用于控制集成的连续制药或生物制药制造过程的设备组件和方法

本发明涉及用于控制集成连续制药或生物制药制造过程的设备组件。本发明还涉及用于控制集成连续制药或生物制药制造过程的方法。

连续制造在制药行业尤其是生物制药行业变得越来越重要。这种处理策略是有利的，因为它更有效、更灵活，并且具有产生更好且更一致的产物质量的潜力。为了充分发挥其潜力，有必要集成多个过程步骤，从而消除对中间储存罐的需求。从而进一步减少设施占地面积和处理时间。

虽然连续处理具有许多好处，但它也比常规的批处理更复杂，并伴随着过程偏差风险的增加，因为一切都在更快速发生，留给检测、调查和应对任何严重差异或不一致的时间更少。传统的离线分析(手工采样，然后进行样品制备、测量和评估)是劳动密集型的，而且速度太慢，无法实现对连续过程的充分控制。因此，更先进的在线和/或内联分析(在旁路和/或直接在过程线中自动采样，分析仪靠近过程设备，基于分析数据对过程进行评估和自动反馈控制)是成功连续制造的一个关键。

此外，必须考虑的是，集成生物制造刚刚开始获得关注，还没有建立优化的工作流程。通常，作为本发明的关键目的之一的两种分析物的测量和控制是通过在两个集成过程中使用多个传感器来实现的，例如，生物反应器中的一个探测器用于上游控制，色谱系统中的另一个探测器用于下游控制。例如，在线葡萄糖传感器，例如

关于连续制造，US 9 657 056B2描述了一种用于治疗性蛋白药物物质的集成和连续制造过程。在灌注模式的生产生物反应器中，产物被分泌到培养基中，并连续地从生物反应器中移除(灌注收获)。将灌注收获物直接供给至第一连续色谱系统，在该系统中捕获产物。将含有产物的第一色谱系统的洗脱液送入第二色谱系统中进行进一步纯化。

关于传感器和控制生物制药制造过程，DE 10 2014 106 916A1公开了一种用于从过程流体中自动确定至少两个不同过程参数的设备。该设备包括两个不同的测量元件(cell)，每个测量元件测量一个过程参数。该设备还包括用于监测和/或控制过程的控制和评估单元。

涉及多柱色谱法的EP 3 243 073B1公开了用于通过使用至少一个多变量信号来控制连续多柱色谱过程的至少一个参数的方法和装置。

本发明的目的是：简化连续制药或生物制药制造过程的设置以及提高其效率，并且提高对这样的过程的控制。

上述问题通过根据权利要求1所述的设备组件和根据权利要求2所述的设备组件来解决。该问题还通过根据权利要求10所述的方法和根据权利要求11所述的方法来解决。根据各个从属权利要求，本发明的有益和有利的实施方式变得明显。

根据第一方法，本发明提供了一种用于控制集成的连续制药或生物制药制造过程的设备组件。该设备组件包括：第一过程设备，其适于执行第一过程步骤；第二过程设备，其适于执行第一过程步骤之后的第二过程步骤；单个测量单元，其适于在单个位置处至少测量液体过程培养基的一组信号，测量的该组信号至少取决于第一参数和不同的第二参数；以及评估和控制单元，其适于评估测量的该组信号以确定第一参数的值和第二参数的值。评估和控制单元还适于：基于第一参数的值来确定第一校正反馈，以及基于第二参数的值来确定不同的第二校正反馈。评估和控制单元还适于：通过向第一过程设备提供第一校正反馈来控制第一过程步骤，以及通过向第二过程设备提供第二校正反馈来控制随后的第二过程步骤。

根据替选的第二方法，设备组件包括：第一过程设备，其适于执行第一过程步骤；第二过程设备，其适于执行第一过程步骤之后的第二过程步骤；单个测量单元，其适于在单个位置处至少测量液体过程培养基的不同的两组信号，测量的第一组信号至少取决于第一参数，并且测量的不同的第二组信号至少取决于不同的第二参数；以及评估和控制单元，其适于评估测量的第一组信号以确定第一参数的值以及评估测量的第二组信号以确定第二参数的值。评估和控制单元还适于：基于第一参数的值来确定第一校正反馈，以及基于第二参数的值来确定不同的第二校正反馈。评估和控制单元还适于：通过向第一过程设备提供第一校正反馈来控制第一过程步骤，以及通过向第二过程设备提供第二校正反馈来控制随后的第二过程步骤。

