我国的生物制药上游研发技术与世界先进水平相差不大，然而下游生产技术却差距明显，传统药品生产模式已不能适应生物制药的需求。由于生物制药项目往往耗资巨大，项目初期设计应注意哪些关键点？如何更好地优化生产工艺，实现高效生产？一次性使用技术是否会为生物制药带来革命性变化……这些问题是业内关注的焦点。本期“生物制药”专刊特设置了“生物制药工程大家谈”栏目，邀请业内专业人士，结合中国生物药企的实际情况，对生物制药工程设计、建造和运营方面进行技术指导，分享成功经验，为读者解惑答疑。　

PROCESS： 相比于传统化学药项目，您认为生物制剂项目在厂房设计、工艺验证、质量管理等方面有哪些突出的特点？

刘明力：对于生物制品来说，一般原液和制剂是不分家的，原液没有文号（胰岛素除外），只有制剂有文号，GMP认证也是只对品种说话，原液和制剂是一个不可分割的整体，无论厂房设计、工艺验证还是质量管理，原液和制剂都需要合并考虑。生物制品厂房设计的突出特点主要体现在以下几个方面：

由于生物制品的特殊性，在设计之前应对该品种进行充分的评估，包括生物安全评估、质量风险评估和工艺风险评估；

生物制品生产车间的平面布局一般宜采用单向流设计，并在人流、物流、设备流、产品流、废物流等方面充分考虑预防污染和交叉污染；

图1 “在生物制剂生产中，人、机、料、法、环各大系统都必须保持验证状态，并遵循严格的无菌保证措施，应从系统的层面去考虑，不得有遗漏，不得有盲区，做好每一个细节。”
——刘明力，浙江海正药业股份有限公司生物药质量总监

生物制品生产配套的设施设备宜采用模块化设计，如发酵系统模块、培养基配制系统模块、纯化系统模块、废液灭活系统模块等等，并配套监控系统对工艺参数进行连续监控；

生物制品的生产过程一般对温度控制要求较高，在设计时应充分考虑各个步骤对温度的控制；

由于生物制品生产的可变性以及其副产物的可变性，给预防污染和清洁验证带来了巨大的挑战，可考虑一次性使用技术的应用。

生物制品工艺验证的突出特点主要体现在以下几点：

由于生物制品生产工艺的可变性，从小试到中试再到商业化生产规模，其可变性非常大，工艺控制难，那么就要求在工艺验证前必须对工艺研究非常透彻，所以，前期工艺研究的工作量是巨大的；

由于生物制品的特殊性，验证前对工艺及质量的风险评估就必须非常充分；

工艺参数控制的精确性和连续性显得尤为重要；

要充分考虑到蛋白质的特性，以及工艺参数如温度、pH、电导等对产品的影响；

加强取样的管理，包括取样计划的制定、取样过程的控制、样品的存放条件及时限要求、检测时对样品的处理、检测后对样品的处理等等；

生产及取样过程中还应高度重视产品生物学活性的保持。

图2 “‘药品生命周期验证’的理念需要得到推广，验证是研发、项目设计、调试、验证和生产维持中的关键环节。”
——徐文勤，制药工程领域专家

生物制品质量管理的突出特点主要体现在以下几点：

由于生物制品的复杂性，质量管理最好向前延伸到研发阶段，这对后期的质量管理策略的制定奠定了基础；

厂房设计及建设过程中的质量管理应关注产品的特性及生物安全性；

生产过程中的质量管理必须从原材料（包括菌、毒种或细胞库）、中间产品、原液、半成品、成品到贮存条件等进行全程的质量控制；

工艺验证和清洁验证需要依据产品的特殊性进行额外考虑，质量分析应全面，包括结构确证、杂质、纯度和生物学活性等；

由于生物制品的异质性，其检测方法开发及方法验证难度较大。

PROCESS：您认为对于生物制剂项目，应用欧美风险评估方法需要注意哪些关键点，采取哪些措施可以控制和降低生产过程中的风险？

刘明力：对于生物制品来说，其风险评估应以产品质量为核心进行风险点的识别，从安全性、有效性两个方面进行考虑，影响药品的安全性主要就是杂质，有的杂质是外来的，我们称之为外源性杂质，有的杂质是药品自身变化产生的，我们称之为内源性杂质；与药品的有效性有关的因素主要有含量和生物学活性。

