基于食品工业原位清洗（CIP）技术的生物制药自动化清洁可行性分析及平台设计研究

本综述探讨了将食品工业成熟的原位清洗（CIP）技术应用于生物制药生产的可行性。文章系统比较了两大行业的清洁规范、技术差异及自动化需求，并通过清洁模拟软件（ADVISIM3D）对典型细胞生产平台（AUTOSTEM）进行案例验证，提出了适用于高洁净等级（如GMP A级）环境的自动化清洁系统设计原则与改造建议。

　　

引言

在涉及细胞、细胞源性产品或组织的生物制药生产中，与产品直接或间接接触表面的清洁是目前去污染的第一步，且主要依靠人工操作。这种手动方式导致生产效率低下、去污染过程再现性降低以及产品损失。而在食品生产中，自动化过程更受青睐，用于内部产品接触表面的去污染。本文研究了将食品工业中使用的自动化原位清洗概念应用于生物制药生产的可行性，重点关注喷雾清洁过程和清洁模拟验证，并以现有的自动化细胞生产平台作为验证案例进行研究。

监管要求

为避免污染，两个行业都存在若干标准、指南和法规。欧盟生物制药过程必须遵循的最重要指南是良好生产规范（GMP）。尽管它只是一项指南，但大多数国家在其法律中引用了它，使得实施GMP指南成为强制性要求。GMP指南由若干部分和附件组成，其中附件1与生产环境和清洁最相关。它描述了包括去污染和监控在内的加工用卫生环境的设计要求。其他重要来源是两个标准：ISO 14644，它也包含多个部分，描述了洁净室设计、监控和使用的要求；以及ISO 17141，其中包含洁净室生物污染控制的建议。两者与GMP指南有许多相似之处。

在食品生产行业，遵守ISO 22000、GMP和危害分析与关键控制点（HACCP）等监管标准对于确保安全和质量至关重要。ISO 22000是一项国际标准，规定了食品安全管理体系的要求。GMP指南旨在确保食品根据质量标准持续生产和控制，最大限度地减少无法通过最终产品测试消除的食品生产所涉及的风险。HACCP是一种预防性方法，识别生产过程中可能使食品不安全的潜在危害，并设计措施将这些风险降低到安全水平。这些标准共同通过确保整个食品供应链的全面安全控制来保障消费者健康。

当前去污染过程

在消毒之前，食品和生物制药应用都必须对生产区域进行彻底清洁。对于彻底清洁，必须清除所有不需要的物质，例如污垢、食物残留、灰尘、油脂或任何其他令人反感的物质，因为这些物质会污染产品，并为存活生物体提供附着表面和保护。此步骤此后称为清洁，预计可将微生物负载减少99%。其次，任何存活的生物体都需要通过消毒或灭菌来灭活。消毒通过使用化学试剂或物理方法将表面上的微生物数量减少99.999%。灭菌是杀死或灭活所有微生物的过程，包括细菌、病毒和孢子。后者应选择用于生物制药生产中符合GMP的去污染。

食品工业中的去污染

在食品工业中，清洁程序的共同目标是去除不需要的层，直到所有表面达到视觉清洁度。这包括去除各种类型的物质，例如碳水化合物、蛋白质和脂肪，这些需要不同的清洁剂和方法。例如，碱性清洁剂通常用于有机物质，而酸性清洁剂用于无机物质。

清洁程序可以包括手动清洁和自动原位清洗（CIP）过程。人为因素提供了灵活性和适应性。然而，手动清洁需要更长时间，清洁结果的再现性通常较低，并且大型设备或罐并不总是可接近的。因此，为了减轻这些缺点，通常使用CIP过程。

辛纳圈通常用于描述影响清洁过程的最重要因素之间的平衡：时间、温度、机械作用和化学作用。此外，通过扩展的辛纳圈考虑了待清洁表面特性的影响。

CIP涉及使清洁溶液在管道、罐和其他设备中循环，而无需拆卸它们。封闭或浸没系统（例如管道、热交换器、阀门）中的清洁过程的特点是具有两相系统，包括待清洁表面和清洁流体。开放或非浸没系统（例如灌装机、清洗舱和罐）中的清洁过程的特点是具有三相系统，包括待清洁表面、清洁液体和大气。在开放系统中，清洁溶液通过静态喷嘴或喷淋球、旋转喷淋清洁器或旋转射流清洁器施加到表面。这些过程的自动化确保了充分的清洁和消毒，减少了停机时间并提高了效率。CIP过程以固定的顺序进行，具有定义的冲洗、清洁以及必要的消毒持续时间。通常，清洁过程是基于时间的，并且当前的控制系统设计用于满足具有固定序列的清洁过程的功能要求。通过清洁验证和确认的基本原理，已经开发了基于最坏情况场景的商业清洁过程，导致了过度的清洁方案。

