閉鎖系の接続されたプロセスに関する考察

バイオマニュファクチャリングでは、プロセス・インテンシフィケーションによる高効率化が進められています。強化の一つの側面は、ユニットオペレーションを連結し、プロセスを機能的にクローズドに運営することで、オペレーショナルエクセレンスを達成することです。クローズドプロセスの利点は、処理時間の短縮、プロセス内での手作業の削減、CAPEXの削減、洗浄やバリデーションのためのリソースの削減、適格な製造スペースの必要性の削減です。

しかし、閉鎖系の接続されたプロセスは、プロセスの開発、計画、実行に関して新たな課題をもたらします。このホワイトペーパーでは、クローズド・プロセッシングとコネクテッド・プロセッシングの利点と課題について説明します。また、大規模な製造現場における閉鎖系の接続されたプロセスの導入事例を紹介することで、お客様の目的に合ったオプションを検討・評価することができます。

設計上の留意点

バイオマニュファクチャリングは、コスト削減、効率化、臨床試験や市場投入までのスピードアップ、柔軟な多品種対応設備の設計など、市場の要求に適応するためのプレッシャーが高まっています。ここ数年は、製品の品質を確保しながら効率性を高めるために、プロセスの強化が注目されています。2019年、FDAは連続製造に関するガイダンス案を発表しました。これは低分子に焦点を当てたものですが、生物製剤をカバーする内容もありました。このドラフトガイダンスに先駆けて、いくつかの連続プロセスが市販の低分子製品に承認されました。

個々のユニットオペレーションのデボトルネック化が進むにつれ、製造プロセス全体の効率化に焦点が当てられるようになってきました。このようなアプローチ、特に連結型の連続または半連続プロセスは、製品の品質と製造スループットを維持しながら、設備の設置面積、CAPEX、製造コストを削減することができます。さらに、プロセス全体が無菌状態であることで製品が環境から保護されるクローズドプロセスは、プロセス効率をさらに向上させる可能性があります。

しかし、閉鎖系の接続されたプロセスを計画・実行するには、その設計の検討に多大な労力を費やす必要があります。適切に設計されたプロセスでは、各単位操作のマスバランスと重要な品質特性を知ることが重要です。この知識によって、バッチサイズ、機器のサイズ、最終的なスケールに適した技術や材料が決まります。複数のプロセスのデザインスペースと、製造プロセスの最初から最後までの特性を把握したオペレーションスペースを整合させることで、必要なオペレーションの柔軟性を確保し、高品質な製品を成功させることができます。このホワイトペーパーでは、セミコンティニュアスまたはコンティニュアス、クローズドに接続されたバイオプロセスを設計・実行する際に、主な落とし穴を回避する方法についてご紹介します。

定義

これらの定義は、「Continuous Manufacturing Symposium」のホワイトペーパー（2014年）、BPOGのガイダンス文書（2019年）、ISPEの「Biopharmaceutical Manufacturing Facilities Baseline® Guide」（2013年）などの外部ソースを参照しています。

クローズド・システムは、製品が運用環境にさらされないように設計・運用される。システムに物質を導入することは可能であるが、製品が露出しないような方法で行わなければならない。システムの閉鎖性は、製品を環境から分離できる境界によって定義されることが多く、 プロセス機器の物理的な境界とは異なる場合がある。例えば、組み立て中に内部の流路を環境にさらさない無菌の単回使用コネクタなど、無菌の境界を生成または作成できるという点で、システムは本質的に閉じている可能性がある。また、流路を操作することで、システムを「機能的に閉じた状態にする」ことも可能である。例えば、流路を蒸し焼きにして、製品の接触面を使用するまで圧力を維持することができる。

連結プロセスでは、2つ以上の単位操作が物理的に接続されている。ユニットオペレーションは、バッチ式、連続式、またはその混合式である。計画された製品のホールドステップ、その間のホールドアップ量、および手作業による介入は最小限または排除される。ユニットオペレーションの間には、個別の製品品質状態が存在する可能性がある。

半連続プロセスとは、連続式ユニット操作とバッチ式ユニット操作が組み合わされたプロセスのことである。これはハイブリッドプロセスと呼ばれることもあるが、著者らは、ステンレス鋼と単回使用のユニット操作が混在するプロセスに適用される、より一般的に採用される定義として、この用語を推奨している。

連続プロセスでは、複数の連続した単位操作が統合されたセットアップに接続されます。連続的な単位操作の例としては、灌流による生産細胞の培養、周期的向流クロマトグラフィー（PCC）による製品の捕捉、シングルパスタンジェンシャルフローろ過（SPTFF）などがあります。連続プロセスでは、対象となる製品が常に変化するため、製品の品質はサンプリング位置ではなく、時間の連続性によって定義されます。