风险评估及风险降低措施的制定，前提是对风险点的识别，对于生物制品来说，其风险点就来自于生产过程中影响产品杂质、含量和生物学活性的所有因素。

我们先说杂质，上面谈到分为内源性和外源性，内源性杂质包括氧化产物、降解产物、相关物质等等，对于内源性杂质的产生因素，不同产品其发生条件不同，我们可根据产品的自身性质进行分析，比如说该产品对氧化敏感，易产生氧化产物，我们就需要在整个生产过程中有氧接触的环节进行控制，采取惰性气体保护等措施进行风险降低。外源性杂质包括微生物、微粒、内毒素等，对于这些外来的杂质，我们应从分析、预防、去除三个方面进行考虑，以微生物控制为例，首先分析整个生产过程中哪些地方可能会污染微生物，找出风险点，然后制定预防措施，如采用密闭系统或层流保护等等，同时还要考虑一点有污染或滋生风险，后续步骤如何去除，如采用除菌过滤方式等等。

另一个重点考虑的方面是含量，药品含量的不足或超出范围对患者来说都是有害的，从法规的角度讲都是劣药，同样我们也是要从整个生产过程去分析哪些因素会导致产品含量不合格，并制定预防措施，比如说灌装精度不好可能会导致含量不合格，那么就要对灌装精度进行确认；比如说发酵表达量达不到要求导致含量不合格，那就就需要对发酵生产过程进行严格的控制，并通过后续的纯化和超滤工艺进行回归性处理。

图3 “一次性使用技术在生物制药领域中的应用已越来越广泛，一次性的概念也越来越多地被国内外药厂认可和接受，并已经应用到了生物制药生产的整个工艺过程中。”
——顿昕，中国医药质量管理协会顾问

最后一个重点考虑的方面是生物学活性，对生物制品来说是非常重要的指标，需要根据产品的自身特性及工艺特点，对整个生产过程进行分析哪些因素会导致生物学活性的降低，蛋白变性或空间结构改变的时候都会影响到产品的生物学活性，而导致蛋白变性或空间结构发生改变的因素又很多，就需要我们逐个步骤逐个因素进行分析，根据分析结果制定分析降低措施，比如说过滤的时候压力过大会使剪切力增加导致蛋白变性，那么就需要对过滤过程的压力参数进行研究，确定最适合的压力并对过滤过程的压力进行严格的控制；比如说调节pH的时候局部浓度过高会引起局部的蛋白变性，那么就要对pH调节操作进行优化，采取更温和的方式进行该步骤操作。

GMP强调确保药品的安全性、有效性和质量可控性，安全性和有效性是目的，质量可控是手段，风险评估要紧紧围绕这一核心进行分析和控制，通过质量控制的手段来消除或降低影响安全性和有效性的负面因素。
　　
PROCESS：生物制剂生产工艺在微生物监测与控制、无菌保证方面有哪些成功的技术措施和经验可供分享？

刘明力：这里只能谈一下大概的思路。生物制品比较典型的工艺大致分为四个阶段，种子扩增培养阶段、发酵培养阶段、蛋白纯化阶段和制剂阶段，其微生物控制或无菌保证可从这几个阶段逐一进行分析。

在种子扩增培养阶段，这一阶段非常重要，一般采用无菌操作，所用的工器具都是经过灭菌且在有效期内的，也可用一次性的，如一次性吸管、培养瓶、摇瓶等；所用的培养基经过灭菌和空培养确认；接种过程严格执行无菌操作，在生物安全柜中进行，及时做好各项消毒工作，并注意清场及废弃物处理。

在发酵培养阶段，染菌是重大的质量事故，导致的损失也非常大，所以此阶段一般都采用密闭系统，可能导致微生物污染的环节很多，需严格控制，如培养基灭菌环节，如果灭菌不彻底会导致染菌；接种环节，一般采用无菌接种手段；取样时一般使用取样瓶无菌对接的方式；发酵培养过程中的补料也是一个比较大的风险点，应确保管路的无菌连接，并在补料过程中确保管路的完好性；在使用前对罐体及各个管路的密封性应得到确认；对于通气管路，其老化、破裂、气膜破损等通常也是导致染菌的原因，应确保整改发酵培养过程密闭完好。

在蛋白纯化阶段，此阶段的产品为原液，因为制剂部分会经过无菌过滤，层析各步也都能起到一定的除菌作用，所以此阶段一般都是非无菌操作，但需控制微生物负荷，尽量采用密闭系统，收集的时候采用自带过滤膜的一次性无菌袋。

