林東強
浙江大學生物工程研究所，杭州310027，lindq@zju.edu.cn
近年來我國生物產業發展迅速，特別是以單抗藥物為代表的生物製藥行業捷報不斷。不過，近期一部熱門電影《我不是藥神》和疫苗事件卻引發了大眾淚點和普遍擔憂，提高質量、擴大產能和降低價格的社會需求十分迫切。隨著產業規模的持續擴大和國內外競爭的不斷加劇，如何切實保障產品質量，如何真正提高過程效率，如何有效降低製備成本，將成為未來生物製藥企業競爭的核心要素。質量源於設計，效率和成本同樣源自設計，生物製藥過程的合理化設計將越來越重要。
現代過程設計理念已廣泛應用於各個工業領域，鑑於生物過程的特殊性和複雜性，藉助合適的計算機輔助工具，開展系統的過程開發和評價顯得尤為重要。SuperPro Designer作為針對生物過程的模擬軟體，已被國際上許多大型製藥公司和研究機構使用。通過計算機輔助生物過程設計，可以實現：（1）全流程建模，全局把控流程設計，促進過程的整體優化；（2）合理評價工藝參數，評估新技術、原料/設備和各項消耗，提高過程的整體效率；（3）系統分析成本要素，改善過程經濟性，降低生產成本，為生物製造過程提供合理指導。
以單抗藥物生產為例，依據國內外研發和生產實際，採用SuperPro Designer生物過程模擬軟體包，構建了4個細胞培養規模的單抗生產流程，分別對應於中試或小規模生產（500升）、中等規模生產（2000升）、大規模生產（5000升）和超大規模生產（15000升），其中15000升規模的流程示意如下。
（1）產能和成本分析
通過過程模擬得到基本產能和經濟指標如下：
可以發現，單抗生產的規模效應十分明顯，常規的2000~5000升培養規模可控制成本在100美元/克左右，若希望進一步降低成本，需要擴大產能。
對生產成本進行分類分析，包括設備相關、原材料、消耗品、勞動力以及其它5大類。設備相關成本包括固定資產折舊費、設備維護費和保險/稅率等；原材料主要包括無血清培養基、緩衝液、注射用水等；消耗品主要包括層析介質、濾膜等；勞動力成本由勞動力單價、操作時間和需要人數得到；其它成本包括檢測分析和質量控制的實驗費用、能源消耗以及廢物處理成本等。
基於不同單抗表達量和生產規模的成本分析，發現主要開支在設備相關、消耗品、原材料3項，這也是生物藥生產的典型特徵。下圖是10g/L表達量、15000升培養規模的成本分布。可以發現，設備相關成本約佔一半，其中生物反應器和層析設備是關鍵；其次是耗材開支，主要是層析介質，特別是蛋白A親和介質，佔了耗材開支的絕大部分；再次是原料開支，其中關鍵是無血清培養基。目前這些關鍵設備、耗材和原料主要依賴進口，可想而知，核心技術受控，成本難以降低。只有通過國產研發和替代，才能真正實現中國製造，形成核心競爭力。
在保證產品質量的前提下，採用國產設備，特別是設備成本中佔比較大的生物反應器、層析柱和層析系統等，可以顯著減小設備投入，降低生產成本。相對來說，規模越小，設備相關費用佔比越大，國產設備替代的效果越明顯。對於500 L規模，若設備價格下降50%，則單抗生產成本將下降約30%；對於15000 L規模，則下降約24%左右。因此，針對單抗生產過程中的關鍵設備，加強國產研發，提高設備性能，實現國產替代，將有力促進我們生物醫藥產業的良性發展。在這方面，近年來以利穗科技為代表的國產設備公司取得了長足進步，實現了大型高端裝備的國產化規模製造。
（2）上遊優化
上遊優化的策略通常包含兩個方面，提高單抗表達量和擴大培養規模。依據過程模擬分析，這兩個因素對成本的影響見下圖。
整體而言，隨著單抗表達水平提高，生產規模擴大，單抗生產成本逐步下降。仔細分析，下降趨勢可分為三個階段：表達量從0.5 g/L提高到2 g/L，單抗生產成本明顯下降，且生產規模越小，成本下降越顯著；表達量從2 g/L提高到5 g/L，生產成本持續下降，但趨勢變緩；表達量進一步提高，成本下降幅度越來越小，達到10g/L後成本基本穩定在一個平臺值。分析表明，此時成本主要由下遊過程控制。表達量和培養規模的增大使得批次產量增加，為了適應產量增加，下遊處理的設備尺寸和消耗品也相應增加，而下遊成本直接和產量相關，不改變下遊工藝的前提下，單位產品的下遊成本將基本保持不變。結果表明，上遊優化具有一定的局限性，對於提高上遊表達量需要理性分析，更高表達量細胞株的購買是否有必要，提高表達量的研發費用是否有相應的效益回報等等，都需要仔細權衡。此外，過高表達量有可能會導致雜質增多，增加下遊過程的處理難度。因此，當表達量達到較高時，關注點需要轉移至下遊過程。
（3）下遊優化
下遊過程的成本主要決定於層析介質和設備相關成本，介質中最為關鍵的是蛋白A親和介質的消耗，約佔下遊總成本30%；設備中最關鍵的是層析柱和層析系統，約佔下遊總成本的20%。因此，這兩個方面是下遊成本控制的主要經濟熱點。遺憾的是，目前生物製藥領域的蛋白A介質和層析設備基本被國外公司壟斷，連年增長的價格加重了生物製藥企業的負擔。
