文末赠书 | 在线配液应用实例分享

缓冲液的制备和储存是开发蛋白质类药物的生物制药公司面临的一个挑战。随着上游表达量的提高，缓冲液的需求量不断增加，这已经成为生物制药下游生产的主要瓶颈。

意大利生物制药公司 Kedrion Biopharma 是一家收集并分离血浆，由此生产血浆衍生治疗药品的公司，主要用于治疗和预防严重疾病、失调和病症，如血友病和免疫系统缺陷。为了扩大产品范围，包括血浆免疫球蛋白G（即 IgG，一种负责抗多种细菌和病毒的抗体），该公司开始在托斯卡纳建设新的设施。血浆分离的生产过程极其依赖缓冲液。因此，在规划这一新设施时，Kedrion Biopharma 希望利用先进的缓冲液管理技术优化缓冲液配方，通过自动化提高工艺经济性，并最大限度地利用该设施占地面积。

该公司仅用于IgG生产的层析和超滤步骤，就需要使用26种不同的缓冲液，每三周的缓冲液配制总量达200,000升。采用传统的缓冲液制备方法需要将新设施的大量空间专门用来放置大型不锈钢储罐，用以储存生产单批次所需约 70,000 升的缓冲液。由于占地面积非常宝贵，想扩张产量的生产商往往不会为了增加产量而追加储罐。传统的缓冲液生产方式由于占地面积，将限制该设施的生产能力，Kedrion Biopharma 开发出在线配液 (IC) 的新解决方案。

图 1：使用在线稀释法进行配制缓冲液，可以在需要时稀释一种浓缩缓冲液的储备溶液（通常最多浓缩 10 倍），从而生产出最终体积的标准缓冲液，由此减少大量预制缓冲液的存储需求。

在线配液IC 是在线稀释 (ILD) 概念的扩展（图 1），是一种缓冲液管理策略，可让生物制造商通过内部配制复合浓缩的储备溶液，按需生产缓冲液。IC 系统使用单个缓冲液成分中的单组分储备溶液生产不同的缓冲液。该系统根据精心研制并经过广泛测试的配方，结合每种成分所需量与规格，可以在需要时生产出准确的缓冲液量。

虽然 ILD 也减少了传统缓冲液配制所需的缓冲液量和储罐体积，但并没有减少所需的储罐数量。为了校正稀释缓冲液的 pH 值和电导率，ILD 还需要对缓冲液浓缩液进行复杂的最终调整。

然而，IC 可以从同一对相应的酸碱储备溶液中生产出不同浓度、pH 值或电导率的缓冲液。使用这种方法不需要对电导率和 pH 值进行后调整，同时可以更灵活地从同一储备溶液中按需生产出不同缓冲液配方。IC 可以通过这种方式简化缓冲液生产，帮助企业解决问题，让他们的生产设施更积极地响应并灵活应对市场需求。

为了确定可在何处节省空间并提高效率，Kedrion Biopharma 请 Cytiva思拓凡对其缓冲液生产要求进行了全面评估。Cytiva根据客户提供的所需缓冲液列表，分析了所有不同的步骤，以确定是否有可能从少量相应的酸碱成分中配制出所有需要的缓冲液。

Cytiva用六个月的时间分析了所需的缓冲液范围，从而确定是否要减少储备溶液的数量，以及如何减少。两家公司在评估期间一直在围绕系统设计进行商讨，就如何将其划分为多个系统，以及如何将设置整合到设施设计中作出了指示。评估完 IC 可能对生产工艺各个方面产生的影响后，团队确定了实施方案。该协同工艺使 IC 的全部优势在最终设施的设计中得以体现。

图 2：缓冲液配制的在线配液法

缓冲液配方

生物制药生产中，醋酸盐、磷酸盐、柠檬酸盐或三（羟甲基）氨基甲烷缓冲液在不同的生产步骤里往往会有不同的浓度、pH 值和/或电导率。ILD 涉及稀释浓缩的预制缓冲液配方，而 IC 将缓冲液生产简化为分离和浓缩的单一成分（图 2）。将一定量的相应酸和碱、水和盐结合，可以从同一缓冲液体系中生产出多种具有广泛特性的缓冲液。