图4 “RTU技术将大量被应用，西林瓶、卡式瓶、预灌针、胶塞等已清洗、灭菌，脱包即可使用，大大缩短了批次转换的时间，并且无需CIP、SIP验证。”
——郑金旺，上海东富龙科技股份有限公司副总经理、技术总监

在制剂生产阶段，这一阶段最为重要，一旦有微生物污染，所有工作将前功尽弃，在灭菌系统验证、人员更衣验证、环境监测合格、培养基模拟灌装验证合格的前提下，整个人、机、料、法、环各大系统都必须保持验证状态并遵循严格的无菌保证措施，确保配制系统的密闭性、洗烘灌系统的有效性、过滤系统的完整性等等。这里不是一个点的问题，也不是一个面的问题，而是一个三维立体的系统，从系统的层面去考虑，不得有遗漏，不得有盲区，做好每一个细节。

PROCESS：相比传统化学药项目，您认为生物制剂项目在厂房设计、工艺验证、质量管理等方面有哪些特点？

徐文勤：生物制药项目主要分为两大类，一类是生物制药企业的改造升级，另一类是新兴生物制药技术的应用。一般而言，对于原有设施的改造，传统化学药项目和生物制药项目一样，在厂房设计、工艺验证和质量管理方面都不会面临太大的困难。而对于运用新兴生物制药技术的项目来说，无论从厂房设计还是工艺验证方面来说，情况都完全不同。工艺验证成功与否很大程度上取决于研发数据和设备性能。厂房设计更注重合理性和安全性。质量管理在项目管理中的作用更为显著，成为项目顺利结束的关键环节。

PROCESS：当前生物制剂项目设计存在哪些典型问题？有哪些解决办法？

徐文勤：以下观点，仅就新兴生物制药技术项目而言。生物制剂项目设计一个典型的问题是设计和研发脱节。中外交流的日趋频繁，决定了国内生物制药研发和国际先进水平基本处于同一水准。然而，微弱的差距往往决定了项目的成败。在设计中，我们常常发现，由于研发数据和研发资料的不完备，导致根本无法将实验室研发工艺规模化。应对这种脱节现象，有人采用了一种很有趣的方法，就是把厂房变成很多实验室的集合；而更有效的方法，则是从源头解决问题，注重研发的科学性和稳定性。

另一个典型问题是设计和生产脱节。众所周知，生产工艺应该是研发的放大，然而，由于专业领域的差异，现实中生产工艺设计工程师很难和研发工程师有效沟通。根据以往项目经验进行复制、嫁接，或者是将各种先进设备堆积就成了设计师们必然的选择。这样做的结果自然是导致项目进度的无限拖延，且落成后迟迟无法投产。要根本解决这个问题，需要设计工程师具备深厚的制药研发、生产知识和实际经验。

第三个典型问题是生产和验证脱节。解决这个问题的关键是推广药品生命周期验证理念，把验证看作研发、项目设计、调试、验证和生产维持中的关键环节。

PROCESS：您认为对于生物制剂项目，应用欧美风险评估方法需要注意哪些关键点，采取哪些措施可以控制和降低生产过程中的风险？

徐文勤：项目风险评估一般使用FMEA模式。这种模式的关键是分析故障发生的“可能性”，“严重度”和“可被检测性”。而这3个关键点的确定都需要很丰富的经验。在实际运用中，“严重度”是一个关键指标，假设我们定义“批生产失败”为高严重度事件，若“某事件”发生导致“批生产失败”，则必须对“某事件”进行防范以降低风险至可接受水平。在“严重度”风险水平可被接受基础上，考虑“可能性”和“可被检测性”才有实际意义。

欧美的风险评估方法是一种风险性生产理念，不是说做了评估就可以发现一切风险，也不是说采取了措施就可以化解一切风险。因此，如果我们先采用了先进设备，然后再做评估，那和风险评估的理念是背道而驰的。

PROCESS：针对不同类型的生物药品，如抗体、疫苗、血制品及原料药等，一次性使用技术在哪些工艺中得到了应用？其验证过程与传统工艺有哪些不同?您认为其未来应用趋势如何？

徐文勤：一次性使用技术的推广运用取决于设备生产商的市场运作。药厂作为该技术的受体，首先要考虑该技术的法规依从性，其次要从风险管理角度综合考虑其运用范围。不是说任何先进技术都可以无缝适用于任何一个行业，我们应该用理性的眼光看待一次性使用技术及其它新兴技术在某个行业的运用前景。从验证角度说，一次性使用技术将使验证重点转向证明一次性技术的稳定重现性，把验证领向一个未知的领域。

