嘉宾专栏2021年11月24日

生物疗法连续制造中基于模型的控制:过程集成的作用

由Anurag S.Rathore、Saxena Nikita和Garima Thakur创作

生物技术科学家用移液管将样品移入多孔板iStock-1294915154

在我们前一篇文章,我们讨论了基于模型的控制的先决条件及其实现,以实现对各种机组操作的实时控制。这些基于模型的技术可用于创建端到端集成连续制造平台。与批量制造相比,连续制造提供了更短的开发时间、改进和统一的产品质量、更低的资本成本和易于扩大的规模。因此,主要关注点是满足关键质量属性规范。连续流程的四个关键要素是连续流程、端到端集成、系统方法和集成控制系统。此外,从已发表的文献中可以明显看出,整合上游和下游工艺平台比串联所有装置操作更复杂。需要修改流速、装载量、工艺条件和处理工艺偏差。1,2因此,主要关注点在于建立一个灵活的标准平台,该平台具有实时监控、自动启动/关闭以及处理动态变化条件的控制策略。

上游和下游的整合方式应确保生物反应器输出在下游连续处理。建议的方法是将生物反应器与澄清/细胞保留装置结合,然后进行连续捕获色谱。在这里,细胞保留装置可以是交替切向流过滤(ATF)3、4或切向流过滤(TFF)。这些装置的机械模型有助于比较它们的性能,从而设计最佳的过滤级联。3,5,6除过滤装置外,离心机是用于澄清的另一种选择。应用计算流体力学(CFD)模型将细胞裂解与应力联系起来,对盘式叠层离心机进行的研究表明,生产率随着细胞裂解的减少而增加,如果转速较高,细胞损伤更大。7.在另一项研究中,使用了一个模型来预测流化床离心机中床层高度的变化率。8.由于近年来的发展,声速分离也可以用作保留器件。9对于连续操作,节奏声波分离器(Pall Life Sciences, NY)可以用于增强细胞分离。10这些模拟研究证明了关键工艺参数(CPP)对细胞分离效率的影响。它们也有助于加深对装置操作的了解,并有助于开发全自动化的大规模连续细胞澄清系统。已经开发并演示了一个集成平台,该平台包括捕获过程(双柱连续过程)、病毒灭活过程、抛光步骤(半连续、双柱),然后通过抛光步骤分批流动。11基于质量平衡的定制设计原则,以及确定和统计模型来开发控制策略,已经被设计成直接连接单元操作。另一个端到端连续生物处理的架构包括灌注生物反应器与ATF结合,一个四柱周期性逆流色谱PCC用于捕获和灭活病毒,然后另一个PCC用于中间和抛光步骤。12

在整合相邻下游装置操作时,还需要考虑下游过程的不连续性。重要的是要有吸收上游装置流量波动的装置,并向下游工艺提供恒定流量。调压井是机组运行固有周期性的一种解决方案,使直接连接的集成过程成为可能。13集成生物工艺流程如图1所示,其中缓冲罐(也称为缓冲罐)用于创建端到端平台。它们有助于维持较低的工作压力14并实时控制由于滴度变化、电荷变化或膜污染条件引起的过程偏差。15-18许多集成单元操作的平台包括定期操作色谱过程,19中间有储槽,为下游操作提供恒定流量,或在灌注生物反应器之间放置缓冲罐,并添加连续捕获步骤,以控制从上游到下游单元操作的流量波动。20在这里,在线高效液相色谱法与机械模型相结合,也用于控制和优化捕获过程。在另一项研究中,由灌注生物反应器与ATF、捕获多柱色谱、病毒灭活、单通TFF、抛光膜、病毒过滤和单通UF DF以及三个缓冲罐组成的集成平台,最终浓度为110 g/l,而批量生产中为85 g/l。21这些调压罐协助泄压。然而,不鼓励使用调压罐,因为资本成本、保持时间、生产率和运营都受到负面影响。11这里提到的大多数研究都经过了小规模生物疗法生产的验证(最少3.5天到最多31天)。