在解释上述本发明的两种方法的共同基本概念之前，下文将阐明本文中使用的一些术语的含义：

“集成的连续制药或生物制药制造过程”包括几个(至少两个)过程步骤，这些过程步骤依次不间断地被执行。这包括以下情况：第二过程步骤在逻辑上紧随第一过程步骤之后，但实际上两个过程步骤——至少暂时地——同时被执行。术语“随后”应该相应地从逻辑意义上来理解。

“参数”是改变制药或生物制药制造过程的特征的量。特别地，参数可以是(i)过程参数，即可以直接设置或调整的一般条件，如过程培养基的温度；或(ii)过程性能指标或关键性能指标，如描述运行过程步骤的质量的活细胞密度；或(iii)与最终产物的质量有关的关键质量属性；或(iv)分析物，尤其是过程培养基中的分析物的量或浓度。

“单个测量单元”是一个功能性测量单元，其包括在一个限定的位置处的一个测量元件或探测器。单个测量单元每次对至少一组信号进行一次测量。优选地，例如，单个测量单元记录多变量信号如光谱，但也可以只测量单个波长处或单个波长周围的信号。当然，可以出于其他目的在过程设备组件中使用另外的测量单元。

根据本发明，测量的信号取决于不同的第一参数和第二参数。这意味着这两个参数对第一组信号和第二组信号的影响不同。换言之：当第一参数的值发生变化时，则测量的信号就会根据第一参数的变化而变化，而当第二参数的值发生变化时，则测量的信号就会根据第二参数的变化而变化。

向第一过程设备和/或第二过程设备提供“校正反馈”并不一定意味着实际需要进行校正。校正反馈也可以是指示目前没有必要校正的信息，或者，只要没有必要校正，就根本不提供校正反馈。然而，如果确定校正是必要的或有利的，就会向有关过程设备提供相应的信息，优选地，实时地提供相应的信息。

本发明是基于以下发现：在连续的制药或生物制药制造过程中，在单个位置处测量信号的单个测量单元可以被用来控制两个后续的过程步骤。根据本发明的第一方法，每次至少测量一组信号就足够了，因为测量的一组信号既取决于与控制第一过程步骤有关的第一参数，又取决于与控制第二过程步骤有关的第二参数。根据本发明的替选的第二方法，单个测量单元至少测量不同的两组信号，测量的第一组信号取决于第一参数，并且测量的不同的第二组信号取决于第二参数。

本发明的概念是可扩展的，也就是说，如果情况允许，它就可以扩展到三个或更多的集成的过程步骤。

本发明背后的总体思路将通过一般示例的方式并参照以前的实践以比较的方式来解释。在连续的制药或生物制药制造过程中，第一过程步骤中性能的变化使得第二过程步骤需要较大的“安全系数”。由于两个过程步骤都被集成到连续的过程中，第一过程步骤的输出同时是第二过程步骤的输入，而不可能对中间产物离线地进行分析。由于第一过程步骤中几乎无法避免的生物或过程相关的波动，必须相应地“宽松地”设计第二过程步骤，以绝对避免产物的损失。然而，利用根据本发明的设备组件和方法，可以控制第一过程步骤以使波动最小化，从而使得可以更有效地执行第二过程步骤。另一方面，即使第一过程步骤的波动没有被最小化，它们仍然可以被检测到并被考虑用于控制第二过程步骤。

替选的解决方案是使用常规的离线测量或利用专门针对第一过程步骤中第一参数的第一在线传感器和专门针对第二过程步骤中第二参数的第二在线传感器。虽然离线分析适用于监测鲁棒的过程，但取回样品和获得结果所需的时间太长，无法在连续过程中进行充分的控制。将需要中间储存罐来收集来自第一过程步骤的输出。只有在从相应的离线分析获得结果之后，该过程才能继续进行分批程序中的第二过程步骤。这与连续制造的期望目标相矛盾，因此不是实用的替选方案。

