生化生产过程中的分离技术发展简介

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许多年以来，许多有远见卓识的工程师和观察家们都在敦促生物制药界接受新的生产技术，就象食品和化学行业曾经所做的那样。就连美国食品与药物管理部门也通过属下的PAT（Process Analytical Technology）来激励生物制药厂商们，希望他们变得有创造力、更有实验精神一些。
然而，规则的不确定性却使得所有人变得胆小。药品的安全论证需要高额的花费，且面临着很大危险，因此许多成功的生物药业公司拒绝了(至少在公开场合中)生产技术的革新。
就算是保守的主流厂商在某些领域将来也会慢慢开始进行生产技术的改革，例如：转基因和基因治疗、血浆生产等等。但为止，技术装置改造仍然偏重于对那些使用了十年以上的部分进行更新。无论如何，些变革都减少了生产开支，加速了产品的商业化进程，使得制造商们获得了更多的利润或更完善的管理。
即用即抛的设备
因为净化过程的费用和相关的认证问题，厂商非常喜欢用一次性的东西，从过滤器到包装都是用完就扔，这样不仅避免了交叉污染，更重要的是完全不需要关心它的净化处理了。
如果将即用即抛型的产品扩大到连接器、阀门和管子的话，会更加受到厂商的欢迎。世界领先的过滤器和层析装置的供应商，包括Pall Corp.、Sartorius、Millipore Corp和Meissner Filtration 都已经开始致力于一次性产品的研制，尽管这些举动受到了经济学家的警告。
完全一次性的生产装置尽管还没有在生化制药领域实现，但是已经有了很大的成果。对于一些中、小规模的厂商而言，一次性过滤系统、层析系统和浓缩/淡化系统的联合在技术上已经可以实现了。
“是否生产一次性产品通常基于以下几种考虑：产品价值、生产成本和营业间接成本。”Pall公司的Derek Pendlebury.博士说，“十五年前每人说到一次性产品时总是说‘好主意，但我不感兴趣’，可是目前的形势使人们改变了看法。”
以前说到净化主要指加工过程的净化，针对的是原材料和消耗品。今天，制药厂还需要考虑对装置和人员进行净化。净化所花的时间54%花在了生产装置上、剩下的36％用于原材料净化，10%用于人员净化。
为了降低整个生产过程的消耗，生产商可以采取两种方法，一是通过增加批次来降低单批产品的成本，二是增加批次规模。因为买方往往限定好了产品的批次规模，所以厂商只有增加批次一个选择了。因为花在生产装置净化上的时间无法缩短，所以厂商只有尽可能的使用一次性的净化设备来缩短剩下的时间。
层析与过滤技术相联合
技术上的联合操作－例如离心过滤法－提高了生化生产的效率。值得一提的是膜层析（MC）法，它使得过滤和化学粘附能够通过一台设备完成。
在一些特别的应用领域，例如滤清或过滤微生物、病菌时，可以用离子交换膜来代替原来的层析柱充当MC的过滤介质。
因为隔膜太薄，人们将它们叠起来以达到想要的效果。有人还发明了螺旋式的薄膜来实现一些特别的应用。
最近，一些科学家们又开始将注意力转移到传统的层析柱技术上去，例如Sartorius就开始重新研制一些层析柱式的MC，就象20年前所做的一样，但是不同的是，它更重视MC的蛋白质粘附能力。
虽然MC法目前仍然比不上经典方法，但是MC可以提供令人惊讶的快速分离效果。
MC法和凝胶法是互为补充的。Sartorus北美区的副总裁Maik Jornitz如是说。“操作者很喜欢将它们联合使用，因为这样既简单又快捷，还可重复使用。”MC的介质可以使用1000次以上仍然保持比层析凝胶更好的净化性能。
虽然过滤性能仍然不如传统方法，但是MC法胜在速度很快，尤其是在过滤低浓度的液体的时候。有种特殊的MC还装备了阳离子交换器用来去除内毒素。
Mustang是Pall公司的另一个膜层析产品，它以低蛋白粘附力的硫代聚醚为主体，加上高效阳离子交换剂用于低聚核酐酸的滤清和净化。这种膜层析使得在制造疫苗的过程中，蛋白质仍可保留。
老方法，新技术
生化分离层析仪的效率随着新材料的出现也得到了提高。例如，传统的凝胶介质是很难以增加高度的，柱体变高时，巨大的压力会使得凝胶压缩，从而改变它的吸收特性。
