原创：隔离系统在无菌冻干工艺中的应用

蒲公英

本文为蒲公英小一班微信群第18期主题分享，作者：东富龙 郑金旺  转载请与作者联系

    2011年3月1日，中国新版GMP正式颁布实行。新版药品GMP吸收国际先进经验，结合我国制药产品总体技术水平，贯彻质量风险管理和药品生产全过程管理的理念，更加注重科学性，强调指导性和可操作性，达到了与世界卫生组织药品GMP的一致性。在新版药品GMP中首次提出了无菌药品生产隔离的概念，对无菌冻干药剂生产提出了新的要求。无菌冻干产业中隔离系统将是重要的不可缺少的设备。在目前冻干制药市场的需求来看，自动化的进出料和隔离化的环境控制已成为不可逆的主流趋势。

    在新版的GMP中明确列举了生产工艺对环境级别的要求如表1所示[1]：

表1

洁净度级别	非最终灭菌产品的无菌生产操作示例
B级背景下的A级	1.处于未完全密封(1)状态下产品的操作和转运，如产品灌装（或灌封）、分装、压塞、轧盖(2)等；    2.灌装前无法除菌过滤的药液或产品的配制；    3.直接接触药品的包装材料、器具灭菌后的装配以及处于未完全密封状态下的转运和存放；    4.无菌原料药的粉碎、过筛、混合、分装。
B级	1.处于未完全密封(1)状态下的产品置于完全密封容器内的转运；    2直接接触药品的包装材料、器具灭菌后处于密闭容器内的转运和存放。
C级	1.灌装前可除菌过滤的药液或产品的配制；    2.产品的过滤。
D级	直接接触药品的包装材料、器具的最终清洗、装配或包装、灭菌。

    注射药物协会（Parenteral DrugAssociation，简称 PDA）描述无菌生产工艺为：“一种生产无菌药品的工艺，通过这种工艺将微生物污染从药品及与药品接触的表面去除，保护产品不受污染源的污染。”[2]对于制药企业来说，要保证其生产产品的过程不受微生物的污染是一个很大的挑战，尤其是注射药物或者称非肠道药。

        图1表示一般常见无菌冻干药品生产线的整个工艺流程，阴影部分所列举的生产工艺都必须保证无菌。
      

图 1典型无菌冻干工艺过程

    传统的无菌生产方式，操作者一般在开放的A级洁净室环境中操作无菌药物生产，自动、半自动甚至是手动方式进行操作。虽然操作者在洁净室环境下身穿无菌的洁净服，但仍是洁净室中最大的污染源。

有研究表明[3]

l  操作者静坐时，每分钟能产生500, 000个粒子（粒径为0.5微米）；

l  操作者坐着，移动头，手臂和身体时，每分钟能产生1, 000,000个粒子；

l  在低速行动时，每分钟能产生5,000,000个粒子。

该研究说明要保证产品生产的无菌性，最关键的就是要将人员从生产工艺中去除。

先进无菌生产工艺是自动化技术与隔离技术的结合，如机械自动操作和物理性的屏障技术，来消除人员操作（如打开产品容器，暴露产品接触表面）对生产的影响。运用先进无菌生产工艺的核心是通过物理结构和气流的方式避免微生物进入无菌的环境中，从而对污染进行绝对控制。

隔离技术

    隔离技术目前在国际上主要有两种形式：隔离器（Isolator） 和限制进程隔离系统（RABS）。RABS还分为开放式和封闭式两种。如图2所示。在一些规范和指南中还将Isolator分为开放式（Open Isolator）和封闭式（Closed Isolator）[4, 5]。

图2 隔离器分类

Isolator和RABS一般用硬墙结构形成的一个小环境，能够通过物理结构和气流屏障将操作者和无菌药品生产工艺之间形成屏障。合理的操作和使用Isolator和RABS内部都能形成A级环境。但在设计上，Isolator和RABS还是有许多差异。

