单克隆抗体药物生产单元与工程设计分析

单克隆抗体生产技术作为现代生物科学领域中的重要进展之一，具有广泛的应用价值，已逐渐成为目前生物制药行业的发展趋势 [1]。

随着中国改革开放后综合实力的不断增强，在国家《“十三五”生物技术发展规划》的推动下，在国内外单抗药物研究者的不懈努力下，国内众多研究成果步入工业化进程，如何设计符合cGMP 的单抗药物生产线已成为医药工程设计领域的当务之急 [2]。

目前单抗原液的生产工艺已很成熟，典型生产工艺流程到了类似于八股文“起承转合”的标准模式 [3]。

本文分析单克隆抗体原液的生产单元特征，引用相关规范（cGMP、ICH—Q7A），结合案例对单克隆抗体原液车间的工程设计进行阐述。

1 生产单元特征分析

单抗原液的主要生产单元包括：细胞接种、细胞扩增和培养、收获、蛋白捕获、病毒灭活、精纯、病毒过滤、超滤浓缩、除菌过滤、装袋、原液暂存等。工艺流程如图1所示。

1.1 细胞接种

需要注意：在细胞接种、细胞扩增、细胞培养以及收获过程中均有活细胞存在，粗纯以及精纯均没有活细胞存在，在工艺分区时应将细胞活性和非细胞活性区域分开，CIP系统单独设置。

1.2 细胞扩增和培养

将接种区的细胞接入摇袋式反应器，随后在各级生物反应器中进行逐级放大培养，在培养过程中不断地检测反应器内的温度、压力、溶氧量、pH值等参数，不断地调整各个参数的数值，使各个参数在设定范围内，直到滴度达到目标值，然后进行收获。

1.3 收获

通过离心和深层过滤弃掉细胞和细胞碎片，收获细胞培养液。

1.4 粗纯

单抗生产所用的细胞株为CHO细胞。CHO细胞可传代上百代，同时在培养过程中很少分泌CHO内源蛋白，有利于目标蛋白的分离纯化，因此是生物工程广泛使用的细胞，也是表达复杂生物大分子的理想宿主。CHO细胞属于生物安全一级防护范围（ISPE），本身对人体没有生物学危害 [4]。

其次，要把教学质量管理嵌入教学过程中，对于每个教学环节都要引入量化评价指标，将教学动态评价贯穿在线教学过程，把教学质量管理深入学习者社会能力培养的每一个细节。

1.5 精纯分装

将粗纯液经过超滤浓缩和缓冲液交换后，加入蛋白稳定剂和赋形剂制成原液，分装入储存袋或者储存桶内待检。

2 工艺设计分析

图2为单抗原液车间工艺平面。将对该图纸进行分析和阐述。

2.1 工艺平面设计遵循的法规

《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）；《药品生产质量管理规范（2010年修订）》（中华人民共和国卫生部第79号令）；《洁净厂房设计规范》（GB 50073—2013）；《医药工程洁净厂房设计规范》（GB 50457—2008）；ICH—Q7A、Q5A等。

2.2 生物安全性分析

将收获后的培养液进行高效捕获目标蛋白，去除大部分的杂质蛋白；再降低pH孵育进行病毒灭活；最后经过层析纯化、纳米过滤 [2]，得到粗纯液。

“第一等工人”是提高工作效率的第一个具体，什么是“第一等工人”呢？这个概念常常会引起人们的误解。因此，它给泰勒引来了不少麻烦，如果他知道之后会发生克罗泽将军在兵工厂引入自己科学管理而引发员工罢工以至于遭到国会调查，当初他一定不会用“第一等工人”这个概念。因为工会的很多人不理解他的“第一等工人”的含义，却在一味地指责他不顾及除“第一等工人”以外的其他工人的生死。那些只懂斗争不懂经济的政客让一个55岁的老人(泰勒)在4天内断断续续地站在证人席上站了12个小时来“解释”什么是“第一等工人”，可笑的是他们却不听泰勒的解释。工会也想方设法攻击泰勒，听证会场“充满了恐怖气氛”，问答中带着冷冷的刀光剑影。