閉鎖系の接続されたプロセスとは？

バイオ医薬品を製造するための完全なプロセスは、多くの単位操作で構成されています。これらの異なるステップを連結したプロセスにすることは、難しい課題です。連結されたバイオプロセスを使用する利点の1つは、コストの重要な要因である施設の利用率を高めることです。例えば、灌流細胞培養では、材料を途中で遠心分離することなく、直接キャプチャーステップに移すことが可能です。また、灌流式細胞培養では、小型のバイオリアクターを使用できるため、必要なフロアスペースを削減することができます。しかし、適切な培地とプロセス液の取り扱いを考慮することがより重要になります。

クローズドシステムでは、人や環境との接触から製品を保護するための物理的および操作上の障壁が設けられているため、汚染のリスクが軽減される。このため、クローズドシステムでは、実行段階でのオペレーターによる取り扱いが少なくなるため、必要な作業時間が短縮されます。クローズドシステムでは、主に使い捨ての無菌消耗品を使用することで、洗浄、バリデーション、セットアップに必要な時間を短縮することができます。これらの単回使用の消耗品は、あらかじめ滅菌された状態でサプライヤーから提供されます。

連続プロセスの設計では、上流と下流の間にサージタンクを設置することが検討されます。連続生産ラインでは、製品の移動が同じ速度で行われるのが理想的です。サージタンクがなければ、プロセス内で最も遅いユニットオペレーションによってプロセス全体の速度が制限されてしまいます。サージタンクがあれば、隣接するユニットオペレーションやプロセス全体をスローダウンさせたり終了させたりすることなく、ユニットオペレーションをアイドル状態にすることができる。そのため、メンテナンス活動を行うことができ、プロセスの早期終了を減らすことができます。

閉鎖型連結プロセスの例

連続プロセスは、不安定なタンパク質を製造するための灌流プロセスとして、何十年もの間、上流工程で使用されてきました。この経験値は、次世代プロセスの一般的な実装に活用することができます。最近では、下流工程での連続処理として、クロマトグラフィー、コンディショニング、ろ過の各ユニットの連続操作が可能になっている。Fig 1にクローズドな連続プロセスのプロセスフロー図の例を示します。

上流工程では、無菌状態を維持し、汚染を避けるために、常にクローズドな処理が必須となっている。また、メディア、フィード、グルコース、消泡剤などを入れる密閉容器やバッグのエコシステムも確立されている。連続的な上流工程（灌流）は、不安定なタンパク質の製造において長い歴史があり、確立されています。灌流プロセスにおけるフィルターベースの細胞保持装置は、無細胞の収穫物を後続の捕獲ステップに送れるという利点があります。

多くの場合、上流工程とキャプチャーの間に小さなタンクやバッグを配置し、灌流供給速度の違いや変化を補正したり、サージ容量を確保したり、キャプチャー・スキッドのダウンタイムに備えて容量を確保したりしています。

捕捉ステップは、例えば周期的逆流クロマトグラフィー（PCC）を用いた連続モードまたはバッチモードのいずれかで、閉鎖システムで動作させるか、または機能的に閉鎖させてもよい。静菌操作を維持するためには、クローズドシステムでキャプチャーカラムを循環または定期的にCIPすることで十分です。クローズド処理に関連するシステム設計上の注意点として、廃棄物の処理があります。機密性の高い空間では、廃棄物の排出は室内環境に大気中で行われることが多い。このタイプの排出の防御には、通常、製造エリアの特定のエリアへの暴露を制限するシステム設計や、製品との接触流路に正のシステム圧力を確保するための運転制御、交差汚染のリスクを最小限に抑えるための他のユニットの動作シーケンスの検討が含まれる。

研磨ステップは速度制限がないことが多いため、操作の手間を省き、単位操作間のサージ容器、ホールドアップ量の最小化につながり、時には複数の単位操作を1つのシステム設計にまとめることもあります。その例としては、結合・溶出ステップとフロースルークロマトグラフィーステップの組み合わせ、フロースルークロマトグラフィーステップ、クロマトグラフィーステップとろ過ステップの組み合わせなどが挙げられます。

タンジェンシャルフローろ過の戻り液容器は、基本的には、初期濃縮ステップを開始する前のプール回収容器である。しかし、マスバランスを利用して、先行するユニットオペレーションにおける製品の動きの調整を理解し、連結処理を組み込むことで、容器の作業容積を減らし、それによってシステム全体のフットプリントを削減することができます。

