Еволюція фільтрації в біотехнології

Коли я вперше прийшов у сферу біопереробки п'ятнадцять років тому, фільтрація була здебільшого автономною, серійною операцією, яка створювала значні вузькі місця у виробництві. Я пам'ятаю, як стояв біля виробничої лінії і спостерігав, як оператори вручну під'єднують і від'єднують фільтраційні блоки, причому кожна зміна збільшувала ризик забруднення і мінливість процесу. Неефективність була вражаючою, але на той час це був звичайний спосіб роботи.

З того часу біотехнологічна фільтрація зазнала значних змін. Традиційні підходи вимагали переривання процесу, коли матеріали передавалися на окремі фільтраційні установки перед поверненням в основний процес, створюючи те, що інженери називали "перериванням процесу". Ці перерви не лише подовжували терміни виробництва, але й вводили змінні, які могли впливати на якість та консистенцію продукту.

Перехід до безперервної біообробки став одним з найбільш значних досягнень у цій галузі. Ця еволюція не відбулася за одну ніч, а виникла в результаті зростаючого розуміння того, що періодична обробка створює невід'ємні обмеження для масштабування виробництва, особливо для біофармацевтичних препаратів з високою вартістю. QUALIA та інші новатори у сфері біообробки визнали, що фільтрація є критично важливою інтеграційною точкою для переходу до справді безперервного виробництва.

Концепція фільтрації in-line або in situ почала набувати популярності на початку 2000-х років, коли перші системи пропонували обмежені можливості, але довели фундаментальність цієї концепції. Ці системи дозволяли безперервно видаляти відходи, залишки клітин або інші небажані матеріали, не перериваючи основного біопроцесу. Однак проблеми з динамікою потоку, забрудненням мембран і системами управління обмежили їхнє застосування в регульованих середовищах.

Сучасна фільтрація in situ є кульмінацією багаторічних інженерних удосконалень і біологічних досліджень. Інтеграція складних датчиків, точного контролю потоку і передових мембранних технологій дозволила подолати багато обмежень, що існували раніше. Сучасні системи можуть підтримувати стабільну продуктивність протягом тривалих виробничих циклів, забезпечуючи при цьому документацію і контроль, необхідні для регульованого виробничого середовища.

Ця еволюція відображає ширшу галузеву тенденцію до інтенсифікації процесів - робити більше на менших площах, з меншими витратами енергії, ресурсів і більшою точністю. Оскільки біообробка продовжує розвиватися, межа між окремими операціями продовжує розмиватися, а фільтрація in situ відіграє ключову роль у цій інтеграції.

Розуміння фільтрації на місці: Принципи та механізми

По суті, фільтрація in situ для біотехнологій являє собою фундаментальний зсув у підході до процесів розділення в біологічному виробництві. На відміну від традиційної фільтрації, коли біопроцес переривається для перенесення матеріалу на окрему фільтраційну установку, фільтрація in situ інтегрує розділення безпосередньо в поточний процес. Ця, здавалося б, проста зміна глибоко трансформує динаміку виробництва.

Принцип фільтрації in situ полягає у створенні безперервного циклу фільтрації, який працює одночасно з основним біопроцесом. Замість того, щоб розглядати фільтрацію як дискретний крок, вона стає безперервною функцією, яка постійно видаляє небажані компоненти, підтримуючи оптимальні умови для біологічного процесу. Це вимагає точної інженерії, щоб гарантувати, що параметри фільтрації не порушують делікатне біологічне середовище.

Одним з найважливіших механізмів, який забезпечує ефективну фільтрацію in situ, є принцип тангенціального потоку (або перехресного потоку). У цьому підході технологічна рідина тече паралельно поверхні мембрани, тоді як різниця тисків проганяє частину рідини через мембрану. Це створює ефект очищення, який зменшує забруднення мембрани - постійну проблему в біологічних процесах, де білки і клітини можуть швидко забивати фільтруючі матеріали.

Під час нещодавнього встановлення система фільтрації in situ для біотехнологій У центрі клітинної терапії я спостерігав, як динаміка перехресного потоку дозволяє безперервно утримувати клітини, одночасно видаляючи продукти метаболізму. Система підтримувала стабільну продуктивність понад 14 днів - те, що було б неможливим за звичайних підходів, які вимагають багаторазової заміни фільтрів.

Іншим ключовим механізмом є точний контроль трансмембранного тиску (ТМТ). Сучасні системи in situ підтримують оптимальний TMP в межах жорстких допусків, автоматично пристосовуючись до змін в'язкості рідини, навантаження частинками або інших змін процесу. Ця адаптивна здатність забезпечує стабільну продуктивність, навіть якщо умови перед мембраною змінюються під час біопроцесу.