  

图1 单克隆抗体原液工艺流程Fig.1 Process flow diagram of monoclonal antibody

  

图2 单克隆抗体原液车间工艺平面Fig.2 Process layout of monoclonal antibody

从种细胞库中取出存有工作种子的冷冻管，在水浴中复苏种细胞，再在层流保护下将种细胞接入摇瓶并加入培养液，进行细胞培养。培养到设定密度后进行细胞扩增和培养。

2.3 人物流分析

收获后的工艺间应均设计为C级背景。收获后的蛋白液首先进行目标蛋白的捕获，再进行目标蛋白的洗脱，该洗脱液已经没有生物活性，但是为了防止潜在的隐患，ICH在Q7A中规定：用细胞培养或发酵来生产原料药或中间体涉及诸如细胞培养，或从活体组织提取和纯化物料等生物过程，还有一些附加的隶属于生产工艺一部分的物理化学修饰，使用的原材料（培养基、缓冲液成分）为微生物污染提供了可能性。根据物料来源、制备方法和原料药或中间体的预期用途，有必要在制造和工艺监测的适当阶段控制微生物、病毒污染和/或内毒素 [5]，因此对该洗脱液在精纯前进行病毒灭活。灭活前的工艺废水也需要消毒后排放，灭活后的工艺废水就不需要消毒了。

由于抽水蓄能电站多为地下厂房，埋深较大，故其机组技术供水及公用设备供水系统水源多取自尾水输水系统，即下库单一水源。在国内外的抽水蓄能电站建设资料中，未发现有抽水蓄能电站单独建设有备用冷却水水源的设计及规划。

该案例车间需要纯水、注射用水、蒸汽、纯蒸汽、压缩空气、无菌压缩空气、无菌氧气、无菌氮气、无菌二氧化碳、工艺冷冻水等公用工程系统。

食品添加剂行业的发展决定了“食品添加剂”的课程教学必须突出学生的主体性，转变传统以直接传授理论知识为主的教学模式，从社会和行业所关注的热点问题入手，以问题为核心，让学生有兴趣去了解食品添加剂，有兴趣去探索食品添加剂同百姓生活、行业发展的关联。将课堂教学与课外自主学习相结合，使学生喜欢并善于运用食品添加剂的基本知识去分析问题、解决问题并培养创新思维能力。基于问题的学习（PBL）理论能够很好地指导“食品添加剂”教学方法的革新。

人物全单向流是指：操作人员和物品从洁净走廊进入各个功能间，操作完成后，人员和物品退出到污物走廊，人员从退更房间退出，物品中一部分废弃物通过废弃物消毒后退出，需要循环使用的物品在污物走廊的清洗间进行清洗后，通过双扉蒸汽灭菌柜灭菌或者双扉热风循环烘箱除热源后进入洁净走廊的洁物暂存间暂存，后进行循环使用。

人部分单相、物单向流是指：操作人员和物品从前走廊进入各个功能间，操作完成后，重要功能房间的操作人员和物品退出到后走廊，其他辅助操作人员从前走廊退出洁净区，物品中一部分废弃物通过废弃物消毒后退出，需要循环使用的物品在污物走廊的清洗间进行清洗后，通过双扉蒸汽灭菌柜灭菌或者双扉热风循环烘箱除热源后进入洁净走廊的洁物暂存间暂存，后进行循环使用。

在本文的案例中，人物流的设计是人部分单相、物单向流这种做法。辅助房间（如培养基制备间、缓冲液制备间）的人员不接触生物活性物料，物品不含生物活性物料，所以这部分人员的衣服和物品不需要消毒就可以从洁净走廊退出。同时这种设计使辅助房间不需要与污物走道连接，有利于工艺平面的房间布置。