图 3：使用醋酸盐生产缓冲液表明当其被用于从同一缓冲液体系中生产一系列缓冲液时，在线配液是如何实现大规模配液的。

在这种情况下，生物制造商在整个 IgG 工艺流程中需要四种不同的醋酸盐缓冲液配方。通过将两种高浓度的相应酸碱（HAc 和 NaAc）成分的溶液连接到 IC 系统，可以按需求生产这四种不同的配方。图 3 说明了 IC 是如何实现大规模配液的。

Cytiva认为Kedrion Biopharma 只需要使用 11 种单独成分的储备溶液就可生产特定血浆蛋白纯化工艺所需的 26 种缓冲液。IC 解决方案的设计中整合了这些内容，以适应特定的工艺和可用的存储空间，从而提高效率和经济性。两家公司还合作更改设施设计，将 IC 纳入整个生产工艺。

商定出的设置包括四个专用 IC 模块，两个集成了层析功能（照片 1），两个用作中央配制站（其中一个将连接到过滤模块）。在设计过程的最后阶段，确定了具体细节，以便能够最有效地安装这些系统，包括确定正确的入口高度和出口方向等。

照片1：Kedrion Biopharma 洁净厂房有两台具有层析功能的在线配液系统

作为工艺流程设计和集成的一部分，开发了许多缓冲液配方。为了提供原理验证，Cytiva通过实验室实验确认了一组理论计算的缓冲液成分。在 IC 设备的工厂验收测试期间，对所有 26 种缓冲液进行了实验评估与考察，结果显示所有缓冲液均处于规格范围内。该评估流程还包含最终 IgG 纯化工艺需要用到的所有必要缓冲液配方。

IC的运作方式

IC 使用复杂运行机制以高效经济的方式生产缓冲液，同时确保结果始终在所需的准确规格范围内。多个反馈回路协同作用，从而修改输入线流速。IC 可生产出确切数量和配方的所需缓冲液，免去了最终调整环节。对于分离的缓冲液成分，溶液浓度仅取决于各自的溶解度。在多成分缓冲液中，总浓度取决于最不易溶解的成分 — 如果盐具有相同的离子，则同离子效应将降低缓冲液的溶解度与浓缩系数。添加同离子时，同离子效应会通过改变溶解度平衡来降低溶解度。

图 4：使用 pH 值与电导率反馈控制进行的稳健性挑战研究中通过七次测试得出的电导率与 pH 值曲线；同一次测试中的曲线颜色相同。插入内容以相同颜色编码显示每次测试所用的酸和碱的浓度。虚线表示允许的 pH 值和电导率间隔。（©2017 GENERAL ELECTRIC COMPANY — 经所有权方许可复制）

IC 中内置的算法考虑了离子活性、储备液浓度和最终浓度的影响，以生产出具有精确强度和所需 pH 值的缓冲液。该系统在整个过程中广泛监测关键的缓冲液参数，以便通过调整相对体积来应对在线配制缓冲液的可变性，从而确保输出的质量控制。这一特性对 IgG 工艺来说很有价值，因为该工艺使用的一些缓冲液对电导率很敏感，要求参数保持恒定。我们可以使用 pH 值和电导率反馈控制来确保维持关键质量属性（图 4）。

图 5：在线配液在缓冲液配制中提供了一种完全控制模式灵活性。

此外，IC 的动态控制能力提高了使用一组固定储备溶液时的输出灵活性，使之能够根据一系列规格（如浓度、pH 值和电导率）生产出范围广泛的缓冲液。图 5 概述了该特殊系统拥有的三种可能的控制模式。