图1:通过使用调压井整合多个机组操作创建的端到端连续平台示例

集成连续生物处理的现状

生物工艺制造的最新进展提高了工艺开发和生产率;然而,在实施这些措施的过程中出现了新的挑战。在操作、控制(对于过程开发控制挑战和过程控制挑战)和验证方面都需要解决方案,以提高生产力和效率。生物反应器的运行需要有效地考虑过程开发、过程控制和表征时间,同时考虑过程的操作复杂性和污染风险。这些问题对于灌注手术来说是非常重要的。单次使用灌注装置只是最近才出现,缺乏了解带来了额外的挑战。Cytiva、Sartorius和MilliporeSigma等公司已经开发出自动化生物反应器和新的灌注系统。transenta的集成生物处理平台除了消除澄清和保持步骤外,还使用连续灌注来获得高生产率。该技术与鲁棒的过程控制策略和自动化相结合,减少了足迹、劳动力、消耗品、周期时间等。工艺产量增加了十倍。22

在下游装置操作中,采用连续色谱法具有挑战性,因为其操作需要集成控制结构。然而,具有内置数据系统的设备的可用性使连续运行成为可能。对于使用传统方法难以生产的产品,正在使用上游灌注结合多柱色谱法(MCC)、在线调节和TFF。最近,亲和方法的进步提高了生产率;例如,Nanopareil的静电纺丝纳米纤维、膜胶囊和整体提供了短停留时间和高动态结合能力。它通过提供快速循环时间、减少色谱设备占地面积、减少缓冲液消耗和废物产生,改进了蛋白质A色谱和抛光色谱。在更广泛的范围内,采用上游和下游连续制造的一个基本问题是无法集成单元操作。尽管有许多创建集成平台的选项可用(如前一节所述),但需要评估这些平台在更大范围内的适用性。

结论

在过程控制、实时监控、自动化、知识管理、减少碳足迹和资本投资的灵活基础设施、简化技术转让和改善供应伙伴关系管理等方面需要进一步研究。为整个供应链开发一个综合模型或数字孪生模型将有助于设计一个优化的流程,并做出实时决策以实现流程自动化。现实生活中同样的例子还在等待。此外,机会在于通过自动化系统和数学模型建立灵活的方法,以实现实时过程监控。最后,能够适应连续制造需求的监管方法需要进一步发展。一次性使用标准、过程验证策略、数据完整性、接口协议和供应商规范需要监管指南。

参考文献

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  22. Shanley,A.,“越来越接近端到端连续生物加工”,生物制药国际34(5)2021。

关于作者:

Anurag S.Rathore博士是印度德里印度理工学院化学工程系的讲座教授。他还是生物制药技术卓越中心的协调员,目前担任印度理工学院德里分校的企业关系主任。他曾在安进公司和法玛西亚公司担任管理职务。他感兴趣的领域包括工艺开发、放大、技术转让、工艺验证、生物仿制药、连续加工、工艺分析技术和设计质量。他在这些领域撰写了500多篇出版物和演讲稿。他目前担任《华尔街日报》的主编制备生物化学与生物技术和《科学》杂志副主编化学技术杂志生物技术. 他有博士学位。耶鲁大学化学工程专业。

Saxena Nikita是德里印度理工学院Anurag Rathore教授手下的研究助理。她是过程控制专家,目前致力于生物制药过程的自动化和数字化,以实现生物制药的连续生产。她感兴趣的领域包括过程集成、基于模型的控制、统计过程控制以及用于过程监控的多元数据分析技术的实现。她发表了20多篇文章和一本书,涉及各种过程的控制,并在生物制药领域申请了两项专利。

Garima Thakur是印度德里理工学院生物处理实验室Anurag Rathore教授手下的研究员。她从事生物制药连续下游制造的PAT申请领域,并在该领域撰写了10多份出版物和四份专利申请。她的工作重点是克服生物制药行业持续运营带来的独特挑战,特别是使用实时控制工具处理过程偏差。她一直致力于开发新型PAT工具,包括数据驱动的AI/ML解决方案和新型光谱工具,以改进连续下游生产线中单元操作的控制。