

目前一次性使用生物反应器系统主要分为两大类：波浪式生物反应器和搅拌模式不同的罐式生物反应器。一次性使用波浪式生物反应器最先应用于生物制药行业。细胞培养液在摇动平台上前后运动，使得营养充分混合，气体溶解于液相。这种系统对于剪切力敏感的细胞培养有极好的效果，特别是作为种子反应器使用方面。波浪式生物反应器系统还能够单独作为一个基本的反应系统而无需复杂控制。其他的一次性使用罐式生物反应器系统可以与控制单元连接使用，通过抛弃型传感器测量溶氧、pH，并且运行不同的通气、补料培养模式。当一次性生物反应器系统被用作灌流培养反应器时，以上的控制方式尤其重要。波浪式生物反应器工作体积范围为0.2~500L。当前的生物反应器研发重点是罐式系统，配合使用多种搅拌方法，例如聚合物涂覆的搅拌装置或完全聚合物搅拌装置、振动搅拌、轨道摇动或通气混和。对于这些生物反应器来讲，不同搅拌方式和细胞培养需求需要相应的通气管路设计。罐式抛弃型生物反应器通常的工作体积范围为10~2000L，可与重复性使用发酵系统使用相同的控制台，为细胞培养提供合适的补料及通气环境。

药品冷冻/解冻

原液及中间产物常常需要长距离运输，并且下游工艺设备的瓶颈限制也导致了在生产过程中需要将中间产物暂时保存。这两种情况，都需要防止溶液中的蛋白降解。酶、温度、pH值、浓度或气体条件可能导致蛋白在储存或运输过程中降解。为避免产品损失，业界通常采取冷冻处理以使产品在一定时期内保持稳定。然而，一般的风力冷冻过程是不可控的，会使冷冻产品发生冷冻浓缩、pH漂移、产物凝聚、形成冰晶等，同时还可能造成袋子破损。为避免这些问题，抛弃型可控冻/融装置已经研发并投入使用。这些装置采用了带有框架支撑的冻融储液袋和热交换板式的冻/融模块，确保均一可控的冻融过程。把在框架保护下的冻融储液袋推进冻融模块后，热交换板自动移位并压紧储液袋，不仅可确保高效率的温度传递，而且可以保证储液袋中液体的均匀分布。这种设备还有小型试验规模装置，样品处理量为30ml，并且可工艺放大至16L。

未来抛弃型系统

过去10年中，各种抛弃性技术快速创新，一次性使用技术与重复使用技术在生物制药工艺中差距逐渐缩小。一些工艺步骤或特定的设备部件，既可以抛弃型使用，又可以和重复性系统一体化使用。没有人能够预测整体工艺在未来将会怎样，但是新型抛弃型工艺组件的发展，表明了完全抛弃型工艺过程的发展趋势，至少在小规模生产中可以得到应用（图3）。

由于工艺处理过程中液体体积变化很大，因此在工艺设计中需要认真考虑工艺过程的合理控制时间，以及工艺组件基本的连接验证。例如射频识别（RFID）既可用来跟踪设备或过程单元，也可以将相应的工艺单元连接起来。因为经γ射线灭菌的聚合物的货架期有限，并且产品的生命周期信息可被用户重写，所以用户可以通过这些标签创建合理的和所需的货架期。

抛弃型生产工艺中主要缺失的部分是阀门和处理高流速液体的分装管路。目前已有设计分装系统的尝试，但是还没有像前面提到的抛弃型技术一样在整个行业中应用。不过，此类抛弃型灌装设备能否投入市场只是时间问题。

抛弃型设备的创新发展提高了无菌处理的安全性，而且使建立抛弃型工厂成为可能。各种规模的生物处理工艺均得益于使用完全抛弃型技术，特别是起步阶段的生物产业项目。在项目早期阶段，使用抛弃型产品能减少资金投入。随着抛弃型技术的持续提高和发展，所有无菌工艺的关键点都得到改进和提高，如：降低药品成本、缩短生产周期和新产品开发时间及提高设备灵活性。