Ще одним важливим елементом є сама мембранна технологія. Сучасна фільтрація in situ використовує спеціалізовані мембрани з індивідуальними розмірами пор, хімічним складом поверхні та геометрією, оптимізованими для конкретних біотехнологічних застосувань. Ці мембрани повинні забезпечувати баланс між селективністю (затримувати потрібні компоненти і пропускати інші) і проникністю (підтримувати достатню швидкість потоку без надмірного тиску).

Інтеграція з технологічною аналітичною технологією (ПАТ) створює цикл зворотного зв'язку, що дозволяє керувати процесом у режимі реального часу. Датчики, що відстежують такі параметри, як каламутність, тиск і вміст певних аналітів, можуть автоматично коригувати швидкість потоку або тиск, підтримуючи оптимальну продуктивність фільтрації протягом усього виробничого циклу.

Розуміння цих принципів і механізмів допомагає пояснити, чому фільтрація in situ являє собою не просто поступове вдосконалення, а зміну парадигми в дизайні біопроцесів. Усуваючи переривання процесу, зменшуючи ризики забруднення і забезпечуючи справді безперервне виробництво, фільтрація in situ усуває численні обмеження, які історично стримували біологічне виробництво.

Технічні характеристики сучасних систем фільтрації in situ

Технічні можливості сучасних систем фільтрації in situ показують, чому вони стали трансформаційними інструментами в біообробці. Вивчення специфікацій передових систем, таких як система QUALIA, дає уявлення про те, як ці технології досягають своїх еталонних показників продуктивності.

Гнучкість швидкості потоку є критично важливим параметром у цих системах. У цьому випадку Система фільтрації QUALIA In Situ пропонує вражаючий робочий діапазон від 0,1 л/хв до 5 л/хв, що дозволяє використовувати його як для невеликих дослідницьких робіт, так і для промислового виробництва. Така масштабованість усуває необхідність повторної перевірки процесу при переході від одного обсягу виробництва до іншого, що є значною перевагою в регульованому середовищі.

Сумісність мембран є ще одним ключовим досягненням. Сучасні системи можуть працювати з різними типами і конфігураціями мембран, включаючи порожнисті волокна, плоскі листи і касети з молекулярною масою від 1 кДа до 0,2 мкм номінального розміру пор. Така універсальність дозволяє використовувати одну і ту ж платформу для різних застосувань - від концентрування білків до утримання клітин.

На особливу увагу заслуговує можливість регулювання тиску в цих системах. З робочим діапазоном 0-60 psi (0-4,1 бар) і точністю контролю до ±0,1 psi, вони підтримують тонкий баланс, необхідний для досягнення оптимальної фільтрації без пошкодження чутливих біологічних молекул або клітин. Під час проекту з оптимізації перфузійної культури, над яким я працював минулого року, ця точність виявилася необхідною для підтримки щільності життєздатних клітин вище 30 млн клітин/мл, запобігаючи при цьому забрудненню мембрани.

Специфікації температурного контролю часто залишаються поза увагою, але вони є критично важливими для багатьох біопроцесів. Провідні системи підтримують температуру в межах ±0,5°C у всьому робочому діапазоні (зазвичай 4-50°C), запобігаючи агрегації білків або клітинному стресу, які можуть погіршити якість продукту.

Інтеграційні можливості відрізняють справді передові системи від просто адекватних. Технічні характеристики сучасного обладнання включають стандартизовані протоколи зв'язку (Modbus, OPC-UA або PROFINET), які дозволяють безперешкодно з'єднуватися з обладнанням, що знаходиться вище і нижче за течією, або з системами управління об'єктом. При впровадженні система фільтрації на місці На нашому підприємстві ця можливість інтеграції скоротила час валідації приблизно на 40% порівняно з попередніми автономними системами.

Санітарні вимоги до дизайну відображають регульований характер біообробки. Всі поверхні, що контактують з рідиною, зазвичай виготовлені з електрополірованої нержавіючої сталі 316L або полімерів, що відповідають вимогам USP Class VI, з шорсткістю поверхні менше 0,5 мкм Ra. Тризатискні з'єднання, що відповідають стандартам ASME BPE, забезпечують стерильність з'єднань, а сумісність з технологіями "clean-in-place" (CIP) і "steam-in-place" (SIP) спрощує переналагодження між виробничими циклами.

Специфікації систем керування значно змінилися: сучасні системи оснащені автоматизованими контурами ПІД-регулювання, які підтримують критичні параметри у визначених діапазонах, незалежно від змін умов подачі корму. Можливості реєстрації даних, що відповідають вимогам 21 CFR, частина 11, підтримують вимоги нормативної документації, надаючи інженерам-технологам цінну інформацію для безперервного вдосконалення.

Ці технічні характеристики в сукупності забезпечують переваги продуктивності, які роблять фільтрацію in situ все більш необхідною в сучасній біопроцедурі. Точність, універсальність і можливості інтеграції безпосередньо призводять до експлуатаційних переваг, які ми розглянемо в наступних розділах.