化学和物理方法用于食品接触表面（如包装材料和机器部件）的灭菌和消毒。除了使用饱和蒸汽的传统热处理或应用常见消毒剂（如过氧化氢或过氧乙酸）外，替代去污染方法，如冷等离子体、脉冲光和UV-C辐射，由于其在低温和降低能耗的情况下有效去污染食品接触表面而受到越来越多的关注。

生物制药工业中的去污染

GMP指南根据在相应区域执行的过程的敏感性定义了生物制药生产的不同无菌等级，A级最严格，其次是B、C和D级。仅松动颗粒但不去除颗粒的清洁方法（如吹扫或超声波），或去除松散颗粒但不去除附着在表面的污垢或流体的清洁方法（如真空清洁），不适用于A级清洁。因此，手动清洁生物制药生产环境的金标准方法是擦拭。它需要特殊设计的海绵和组织，这些海绵和组织释放足够少量的颗粒。为确保所有颗粒都被去除，擦拭模式应定义为从上到下以及以彼此重叠的单向轨道进行擦拭。这使得擦拭非常耗时且非常具有挑战性以实现自动化。

生物制药行业中最成熟的灭菌方法是汽化过氧化氢（H₂O₂）。这种气体被通风到生产区域并在那里保持30分钟到几个小时，然后被移除。另一种成熟的灭菌方法是加热。它通常使用用热汽化水杀死污染物的高压灭菌器来应用。

生物制药生产中的去污染目前主要手动进行。生物制药行业中常用的灭菌方法易于自动化，例如H₂O₂汽化，这仅需要通风泵系统。因此，完全自动化去污染的瓶颈是清洁，因为只有擦拭和用清洁液冲洗是可接受的方法。在生物制药生产平台中自动化擦拭需要机器人移动擦拭组织清洁每个表面。此外，它需要以有组织的模式擦拭，通常从中心到外部，以确保所有颗粒都从敏感区域移除。机器人要么需要被编程以擦拭每个表面，这具有挑战性且容易出错，要么需要自动摄像头辅助轨道规划以自行找到所有表面。即使在这种情况下，机器人也难以到达生产区域中的所有表面，因为有些表面可能背对机器人。Haeusner等人提出了一个机器人系统概念，该系统允许通过使用施加清洁和去污染剂的灵活喷嘴进行自动化清洁和灭菌。

本文旨在以生物制药生产平台（AUTOSTEM）为例评估食品生产CIP概念的可转移性。

AUTOSTEM平台

用于讨论使用喷嘴进行CIP清洁在生物制药行业中的应用的AUTOSTEM平台是一个用于自动化生物反应器培养和间充质基质细胞（MSC）收获的平台。如参考文献所述并在补充图1中所示，该平台由两个隔间组成。右侧隔间包含生物反应器和冷冻供应品，并在封闭系统（如生物反应器、管子和烧瓶）中处理所有生产的细胞。由于细胞与生产场所的空气没有接触，该隔间的洁净室等级可以低至EU GMP洁净室D级。然而，在左侧隔间中，细胞通过移液管在烧瓶之间转移，因此与空气接触并需要最高洁净室等级，A级。为防止隔间之间的空气交换，它们通过一堵墙隔开，该墙允许通过舱口进行物体转移。在洁净室A级区域内，一个垂直移动的墙可以进一步临时分隔它，以便在打开平台的一部分以重新供应时没有污染其余区域的风险。由于具有洁净室A级的隔间更需要彻底清洁，因此选择AUTOSTEM平台的这一部分进行清洁模拟。

生物制药生产平台中的喷雾清洁模拟

模拟非常适合设计CIP系统以实现最大清洁效率。对于浸没组件（如管道和管道），基于计算流体动力学的方法（CFD）特别有效，但需要专业知识，因此尽管有潜力但并未广泛使用。相比之下，ADVISIM^3D是一款非常用户友好的商业软件，用于预测开放系统（如大型容器）中的清洁。它集成了组件或机械的计算机辅助设计（CAD）数据，允许用户在熟悉的CAD环境中从数据库中添加和放置喷嘴。该软件能够近乎实时地模拟具有多个甚至移动的喷嘴和设备的复杂喷雾清洁系统。其模拟方法包括对喷涂设备（如喷嘴和静态喷淋球）进行实验性喷雾特性测量，并结合到表面上的准确投影。基于流体分布，一个集成的预测模型确定清洁有效性。这允许对清洁系统进行虚拟测试和优化，避免了冗长且昂贵的迭代设计和优化实验。

这里通过模拟AUTOSTEM细胞生产平台在ADVISIM^3D中的清洁来应用此方法。通常，为了允许对大型容器进行CIP清洁，使用喷涂设备，这些设备在360°弧中分布清洁流体，同时围绕最多两个轴旋转。静态喷淋球（带有孔的固定金属球）坚固可靠，通常在医疗应用中更受青睐。因此，这里也使用它们来评估在AUTOSTEM平台中使用360°清洁器的挑战。对于此可行性研究，进行了喷雾阴影分析，假设在全部喷涂角度上流体均匀分布。