隔离器（Isolator）

    隔离器技术最早出现在二十世纪40年代，当时用于核武器与生化武器的开发。二战后，这些技术被公开并用于工业。而直到二十世纪90年代隔离器才运用于制药行业。[6]

    隔离器是一个完全封闭的系统，一般为不锈钢结构并带有手套系统。隔离器也有被称为手套箱（glove box），但对于制药行业来说，规范的叫法应该是隔离器或隔离操作器（Isolator）。

    隔离器配有空气处理系统，提供经过高效过滤器过滤后的风，在隔离器内部形成由上而下的单向气流。空气处理系统能控制隔离器内部形成正压或负压。正压设计能够保证背景环境（一般隔离器放置在C级或D级环境下）的气流不会流入隔离器里。而负压设计则是为了保护操作者不受隔离器中生产药物的高毒性和刺激性的危害。由于隔离器的结果是完全封闭的，操作者只能通过手套或半身衣对内部的工艺进行操作。另外根据工艺的需要，隔离器还会设计配备有各种类型的传递装置，如快速传递口（Rapid TransferPorts，RTP），传递箱或缓冲箱（Passbox或Air Lock），以及与其它工艺设备对接时的鼠洞（Mousehole）。

隔离器内部能够单独的进行灭菌（Decontamination），汽化双氧水（VHP）灭菌是目前最常用的方式，根据ISPE于2005的统计85%以上的隔离器是以这种方式进行灭菌的。灭菌循环的参数设置需经过验证，并具有重演性，能够对隔离器内部微生物进行较高水平的杀灭，和传统洁净室相比能显著提高无菌保证水平（SterilityAssurance Level，SAL）。

    根据ISPE 2008年公布的数据，仅在灌装线上的隔离器全球使用的总数为391台。并且呈逐年递增趋势。2008年数据各个地区占的比例如图3所示。亚洲市场主要集中在印度和日本等制药业相对发达的国家。

        

图3 各地区隔离器使用情况分布

限制进出隔离系统（RABS）

    RABS有开放式（oRABS）和封闭式（cRABS）两种。RABS的雏形出现在二十世纪80年代后期，将原有满布HEPA的百级洁净室中的灌装机周围用硬墙结构防护起来，并在相应工艺操作区域加装了手套、RTP。这就是我们现在所了解的被动式oRABS。主动式的oRABS有独立的送风过滤系统产生A级的单向流，通过硬墙结构形成的物理屏障与工艺生产设备之间留有一定间距，并且延伸到生产设备的底板以下，使单向流排放至背景环境（B级）[8]。

    cRABS从设计上与隔离器很接近，内部可维持正压或负压，但一般手动清洗和灭菌。和隔离器一样，cRABS上也根据工艺需要配置RTP，鼠洞等结构。

RABS可以和Isolator一样达到保护无菌工艺的效果，但前提是操作者不能在生产过程中打开门。在很多情况下，操作者会经常打开RABS的门对核心区域进行干预，这就失去了RABS的意义，而且会造成不可预测的污染风险。

    2009年ISPE公布的RABS在全球使用情况作了统计，见表2[9]。 ISPE 在2005年对RABS（限制进出隔离系统）进行了定义[10]，因此统计是从2005年开始的。

表2

年份	亚洲	欧洲	北美	总量
2005	12	37	20	69
2007	23	56	33	112
2009	37	112	52	201

隔离系统与传统洁净室的比较

表3列举了隔离系统与传统洁净室的优势[11]。当然，这些优势只有在结合工艺的基础上使用合理的隔离系统才能更好的体现。

表3无菌隔离系统与传统无菌室的比较

项目	无菌隔离系统	传统无菌室
对产品的防护程度	完全防护	与操作人员有关
对操作人员的防护程度	完全防护	防护小
所需能耗	小	大
物料传递	可以实现在无菌条件下快速传递	会导致无菌环境变差，与操作人员有关
工作环境的控制	控制方便	难以控制
工作服的更换	无	每天至少三次
操作和维护成本	低	高