Застосування в різних секторах біотехнологій

Універсальність фільтрації in situ стає очевидною при вивченні її застосування в різних секторах біотехнологій. Кожне застосування використовує основну технологію, водночас вирішуючи специфічні для галузі проблеми та вимоги.

У біофармацевтичному виробництві, зокрема виробництві моноклональних антитіл, фільтрація in situ революціонізувала процеси перфузійного культивування. Традиційні процеси з подачею порцій обмежували щільність клітин до 5-15 млн клітин/мл через накопичення відходів та обмеженість поживних речовин. Завдяки впровадженню високоефективного система фільтрації на місціЗараз виробники регулярно досягають щільності понад 100 млн клітин/мл, зберігаючи при цьому високу життєздатність клітин. Така інтенсивність безпосередньо призводить до зменшення площі об'єкта і зниження капітальних витрат - я бачив, як підприємства зменшували потребу в об'ємі біореактора на 75%, зберігаючи або навіть збільшуючи продуктивність.

Виробництво клітинної терапії є, мабуть, найбільш вимогливим застосуванням технології фільтрації. Тут продуктом є самі клітини, а збереження їхніх фенотипових характеристик і функціональності має першорядне значення. Традиційні підходи, що включають центрифугування, створюють сили зсуву, які можуть змінити маркери клітинної поверхні або викликати апоптоз. Сучасна фільтрація in situ забезпечує дбайливе утримання клітин, безперервно видаляючи продукти життєдіяльності та поповнюючи запаси поживних речовин. Ця дбайлива обробка зберігає критичні атрибути якості чутливих типів клітин, таких як CAR-T-клітини або стовбурові клітини.

Різниця у вимогах до додатків стає зрозумілою, якщо розглянути конфігурації систем, що використовуються в різних галузях:

Інтеграція операцій ультрафільтрації та діафільтрації безпосередньо у виробничий процес очищення білків дозволяє відмовитися від використання цілих блоків. Під час нещодавнього проекту з інтенсифікації процесу ми замінили три окремі стадії (освітлення, концентрування та буферний обмін) на одну безперервну систему in situ. Це не тільки скоротило час обробки на 60%, але й підвищило загальний вихід за рахунок мінімізації втрат продукту між етапами. Можливість безперервного буферного обміну з одночасним моніторингом провідності в режимі реального часу дозволила точно контролювати рецептуру кінцевого продукту.

Процеси ферментації промислових ферментів або малих молекул включають фільтрацію на місці для подолання ефекту інгібування, коли накопичення продуктів може сповільнити або зупинити виробничий процес. Безперервне видалення цільової молекули підтримує оптимальні умови виробництва, збільшуючи тривалість процесу з кількох днів до кількох тижнів. Колега, який працює у сфері промислового виробництва ферментів, розповів, що перехід на безперервну обробку з використанням передової технології фільтрації збільшив їхню річну виробничу потужність на 340% на тій самій виробничій площі.

Нові застосування в синтетичній біології та дослідженнях мікробіому ще більше демонструють адаптивність цієї технології. Ці галузі часто включають складні змішані культури, де селективне утримання певних мікроорганізмів при видаленні інших створює унікальні проблеми фільтрації. Індивідуальні системи in situ зі спеціалізованими мембранами та динамікою потоку уможливлюють прориви, які раніше були неможливими за допомогою традиційних технологій розділення.

Різноманітність цих застосувань підкреслює цікавий аспект фільтрації in situ: основні принципи технології залишаються незмінними, в той час як конкретні реалізації та оптимізації кардинально відрізняються в різних секторах. Така адаптивність робить фільтрацію in situ фундаментальною технологією для подальшого розвитку біообробки в усьому біотехнологічному спектрі.

Оптимізація продуктивності біопроцесів: Ключові переваги

Перехід до фільтрації in situ забезпечує численні переваги в продуктивності, які в сукупності трансформують економіку та можливості біопроцесів. Ці переваги виходять за рамки простих операційних удосконалень і уможливлюють абсолютно нові парадигми обробки.

Зменшення ризику забруднення є, мабуть, найбільш очевидною перевагою. Кожного разу, коли традиційний періодичний процес переривається для фільтрації, створюються потенційні точки потрапляння забруднюючих речовин. Під час виробничої консультації на установці фракціонування плазми ми підрахували, що їхній періодичний процес включає 27 окремих подій з'єднання/роз'єднання - кожна з яких представляє ризик забруднення. Впровадивши безперервну фільтрацію на місці за допомогою вдосконалена система фільтраціївони зменшили кількість цих подій на понад 80%, що сприяло очевидному покращенню показників успішності партії з 89% до 97%.

