Сопоставимость эксплуатационных характеристик: сокращается ли разрыв между одноразовыми биореакторами для культивирования клеток и стальными системами по ключевым технологическим показателям?
коэффициент массопередачи kLa, однородность перемешивания и контроль процесса в реальном времени в промышленном масштабе
Подача кислорода является необходимым условием для жизнеспособности клеток. Коэффициент объёмного переноса кислорода (kLa) служит количественной характеристикой этого процесса. Нержавеющие стальные биореакторы обеспечивают значение kLa более 0,02 с⁻¹ в промышленном масштабе при рабочем объёме 20 000 л с применением специально спроектированных систем мешалок и распылителей. Одноразовые биореакторы позволяют осуществлять объёмный контроль до 2000 л. В одноразовых биореакторах используются складывающиеся пакеты, однако после достижения определённого предела механическое перемешивание приводит к их деформации. Это вызывает градиент концентрации кислорода, при котором содержание кислорода в верхней зоне биореактора превышает норму более чем на 15 %. Другие усовершенствования, направленные на повышение точности управления и стабильности конструкции биореактора — например, применение направленных сегментных перегородок и спиральных мешалок — позволили достичь отклонения от установившегося состояния менее 10 %. Управление в реальном времени обеспечивает уровень контроля, сопоставимый с уровнем фиксированных биореакторов, благодаря интегрированному контролю pH и растворённого кислорода с интервалами регулирования 2 секунды. Для культур с чрезвычайно высокой плотностью клеток (более 50 миллионов клеток/мл) управление с использованием нержавеющих стальных биореакторов с переменным контролем концентрации растворённого кислорода остаётся более эффективным.
Риски, связанные с безопасностью материалов и совместимостью биореакторов для культивирования клеток: выщелачиваемые и извлекаемые вещества
Компоненты биореакторов, изготовленные из пластика, могут приводить к химической миграции в питательную среду. Как выщелачиваемые, так и экстрагируемые вещества могут мигрировать и накапливаться до цитотоксических концентраций. Примером такого вещества является диэтилгексилфталат (DEHP). Это пластификатор, и при концентрации всего 0,5 ppm DEHP может вызывать дисфункцию митохондрий. Аналогичная ситуация наблюдается и с выщелачиваемыми и экстрагируемыми веществами. Международный совет по гармонизации (ICH) Q5A(R2) и Фармакопея США (USP) <665> установили предельно допустимый уровень воздействия известных канцерогенов — не более одного микрограмма в сутки. В клинической практике выщелачиваемые и экстрагируемые вещества приводят к смещению pH или подавлению роста клеток примерно в 12 % случаев раннего применения. Менее чем в 36 % конструкций многослойных плёнок первого поколения, содержащих барьерное покрытие из этилен-винилового спирта (EVOH), достигается снижение уровня экстрагируемых веществ менее чем на 78 %. В последнее время поставщики начали внедрять испытания на старение для оценки долгосрочной целостности материалов, применяя ускоренное старение продолжительностью не более 18 месяцев. Комплексные исследования по оценке степени выщелачивания и экстрагирования действительно удлиняют разработку процессов на 8–12 недель, что представляет собой существенный срок для программ, находящихся на клинической стадии.
Общая стоимость владения: компромиссы между капитальной эффективностью и эксплуатационными затратами для биореакторов для культивирования клеток
При оценке эксплуатационной экономии и первоначальной экономии можно провести точную оценку затрат на биореакторы для культивирования клеток. Это особенно наглядно проявляется при сравнении затрат, связанных с внедрением одноразовых биореакторов и периодических (батчевых) биореакторов. Транзакционные затраты, связанные с многоразовыми системами из нержавеющей стали, могут превышать 10 млн долларов США; транзакционные затраты на многоразовые одноразовые системы значительно ниже. Долгосрочные затраты, связанные с эксплуатационными системами, входящими в состав одноразовых батчевых систем, определяются теми же эксплуатационными факторами.
Анализ точки пересечения: частота запуска батчей, масштаб производства и тип продукта определяют конкурентное преимущество
Одноразовые биореакторы становятся наиболее экономически эффективными там, где приоритетом является гибкость. При производстве терапевтических препаратов объёмом до 2000 л и количестве партий не более 12 в год использование одноразовых систем снижает совокупную стоимость владения (TCO) на 18–34 % за счёт исключения необходимости валидации циклов очистки на месте (CIP) и стерилизации на месте (SIP), а также сокращения простоев (BioProcess International, 2023). Для высокостоимостных продуктов, таких как моноклональные антитела, также достигается более значительная экономия за счёт быстрой смены производственных партий; задержки запуска маркетинговых кампаний, которые могут быть связаны с производственным процессом, становятся незначительными.
Скрытые расходы: валидация, энергоёмкие процессы CIP/SIP, обращение с отходами и сложность стерилизации
Одноразовые системы устраняют необходимость в паровой стерилизации. Однако они порождают несколько уникальных статей расходов.