PROCESS：生物制剂生产工艺在微生物监测与控制、无菌保证方面有哪些成功的技术措施和经验？

徐文勤：在生物制剂生产工艺设备选择方面，各种类型隔离器的使用可以降低污染风险，Open RAB，Close RAB和Isolator的应用已渐渐成为趋势；成套密闭设备也可起到降低被污染风险的作用。总之，从风险管理角度来说，工艺设计上，我们更注重从源头出发，考虑降低风险的措施。我们要注意的一个误区是：控制风险和采用最先进设备并不是一个等同的概念。

PROCESS：您认为，生物制药工程技术领域未来有哪些发展趋势？

徐文勤：生物制药工程项目已经体现出了以下发展趋势：引用国外项目设计理念；广泛采用最先进生产设备；整厂计算机化系统集成。

浅谈生物制药厂房设计及新技术应用趋势

相对于整个医药行业和其他占主流的子行业来说，目前生物制药行业是一个占有较低市场份额的小行业，但是它的发展潜力却是非常巨大的，其发展速度和利润增长速度都高于化学制药和中药。近年来，国家持续加大对生物技术创新和生物产业发展的支持力度，使中国生物制药行业保持强劲发展势头。作为法规符合顾问，我曾参观了多家生物制药企业的厂房，也有幸参与了几家生物制药企业的厂房设计与审核。这些企业中，既有海外的血液制品、基因重组制品的生产商，也有国内的单抗生产企业，疫苗生产企业。区别于普通化药生产企业，我认为这些新建或改建的生物制药企业在厂房设计及新技术应用方面有以下几个趋势。

更加关注生物制品生产工艺中的特点，采用多种举措降低交叉污染的风险。

因为大多数疫苗制品涉及到菌种和毒种的使用，血液制品和单克隆抗体的生产车间，也有病毒灭活前工序和病毒灭活后工序。所以，在新建生物制品厂房的设计中，大家更加注重有毒区和无毒区的隔离。例如，在血液制剂的前工序生产中，血浆融浆区域，组分分离区域以及病毒灭活后生产区域彼此分开，各区域的空气净化系统独立。为了防止病毒灭活前后的交叉污染，需保证灭活前后的生产设备实施专用。

例如，过去一套超滤系统既应用于病毒前工序，又使用在病毒灭活后的生产步骤中的情况很普遍，而在新设计的厂房中很少发生。部分国内企业，采纳国外的设计理念，在黑区和生产区之间单独开辟控制无级别区，进行有效隔离。某些局部保护，隔离器被越来越多地被采用。在既有病毒隔离要求，又有无菌或微生物负荷控制要求的区域，为了防止空气带来的交叉污染，正压气锁、负压气锁的使用也变得更加流行。

采用优化设计，减少高耗能区域（如高级别洁净区），减少公用工程成本。

例如：不同于以往的单层厂房设计，现在更多采用多层设计，公用工程更可能设置在地下或生产区的上层。这样大大缩短了公用工程管线的长度，明显减小了风阻，节约能源。同时，也避免了公用工程人员与生产人员的通道交叉。

又如，生产区上下层设计，利用重力避免输送中额外设备。

通过灰区/白区的分离，减少洁净区面积，例如：区别于以往，将整个配液罐放在洁净区，现在只是在罐的开口处进行洁净保护，而将罐体放置在一般区。

为了降低交叉污染的风险，并使生物制品的生产更具灵活性，一次性技术已经被广泛使用。从定义上来讲，一次性技术产品是指自封闭、预组装的塑料流体通路。该产品预灭菌，灭菌方法为一定剂量的射线辐照（γ射线、β射线），也就意味着即拆即用，省去了组装和灭菌的步骤。一次性产品一般为标准元件的集合，包括一次性袋子、管路和连接件等。不同于传统不锈钢技术的另一个特点为，一次性产品出于本身的组装灵活性，可以接受用户定制，也就是说能够最大化满足不同工艺的需求，更加贴合实际生产需要。从早期可过滤小体积液体的囊式滤器到一次性生物反应器的广泛使用，可以说一次性使用技术在生物制药领域中的应用已越来越广泛，一次性的概念也越来越多地被国内外药厂认可和接受，并已经应用到了生物制药生产的整个工艺过程中。目前已经面世的一次性产品包括：一次性储液系统、一次性配液（搅拌）系统、一次性无菌连接器、一次性生物反应器、一次性取样系统，以及集成工作站式的一次性纯化系统，包括除菌过滤、澄清过滤、除病毒过滤、超滤、层析等。