閉鎖系の接続されたプロセスのための重要なイネーブラ

設計において最も重要な分析項目は、プロセスのマスバランスです。システムのマスバランスによって、装置、機器、カラム、バッファーやメディアの容量、回収率、製品の収率などのサイズが決まります。製品のニーズに合わせて正しくスケールアップするには、プロセスの最終段階から始めるのがよいでしょう。従来のバッチプロセスでは、マスバランスは各単位操作ごとに個別の値として考慮され、装置間のミスマッチは中間プール容器によって管理されます。コネクテッド・プロセスでは、中間プールは廃止されるか、サージ・キャパシティまで削減されるため、スケールとスループットの観点から、ユニット・オペレーションの調整が必須となります。コネクテッド・プロセスの計算には、シングル・ユニット・オペレーションの知識を活用することができます。考慮すべき基本的なパラメータは以下の通りです。

Application	Parameter
Product Amount	Titer Yield Totalized amount based on UV
Product Movement	Flow rate Residence time UV

閉鎖系の接続されたプロセスを実現するためには、いくつかの異なるプロセス技術が必要となる。第一に、シングルユース技術（SUT）は、バイオリアクター、チューブ、マニホールド、バッグ、フィルター、クロマトグラフィーカラム、クロマトグラフィーシステムなどのシングルユースコンポーネントを用いてクローズドなフローパスを設計できるため、クローズドなプロセスを実現するための重要な要素となります。

クローズドプロセスでは、アセプティックコネクターを用いてユニットオペレーションを無菌的に接続することが重要である。アセプティックコネクターには、接続タイプと切断タイプがあり、1回限りの使用となる。適切なコネクタが使用できない場合には、物理的な接続を慎重に設計し、運用を守る必要がある。無菌的な接続ができない場合には、例えば、使用前に開いている接続部の表面を洗浄するなどして、システムを「閉じた状態にする」または「機能的に閉じた状態」とみなすことができる。

密閉されたプロセスでは、より少ないサンプルが採取され、分析されます。その結果、プロセスをモニターするために、より多くのセンサー、できれば使い捨てのセンサーが必要となる。シングルユースのセンサーの例としては、上流側の生細胞密度をモニターする静電容量センサー、使い捨ての流量計、ロードセル、圧力センサー、pHセンサー、導電率センサーなどがあります。プロセストレンドサロゲートを使用したり、GMP製造環境で実験室の分析方法を位置づけたりすることは、プロセス全体を通して対象製品をモニターし、測定することができる方法です。

センサーを用いたプロセスオートメーションは、クローズドでコネクテッドな処理を可能にする重要な要素です。ユニットオペレーションが接続されている場合、フィードバックおよびフィードフォワードの両方の制御が必要となります。公称質量バランスを使用することで、流量のマッチング、運転シーケンス、さらに経験を積むことで、モニタリングやアラーム戦略、プロセスの逸脱からの再起動や回復など、隣接するユニットオペレーションの調整に役立ちます。

最近の施設は、ボールルームで管理された非分類（CNC）スペースとして設計されることが多い。つまり、上流と下流の両方のユニット作業が、物理的な分離やクリーンルームの分類なしに、同じ大きなスイートルームで行われるということです。オープンハンドリングを避け、製品を閉じた流路に封じ込める能力は、この設計の前提条件であると同時に、製造スペースの検査に無事合格するための能力でもある。

前述したように、コネクテッド・プロセスを採用すると、設備の稼働率が上がり、それに比例して細胞培養液や精製バッファーなどのプロセス・フィード・マテリアルの使用率も上がることになる。プロセス溶液の管理は、使用規模が大きくなるため、慎重に検討する必要がある。など、いくつかの増産オプションがあります。

• 使用可能な強度の溶液を第三者から直接供給し、
• また、滴定された濃縮液ではなく溶液のストックを使用するインラインコンディショニングシステムなどの高度なシステム設計により、ジャストインタイムでの供給が可能です。

接続されたプロセスへの挑戦

閉鎖系の接続されたプロセスは、早期に採用した企業によってすでに業界で導入されていますが、いくつかの課題が残っています。大きな課題の1つは、自動化とフィードバックおよびフィードフォワード制御の実装に関するものです。これらの機能は、プロセスを流れるボリュームとマスフローの時間的な変動に合わせるために必要です。変動の一部は、上流の生物学的システム（すなわち、細胞培養プロセス）によって引き起こされますが、下流のプロセスストリームの組成は、歩留まりや不純物に関して時間とともに変化する可能性があります。また、複数の制御ループのカスケードや優先順位の決定には、最終的には経験を要する反復的な設計活動が必要となります。また、プロセス制御に使用できるような、重要な品質属性を具体的に測定するセンサーもありません。もう一つの課題はコネクターに関するもので、多くのコネクターは一度しか接続できません。このため、プロセス中に必要となる可能性のあるすべての接続と、その適切な順序を予測するためには、高度な事前計画が必要となります。最後に、UF/DFを用いた原薬の製剤化において、シングルユースで、大規模なクローズド・コネクティング・セットアップが可能な技術的ソリューションは限られている。