Покращення якості продукції часто виявляється навіть ціннішим, ніж операційні вдосконалення. Фільтрація in situ дозволяє в режимі реального часу видаляти протеази, глікозидази та інші деградаційні ферменти, які можуть порушити цілісність продукту під час тривалих виробничих циклів. Колега, який займається виробництвом терапевтичних білків, спостерігав зменшення кількості домішок, пов'язаних з продуктом, на 32% після впровадження безперервної фільтрації, пояснюючи це покращення постійним видаленням цих деградаційних факторів.

Економічний ефект від подовження тривалості виробництва за рахунок фільтрації на місці може бути значним. Традиційні періодичні процеси зазвичай тривають 10-14 днів, перш ніж накопичення відходів вимагає збору врожаю. Системи безперервної фільтрації можуть продовжити цей період до 30+ днів, підтримуючи оптимальні умови. Наслідки для продуктивності очевидні: підприємство може майже потроїти свою продуктивність, не збільшуючи при цьому площу.

Для процесів на основі клітин підвищення продуктивності може бути ще більш значним. Наведений нижче графік ілюструє дані перфузійної культури клітин з використанням фільтрації in situ порівняно з традиційною обробкою з подачею порцій:

Ці відмінності в продуктивності безпосередньо призводять до економічних переваг. Фінансовий аналіз зазвичай показує, що період окупності впровадження фільтрації на місці становить 6-18 місяців, причому варіація в першу чергу залежить від вартості продукту і масштабу виробництва. Найвищі прибутки, як правило, приносять продукти з високою вартістю, де поліпшення якості забезпечує значну цінність, що виходить за рамки простого підвищення продуктивності.

Безперервний характер фільтрації на місці також дозволяє вносити корективи в процес в режимі реального часу, що неможливо при серійній обробці. Інтегруючи технологію PAT (Process Analytical Technology) з безперервною фільтрацією, виробники можуть реагувати на відхилення в процесі негайними виправленнями, а не виявляти проблеми під час післявиробничого тестування. Ця можливість не тільки покращує узгодженість, але й дозволяє впроваджувати передові стратегії контролю, такі як контроль на основі моделей.

Ефективність використання простору є ще однією значною перевагою. Під час нещодавнього проекту редизайну об'єкту, заміна операцій фільтрації партій на інтегровані системи in situ зменшила необхідну площу чистої кімнати приблизно на 35%. Ця економія простору безпосередньо призводить до зменшення витрат на будівництво та експлуатацію в умовах, коли будівництво чистих приміщень зазвичай коштує $500-1000 за квадратний фут і $100-200 за квадратний фут на рік на утримання.

Мабуть, найважливіше, що фільтрація in situ дозволяє здійснювати справжній безперервний біопроцес, визнаний регуляторними органами як такий, що має невід'ємні переваги в якості завдяки усуненню варіабельності від партії до партії. Таке узгодження з регуляторними перевагами безперервної обробки може спростити шляхи затвердження, особливо для об'єктів, що впроваджують підходи "Якість за задумом" (Quality by Design).

Ці переваги з часом посилюються, створюючи конкурентний розрив між виробниками, які впроваджують безперервну фільтрацію на місці, і тими, хто залишається прихильником традиційних пакетних підходів. Розрив у продуктивності продовжує збільшуватися в міру того, як технологія розвивається, а досвід впровадження зростає в галузі.

Виклики та рішення щодо впровадження

Незважаючи на свої очевидні переваги, впровадження фільтрації на місці пов'язане з подоланням низки суттєвих викликів. Провівши кілька об'єктів через цей перехід, я зіткнувся з постійними перешкодами, які вимагають продуманих рішень.

Регуляторна валідація часто стає першочерговим завданням, особливо в умовах GMP. Традиційні серійні процеси отримують вигоду від усталених підходів до валідації та історичного визнання. Безперервні процеси з фільтрацією на місці вимагають інших стратегій валідації, орієнтованих на демонстрацію державного контролю, а не на тестування в кінцевій точці. Під час нещодавнього впровадження ми розробили генеральний план валідації, в якому акцент робився на діапазонах параметрів процесу, а не на фіксованих уставках, з посиленим моніторингом для демонстрації послідовного контролю в межах цих діапазонів. Цей підхід успішно задовольнив регуляторні вимоги, зберігши при цьому гнучкість, притаманну безперервному процесу.

Технічна інтеграція з існуючими системами є ще одним поширеним викликом. Застарілі біореактори та подальше обладнання не були спроектовані з урахуванням безперервної обробки. Одне виробниче підприємство, з яким я консультувався, намагалося інтегрувати свої система безперервної фільтрації з 10-річною платформою управління. Рішення передбачало впровадження проміжного рівня зв'язку з використанням OPC-UA, який забезпечував зв'язок між сучасною системою фільтрації та застарілою системою управління. Хоча цей підхід не є елегантним, він уможливив інтеграцію без необхідності повної заміни системи управління.