利用根据本发明的设备组件和方法，参数可以被在线或甚至内联地被测量(在过程管线中自动采样)并且实时地被评估。因此，储存罐和相关联的工作变得过时了，从而进一步减少了占地面积和设置的复杂性。此外，可以避免离线分析中增加的污染风险。另一种替选方案——在两个过程步骤中使用两个不同的传感器——增加了设置的复杂性：由于需要传感器和额外的硬件，所以占地面积增加；必须确保每个传感器/设备与过程控制系统的连接，以实现实时数据监测和控制；并且由于每个传感器/单元都有各自的风险，所以故障的可能性增加了。所有这些都导致了关于运营支出(opex)和资本支出(capex)二者的成本增加。

连续制造过程的最大好处是：下游过程(即感兴趣的产物的纯化)可以在上游过程仍在运行时开始。这尤其对不稳定的产物有积极的影响。下游过程的控制可以取决于产物从上游过程到下游过程的转移，例如，体积和相应的浓度。这些信息有助于优化下游处理能力的利用。通常，色谱柱只加载到大约80％至90％，以确保没有产物由于柱过载引起的穿透而损失。例如，在在线滴度信号的帮助下，结合(已知的或控制的或计算的)流速，可以在整个运行过程中监测柱的加载，从而允许更有效地利用柱容量。当然，这个概念也可以应用于其他吸附器类型或分离技术(过滤等)。

如已经提到的，在使用本发明的第一方法的情况下，测量一组信号就足以控制两个过程步骤。这是可以的，因为用于确定两个过程步骤的校正反馈的必要信息可以从同一组信号中得出，这取决于第一参数和第二参数二者。

在使用本发明的第二方法的情况下，单个测量单元优选地适于同时测量第一组信号和第二组信号。当第二参数受到第一参数的影响时，测量值的紧密及时相关是有利的。

为了连续监测第一参数和第二参数，单个测量单元优选地适于重复测量一组信号或多组信号。

测量单元可以布置在第一过程设备与第二过程设备之间的连接管线(主过程管线)中，允许进行内联分析。作为替选方案，测量单元可以布置在第一过程设备与第二过程设备之间的旁路管线(绕过主过程管线)中，以用于在线分析。

在包括上游过程步骤(在生物反应器中培养)和下游过程步骤(产物的纯化)的典型制造过程中，测量单元优选地被布置在生物反应器下游的收获管线中。通常，在生物反应器的出口处设置过滤器或其他保留装置，以从液体过程培养基中除去不需要的团簇和/或空气，从而改善收获管线中的测量条件。

然而，测量单元也可以直接布置在第一过程设备的生物反应器中。由于灌注收获物被连续从生物反应器中移出，收获物中的参数与在生物反应器中测量的参数相似，至少在参数方面不受过滤器或保留装置的明显影响。

根据本发明的优选实施方式，单个测量单元是(流通式)测量元件，优选地包括作为光谱仪的一部分的流通式测量室，优选地基于以下光谱技术中的至少一种：散射、拉曼、SERS、MIR、NIR、UV/Vis、荧光。普通的传感器通常不适合同时对两种不同的分析物进行量化，至少不适合控制两个后续的过程步骤。与此相反，光谱学允许进行多参数分析，即同时检测多个参数。此外，光谱学可以以非侵入性的方式来实现，从而进一步减少污染的风险。

评估和控制单元优选地适用于将第一化学计量模型和不同的第二化学计量模型应用于测量的一组信号或多组信号。化学计量模型是用于评估与感兴趣的参数有关的测量的信号尤其是复杂的光谱数据的有效的软件工具。这里，在评估和控制单元中使用了专门针对第一参数的第一化学计量模型和专门针对第二参数的不同的第二化学计量模型。

本发明还提供了一种用于控制集成的连续制药或生物制药制造过程的方法，该过程至少包括在第一过程设备中执行或由第一过程设备执行的第一过程步骤和在第二过程设备中执行或由第二过程设备执行的随后的第二过程步骤。

根据本发明的第一方法，该方法包括以下步骤：在单个位置处至少测量液体过程培养基的一组信号，测量的该组信号至少取决于第一参数和不同的第二参数；评估测量的该组信号以确定第一参数的值和第二参数的值；基于第一参数的值来确定第一校正反馈，以及基于第二参数的值来确定不同的第二校正反馈；通过向第一过程设备提供第一校正反馈来控制第一过程步骤；以及通过向第二过程设备提供第二校正反馈来控制随后的第二过程步骤。