推奨事項と設計上の留意点

ーー戦略を立てるための目的

コネクテッド・プロセスは、ユニークな技術や斬新な技術のために追求するのではなく、プロセス・デザインと戦略が全体的な目的、目標、スケジュールを満たすものでなければなりません。目的を設定するために必要な詳細は、展開を予定している製造ネットワーク、ネットワーク内の製品構成とキャンペーン計画、プロセスプラットフォームの拡張性、技術移転の知識、スケジュールなどです。この検討では、社内の強みと課題、外部パートナーの強みと課題などが問題となります。お客様の目的は、患者様に製品をお届けすることが中心ですが、製造施設の老朽化や機能性、近代化の機会なども考慮する必要があります。

ーー技術選択

最初に直面する決断のポイントは、どのようなプロセス技術を評価し、製造プロセスに導入するかということです。柔軟な統合アプローチには、自動化の専門知識とバイオプロセスの知識の両方が必要ですが、多くの場合、慣れ親しんだもの、容易に入手できるもの、製造目的に関連するものが選択の対象となります。オプションの中には、より多くのリスクを伴うものもあり、そのため理解して導入するためにはより多くの開発活動が必要となります。バッチの経験を利用することで、「余分な」プロセス開発の必要性とタイミングやリソースのバランスを取ることができます。さらに、意思決定の前に並行して活動を行うことで、プロセスの定義とロックの前に不測の事態に備えて開発を行うことができる。

通常、永続的な影響を与える最初の技術的決定は、自動化プラットフォームとアプローチに関連しています。さまざまなレベルの自動化製品があり、機能や価格も異なります。プロジェクトの目的に応じて適切なソリューションを選択するには、ユニット間の通信、トレンド、および制御のオプションを理解することが重要です。例えば、機器が相互に通信するのか、それともプロセストレンドの集計に基づいて担当者が機器を操作するのか。また、各ユニットオペレーションだけでなく、隣接するユニットオペレーションの主要なリスクや故障モードも、意思決定の鍵となります。

ーー半連続または連続プロセスの計画

接続プロセスを計画する前に、スケールアップに必要な開発ステップを行う必要がある。例えば、製品のホールドタイムスタディ、バッファー/メディアの組成と容量、製品の中間容量、プロセス設定などを把握しておく必要があります。すべてが正しく計画されていることを確認するためには、Fig 2に示すように、紙面上と実験室でのラインランの両方でプロセスシミュレーションを行うことが有効です。これは、必要となる材料のBOM（Bill of Materials）リストや注文の目安にもなります。

Fig 2に示すように、閉鎖系の接続されたシングルユースプロセスを設計、実行、実施する際には、計画と準備の段階に重点を置くべきである。これにより、最終的なプロセスのシームレスな実行のためのリスクを予測し、軽減することができます。

ーー物理的スペースの計画

プロセス技術の選択とスケールアップが完了したら、利用可能な実験室やクリーンルームのスペースと機器の設置面積を考慮する必要があります。与えられた機器のフットプリントで、人員や材料を移動させたり、稼働中の機器の重要なポイントにアクセスしたりするのに十分なスペースがあることを確認する必要があります。さらに、ユーティリティー（ガス、水、電気）の接続や、液体および固体廃棄物のマテリアルフローも考慮する必要があります。上流と下流のユニット操作を独立して行えるよう、十分なスペースを確保する必要がある。さらに、この計画は倉庫の容量にまで拡張する必要がある。製品の中間体やサンプルを保管するために、冷凍庫や冷蔵室に十分なスペースを確保する必要がある。

ーー物流計画

ランニング中に消耗品を確保するためには、単回使用の消耗品の納期を考慮して、消耗品を期限内に注文することと、優れた在庫管理システムを導入することが重要です。また、バイオリアクターバッグなどの重要な消耗品については、安全マージンを確保しておくことが望ましい。消耗品の保管場所を計画するだけでなく、ステップごと、あるいは1日ごとに使用する消耗品の計画を立てることをお勧めします。また、製造工程にタイムリーに移行するために、消耗品を使用目的に応じてステージングすることも推奨されます。