Валидация: повторяющиеся затраты на тестирование выщелачиваемых и извлекаемых веществ составляют от 500 тыс. до 740 тыс. долларов США на каждую платформу (Ponemon Institute, 2023)
Логистика отходов: стоимость утилизации пластика, используемого на объекте, составляет 120–200 долларов США за м³, что почти в 2,5 раза превышает стоимость очищенных сточных вод — 80 долларов США за м³.
Энергопотребление: каждый сосуд из нержавеющей стали используется для очистки и стерилизации на месте (CIP/SIP) и потребляет 3,2 мегаватт-часа в месяц — столько же энергии, сколько требуется для обеспечения электричеством 300 домохозяйств в США.
Эти факторы существенно смещают точку безубыточности. Для производственных компаний, осуществляющих постоянное крупносерийное и стабильное производство, предпочтительным остаётся использование систем из нержавеющей стали, несмотря на более высокие капитальные/первоначальные инвестиции, поскольку такие системы обеспечивают сочетание долговечности и предсказуемости возврата затрат в течение более чем 15 лет.
Операционная гибкость и устойчивое развитие: стратегическая ценность одноразовых биореакторов для культивирования клеток
Быстрая смена производственных циклов, оперативность поставок продукции для клинических исследований и снижение риска перекрёстного загрязнения
Одноразовые биореакторы повышают эксплуатационную эффективность за счёт исключения длительных циклов валидации CIP и SIP, что обеспечивает быструю смену производственных партий — всего за несколько часов. Такая же гибкость необходима и в цепочках поставок для клинических исследований. В рамках исследования предприятия продемонстрировали дополнительный выигрыш в эффективности: запуск производственных кампаний ускорился на 30–50 %, что позволило быстрее получить материалы, необходимые для подачи заявки на проведение клинических исследований (IND), а также подготовить к старту фазы I и фазы II испытаний. Потери партий из-за загрязнения в системе одноразовых биореакторов были на 72 % ниже по сравнению с традиционными биореакторами, требующими сложных протоколов CIP/SIP. Данная система биореакторов представляет собой предварительно стерилизованную, герметичную систему с общими жидкостными путями. Надёжность биореакторов имеет решающее значение, особенно на многопродуктовых предприятиях, где в общей инфраструктуре производятся как вирусные векторы, так и моноклональные антитела (mAbs).
Экологический след и устойчивость цепочки поставок: логистика утилизации и зависимость от полимеров
По сравнению с биореакторами из нержавеющей стали одноразовые биореакторы сокращают объём потребляемой воды (≤1000 л на партию) и объём потребляемой энергии (≤65 %), затрачиваемой на стерилизацию, за счёт исключения необходимости в стерилизации, однако это не означает достижения устойчивого развития. Хотя полимерные отходы от биофармацевтических биореакторов составляют лишь 0,002 % от ежегодных глобальных пластиковых отходов, они всё же вносят значительный вклад в объём полимеров, направляемых на полигоны твёрдых бытовых отходов, — существенную долю муниципальных твёрдых отходов. Некоторые недавно предложенные новые «био»-полимеры этилена (C₂H₄) имеют оптимистично модульные конструкции мешков. Результаты в области устойчивого развития отражают не то, какая технология используется, а скорее то, как операторы определяют результаты применения этой технологии.
Часто задаваемые вопросы
Что такое kLa?
KLa (объёмный коэффициент переноса кислорода) обозначает скорость газообмена в большинстве растворов в биореакторе — процесс, способствующий поддержанию жизнеспособности клеток, особенно в крупных системах биореакторов из нержавеющей стали.
Что такое выщелачиваемые и извлекаемые вещества?
Выщелачиваемые вещества — это цитотоксические соединения, которые диффундируют в питательную среду в ходе обычной эксплуатации, тогда как извлекаемые вещества — это цитотоксические соединения, высвобождающиеся при аномальных и чрезмерно жёстких условиях.
Каковы эксплуатационные затраты на одноразовые биореакторы по сравнению со стальными биореакторами?
Одноразовые биореакторы значительно снижают капитальные затраты и являются более экономически эффективными по сравнению с биореакторами из нержавеющей стали при производстве мелких партий и при использовании биореакторов, требующих непрерывной эксплуатации. Тем не менее, эксплуатация одноразовых биореакторов может сопровождаться затратами на утилизацию отходов и затратами на валидацию.
Какие аспекты, связанные с окончанием срока службы одноразовых биореакторов, следует учитывать с точки зрения воздействия на окружающую среду?
Одноразовые биореакторы оказывают меньшее воздействие на потребление воды и энергии, однако ограничения в плане доступности и стоимости переработки медицинских плёнок приводят к тому, что системы окончания срока службы таких биореакторов и их экологическая устойчивость остаются ограниченными.