隔离系统在无菌冻干工艺中的运用

    隔离技术最重要的目的之一是减少或者禁止操作者对生产线进行不必要的干预。在实际无菌冻干生产工艺过程中有些干预是工艺本身固有的，被称为常规干预，有一些则是由于工艺故障、设备故障造成的非常规干预，用于对工艺进行纠正，详见表4[12]。

表4

干预类型	举例
常规干预	生产多种产品时，由于西林瓶的直径不同，需要调节传送轨道上导向尺寸部件
	环境在线监测过程中更换培养基
	根据工艺需要对产品进行取样
非常规干预	擦拭碎瓶造成的液体泼洒等
	处理剔瓶盒中的废品等
	处理传送轨道上出现的堵塞等

操作者可以通过隔离系统上的手套，以及相应的操作工具在隔离系统内部对工艺进行干预。

从表4中也可以看出选择自动化程度高、运行稳定的工艺设备能够减少干预的发生。因此在考虑使用隔离系统时必须设计一个过程合理、稳定性好的工艺过程。

    近两年，国内新建的现代化无菌冻干工艺生产线都会选择配备自动进出料和隔离系统。目前根据冻干生产线的不同布局和产量要求，配套的自动进出料系统主要分为固定式自动进出料系统（FixedAutomated Loading/Unloading System）和移动式自动进出料（FlexibleAutomated Loading/Unloading System）两种形式。

  (a) oRABS + 固定式进出料系统

  (b) oRABS内部

(c)  cRABS或Isolator+ 固定式进出料系统

图4与固定式自动进出料系统配套的隔离系统

如图4 所示为两种与固定式自动进出料系统配套的典型案例。固定式进出料系统式结构紧凑，适合与任何类型的隔离系统进行配套。oRABS，如图4(a)所示, 适合常规无菌冻干制剂的生产；cRABS和Isolator，如图4(c)所示，则适合生产带毒性的冻干制剂，保护操作者和周围环境。图4(b)所示的是进出料机构与冻干机小门对接处配置的粒子线检测装置。

(a) 移动式自动进出料系统概念图

(b) 配备oRABS的AGV与冻干机对接

图5与移动式自动进出料系统配套的隔离系统

图5所示的是与移动式自动进出料系统配套的隔离系统。移动式进出料系统一般可以对应多台冻干机进行进出料工作，适合大批量的药物生产。主要通过自动导向小车（AGV)在进料站、冻干机和出料站之间移动实现进出料，见图5(a)。由于这种进料方式的接口多，一般适合与oRABS配套，生产无毒性、大批量的冻干产品。

在冻干制剂生产工艺中应该如何选择合适的隔离系统，需要考虑到以下的因素，见表5。

表5

对比因素	oRABS	cRABS	Isolator
固定式自动进出料系统	+++	+++	+++
移动式自动进出料系统	+++	-	-
无毒性的无菌制剂	+++	++	+
有毒性的无菌制剂	-	++	+++
需要在位清洗CIP/WIP	-	-	+++
汽化双氧水灭菌	-	+	+++
注：- 不适用      + 一般适用        ++ 较适用     +++ 非常适用

    需要强调的是，RABS与Isolator一样能够保证可靠的无菌生产环境，但前提是生产时RABS的门不能打开！

总结

    随着现代先进无菌生产工艺的发展，隔离技术与自动化技术相结合是当前中国无菌冻干制剂工艺发展的方向。通过限制操作者的干预，大大降低了冻干核心区域受到污染的风险；另一方面，在生产有毒性或高致敏性产品的产品时，可以很好地保护操作人员。自动化、隔离化是未来无菌注射剂的发展方向。

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我们使用的是oRABS和AGV小车。

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