Не можна недооцінювати навчання персоналу та зміну операційного мислення. Оператори, які звикли до пакетної обробки, часто не можуть впоратися з вимогами безперервного моніторингу фільтрації на місці. Під час одного з впроваджень ми виявили, що створення інформаційних панелей візуалізації процесу, спеціально розроблених для операторів, а не для інженерів, значно підвищило їхній комфорт у роботі з новою технологією. Крім того, залучення операторів до розробки цих інтерфейсів підвищило їхнє сприйняття нових процесів.

Забруднення мембран залишається постійною технічною проблемою при тривалій безперервній експлуатації. Ця проблема проявляється по-різному в різних сферах застосування:

Капітальні інвестиції, необхідні для впровадження, створюють фінансові перешкоди, особливо для невеликих виробників. Поетапний підхід до впровадження довів свою ефективність на багатьох об'єктах. Починаючи з фільтрації на місці на найбільш цінних або проблемних ділянках, компанії можуть отримати швидкі результати, які дозволять профінансувати подальші впровадження. Один контрактний виробник, з яким я працював, почав з впровадження безперервної фільтрації виключно в своєму наборі для перфузії mAb, а потім використав задокументоване збільшення продуктивності для обґрунтування ширшого впровадження на всьому підприємстві.

Наслідки розробки процесу також становлять певні труднощі. Існуючі процеси, оптимізовані для серійних операцій, зазвичай вимагають значної переробки для безперервного режиму. Такі параметри, як характеристики клітинних ліній, склади середовищ і умови роботи, які добре працюють в серійному виробництві, можуть виявитися неоптимальними в безперервному процесі. Розвиток внутрішньої експертизи шляхом цілеспрямованого навчання та вибіркового залучення досвідчених консультантів може прискорити цей процес навчання.

Процедури очищення та санітарної обробки потребують суттєвих змін при переході до фільтрації на місці. Збільшення часу роботи і безперервна експлуатація вимагають підходів до очищення на місці, здатних підтримувати стерильність без переривання процесу. Впровадження автоматизованих безрозбірних мийок з валідованими рецептами довело свою ефективність, хоча валідація цих процесів додає складності загальному процесу впровадження.

Мабуть, найскладнішою проблемою є організаційний опір змінам усталених процесів. Виробничі команди зі зрозумілих причин не поспішають змінювати перевірені процеси, які стабільно забезпечують прийнятні результати. Щоб подолати цей опір, зазвичай потрібен лідер в організації, який може сформулювати як технічні, так і бізнес-переваги, визнаючи і вирішуючи законні занепокоєння. З мого досвіду, пілотні впровадження з чіткими показниками успіху надають найбільш переконливі докази подолання цього опору.

Незважаючи на ці виклики, тенденція до фільтрації на місці продовжує прискорюватися, оскільки рішення стають більш усталеними, а конкурентні переваги більш очевидними. Організації, які проактивно долають ці перешкоди на шляху впровадження, позиціонують себе як такі, що можуть реалізувати весь потенціал цієї трансформаційної технології.

Практичні приклади: Реалізація в реальному світі

Справжнє випробування будь-якої технології відбувається під час її практичного застосування. Кілька реалізацій фільтрації in situ в різних біотехнологічних середовищах ілюструють як виклики, так і переваги цього підходу.

Кейс 1: Масштабування виробництва моноклональних антитіл

Середній біофармацевтичний виробник зіткнувся з обмеженнями потужностей для проведення клінічних випробувань свого провідного продукту mAb, що входив у фазу 3 клінічних випробувань. Існуючі біореактори об'ємом 500 л, в яких використовується періодична обробка, не могли забезпечити виробництво матеріалу, необхідного для розширених клінічних випробувань та очікуваного комерційного запуску.

Замість того, щоб інвестувати у більші біореактори, вони впровадили вдосконалена система фільтрації на місці перевести свій процес на перфузійний режим з утриманням клітин. Реалізація проекту вимагала значної розробки процесу для оптимізації рецептури середовищ і стратегій подачі для безперервної роботи. Початкові спроби призвели до неприйнятного забруднення фільтрів після 7-10 днів роботи.

Працюючи зі своїм постачальником технологій, вони переробили конфігурацію фільтрації, щоб впровадити автоматизовану зворотну промивку на пучках порожнистих волокон, що чергуються. Такий підхід дозволив одному фільтруючому контуру працювати в нормальному режимі, в той час як інший проходив короткі цикли зворотного промивання, а потім чергувався. Ця модифікація збільшила час безперервної роботи до 30+ днів при збереженні життєздатності клітин вище 90%.