PROCESS： 相比于传统化学药项目，您认为生物制剂项目在厂房设计、工艺验证、质量管理等方面有哪些突出的特点？

郑金旺：生物制剂项目在厂房设计方面的突出特点为：

模块化结构；主要目的是考虑减少楼层，减少厂房面积，便于复制。

模块化设备；具体表现形式为小巧、可重组和一次性技术，设备模块化的优点是验证方便，可复制性强，尤其适用于跨国大药企，一套被验证过的模块化的厂房和设备，很容易在全球各地的分公司进行快速复制，缩短项目周期。

可扩建性；在厂房设计的初期，考虑后续产量放大的扩展，可以按需快速的增加模块设备。

PROCESS：您认为当前生物制剂项目设计存在哪些典型问题？有哪些解决方案？

郑金旺：目前生物制剂项目设计存在的典型问题有：

巨大的资金投入，昂贵的不锈钢设备，固定资产大；

质量问题比较多，批次之间容易造成交叉污染；

设备CIP、SIP成本高，耗时长，验证过程复杂。

我认为的解决方案是采用一次性使用技术，比如说采用一次性配液系统，减少设备固定资产的投入，批次转换时间缩短，无需在线清洗CIP、在线灭菌SIP，防止批次之间的交叉污染。

PROCESS：您认为对于生物制剂项目，应用欧美风险评估方法需要注意哪些关键点，采取哪些措施可以控制和降低生产过程中的风险？

郑金旺：应用欧美风险评估方法需要注意的关键点是：自动化、隔离化、工艺连续化。

自动化主要是防止人为出错，原先手动的改为自动化操作，可验证性，重演性强；

隔离化主要是防止污染和交叉污染，采用隔离屏障系统，不仅可以防止人对产品造成的污染，大大提高产品的无菌性，针对于高致敏性产品，隔离化对人体的安全保护也起到很好的作用。

工艺连续化主要是从上下游工艺设备的接口考虑，统一进行设计，保证上下游工艺之间的无缝衔接。

PROCESS：针对不同类型的生物药品，如抗体、疫苗、血制品及原料药等，一次性使用技术在哪些工艺中得到了应用？其验证过程与传统工艺有哪些不同？您认为其未来应用趋势如何？

郑金旺：使用一次性技术的工艺有：配液、取样、灌装蠕动泵和针头、无菌转运袋等。

一次性使用技术与传统工艺的不同点：可以显著地提高工艺效率，同时无需进行在线CIP、SIP，无需CIP和SIP验证。因此，准备时间和总周转时间都减少了，防止交叉污染。

一次性使用技术的优点：不仅能够简化项目实施的关键步骤，还能够提高对法规的依从性，并改善环境、健康和安全（EHS）方面的因素；对于新设备和设备改装，一次性技术具有极大的灵活性，车间所需要的空间更少，人员和设备流更为简单。

不过，一次性使用技术也存在一些缺点：如材料与药液的相容性需要得到验证；材料的密闭性和完整性需要得到确认，由于是预先经过灭菌的，在使用前需确认其密闭性。

未来应用趋势：一次性使用技术将越来越广泛地应用在生物制剂中，特别是高附加值产品，适合于小批量、多产品的项目中。

PROCESS：生物制药工程技术领域未来有哪些发展趋势？

郑金旺：我认为主要有以下这些：

生物制剂产品多为高价值、低产量；

柔性制造：由于产品的批次量比较少，因此车间的利用率必须大大提高，一个车间具备多种剂型的生产能力，比如说可以分阶段生产：西林瓶冻干、西林瓶水针、卡式瓶、预灌针等产品，可以实现柔性制造。

RTU技术大量使用：RTU是Ready-to-Use的缩写，西林瓶、卡式瓶、预灌针、胶塞等都已经清洗、灭菌，脱包即可使用，大大缩短批次转换的时间，并且无需CIP、SIP验证。

由于一次性使用技术具有成本效益高、灵活、安全、运营效率高、对环境影响小等优点，因此在未来一段时间内会大量被应用。

隔离器Isolator的大量使用：有些生物制剂产品不仅需要保护产品的无菌性，还需保护人员的安全性，特别是对于高致敏性或者细胞活性的产品。同时，由于使用了隔离器Isolator，无菌室可以从传统的B+A改成C+A或者D+A，人员更衣简单，空调系统的投入和运行成本大幅降低。