“唯一的办法是增加柱体直径，”阿拉巴马大学化学系的Robin Rogers博士说，“但是这样就完全不能保证液体的均匀渗透了，层析的效果会大打折扣。”正是基于这个观点，生化产品的制造商们只能去增加层析柱数量来解决问题。
可以弯曲、折叠或切除部分的刚性材料解决了不少软凝胶面临的加工问题。例如，Milipores出产的层析介质使用了一种具有机械刚性的玻璃基材料，相比其它介质，它在各种压力下，仍能保持稳定的渗透和吸附性能。
对于某些产品例如单克隆性抗体而言，它们成本昂贵、竞争激烈，而产品量又很小，使用传统的层析设备往往觉得过于奢侈。
但是对于农业生化加工厂而言，层析设备是必需的。产出蛋白质的玉米、大米、马铃薯和其它的农产品收割量都是巨大的，农产品的蛋白质组织结构十分精细，然而生产过程却很简单，要分离出蛋白质通常只需要萃取或过滤就可以了。
例如，SemBioSys利用连续过滤的方法从红花种子里分离出了一种治疗性的蛋白质。SemBioSys将这个过程命名为StratoSome。
为了研制可注射的配方，SemBioSys将蛋白质从红花种子中提取出来，先离心，然后进入层析柱过滤。同时也对种子本身进行改造，改良后的种子可以通过传统的榨取法提取出更纯净的蛋白质。
萃取法仍未被充分利用
萃取，虽然主要应用仍是化学和食品加工过程，但是也开始进入了生化加工领域。可是，尽管一些公司，包括Genentech，已经发表了一些关于蛋白质萃取的文章，但是绝大部分的工作仍然只是在大学实验室里开展。可以肯定的是，从商业角度来说，层析法的利润比萃取法要大的多。
但令人惊讶的是，如果我们对层析法和萃取法的相关消耗做一个比较就会看到，传统的层析介质每公升要花几百美金，特殊材料则花的更多；而萃取法的消耗就只有溶剂。
而且萃取法相比层析法还有更多的优势：传质迅速，很容易提高规模，消耗很少并且不受过程中产生的脏水的影响。此外，萃取法可以从蛋白质中分离细胞残骸，从而省掉了一开始的过滤/净化步骤。
为什么萃取法的推广会遇到这么大的阻力呢？Bobin
Rogers博士是这样解释的，“萃取法和层析法相比，它的最初设计要难的多，萃取法的实现需要工程师的帮忙，而不是象层析设备那样买回来就能用。”
他补充说，“而且，生化学家们个个都知道层析是怎么回事。”
毫无疑问，随着新的蛋白质药品的出现，生化加工厂需要重新考虑更简单的加工方法，例如萃取。“治疗性蛋白产品的出现，使得每次治疗都需要几克的蛋白质药剂，现有的生产技术显得有些跟不上了。”
两相萃取液（ATPE）的成分包括水，聚乙二醇（PEG）和盐、PEG/醣类，PEG/共聚物，水/盐/酒精，和其它种种，ATPE可以将蛋白质从其它有机物和细胞残骸中分离出来。例如，Virginia科技的张先生就用ATPE从蛋白/烟叶匀浆中获得了87%纯度的蛋白溶解酵素。他所用的ATPE成分并不复杂，其中包括水和PEG、糊精、盐的混合物。
张先生并不知道到底哪一相提取出了蛋白质，但是只要有一相能够提取，而另一相不能，蛋白质的提取就是可行的。这种方法简单、廉价，完全有取代传统蛋白质提纯方法的可能。
一个新的赌注
DNA产品的研制，不仅面临着技术上的问题，也面临着概念上的转换。生物工程学家们在研究蛋白质时，将DNA视为杂质；当研究DNA时，蛋白质又变成了杂质。在分离制造DNA疫苗所需的质粒DNA
时，层析法最为好用。但是质粒DNA的生物药效率很低，这就意味着以它来制药的话，剂量和药厂产量都会很大。
用层析法分离质粒DNA的话成本太昂贵了，默克公司的Russ
Lander博士发现用甲基溴化铵（CTAB）－一种阳离子洗涤剂，可以将质粒DNA洗下来，而将蛋白质、RNA和内毒素留在溶液中。
标准的质粒体提纯过程包括阳离子交换层析和反相层析。“我们已经将这两种比较昂贵的方法换成了相对便宜的手段。”Lander说，“我们在CTAB这种新技术上下了很大的赌注。”
但是就算用萃取法代替层析法，质粒体的提取仍然有其障碍性。用均质器来进行细胞溶菌作用是不可能的。“必须要使用化学方法。”Land说。
沉淀下来以后，人们使用硅吸附剂来对质粒体进行精制，LRA是其中的一种硅吸附剂。Land承认，用这种吸附剂效果非常好，本来只是希望可以去除内毒素的，但是他发现，LRA将很多其它的杂质也一并吸附掉了。