Показники ефективності були переконливими:

• 4,2-кратне збільшення об'ємної продуктивності (г/л/добу)
• 72% Зменшення витрат носія на грам продукту
• Скасування запланованих капітальних витрат на 1ТП8Т15М для більших біореакторів
• Прискорення термінів поставки матеріалів Фази 3 на 4 місяці

Я поспілкувався з керівником проекту, який зазначив: "Найскладнішим було не впровадження технології, а зміна мислення нашої команди від дискретних операцій до безперервної обробки. Після того, як вони прийняли цей підхід, вони почали знаходити можливості для оптимізації, яких ми не очікували".

Кейс 2: Інтенсифікація процесу клітинної терапії

Розробник клітинної терапії, що працює з регуляторними Т-клітинами (Tregs) для лікування аутоімунних захворювань, зіткнувся з виробничими проблемами через низьку кількість цих клітин у донорському матеріалі та їхні чутливі вимоги до росту. Серійний процес включав багаторазову ручну заміну середовищ, що створювало ризики забруднення та непослідовного росту клітин.

Впровадження безперервної фільтрації in situ за допомогою м'яких порожнистих волоконних мембран дозволило постійно поповнювати середовище, зберігаючи при цьому цінні клітини. Інтеграція моніторингу метаболічних параметрів (глюкоза, лактат, аміак) в режимі реального часу дозволила автоматично регулювати швидкість обміну середовищ для підтримання оптимальних умов росту.

Для цього чутливого застосування конфігурація мембрани виявилася критично важливою. Стандартні порожнисті волокна спричиняли неприйнятне пошкодження клітин під дією зсувних сил. Врешті-решт команда реалізувала спеціалізовану конфігурацію з низьким рівнем зсуву з модифікованими шляхами потоку, що зменшило контакт клітин з поверхнею мембрани.

Результати трансформували їхні виробничі можливості:

• Зниження частоти збоїв процесу з 23% до <5%
• Збільшення кінцевої щільності клітин у 2,8 рази
• Покращена узгодженість фенотипу з вищою експресією ключових маркерів 22%
• Скорочення загального часу виробництва на 4 дні (скорочення на 40%)

Керівник проекту підкреслив, що "покращення узгодженості само по собі виправдовувало впровадження, але збільшення потужностей докорінно змінило нашу стратегію проведення клінічних випробувань. Тепер ми можемо підтримувати більші дослідження за допомогою існуючої інфраструктури".

Кейс 3: Безперервний процес промислового виробництва ферментів

Виробник спеціальних ферментів для харчової промисловості впровадив фільтрацію in situ для подолання проблем з інгібуванням продукту в процесі ферментації. Існуючий процес ферментації знижував продуктивність приблизно через 72 години, оскільки фермент, що накопичувався, перешкоджав подальшому виробництву.

Реалізація була зосереджена на безперервному видаленні продукту при збереженні мікробних організмів-продуцентів. Такий підхід вимагав ретельної оптимізації специфікацій відсікання мембрани, щоб забезпечити проходження ферменту, в той час як виробничі організми залишалися в біореакторі.

Забруднення мембрани спочатку обмежувало безперервну роботу приблизно до одного тижня. Подальший розвиток процесу виявив, що періодична зміна рН може значно зменшити адсорбцію білка на поверхні мембрани. Впровадження автоматизованих циклів кожні 8 годин збільшило час роботи до 30+ днів до необхідності заміни мембрани.

Показники продуктивності значно покращилися:

• 4,5-кратне збільшення загального виробництва ферментів на партію
• 82% Зниження витрат на подальшу переробку завдяки безперервному очищенню
• 30% зниження загальної виробничої собівартості на кг ферменту
• Усунення вузьких місць у виробничому графіку

Під час екскурсії по заводу їхній інженер-технолог поділився, що "стабільна якість продукції була неочікуваною перевагою. Безперервне видалення запобігає деградації ферментів, яку ми спостерігали в довготривалих процесах, що дає нам вищу питому активність у кінцевому продукті".

Ці тематичні дослідження ілюструють як технічні, так і економічні наслідки успішного впровадження фільтрації in situ. Хоча кожне застосування вимагало специфічної оптимізації, фундаментальні переваги безперервної обробки створили трансформаційні покращення в різних секторах біообробки.

Майбутні напрямки та інновації

Еволюція технології фільтрації in situ продовжується швидкими темпами, з кількома новими тенденціями, які можуть ще більше трансформувати можливості біообробки. Ці інновації виходять за рамки поступових удосконалень і створюють абсолютно нові парадигми обробки.

Технології "розумних" мембран є одним з найперспективніших напрямків розвитку. Ці передові матеріали включають датчики безпосередньо в структуру мембрани, що дозволяє в режимі реального часу відстежувати забруднення, адсорбцію білків або блокування пор на мікроскопічному рівні. На нещодавній конференції з біотехнологій я бачив попередні дані прототипу системи, яка використовувала вбудовані оптичні датчики для виявлення ранніх стадій кристалізації білка на поверхні мембрани, що дозволяло втрутитися до того, як відбулося погіршення продуктивності.