對於蛋白A親和介質，提高動態載量和循環使用次數，開發耐鹼性蛋白A介質，適當降低介質的購買成本，是控制成本的關鍵。分析表明，當蛋白A介質的動態載量從30 g/L增加到60 g/L，處理相同料液量所需的介質總量減少約50%，同時層析柱的體積也減少了30%，降低約30%的設備相關成本。不過，介質性能提高，往往也帶來單價的提升。
近年來，國產的下遊設備和蛋白A介質得到了快速發展，以利穗科技、博格隆、納微科技、千純生物等為代表的相關產品性能指標顯著提升，具備了替代國際同類產品的潛力，將助力我國單抗產業的良性發展。此外，引進連續流層析新技術，可顯著提高蛋白A介質的利用率（從50~60%提高到80~90%），提高過程產率，減少緩衝液消耗；研發一些替代蛋白A親和層析的新方法，如混合模式層析和親和仿生層析等，以及親和沉澱、雙水相萃取等非層析技術，這些新技術得以規模化應用，將顯著降低單抗的生產成本。
上下遊的協同
上遊和下遊的過程協同是提高過程整體效率的關鍵。針對15000 L規模的單抗製備流程，分析設備的時間利用率，發現上遊過程的主生物反應器的時間利用率高達90%以上，而下遊過程中三步層析的時間利用率均較低。因此，基於計算機輔助的全流程分析，可以發現限制生產周期的關鍵設備，適當添加這些設備，實現交錯運行，可提高設備的利用率，縮短生產周期，從而提高產能，降低生產成本。
基於過程模擬分析，對於15000 L規模的單抗生產流程，採用三個主生物反應器匹配一條下遊生產線比較合適。下圖給出了批次循環時間、年產量和生產成本的變化趨勢。隨著上遊生產線增加到3條，批次循環時間減少到原來的1/3，年生產批次和年產量提升到約3倍，生產成本顯著下降。
結語
生物過程的系統優化是生物產業提高競爭力的關鍵因素，合理設計是重點。藉助計算機輔助過程設計，可以實現全流程分析，科學評價進程安排和設備利用；發現經濟熱點，改善過程經濟性；指導工藝變革，實現全局優化，提高產能、效率和效益，從而促進我國生物產業的良性發展。
實際上，計算機輔助生物過程設計貫穿於生物產品開發和生產的全過程，具體應用範疇如下。
為了促進生物製藥過程的合理設計，針對國內生物製藥公司的具體需求，浙江大學可提供項目合作，以及計算機輔助生物過程設計培訓。培訓內容包括生物過程設計原理、SuperPro Designer軟體運用、實際案例分析和討論，通過具體實踐，充分了解生物過程設計軟體的各項功能，掌握計算機輔助生物過程設計的理念與實現技術，並結合具體的工業過程進行分析和評價。
生物製藥發展迅猛，國內產能持續擴大，新技術不斷成熟，如何讓工藝更先進、更高效、更經濟，能否在激烈競爭中佔得先機，這些都需要冷靜思考、科學分析和合理設計，過程模擬和評價將發揮重要作用。2017年11月，藥明生物、多寧生物、利穗科技共同發起成立了「抗體生產原材料及裝備國產化聯盟」，藥明生物是生物製藥CDMO龍頭企業，多寧生物專注於上遊無血清培養基和一次性產品，利穗科技則是下遊分離純化專業技術和產品提供商，目標正是打破進口依賴，促進國產替代，從而提升中國生物製藥行業的整體實力。
生物藥物的中國製造已在路上，合理設計讓過程更加可靠和高效，國產替代讓成本更加可控和富有競爭力。質量為先，國際標準，前瞻布局，掌控核心技術，才能立於不敗之地，一起為老百姓用得起的抗體藥而努力 !
參考文獻
（1）史策，虞驥，高棟，王海彬，姚善涇，林東強. 單抗製備的過程模擬和經濟性分析. 化工學報，69 (7): 3198-3207，2018
（2）林東強，姚善涇，梅樂和譯著，可持續發展的生物過程—過程模擬和評價，化學工業出版社，2011.
作者簡介：
林東強，教授，博士生導師，主要從事生物分離領域研究，包括分離新方法、分離新介質、過程優化和設計等。針對單克隆抗體、重組蛋白等生物醫藥產品，集中研發混合模式層析、擴張床吸附、連續生物製造等新技術。曾任浙江大學生物工程研究所所長，獲教育部科技進步一等獎、浙江省科技進步二等獎、浙江省自然科學二等獎等。目前擔任浙江省生物工程學會常務理事、浙江省生物化學與分子生物學會副理事長、浙江省化工學會理事和生物化工專業委員會主任委員，《高校化學工程學報》編委。已出版專著2部，譯著1部《可持續發展的生物過程——過程模擬和評價》，授權國家發明專利34項，發表論文200多篇，其中SCI收錄130多篇。
關於利穗科技
利穗科技成立於2009年，坐落於蘇州工業園區，為國家高新技術企業。目前已建立了產業化製造基地和應用開發技術中心。利穗科技是生物製藥分離純化專業技術和產品提供商，致力於從分離純化工藝的開發與放大、分離介質的選擇與優化、分離純化設備的定製和分離純化工程的設計與實施等方面，為客戶提供整體解決方案；在過濾分離、層析純化、在線配液等生物製藥工藝上可提供自動化、智能化、個性化的定製方案，我們的產品和服務覆蓋藥物發現、中試放大和規模生產整個生物製藥全過程。目前，利穗在為單克隆抗體、重組蛋白、疫苗和血液製品等生物製藥領域的500多家製藥企業和研發機構提供產品和服務。如需更多信息，請訪問：www.lisurescience.com。