スタッフの日々の活動（例：サンプリング、メディアの準備など）や、様々なユニットのオペレーションを計画する必要がある。適切な能力を持つスタッフを適切な場所に配置し、逸脱、アラーム、又はプロセ スに関連する問題が発生した際の意思決定のための権限を策定するべきである。閉鎖系の接続されたプロセスを導入する際には、施設の管理者は、オペ レーターが新しいプロセスに関するトレーニングを受けていることを確認すべきであ る。この新しいアプローチは不確実性を伴う可能性があるため、オペレータとエンジニアをプロセス設計に含めることが重要である。

ーーリスク分析

計画段階で重要なのは、リスク分析を行うことです。リスク分析には、プロセスにとって重要な関連リスクと、計画・準備段階でリスクを最小化するための緩和策を含めるべきである。リスクの軽減は、重要なリスクを定期的に見直しながら、プロセス全体を通じて継続する必要があります。リスクの中には固有のものもあるが、リスク分析を行うことで、リスクを予測し、バックアッププランを用意することができる。

小規模な研究は、正式なリスクアセスメント活動に大いに役立ち、スケールアップを成功させる可能性を高めます。大規模な逸脱の結果としてではなく、管理されたプロアクティブな方法で、リスクの軽減を予測し、設計することができる。この評価には、プロセスフローの適切な設計を確保するためのプロセス閉鎖の詳細や、運用チーム間での情報共有が含まれるべきである。また、全体的なリスクは、最終的なスケールでのエンジニアリング研究のための早期の決定と計画に反映されるべきです。時間とコストがかかるため、このような大規模な活動は最小限に抑える傾向にありますが、接続されたプロセスでは、エンジニアリングの実行を強く推奨します。

ーー実行する

クローズドシステムの利点は、バッファ、メディア、消耗品などの多くの構成要素を事前に準備し、無菌的に接続しておくことができることです。これにより、検査中に必要となる作業負荷が軽減されます。しかし、準備の際にこれらの材料を適切に整理・保管することも必要であり、すなわち、準備や機器のセットアップは、しばしばプロセスと同じくらい強化される。また、一度接続すると再接続ができないことも多い。これを克服し、柔軟性を高めるためには、余分なマニホールド、Y字型接続、バッグなど、システムに冗長性を持たせる必要がある。

プロセスを開始する前に、重要なプロセスパラメータのアラームリミットを定義し、測定方法を選択する必要があります。操業をより効率的にし、重要なプロセスパラメータが許容範囲外にならないようにする方法の1つに、インラインセンサの使用があります。インラインセンサーは、フィードバックループを使用してプロセスを自動化するために使用できます。インライン・センサーを使用して自動化できるプロセスの例をTable 1に示します。

Table 1.自動化とインラインセンサー導入の機会

Sensor	Principle of measurement	Process application
Biomass	Capacitance	Cells specific perfusion rate control Bleed rate control Inoculum transfer
Load cell	Mass	Volume control surge vessels Columns loading from surge vessels Virus inactivation
pH	pH	Virus inactivation Conditioning prior to polishing load
Conductivity	Conductivity	Conditioning prior to polishing load

ーートレンドデータの可視化と分析

一般的な製造プロセスでは、個々のユニットの動作を単独で監視することができますが、連結されたプロセスでは、並列のユニットの動向を可視化することが考慮されます。

理想的には、ユニットオペレーション全体の主要なトレンドを特定し、アクセス可能なビューに整理する必要があります。また、小規模な実験で得られたトレンドの例を参考にすることも、実行中に役立つ。大量のサンプルとデータが生成されるため、実行後の分析を行うための十分な時間とリソースを確保することもお勧めします。

ーー検査終了後のアクティビティ

検査終了後は、ラボスペースの清掃、すべてのフローキットの脱着、上流・下流の消耗品や残液の廃棄、次の工程のための装置の準備などが重要です。また、製品、すなわち原薬をどのように手入れし、保管するかも重要です。分析対象となるサンプルも、エラーが発生しないようにサンプリングプランに沿って正しく取り扱う必要があります。プロセスが完了した後は、継続的な改善活動の一環として、プロセスを改善する方法を検討する機会でもあります。

まとめ

従来のバイオ製造プロセスではなく、連続したクローズドな接続プロセスを使用することには多くの利点があります。これらの利点には、機器の設置面積の削減、環境汚染からの製品の保護、クリーンルームの必要性の低下などがあります。しかし、閉鎖系の接続されたシングルユースプロセスの開発と実行には、リスクの軽減と計画に関して多くの考慮事項が必要である。閉鎖系の接続されたシングルユースプロセスを成功させるための最も重要な活動として、徹底した計画、プロセスシミュレーション、および小規模な運転が挙げられた。