Інтеграція з алгоритмами машинного навчання швидко розширює можливості предиктивного обслуговування. Аналізуючи закономірності перепадів тиску, швидкості потоку та інших параметрів, ці системи можуть передбачити вихід мембрани з ладу або погіршення продуктивності до того, як це вплине на процес. Один виробник, з яким я консультувався, впровадив нейромережеву модель, яка прогнозує оптимальні інтервали очищення на основі даних процесу в реальному часі, зменшуючи як незаплановані простої, так і непотрібні цикли очищення.

Гібридні технології розділення, які поєднують фільтрацію з іншими методами, є особливо перспективними. Системи, що інтегрують передові підходи до фільтрації За допомогою змінних електричних полів, контрольованого осадження або розділення на основі афінності можна проводити більш селективне розділення, ніж це можливо лише за допомогою звичайних мембран. Ці гібридні підходи можуть вирішити постійні проблеми у складних процесах розділення, таких як видалення вірусів або зменшення вмісту білків у клітинах-хазяїнах.

Масштабно-незалежні розробки - ще одна важлива інноваційна тенденція. Традиційна біопроцесингова промисловість стикається з проблемами масштабування, коли процеси, оптимізовані в малих масштабах, працюють по-різному у виробничих умовах. Системи фільтрації наступного покоління мають модульну, незалежну від масштабу архітектуру, в якій основні параметри процесу залишаються незмінними незалежно від обсягу виробництва. Такий підхід може значно прискорити терміни розробки, усуваючи традиційні дослідження з розширенням масштабу.

Одноразові системи безперервної фільтрації продовжують удосконалюватися, особливо для клінічного виробництва. Ці системи усувають вимоги до валідації очищення, забезпечуючи при цьому переваги безперервної обробки. Проблема вартості мембран в одноразових системах вирішується за допомогою нових технологій виробництва, які значно знижують виробничі витрати, зберігаючи при цьому продуктивність.

Оскільки виробники прагнуть більшої гнучкості, з'являються багатопродуктові конструкції установок, оптимізовані для фільтрації на місці. Ці конструкції мають стандартизовані фільтраційні модулі, які можна швидко переналаштовувати під різні продукти або технологічні вимоги. Можливість швидкого перемикання між різними конфігураціями мембран, шляхами потоку і робочими параметрами дозволяє виробляти різноманітні продукти без тривалих процедур переналагодження.

Регуляторна база розвивається, щоб краще пристосувати технології безперервної обробки. FDA та інші регуляторні органи сигналізують про зростаючу підтримку підходів до безперервного виробництва, включаючи фільтрацію in situ, визнаючи їхні потенційні переваги щодо якості. Розробка спеціалізованих підходів до валідації для безперервної біообробки ще більше прискорить її впровадження, зменшивши регуляторну невизначеність.

Інтеграція з адитивним виробництвом відкриває інтригуючі можливості для персоналізованої геометрії фільтрації, оптимізованої для конкретних застосувань. Надруковані на 3D-принтері корпуси фільтрів зі специфічними для застосування шляхами потоку можуть зменшити мертві об'єми, мінімізувати сили зсуву в системах утримання клітин або максимізувати використання мембрани. Хоча в даний час цей підхід обмежений невеликими застосуваннями, з часом він може дозволити створювати дійсно оптимізовані для конкретного застосування рішення для фільтрації.

Автоматизовані інструменти для розробки процесів, специфічних для фільтрації in situ, скорочують терміни впровадження. Ці системи використовують підходи планування експериментів для швидкого визначення оптимальних робочих параметрів для конкретних застосувань. Одна система, яку я оцінював, могла автоматично тестувати 24 різні робочі умови паралельно, скорочуючи час розробки процесу з місяців до тижнів.

Конвергенція цих інновацій, ймовірно, прискорить перехід від традиційної періодичної обробки до безперервного виробництва в біопромисловості. Організації, які проактивно працюють з цими новими технологіями, позиціонують себе як такі, що отримують конкурентні переваги завдяки підвищенню ефективності, якості та гнучкості.

Оскільки технологія фільтрації продовжує розвиватися, різниця між традиційно окремими операціями, ймовірно, продовжуватиме розмиватися, що призведе до справді інтегрованої біопереробки, де штучні відмінності між попередньою та наступною обробкою більше не обмежуватимуть ефективність виробництва та якість продукції.

Висновок: Трансформаційний вплив фільтрації на місці

Впровадження фільтрації in situ являє собою набагато більше, ніж поступове вдосконалення біопроцесу - воно докорінно змінює спосіб виробництва біологічних продуктів. Завдяки безперервній роботі, моніторингу та контролю в режимі реального часу, а також усуненню перерв у процесі, цей підхід усуває численні обмеження, які історично стримували біологічне виробництво.

