Biopharm International | 药明生物CEO陈智胜：一次性生产技术重塑未来生物药生产格局

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导 语

不锈钢系统（SSS）一直是生物制药产业的基础，但其刚性模式与当代生物药多样化需求日益冲突。一次性生物反应器（SUB）作为模块化、可快速部署、可扩展的替代方案出现，正好契合了21世纪对生物药灵活生产的需求。

许多研究已经证实，一次性生物反应器在提高效率、灵活性、成本效益，以及降低污染风险和加快生产周期方面具有巨大潜力[1-4]。此外，一次性生产技术（SUT）由于减少了传统工厂所需的消毒和清洗流程，展现出更高的效率和可持续性优势[5,6]。

由于业界过去对传统不锈钢系统的依赖以及对“一次性”的误解，生物制药行业对一次性生产技术存在各种偏见，包括认为一次性生产技术不适合大规模生产、生产成本更高且不环保等。

事实上，凭借更高的灵活性、更低的污染风险和更少的环境影响，一次性生产技术如今被公认为是应对当今商业化生产挑战的有效解决方案。细胞系、表达系统和培养工艺的持续进步降低了生物反应器的体积要求，较小产能的一次性生物反应器能够应用于商业化生产。据bioTRAK测算，80%的商业化生物药不需要超过10000升的生物反应器进行生产[7]。

此外，随着大数据和物联网（IoT）的兴起，以及实时解读数据的实现，一次性生物反应器与先进技术的强强联合带来更多应用优势。本文将介绍先进生物工艺技术平台如何提升和优化一次性生物反应器的效率与可持续性。

先进技术平台持续优化

过去，收集大量生物工艺数据并进行解读是一大挑战。如今，信息物理系统实现了数据的自动分析和系统化存储，推动了复杂的生物药生产流程的持续进化与优化。在生物制药行业，这一进步通过先进生物工艺技术平台的系统集成得以实现。过去几年，药明生物基于两大自主创新技术平台的运行数据，持续评估其对工艺效率和可持续性的影响。

第一个平台是用于连续生产的超高效连续生物工艺平台WuXiUP™，相关内容已发表在四篇同行评议论文中[8-11]。它将强化的连续细胞培养与连续或混合下游工艺相结合，采用直接产物捕获柱层析以获得更高的纯化产率。得益于强化工艺，该平台实现了连续超高产能，以及相较传统分批补料工艺更高的产品质量，相较传统灌流工艺更短的培养周期。

另一个技术平台是为满足商业化生产需求而设计的超强化分批补料生物工艺平台WuXiUI™[12,13]。它通过降低生产成本提升成本效率，同时在分批补料工艺下，结合有限的灌流培养基更换循环，提升生产表现。除了提升基于哺乳动物细胞表达的分子的产能外，该平台还确保了大规模生产的工艺稳健性，并实现了与疗效和安全性相匹配的产品质量。

成本效益日益显著

与传统不锈钢系统相比，一次性生产技术被公认具有较低的前期资本投入、更短的建设周期和更低的间接成本（如人工和清洗成本）[1-4]。有研究表明，一次性生产技术由于周转时间更短，生产效率也高于不锈钢系统。

药明生物超过300个大规模生产批次、99%成功率的内部数据证实，一次性生产技术的生产成本持续优于不锈钢系统。通过采用横向扩展策略（scale-out）——并联多个一次性生物反应器（如4000L和5000L规模）实现单批次大规模生产，且生产成本与不锈钢系统相比更具优势。这些数据表明，在相同产量下，一次性生物反应器可节省约10%的基础生产成本，如果联合使用先进生物工艺技术平台，生产成本可降低达30%。

WuXiUI™平台已被证实在多种哺乳细胞表达的分子中实现了3至6倍的产能提升（见图1），并且常与强化下游工艺联合应用，进一步提升关键单元步骤的处理能力，缩短下游工艺时间并减少原材料消耗。整体上，强化的上下游工艺协同可使生物药原液生产成本较一次性生物反应器传统分批补料工艺降低60-80%，而单批药物原液产能提升高达500%。