同时本文引用的案例平面图中，培养基制备间紧邻细胞扩增/细胞培养间，培养基传输距离最短。缓冲液制备间紧邻蛋白纯化和超滤的功能间，缓冲液传输距离最短。这种设计降低了物料污染的风险，提高了生产效率。

2.4 工艺区域分析

按照工艺流程，主要功能间有：细胞接种间、细胞扩增/细胞培养间、收获间、蛋白捕获/病毒灭活/精纯/病毒过滤间、超滤浓缩/除菌过滤/装袋间。

细胞接种涉及敞开操作，操作背景应设计为C级背景下的A级环境；细胞扩增和培养、收获均为密闭操作，应设计为D级背景，细胞扩增和培养、收获可以在一个房间内完成，也可以分开布置。但考虑到培养结束后马上清场进行下一批产品的培养，而同时又在收获上一批产品，因此将培养和收获分开设计，以便提高车间的利用效率。

由于收获过程中已将细胞和细胞碎片除去，所以收获后的物料已经没有生物活性。而收获前的区域均为有生物活性区域，排水需要消毒后排放。

对照组给予克罗米芬(生产企业:上海衡山药业有限公司、批准文号:国药准字H31021107、50mg)口服,每天50-100mg,连续服用5d。观察组在对照组治疗基础上联合绒毛膜促性腺激素、人绝经促性腺激素治疗,于患者月经周期10-14d,且卵泡直径>10mm时,肌注绒毛膜促性腺激素5000-10000U,70-150U的人绝经促性腺激素。

为了降低交叉污染的风险、合理利用空间，目前单抗原液的人物流设计主要倾向于单向流。单向流又分为：人物全单向流和人部分单相、物单向流这两种做法。

灭活后的洗脱液再经过精纯（通常是阳离子层析和阴离子层析），这两种层析可以将洗脱液中的杂质蛋白进一步除去，得到目标蛋白的透析液，再经纳滤过滤病毒后进行超滤浓缩，一般浓缩液的体积小于100 L，在隔离器中分装成小袋后2 ～ 8 ℃ 冷藏待检。

除以上功能间外，还需要培养基制备间、缓冲液制备间、器具的清洗灭菌以及物料的称量等辅助工艺房间，这些房间均设计为D级即可。

孕妇可通过体重监测来控制宝宝的发育，同时也可使自己成为窈窕孕妈妈。孕期宝宝发育规律显示，过多的体重增长其实是没有必要的，合理、科学的增重，按宝宝发育规律增重，既能满足宝宝生长发育的需求，也不会给孕妈妈带来额外的负担而诱发妊娠并发症。孕妈妈一定要树立宝宝长妈妈长，宝宝不长妈妈也不长的理念，根据不同孕期的营养特点相应增加所需的营养素即可。

2.5 空调系统分析

空调机房设计在该案例车间的上一层，有利于就近安装机组，缩短风管敷设距离。系统将依据生产区的分区原则和防止交叉污染的原则进行分区。洁净走廊及其相连的工艺辅助房间（更衣间、培养基制备间、缓冲液制备间、洁具间等）划分为一个空调系统，细胞接种间、细胞扩增/细胞培养间、收获间、蛋白捕获/病毒灭活/精纯/病毒过滤间、超滤浓缩/除菌过滤/装袋间和相关的人物流房间分别设立独立的空调系统，污物走廊和/与污物走廊相连的工艺辅助房间（退更间、清洗间、洁具间等）划分为一个空调系统。

单抗原液车间不涉及活病毒和活性病原微生物等有害物质，生物安全防护等级为一级，空调系统不属于净化空调系统的空气不应循环（《医药工程洁净厂房设计规范》9.2.5条款）适用条件，因此单抗车间的空调系统均可回风。

课堂2：活泼轻松，语言幽默，语调较自然；讲解课文的模式：翻译+讲解；课堂气氛较活跃，联想丰富，表情丰富；有时批评个别学生，积极进行班级管理 (2006年11月23日)