根据本发明的第二方法，该方法包括以下步骤：在单个位置处至少测量液体过程培养基的不同的两组信号，测量的第一组信号至少取决于第一参数，测量的不同的第二组信号至少取决于不同的第二参数；评估测量的第一组信号以确定第一参数的值，以及评估测量的第二组信号以确定第二参数的值；基于第一参数的值来确定第一校正反馈，以及基于第二参数的值来确定不同的第二校正反馈；通过向第一过程设备提供第一校正反馈来控制第一过程步骤；以及通过向第二过程设备提供第二校正反馈来控制随后的第二过程步骤。

关于根据本发明的方法的优点和好处，参考上述关于根据本发明的设备组件的相应陈述。这也适用于本发明的以下方面。

在使用本发明的第一方法的情况下，优选地，在运行过程期间同时测量第一组信号和第二组信号。

优选地，在运行过程期间重复地测量一组信号或多组信号。

优选地，在第一过程步骤与第二过程步骤之间的连接管线或旁路管线中测量一组信号或多组信号。

根据本发明的优选实施方式，测量一组信号或多组信号的步骤包括测量液体过程培养基的光谱，优选地，测量以下光谱中的至少一种：散射、拉曼、SERS、MIR、NIR、UV/Vis、荧光。

评估一组信号或多组信号的步骤包括：将第一化学计量模型和不同的第二化学计量模型应用于测量的一组信号或多组信号。

根据以下描述以及根据参考的附图，本发明的另外的特征和优点将变得明显。在附图中，唯一的图示出了根据本发明的设备组件的实施方式。

附图中示出了集成的连续生物制药制造过程的基本设置。在本示例中，制造过程是灌注过程，灌注过程包括上游过程步骤(第一过程步骤)和随后的下游过程步骤(第二过程步骤)。

包括诸如搅拌罐或摇摆运动反应器的生物反应器12的第一过程设备10用于执行上游过程步骤。生物反应器12连接至泵驱动的灌注供给管线14，该灌注供给管线14连续供应新鲜培养基。生物反应器12还连接至泵驱动的葡萄糖供给管线16。收获管线(以下也称为连接线)18将生物反应器12的出口连接至用于执行下游过程步骤的第二过程设备20。第二过程设备20包括几个色谱柱22。

单个测量单元24被布置在第一过程设备10与第二过程设备20之间。更具体地，测量单元24是包括流通式测量室的测量元件。该测量室被集成到收获管线18中，该收获管线18同时用作色谱供给管线。该测量元件是拉曼光谱仪26的一部分。

拉曼光谱仪26连接至评估和控制单元28，在评估和控制单元28中存储了基于至少两种不同化学计量模型的算法。评估和控制单元28又可以自动向第一过程设备10和第二过程设备20二者提供校正反馈。

测量单元24重复记录流经收获管线18的液体过程培养基(细胞培养基)的拉曼光谱(一组信号)。光谱数据被传输到评估和控制单元28，并使用第一化学计量模型来评估所述光谱数据，以确定第一参数的当前值。在本示例中，第一参数是从生物反应器12中移出并供给下游过程步骤的过程培养基中的当前葡萄糖浓度。葡萄糖是一种重要的营养物质，其需要以足够的量存在于液体培养基中以供细胞生长。然而，供给过多的葡萄糖会导致代谢紊乱，产物质量可能会下降。

基于第一参数的值，在评估和控制单元28中确定第一校正反馈。第一校正反馈被提供至第一过程设备10，以达到或保持第一参数的目标值。在本示例中，确定的葡萄糖浓度被用来控制葡萄糖供给管线16中的泵30，以确保生物反应器12中恒定的预定葡萄糖浓度(在给定范围内)。

还在评估和控制单元28中使用第二化学计量模型来评估记录的拉曼光谱，以确定第二参数的当前值。在本示例中，第二参数是从生物反应器中移出并供给至下游过程步骤的过程培养基中的当前产物(目标蛋白)浓度。不管它对评估上游过程步骤(足够的生产率或细胞生长)是否重要，产物浓度的值也被用作后续下游过程步骤的控制参数。