Економічні аргументи на користь фільтрації на місці стають все більш переконливими з розвитком технології. Підвищення об'ємної продуктивності, зменшення площі установки, покращення якості продукції та підвищення стабільності процесу в сукупності забезпечують економічні переваги, які виробники більше не можуть собі дозволити ігнорувати. Представлені тематичні дослідження демонструють, що правильно впроваджена безперервна фільтрація може забезпечити повернення інвестицій протягом місяців, а не років.

Проте успішне впровадження вимагає ретельного планування, знання процесу та організаційної прихильності. Не варто недооцінювати виклики валідації, інтеграції та операційної адаптації. Організаціям, які планують такий перехід, варто розглянути можливість пілотного впровадження, щоб накопичити внутрішню експертизу перед повномасштабним розгортанням.

Майбутнє біообробки явно вказує на безперервне виробництво, а фільтрація in situ відіграє центральну роль у цій еволюції. Регуляторні органи все більше заохочують безперервні підходи за допомогою таких ініціатив, як програма FDA "Передове виробництво", визнаючи їхні потенційні переваги щодо якості та стабільності. Така регуляторна підтримка ще більше прискорює тенденцію до впровадження.

Для інженерів-технологів та керівників виробничих підприємств, які оцінюють свої технологічні плани, фільтрація на місці заслуговує на серйозну увагу не лише для нових об'єктів, але й для модернізації існуючих підприємств. Потенціал значного збільшення потужності в межах існуючої інфраструктури пропонує переконливу альтернативу капіталомістким проектам розширення.

Шлях до безперервної біообробки продовжує прискорюватися, причому фільтрація in situ слугує як технологією, що сприяє, так і воротами до більш комплексного безперервного виробництва. Організації, які успішно здійснюють цей перехід, отримують значні конкурентні переваги на ринку, що стає дедалі складнішим.

Поширені запитання про фільтрацію in situ для біотехнологій

Q: Що таке фільтрація In Situ для біотехнологій і як вона покращує біотехнологічні процеси?
В: Фільтрація In Situ для біотехнологій передбачає інтеграцію фільтрації безпосередньо в біотехнологічні процеси, що дозволяє проводити очищення в реальному часі та покращувати вихід і якість продукції. Цей метод оптимізує біопроцеси, зменшуючи ризики забруднення та покращуючи вилучення продукту, особливо у виробництві складних біопрепаратів.

Q: Які основні сфери застосування фільтрації на місці в біотехнологічному виробництві?
В: Фільтрація in situ в основному використовується в біотехнологічному виробництві для видалення домішок, контролю біологічного навантаження та концентрування технологічних рідин. Вона також має вирішальне значення для забезпечення стерильності продукту і запобігання забрудненню під час подальшої обробки, наприклад, рекомбінантних білків і вірусних векторів.

Q: Як фільтрація на місці вирішує проблеми, пов'язані з висококонцентрованими біологічними кормами?
В: Фільтрація In Situ вирішує проблеми, пов'язані з висококонцентрованими біологічними кормами, використовуючи передові мембранні технології, які зменшують засмічення фільтрів і збільшують пропускну здатність. Це допомагає запобігти передчасному засміченню фільтрів і мінімізує втрати продукту.

Q: Які інновації сприяють розвитку технології фільтрації на місці для біотехнологій?
В: Досягнення в технології фільтрації In Situ включають розробку високопродуктивних мембран, конструкцій закритих систем і вдосконалення тестування цілісності фільтрів. Ці інновації підвищують ефективність процесу і забезпечують відповідність суворим регуляторним стандартам.

Q: Яку роль відіграє співпраця між постачальниками технологій та виробниками у розвитку In Situ Filtration?
В: Співпраця між постачальниками технологій і виробниками біотехнологій має вирішальне значення для розвитку інновацій у сфері фільтрації in situ. Такі партнерства допомагають розробляти індивідуальні рішення для задоволення потреб біообробки, що постійно змінюються, забезпечуючи відповідність нормативним вимогам та оптимізацію процесів.

Зовнішні ресурси

1. Повний посібник з систем фільтрації на місці by QUALIA - Пропонує розуміння фільтрації in situ для біотехнологій, зосереджуючись на оптимізованих процесах фільтрації та застосуванні в різних галузях промисловості[1].
2. Досягнення в технології фільтрації BioPharm International - Надає огляд досягнень у галузі фільтрації, в тому числі тих, що стосуються біотехнологічних процесів[2].
3. Часті запитання щодо прямоточної фільтрації від Cytiva - хоча він не має прямої назви "Фільтрація in situ для біотехнологій", він надає відповідну інформацію про технології фільтрації, що використовуються в біообробці[3].
4. Сефара: Нова мембрана для фільтрації in situ Securecell - представляє Sephara, високоефективну мембрану для фільтрації in situ, призначену для відбору зразків для біологічних процесів та перфузії[5].
5. Розробка автоматизованого тестування цілісності фільтрів in situ до