WuXiUP™平台与传统分批补料工艺相比，产能提升可达20倍，同时在成本效率上也有显著提升。该平台大幅加快了生物药开发和生产进度，降低了CoGs，提高了生物药的可及性，包括因质量挑战受限的产品（见图2）。

此外，细胞培养产能可提升至20-120 g/L（较传统分批补料提高5-20倍），下游收率达到80-90%，显著高于传统分批补料工艺。

端到端、集成化的连续生物原液生产工艺（涵盖从灌流细胞培养到最终UF/DF）充分展现了该技术平台的优势。在为期17天的生产过程中，一款单克隆抗体的平均日产量达到6.5 g/L，而24天连续细胞培养的累计产量则高达110 g/L。在下游工艺环节，从蛋白A捕获到UF/DF的整体收率高达86%。集成化的下游单元操作不仅显著提升了效率，还最大限度地减少了设施占地面积。

这些内部数据表明，与传统系统相比，在一次性生物反应器中实施两大先进生物工艺技术平台能够提升产量和质量，同时显著降低生物药原液生产成本。

生产效率与灵活性

与传统不锈钢系统相比，一次性生产技术能够显著缩短工厂建设周期、清洗流程及日常维护所需时间，从而大幅提升生产效率。因此，这一技术正日益被视为支持灵活cGMP生产的理想选择，同时能够高效、快速地调整生产计划和产能，以适应不断变化的市场需求。

除了更快的安装速度和简化的操作流程外，一次性生物反应器还显著降低了对洁净室空间的需求，并为生产过程提供了更可控的环境，有助于减少偏差的发生。这不仅带来了更为一致和可预测的生产结果，也因污染风险的降低而减少了面临的监管挑战。此外，如果将一次性生产技术作为封闭系统的一部分应用，还可以通过减少清洗和验证所需的时间，进一步缩短设备的安装和操作周期，优势更加明显[13]。

一次性生物反应器的体积曾经受限于液体介质重量带来的压力问题及操作限制[14]，不锈钢生物反应器的容量远大于一次性生物反应器。然而，随着技术的不断进步，一次性生物反应器如今已能够在4000升至6000升的更高工作体积下实现商业化应用，更好地平衡了生产过程中的灵活性与成本效率。

对于超出现有一次性生物反应器容量的生产需求，则可以通过实施scale-out横向扩展策略实现[15]。例如，一个拥有四个4000升一次性生物反应器的工厂可根据不同产品的临床或商业化阶段，进行4000升、8000升、12000升或16000升的生产。一次性生物反应器还可与先进生物工艺技术平台强强联合，进一步提升成本效益和可持续性。

鉴于产能利用率管理已成为生物制药行业的主要挑战之一，生产的灵活性正变得愈发重要。产能过剩会导致低产能利用率和生产成本上升，而产能不足则会引发药品短缺风险。Scale-out策略通过消除非线性放大风险，实现了产能的快速扩展（或缩减），从而能够灵活应对市场需求的变化。这种灵活性不仅带来了合同和财务管理上的优势，还能够满足紧急生产任务的需求，并支持更为多样化的工艺类型。

环境友好与可持续性

传统工厂生物药生产的消毒需求为环境带来了巨大的负担。与传统不锈钢系统相比，多项研究表明，一次性生产技术可在使用期间和全生命周期分别减少约38%和32%的能耗，用水量最多可减少70%，CO2排放减少约40%，这主要得益于其更小的设施占地面积和更少的清洗周期[5]。

通过应用先进生物工艺技术平台，这些环境效益得以进一步放大。与传统生物工艺相比，WuXiUP™平台通过最大限度地减少设备和设施的占地面积，有效降低了资源消耗和废弃物产生。同样，WuXiUI™平台在培养基的高效使用，降低废弃物的产生和产线空间需求等方面也表现出显著优势，整体上每克蛋白产品的碳足迹较不锈钢系统的传统分批补料工艺减少高达80%。

结论

随着按需生产和精准医疗等新趋势的兴起，生物制药行业正逐步摆脱对大规模不锈钢系统单一依赖的传统模式。曾经作为生物药生产支柱的这些传统系统，已越来越难以满足现代疗法对灵活性和快速响应的需求。当前，生物制药行业正加速从大批量、单一产品的生产模式，向小批量、多产品的灵活生产模式转型。