如上所述，所检查的AUTOSTEM隔间可以通过一个垂直移动的墙分隔，该墙在缩回时与天花板不齐平。所有移动装置被假定为已移除以进行彻底的外部清洁。框架条件是100%的直接射流冲击覆盖目标、最少数量的喷涂设备，以及将设备定位在天花板区域以不限制工作区域或腔室功能，同时减少自污染的可能性。结果如补充图2所示，直接冲击区域为蓝色，未接触区域为灰色，切割平面的横截面为红色。迭代手动优化的结果如补充图2A所示，显示每个腔室安装了两个喷头，总共四个。

选择合适的喷淋球包括考虑其工作范围，即喷淋球距离表面的最大距离，以便表面仍能被流体充分清洁。更大的工作范围允许使用更少的喷涂设备。插图显示，如果喷雾不受阻碍，墙壁和天花板很容易被到达。每个装置通常必须由至少两个，最好是三个相对的喷头喷洒。在AUTOSTEM平台中，在清洁期间打开腔室之间的连接门是有益的，并允许喷头到达另一个腔室。机器人在清洁过程中的移动确保了完全覆盖。

一个非常重要的问题如补充图2B所示，由于喷涂设备靠近天花板定位以及装置的实体设计，装置下方显示出大的喷雾阴影。一个潜在的解决方案可以包括设计可渗透的装置，使其可移动，或在局部使用额外的、适应的清洁喷嘴。当装置靠近墙壁放置时，使用合理数量的喷头进行自动化清洁也非常具有挑战性。这可以通过将这些装置定位在离墙壁更远的地方、使装置可移动、或通过额外的喷头或喷嘴进行局部聚类和清洁来解决。第三个重要问题是清洁手套通道，如补充图2B右侧所示。虽然它们在过程中需要手动交互，但它们的清洁在给定几何形状下无法保证。为了促进它们的清洁，建议采用角度设计，例如圆锥形状，以允许流体进入和排出。最后，地板中需要一个排水口，该排水口必须倾斜以确保完全流体排出。应考虑在清洁期间循环流体以提高效率。

结论

本文的目的是评估一个用于自动化生物制药生产示范平台的自动清洁概念。虽然自动灭菌解决方案已经可用，但生物制药生产中的清洁目前主要手动进行。在所有现有的清洁概念中，只有擦拭和冲洗适用于高无菌环境中的清洁。虽然擦拭困难且需要努力实现自动化，但通过冲洗进行CIP清洁是食品工业中已建立的清洁方法。该方法允许彻底去除颗粒，并且如果相应的试剂添加到清洁液中，还可以进行灭菌。一旦确保喷头安装可以完全清洁所需区域，该方法可以完全自动化，无需任何人工干预。这降低了产品被人污染的风险，并降低了雇主接触潜在危险产品残留物的风险。

模拟结果表明，如果进行某些重新设计，在AUTOSTEM平台中使用喷雾喷嘴进行清洁过程是可能的。例如，装置应远离墙壁移动或设计为可移动以进行清洁。此外，手套通道应设计成圆锥形而不是方形。通常，为了在生物制药生产平台中应用此清洁方法，应实施以下内容：

I 喷头应仅安装在生产区域的天花板上，因为墙壁上或底部的喷嘴难以清洁或会保留清洁水。然而，如果某些表面无法以其他方式到达，例如带有孔的喷嘴，即使水平安装或指向上方也允许液体排出，则某些喷嘴设计能够用于墙壁和底部。

II 所有表面必须可被清洁液接触。这意味着必须避免隐藏或向下的表面，并且表面不应彼此或与墙壁太近。

III 平台必须符合卫生设计标准，以确保易于清洁并防止危害产品安全的危害物的进入、生长和积累。必须避免≤90°的尖角。角度小于135°的角应具有最小半径=6 mm。

IV 如果可能，应使用耐水和清洁化学品的不锈钢或聚合物材料。不耐或难以清洁的设备应在清洁期间移出该区域。

V 所有表面必须可自排水，并应允许清洁液受控流向出口。由于设备应不透微生物，GMP指南禁止此出口为排水口。因此，应安装一个舱口，允许将用过的清洁液排入可灭菌的中间区域。一旦该区域完全充满或清洁过程完成，该区域应随后与生产区域密封并打开到排水口以移除流体。然后该区域应在之后进行灭菌。或者，流体可以排入一个无菌一次性容器中，该容器在满时更换。大多数现有平台不满足这些要求。因此，在现有平台中安装CIP清洁系统在大多数情况下是困难或不可能的，并且必须进行如上所述的重新设计。当设计具有自动化CIP清洁的新平台时，应从开发过程的一开始就考虑所述要求。最后，如本文所述，应在制造和组装之前进行模拟，以便在必要时进行更改和改进。