在Cytiva的 UNICORN 系统控制软件上运行可以对每个工艺流程进行规划、控制和分析 — 自动化是这家生物制造商的关键要求。

配方与流量

pH 值与流量

pH 值与电导率

说明

使用配方配制的缓冲液

根据目标 pH 值和浓度配制的缓冲液

根据目标 pH 值和电导率水平配制的缓冲液

控制

流量计

pH 值与流量计

pH 值、电导率与流量计

监测

pH 值、电导率与流量计

pH 值、电导率与流量计

pH 值、电导率与流量计

优点

当温度恒定且储备溶液准确时，稳定性强

即使温度出现变化，也能保证 pH 值和浓度正确

当预计储备溶液会发生变化时，即使温度改变，也能保证 pH 值和浓度正确。

图 5 在线配液在缓冲液配制中提供了一种完全控制模式灵活性。

通过每个阶段自动生产的缓冲液记录所有缓冲液特征，以便操作员可以通过查看层析结果（如图 4）来监测这些特性的趋势，并确保它们不会产生偏离。

控制软件必须与 Kedrion Biopharma 现有的分布式控制系统 (DCS) 相整合，后者负责控制整个工厂所有系统的工艺变量。为了实现不同工作流组件之间的有效沟通，UNICORN 和 DCS 软件被配置为通过工艺控制对象链接与嵌入 (OPC) 进行沟通。由此产生的设置允许有效共享实时数据，并将运行数据存储在在计划的自动化系统中，以及正确排列适当的启动和停止信号。我们还添加了一个定制指令系统，以进一步确保高效的缓冲液配制。

节省空间并提高操作效率

自动化缓冲液生产可确保生产记录比人工记录数据更准确。控制系统不必（在工艺结束时）一次测量缓冲液的特性，而是可以连续测量测试的所有参数，从而更好地控制这些参数。生产出的每种缓冲液都有相应的流量、pH 值和电导率等数据演变记录。此外，系统可以根据自动反馈机制调整输入线的流量，确保满足所需的缓冲液规格。由于许多缓冲液具有电导敏感性，因此这种控制水平是 Kedrion Biopharma 在考虑 IC 时的决定因素。

图 4 显示了 IC 在确保最终缓冲液特性方面的稳健性。设定所需的最终 pH 值和电导率后，用三种不同浓度的各单组分的储备溶液（同一缓冲液体系的三种酸性溶液和三种碱性溶液）考察系统。在每次使用相同 UNICORN 法的测试中，将浓度范围以不同的组合进行混合。如数据所示，所有组合产生的缓冲液具有相同的关键质量属性（pH 值和电导率），这表明能够产生不依赖于酸碱溶液起始浓度的可靠输出。

Kedrion Biopharma 通过使用 IC，可以用 11 种储备溶液代替 26 种缓冲液的生产和储存，从而减少相应的储罐数量。基于该策略，这些储备溶液需要的容器更少，而且容器的尺寸也更小。将 IC 系统整合到工艺流中可使设施占地面积减少 60%。总空间节省得益于一些因素；然而，这种空间减少很大程度上是因为需要存储和处理的溶液体积变小了。

减少

成本节省

储罐尺寸

84%

€ 700,000

不锈钢罐

目前都是一次性储罐

无

储备溶液数量

58%

无

制备时间

69%

€3,000/批次

操作员人数

4-5

€90,000

总占地面积

61%

€200,000

表 1：Kedrion Biopharma 通过实施在线配液所实现的空间节约和操作效率优化（与传统缓冲液配制法相比）

表 1 总结了我们节省下的空间和优化的操作效率。IC 只需使用制备与储存缓冲液所需的正常储罐尺寸的 16%。缓冲液储存体积由此减少了七倍，这对于促进生物制造商在新设施中转而使用完全一次性缓冲液储罐至关重要。这样做的另一个好处是，我们无需进行劳动密集且耗时的现场清洁以及相应的验证工作。

Kedrion Biopharma 安装了四个 IC 系统，能以高达 6,000 升/小时的流速生产缓冲液。自动化和配制体积的减少（处理更小储备溶液体积）大大减少了人工干预和支持。总体而言，与传统的缓冲液配制方法相比，IC 的灵活性和可预测性极大地提高了生产率。

提高灵活性

Kedrion Biopharma 通过在其新厂房内使用 IC 实现了自动化并减少了缓冲液体积，从而可以更有效地利用空间、人工、时间和投资等资源。当一项工艺中需要使用具有不同特性的相同缓冲液体系时，IC 可以创造规模经济，并相应减少设施的占地面积。可以在内部按需生产缓冲液，所以可控性更强，灵活性也更高。自动化能够使工艺从操作员密集型转换为工艺密集型。

生产缓冲液所需的占地面积 (m2) 总体上有所减少，这样宝贵的占地面积就可用于生产，而不是支持服务。减少需要存储和处理的缓冲液体积也能将该单元操作完全转换为一次性技术，从而进一步缩短响应时间，并提高生产灵活性。完成向 IC 的转型后，操作效率得到了提高，工艺也更加稳健。IC 有助于建设一个更灵活、更强响应能力设施，以适应日益增长的市场需求。

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