这一转型充分发挥了一次性生产技术的优势——通过灵活增减生物反应器数量，高效、快速地调整生产计划和产能，实现对市场需求的敏捷响应。这种方式不仅能在较小的生物反应器实现大规模产出，还有效规避了传统工艺放大过程中常见的技术和监管难题。

展望未来，生物制药行业发展的关键在于广泛应用并深度整合先进的生物工艺技术平台，以持续提升产品质量和生产能力。与传统系统相比，这些创新平台显著节约了时间和成本，提升了可持续性，最终将助力关键生物药的可及性不断提升。

参考文献

1.Hernandez, R. Top Trends in Biopharmaceutical Manufacturing: 2015. Pharmaceutical Technology 2015 39(6).

2.Goldstein, A.; Molina, O. Implementation Strategies and Challenges: Single-use Technologies. PepTalk Presentation, 2016.

3.Biopharm. MAb Manufacturing Today & Tomorrow. Press Release, May 14, 2014.

4.Jacquemart, R.; et al. A Single-use Strategy to Enable Manufacturing of Affordable Biologics. Comp Struct Biotech J 2016 14:309–318.

5.Cytiva. An Environmental Life Cycle Assessment Comparison of Single-Use and Conventional Bioprocessing Technology. First published November 2013, 9pp.

6.United Nations Global Compact. 20 Case Examples for 20 years. 2024.

7.BPI Editors. Biomanufacturing Supply and Demand: Industry Trends and Projected Impacts. BioProcess Int, July 31, 2024.

8.Zhou, H.; et al. Improving an Intensified and Integrated Continuous Bioprocess Platform for Biologics Manufacturing. Biotechnol Bioeng 2021 118(9):3618-3623.

9.Qin, YJ.; et al. Productivity and Quality Improvement for a Symmetric Bispecific Antibody through the Application of Intensified Perfusion Cell Culture. Antib Ther 2022 5(3):111-120.

10.Yan, G. ; et al. Biotechnol Prog 2023 e3405.

11.Zheng, X. ; et al. A Comparison of Different Intensified Upstream Processes Highlighting the Advantage of WuXi Biologics’ Ultra-high Productivity Platform (WuXiUPTM) in Improved Product Quality and Purification Yield. Biotechnol Prog 2024 40(6)e3487.

12.Xiang, S.; et al. Developing an Ultra-Intensified Fed-Batch Cell Culture Process with Greatly Improved Performance and Productivity. Biotechnology and Bioengineering 2024;121(2):696–709.

13.Editor. Closed Systems in Biomanufacturing Offer a Variety of Benefits. Cell Culture Dish, April 15, 2015.

14.Kai. Single-Use Technologies Enable Biologic Scaling. Contract Pharma, May 3, 2023.

15.Sargent B. Scale-Out Biomanufacturing–A Paradigm Change to Scale Up. Cell Culture Dish, Jan. 24, 2018.

关于药明生物

药明生物（股票代码：2269.HK）是一家全球领先的合同研究、开发和生产（CRDMO）公司。公司通过开放式、一体化生物制药能力和技术赋能平台，提供全方位的端到端服务，帮助合作伙伴发现、开发及生产生物药，实现从概念到商业化生产的全过程，加速全球生物药研发进程，降低研发成本，造福病患。

药明生物在中国、美国、爱尔兰、德国和新加坡拥有超过12000名员工。通过药明生物的专业服务团队，以及先进技术和精深洞见，公司为客户提供高效经济的生物药解决方案。截至2025年6月底，药明生物帮助客户研发和生产的综合项目高达864个，其中包括24个商业化生产项目。

药明生物以可持续发展为长期业务增长的基石。公司持续推动绿色创新技术，为全球合作伙伴提供先进的端到端绿色CRDMO解决方案，同时在ESG方面不断取得卓越成就。秉承创造共享价值的理念，公司携手利益相关方构建可持续发展生态，通过负责任运营模式推动社会价值与生态效益双提升，实现全价值链的协同赋能。更多信息，请访问：www.wuxibiologics.com

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