生物技术发酵车间设计问题分析

朱亚京

（浙江省天正设计工程有限公司，浙江杭州 310000）

由于很多制药企业都在不断扩大生产规模，因此陆续出现了各种制药生产车间建设项目，生物技术发酵车间就是之一。生物技术发酵车间主要是进行生物技术发酵产品生产，但是由于该类产品生产周期比较长，同时涉及到诸多原辅料的应用，而且工序非常复杂，在生产过程中存在诸多污染风险，为了有效规避各种污染问题的发生，最重要的就是确保车间工艺布局设计的合理性，可见很有必要对生物技术发酵车间人物单向流、工艺设备管道化、密闭化、自动化等各项设计进行有效分析探讨。

1 平面布局图设计

实际设计车间工艺布局过程中，必须充分衡量包括经济学和GMP合规性等在内的各项因素，以此实现既具备美观性，又具备良好功能性的车间布局。

从图1可以看出，应用了紧凑平层式设计，出入口位置应用了传统物流及人流进出方法，而受控普通区则应用了环形外走廊设计方法，以实现高质量和高效率应急处理的目的。同时，将单独更衣与套更结合方法应用于洁净区，以为人流的有效性提供保障。而包括原液收集和接种在内的车间则都应用单向流向的设计方式。出于避免交叉污染的目的，图示中主要应用双洁净走廊设计方法。相关工作人员必须先完成D级洁净服更换，然后通过D级走廊进入相应的房间展开作业。

图1 发酵车间平面设计图

在传递工作细胞时，必须通过传递窗进入接种间，然后展开接种等相关作业。该房间产品按照由右至左的方式流动，并且在发酵及纯化之后，通过除菌过滤取得原液APIs。除此之外，工作人员还应该对可能存在气流压差情况予以高度关注，在设计过程中一方面必须对不同区间压差予以全面衡量，同时也应该避免非病毒车间受到病毒车间空气污染的情况发生。通过分析相关研究，可知病毒区往往是负压区。然而，在病毒区有着更高洁净级别的情况下，还必须凭借负压或正压气锁将不同区予以隔离，以避免非病毒车间内进入接种车间的空气。而病毒车间人员在退更之后，并且走进外走廊之前，还必须通过负压气锁方式，有效避免受控普通区外走廊受到病毒车间空气的污染。

2 生物技术发酵车间设计关键问题

2.1 单向流设计

相关研究数据都表明，如果想要在最大程度上将包括细菌内毒素和病毒污染在内的污染风险控制在合理范围内，则应该将单向流设计模式应用于现代生物技术发酵车间设计过程中，如此也能够将微生物负荷控制在最小限度内。而在这种情况下，由于作业前期物质或人员污染而导致的作业后物料污染的风险也能够得到有效控制。而展开单向流设计实际应用时，则应该采用BOD框圈图的方式，为作业流程提供明确的指引，向工作人员展示简明和直观的人物流程。具体应用流程主要包括以下几项。

①工作人员应该罗列出相应的操作间，同时将清洁度目标标识在相应位置。②在相应的框圈中标识出物流气锁间以及作业人员流动信息。同时，如果房间相邻，则框圈也必须呈现出相邻状态，而房间如果连通，则框圈也必须呈现出贴边的状态。除此之外，有着相同清洁度的房间，其相应的框圈则要在最大程度上贴靠。③依据技术工序的具体要求，凭借物流及人流的线条连接不同的框圈，如此能够将不同房间内出入的人物流动情况予以明确展示。④进入设计深化环节之后，必须在相应的房间中配置具备合适产能的设施。同时，还应该对其规格予以明确，并且从建筑柱网的实际状况出发，保障设计布局图示内容的全面和准确。BOD图的具体流线图设计人员应该在图示中较为清楚地看出流线的不同种类，主要包括以下几类：第一，受控普通区物流及人流；第二，D级清洁区的物流及人流。而操作间则分为原液灌装间和细胞培养间等几类，且通过单向的物流及人流予以展示。在通常情况下，对纯化房间进行细分时，则往往以纯化工艺复杂度作为细分的标准。除此之外，工作人员还能够组合或者细化物流及人流经过的气锁间，其作业标准则是房间规格以及布局位置的具体情况，而没有绝对的作业规范。特别需要注意的是，相关工作人员在设计平面布局时，应该应用双走廊的设计方法，以此分别起到出入的功能，从而使单向流设计的成效得到最大程度上的体现。

2.2 分区空调系统设计

通过分析国际人用药品相关标准，可知在细胞培养/发酵生产原料药APIs应用过程中，必须严格遵从以下几项应用标准：①必须确保防范部分能够符合实际作业的需要，以此避免病毒二次污染已经接受过去除灭活相关工序。②工作人员不仅应该对非全密闭作业区间病毒污染情况予以高度关注，同时也必须重视可能存在污染的区间，这就要求工作人员必须将专门的空调系统应用于上述相关作业区间内。而在现阶段，这种防范办法已经在大部分生物技术发酵车间得到了较为普遍的应用，并且取得了预期的成效。通过对病毒展开分析和观察，可知其有着极小的体积和简单的结构，而其组成物质通常是蛋白质和核酸，且不具备细胞结构的特点。考虑到病毒不会进行新陈代谢，因此其本身无法实现复制功能。然而，在宿主细胞为其提供适当场合的情况下，则会使其蛋白质外套受到破坏，而其核酸则会在宿主细胞内进行复制，通过其DNA指令完成新个体的繁衍过程。除此之外，噬菌体也属于病毒。这种病毒受到了包括螺旋体或者真菌的感染，可以导致宿主菌发生裂解现象，而这也是此类特殊病毒的名称来由。相关研究数据则表明，包括培养基或者原始细胞系在内的内源病毒是引起生物技术产品发生污染的重要原因之一。不过，外部病毒同样会在相关产品制作流程中侵入车间，继而导致病毒污染的问题。其中最为普遍的污染途径是通过衣物入侵或者空气散播等。