基于第二参数的值，在评估和控制单元28中确定第二校正反馈。第二校正反馈被提供给第二过程设备20。在此，第二校正反馈用于控制色谱柱22的加载。结合柱22的(已知的或控制的或计算的)流速和(已知的或以其他方式确定的)结合能力，可以充分利用柱22的加载能力(>80％或甚至>90％)，而没有因柱过载而引起的穿透风险。考虑到色谱柱22的高成本，这是显著的优点。

应当注意以下步骤：(i)在单个位置处测量液体过程培养基的一组(多组)信号，(ii)评估一组(多组)测量的信号，(iii)确定校正反馈，以及(iv)实时地执行通过提供校正反馈来控制第一过程步骤和第二过程步骤(在指定的时间间隔内)，以确保连续制造过程不需要被中断。

本发明可以应用于许多其他集成的连续制药过程或生物制药制造过程。下面概述了一些示例。

1.集成的连续生物制药制造过程是具有连续产物捕获的哺乳动物细胞培养灌流过程，其中，

-第一过程步骤包括在生物反应器中对哺乳动物细胞进行灌注培养，

-第一参数是液体过程培养基中的代谢物浓度，如葡萄糖浓度或氨基酸浓度，

-第一校正反馈是基于代谢物浓度的代谢物供给速率，

-第二过程步骤是包括利用连续蛋白质A柱色谱或膜吸附进行产物捕获的下游过程步骤，

-第二参数是液体过程培养基中的产物浓度，以及

第二校正反馈是柱或膜吸附器加载或者关闭柱或膜吸附器的信号。

单个测量单元优选地布置在两个过程步骤之间的连接管线中。

2.所述集成的连续生物制药制造过程是(补料)分批病毒生产过程，其中，

-第一过程步骤包括在生物反应器中培养细胞，

-第一参数是细胞计数，

-第一校正反馈是基于细胞计数的供给策略，优选地，代谢物推注供给或代谢物供给速率或感染的开始或感染复数，

-第二过程步骤是包括通过柱色谱捕获和/或纯化病毒的下游过程步骤，

-第二参数是病毒计数，优选地，直接测量的病毒计数或通过将细胞计数乘以含病毒细胞的比率计算的病毒计数，以及

第二校正反馈是柱加载或关闭柱的信号。

单个测量单元优选地布置在第一过程设备中。

3.所述集成的连续生物制药过程是具有连续病毒纯化的病毒生产灌注过程，其中，

-第一过程步骤包括细胞在第一生物反应器中的生长，

-第一参数是液体过程培养基中的代谢物浓度，如葡萄糖浓度或氨基酸浓度，

-第一校正反馈是基于代谢物浓度的供给策略，

-第二过程步骤包括使用第二生物反应器进行瞬时感染，利用来自第一生物反应器的活细胞不断地供给第二生物反应器，

-第二参数是细胞计数，

第二校正反馈是从第一生物反应器到第二生物反应器的体积转移速率，以确保活细胞的持续转移，

-在第二过程步骤之后的第三过程步骤包括通过柱色谱进行连续病毒纯化，

-第三参数是病毒和/或微粒计数，

-第三校正反馈是柱加载或关闭柱的信号。

单个测量单元优选地布置在第一过程步骤与第二过程步骤之间的连接管线中或第二过程步骤与第三过程步骤之间的连接管线中。

4.所述集成的连续生物制药制造过程是再生医学应用，其中，

-第一过程步骤包括在生物反应器中培养细胞，

-第一参数是细胞计数，

-第一校正反馈是基于细胞计数的供给策略，优选地，代谢物推注供给或代谢物供给速率，

-第二过程步骤是包括通过离心法收获细胞的下游过程步骤，

-第二参数是通过测量代谢物间接获得的细胞分化或经由细胞上的标记物直接获得的细胞分化，以及

-第二校正反馈是下游过程的理想开始时间或离心参数的优化，优选地，离心机的旋转速度。

单个测量单元优选地布置在第一过程设备中。

10第一过程设备

12生物反应器

14灌注供给管线

16葡萄糖供给管线

18连接线(收获管线、色谱供给管线)

20第二过程设备

22色谱柱

24单个测量单元

26光谱仪

28评估和控制单元

30泵