验证及认证需求

抛弃型无菌工艺的验证与传统不锈钢工艺的验证基本一致。由于抛弃型系统是厂家预先装配并灭菌的，因此供应商可在更高层面上配合验证工作。最终用户及供应商一起确定产品特定应用的预期性能，并在验证水平及认证要求上达成一致。

作为抛弃型无菌工艺产品的合格供应商，必须对最新的注册法规和GMP要求的执行有深入的理解。

大多数抛弃型装置均使用γ射线灭菌方式，必须对它们进行25~50kGy辐照处理后的短期和长期稳定性研究。通常情况下，辐照会缩短这些抛弃型装置的货架期，因此我们要确定缩短货架期的因素。此外，辐照过程能加速高分子物质的降解，这也会影响溶出物水平。为了确定辐照对抛弃型装置的影响及其所含高分子物质的稳定性，厂家在产品投放市场之前，对产品进行大量的验证。这些验证测试能为使用者提供指导。

测试通常包括（但不限于）以下项目：生物相容性试验（USP<87>：体外生物反应试验、USP<88>：体内生物反应试验）；机械性能（拉伸强度、断裂伸长率、密封强度、空气渗漏试验）；气体透过性能（ASTM D3985：氧气 、ASTM F1249：水蒸汽）；USP<661>塑料制品检测；E.P. 3.1.7.：容器与管路用乙烯乙基丙烯酸酯（EVA）的检测；E.P. 5.2.8. ：可传染性海绵状脑病-牛海绵状脑病的有关检测；总有机碳分析；pH/电导率；标准溶液处理下的抽提物/溶出物试验；蛋白吸附研究；内毒素测试；γ射线灭菌验证；细菌侵入试验。这些检测均采用标准试剂，按照标准方法进行。产品生产商可以提供这些检测数据。

抛弃型装置的验证测试是在标准条件下进行的，同时可能需要实施对特定生产工艺的验证，这类验证研究可以由抛弃型装置生产厂家提供支持服务。例如，在使用者的技术许可范围内，工艺验证研究可以使用典型溶液来模拟工艺参数。在色谱分析中产品可能把潜在溶出物的峰值掩蔽掉，用产品对抛弃型装置进行的溶出物检测不一定都能取得成功。因此我们经常使用与客户生产过程中的溶液相似的典型溶液来对抛弃型产品进行溶出物检测，但需考虑客户生产环境对测试的可能影响，从而确保抛弃型装置在相应条件下能够达到客户工艺生产的技术要求。

抛弃型装置功能各有不同，同样其工艺验证步骤也有差异。除菌级过滤器必须在终端客户工艺条件下通过产品细菌挑战性试验。如果料液产品本身是抑菌或杀菌的，则需要使用去除抑菌杀菌成分的对照溶液。在任何情况下，对挑战试验微生物或菌体分离有影响的工艺条件和液体必需加以确认进而排除相关影响。对于产品储存袋及混和袋，细菌挑战性试验不是必检项目，但是通常进行细菌侵入试验。滤器及储液袋系统都要求进行溶出物或抽提物的检测。如上所述，最终用户应该利用包括资格文件和工艺验证等由供应商提供的有关服务与支持。

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小结

众多已经上市的抛弃型装置，通常都是单一功能产品，但已经能够连接为多功能系统，例如预安装过滤器的无菌储存袋或预安装过滤器的生物反应器系统。快速发展的连接技术将会增强抛弃型装置的连接组合和一体化应用，全面抛弃型生产工艺的处理规模已经达到3000L。当前抛弃型技术在最终分装环节还没有达到无菌工艺中间产物处理的水平，抛弃型技术在分装领域的开发仍是有必要的。

无菌工艺中使用抛弃型装置的好处显而易见。清洗工艺是法规机构着重考察的问题，而使用抛弃型装置可避免这些问题，同时交叉污染的风险大大减少。此外，抛弃型装置的无菌连接技术会减少使用者的手工操作，从而增加了工艺安全性。清洗工艺耗费大量的清洗溶液和清洁用水，还需要大量的能源来加热清洗用溶液及对可重复使用设备进行蒸汽灭菌。因此，从经济及环境层面来讲，抛弃型产品也是非常可取的。