这就要求相关工作人员必须通过合理设计发酵车间空调系统以及配置模式等方式，最大程度减少病毒的污染情况。在现阶段，在空调系统设计过程中，往往将其做出不同区间的细化，以此保障不同空调系统分区不会受到彼此的污染，进而实现相对独立的空气净化的目标。在作业工序需要在温度相对更低的车间内展开时，还必须对低温空调系统展开单独的设计工作。在通常情况下，将车间温度设计在2℃～8℃之间的情况比较常见。通过上述分析可知，车间内的空调系统运行具备相对独立性，能够有效杜绝污染扩散或者病毒传播等问题。然而，在病毒是非特定病原体的情况下，则往往不会引起生物安全相关隐患，因此仅通过回风设计即可实现防范病毒污染的目的，而无需展开单独新风系统的设计工作。

2.3 工艺设施管道化

对于包括分离纯化或者发酵罐相关设施的应用过程中，应该严格遵从标准的作业流程，确保灭活以及清洁工作能够起到应有的作用，并且在最大程度上实现自动化的设施操控，以此使车间自动化水平得到进一步提升，从而将因敞口作业而导致的污染问题控制在合理范围内。而在展开实际作业时，很可能存在因设施问题而导致的密闭性降低等情况，而这就要求工作人员必须从实际情况出发，通过具有针对性的防范办法将污染隐患降低到最低程度。同时，必须杜绝包括阀或者无菌袋等在内的设备被重复使用，而在清洁相对固定的管线或者设施过程中，则应该积极引入流通蒸汽灭菌技术或者在线清洗CIP系统。而在无法实现设施系统应用的情况下，则应该通过人工拆除等方式，全面清洁相关管线或者设施。不过需要注意的是，也必须将人工作业的次数和时间控制在最小限度内，以此避免因人工作业引起的污染或者质量波动等问题。除此之外，在管道化设施的情况下，大部分车间中都存在着大量管线，而阀门位置的散热情况相对较弱，同时清洗的难度相对更大，从而会在一定程度上导致温度指标控制无法发挥出其应有的价值。这就要求相关工作人员必须将机械区应用于设计布局内，通过合理应用TTF及TTW等装配方式展开相关管线施工工作，以此实现对房间内的管线量展开有效控制工作，进而将洁净室的面积控制在合理程度，避免复杂和杂乱的室内设施管线布局，如此不仅能够使房间美观性得到大幅提升，同时还能够提升空调系统的节能成效，最终确保房间内的空气质量能够达到相关标准。而对于配置房间设施工作而言，则应该予以平层设计或者立体化设计的方式。上述设计模式都有着自身独特性。前者主要是针对较小容积的设施，需要结合工序程序和物流及人流合理设计车间，以此实现紧凑和紧密的工序连接，同时也能够控制房间的面积。而后者主要是三层设计模式，上层被用于培养基配制作业，中层被用于培养细胞，而下层则被用于纯化罐装作业。通过应用这种设计方法，相关工作人员则能够凭借物料重量达到提升物流质量和效率的目的，并且也能够在一定程度上避免管道中物料残留等问题的发生。

2.4 病毒灭活

对于发酵纯化生产作业而言，一方面必须对产品APIs纯度及得率予以全面衡量，另一方面也应该确保病毒灭活能够得到相关质量标准。在现阶段的实际灭活环节中，不仅会应用膜过滤法灭活，同时也会应用低pH孵放法完成灭活作业。不过，无论是每一种作业方法都有着自身的局限性，仅能够对特定的病毒予以灭活，因此在实际应用过程中无法完全达到预期的目标。除此之外，在应用上述灭活方法时，也会在一定程度上影响有效成分。选择灭活工艺过程中，应该充分检测发酵纯化中的相关原辅料，从而对其中可能侵入的污染源予以确定。而出于使灭活质量得到进一步提升的目的，还应该持续优化现有的设计灭活方法，并且选择合适的灭活方法展开不同阶段的清洁工作。同时，还应该应用串联组合模式，使灭活作业的稳定性和安全性得到大幅提升。通过分析相关研究，可知在设施及色谱分离柱多次使用的情况下，病毒灭活的质量则必然下降。这就要求工作人员必须在展开实际灭活作业过程中检验上述设施或工具的有效性。其中，二次应用色谱柱前期，必须全面去除其内部的所有病毒。在现阶段，车间管线的密闭性越来越高，然而因为技术水平或者设施设计问题，依然需要面临管线开口等问题，进而导致其密闭性下降，而这就要求工作人员在移动灭活作业之后的料液时，必须尽可能杜绝二次污染问题的发生。如果存在污染的可能性，则必须展开在线灭菌作业。除此之外，工作人员还应该对退出车间的工具或者衣物等物品展开灭活作业，并且避免不同车间工具及衣物发生交叉问题。最后需要注意的是，在设计排风口的过程中，不仅要使其能够达到相关清洁标准，同时也必须避免非病毒区进入病毒区的空气。

3 结束语

主要针对生物技术发酵车间的人物单向流、空调系统等各方面设计内容进行了比较全面细致的探讨论述，并针对某生物技术发酵车间工艺布局平面图进行了分析研究。生物技术发酵车间设计地合理与否，是关乎药物产品质量和药品安全的重要问题，容不得丝毫疏忽大意，要进行更加积极深入的研究讨论，以便为制药企业安全高效生产奠定基础。