由于很多单抗生产企业的产品有出口的需要，所以洁净区和CNC区（未定义级别的控制区）之间、不同洁净级别之间的压差保证15 Pa；相同洁净等级的区域内，需要控制空气流向的房间之间的压差保证10 Pa；气闸压差控制：有生物活性区气闸间采用正压气锁，气闸间的空气流向两侧，防止气闸间两侧的空气交叉污染；产生湿热气体（灭菌间）、产生粉尘房间（称量间）保持相对负压，防止湿气和粉尘扩散到其他生产区域。

2.6 公用工程系统分析

所谓单向流，即双走廊设计，从洁净走廊进，从污物走廊出。

站点布局上能够实现全覆盖，加油站库存方面也没有丝毫问题。每座加油站一次可以存储约40吨柴油，500座加油站约可存两万吨柴油，对于春耕、秋收两季每天最多销量5000吨左右柴油，每天两万吨的库存量，完全可以满足农民的用油需求。

纯水系统主要用于CIP系统、工器具清洗等工序。注射用水系统主要用于CIP系统、工器具清洗等工序和培养基/缓冲液制备等工序。蒸汽系统主要用于灭菌的辅助升温和废弃物消毒的灭菌柜。纯蒸汽主要用于灭菌。压缩空气主要用于工艺仪表等。无菌压缩空气主要用于细胞培养、SIP后保压以及压液用。无菌氧气、无菌氮气、无菌二氧化碳主要用于细胞培养。工艺冷冻水主要用于TCU控温用。

纯水、蒸汽、压缩空气和工艺冷冻水均从厂区动力站引来，无菌氧气、无菌氮气、无菌二氧化碳均从室外的罐区引来。蒸馏水机、纯蒸汽发生器设计在车间的上一层。

在完成烟草MES的关键功能设计后，需要对设计进行实现。目前系统的实现主要分为.NET和JAVA，数据库多采用ORACLE和SQL Server，本文以.NET和SQL Server为例，对MES进行实现。

由于CHO细胞培养一般需要连续一个月左右，在此过程中不容许任何培养维持系统出现故障。因此，在单抗生产车间的设计中，公用工程的保障系统（生物反应器的供电、供水和供气）设计尤为重要。在工程设计中一般采用备用机组和备用系统，保证培养系统的稳定性和可靠性。

在车间下设计地下室用于放置废水消毒灭活设施。

3 结束语

在对单抗原液生产车间进行设计时既要满足GMP以及相关法规的规定，又要符合生产企业的具体流程，方便生产人员的操作。一个优秀的车间设计要对车间内人流、物流、管道管线在空间上优化组合，可以将污染的风险降低至可控的最低限度内，而且可以大大提高生产效率。

同时在设计单抗原液生产车间时还需要考虑经济性、劳动成本和能源能耗 [6]。

随着我国单克隆抗体技术的发展，对厂房设施也提出更高的要求，本文仅提供了一种单克隆抗体原液生产车间的布置方案，还需要在实践中不断修正。

解析：由于Fe3+的氧化性强于I2的氧化性,所以在A选项中,不会有FeI3的生成;B、C、D选项中的反应都符合氧化性强的物质制备氧化性弱的物质这一规律。

参考文献

[1]陈光.单克隆抗体技术历史与发展简述[J].生物学通报，2003，38（9）：58-60.

[2]宋弘.单克隆抗体药物生产车间（抛弃型设备）工程设计探讨[J].化工与医药工程， 2016，37（2）：9-14.

[3]郑云飘.单克隆抗体生产车间的工程设计要点及案例分析探讨[J].化工与医药工程， 2016，37（4）：29-32.

[4]倪华，陶静，胡辉.单克隆抗体药物生产车间工程设计探讨[J].现代制造，2010（32）：11-14.

[5]ICH原料药的优良制造规范（GMP）指南中文版-Q7A[S].

[6]崔明勇. 新生物制品生产车间设计的几点体会[J].医药工程设计，1997（5）：10-14.