【生产技术】对生物制药企业生物反应器验证方法和内容的探讨
设备验证管理是生物制药企业验证系统中的重要一环，是实现产品质量管理的一个重要手段，其最初的来源是基于GMP的相关要求。根据验证生命周期理论，设备的验证起于URS（用户需求说明）编写阶段，同时也包含与设计文件对应的安装确认、运行确认和性能确认，因此验证的生命周期是一个连续的、动态的过程。
生物反应器是生物制品生产工艺流程之中最常见的设备之一，生物反应器主体机构具有普适性，但不同供应商其反应器个性化特征也比较明显，生物反应器的验证在生物制药企业生产设备验证过程中比较典型，因此有必要对生物反应器验证的方法和验证内容予以探讨。
1. URS的编写原则和基本要求
1.1 原则
1.1.1 对设备的要求尽可能表述清楚
在编写URS过程中，应该至少对设备的功能、性能、材质、控制系统、主要附件和配件及设备合规性等提出尽可能详尽、完整和有操作性的表述。
1.1.2 编写URS应与采购预算紧密结合
预算的多少直接决定所购设备的性能，如控制形式是全自动或是半自动、高端机型或低端机型、进口或国产产品、材料是否符合ASME BPE标准等等。
1.2 工艺要求
1.2.1 产能和培养体积的要求
如罐体总容积3000L，生产容积一般为总容积的70～80%，考虑通气和搅拌器的影响，也应该有最小培养体积的要求。
1.2.2 对主要控制参数控制范围和精度的要求
根据试验结果，为保障小规模试验和规模生产过程的一致性，应对反应器搅拌形式和转速、DO（溶解氧）、pH、温度、压力等主要控制参数的控制范围和控制精度提出明确要求，因而需要对上述主要传感器和变送器的量程和测量精度提出具体要求。
1.2.3 反应器材质和连接形式要求
通常情况下，与物料接触部分材质应为316L不锈钢，夹套和保温层可以使用304不锈钢；同时反应器及管路厚度也需要标明，反应器及管道内外壁的光洁度也需要标明。考虑到在线清洗和灭菌的要求，反应器与物料接触的接口应符合卫生级要求，密封材料和密封形式应符合FDA、ISO、BPE等法规的相关要求。
1.2.4 对关键部件的要求
如搅拌器驱动形式是磁力还是机械、搅拌器顶置或底置、桨叶的形状和尺寸、质量计量采用差压或称重形式、阀门结构和种类、泵种类的选择、热交换器的种类、过程仪表及传感器选择等都对反应器及系统设计非常关键。
1.2.5 对控制系统的要求
控制系统设计应首先满足工艺要求，对控制形式、逻辑程序、通讯形式等软件应有具体要求，最好对控制系统的硬件配置也提出具体要求，便于系统后期升级扩容等。
1.2.6 其它要求
如对在位清洗（CIP）和在位灭菌（SIP）的要求、过滤器在线完整性检测的要求、温度控制媒介和控制形式的要求、工艺气体接入种类等都需要明确。
1.3 工程要求
1.3.1 建筑物的基本参数
建筑物内各功能间的面积、层高、承重、梁柱的分布需要详细数据，最好有三维图纸佐证。
1.3.2 对设备安装及就位的要求
根据建筑物基本参数，设备的安装和就位形式及方式应予以详细描述；建筑物的基本参数也对反应器的设计有影响，如功能间高度对反应器的径高比有直接影响。
1.3.3 对操作和维修空间要求
在整体布局时，应考虑留有一定的操作和维修空间，方便后期设备操作和检修。
1.3.4 对安全及防护的要求
对操作平台护栏，警示标志设置应有具体要求，同时对电、气、汽等的防护、生物安全的防护要求也应予以明确。
1.3 5 布局和系统设计的要求
工艺冷冻水、压缩空气、氧气、蒸汽等工艺介质的布局应和反应器布局一起统筹考虑，物料管路、洁净蒸汽管路需要考虑排空的要求，因此根据物料流向需要设计相应坡度等。
1.4 文件要求
1.4.1 对设计文件的要求
硬件设计说明、软件设计说明及功能设计说明等文件应规范齐全。
1.4.2 对工程文件的要求
应至少包含配置清单、原辅材料及主要部件材质证明、P＆ID图纸、电气图纸、平面布局图、安装说明、安装记录、焊接记录、压力容器注册文件、设备操作维护手册等。
1.4.3 对验证文件的要求
应包含反应器、管阀件、与物料接触其它零部件的材质证明、仪表校验证明文件、FAT测试方案及测试报告、SAT测试方案及报告、安装运行及性能测试方案等。
1.4.4 对关键性要求的说明
可以设定一些关键参数作为设备是否符合要求的评定依据，这些项目如不符合要求，可以直接用来判定反应器设计不符合用户要求。
2. 设计确认
2.1设计确认的内容
设计确认实质上就是在设备供应商的设计文件之中找到在用户需求说明中需要实现的功能，即一一对应的关系 ，在用户需求说明之中的全部要求在设计文件之中得以全部实现即可。
2.2 设计确认的具体操作流程
设计确认具体办法是在设计文件中仔细寻找每一条用户说明是否已设计，并形成对应报告。在进行设计确认之前，需要对用户需求说明的条款进行归纳并分类，明确需要进行设计确认的工艺和工程要求条款，如商务要求就不需要进行设计确认。
3. 安装确认
3.1 安装确认的内容和流程
安装确认主要检查确认设备是否按照设计确认过的方式进行安装，相关文件包括配置清单、P＆ID图纸、电气图纸、平面布局图等。重要附件和配件的安装确认对设备功能能否实现尤为重要，需要特别关注。
3.2 生物反应器安装确认的主要内容
3.2.1 管道
包括物料管路和工艺介质管路，确认安装顺序和方向是否正确、是否有坡度、管阀件配置是否与设计文件一致、接口数量规格是否正确、管阀件材质是否合规等。
3.2.2 仪表及传感器
主要确认仪表及传感器安装位置是否正确、是否按照供应商提供的说明文件进行安装，品牌、型号及材质是否正确、是否有校准报告等。
3.2.3 控制系统
主要确认配电柜、控制柜等是否按照设计文件进行安装和连接、控制软件名称及版本是否正确等。
3.2.4 文件
包括设备供应商、附件及配件供应商应提供的全部货物的质量证明文件和验证文件，按照用户需求说明相关要求进行核对和检查。
4. 运行确认
4.1 运行确认的内容和确认流程
运行确认主要是对功能说明中的各项功能进行检查，设备及系统应能够实现用户需求说明之中全部功能，方法是按照用户需求说明中需要实现的功能逐项验证。
4.2生物反应器运行确认的主要内容
4.2.1设备基本功能的确认
包括设备启动、运行、关闭、重启、急停、报警等功能是否正常，也包括对登陆、权限、记录及报表打印等功能的确认。
4.2.2 对主要控制参数控制功能和控制曲线的确认
主要考察温度、压力、pH、DO等主要控制参数的控制功能是否正确、控制曲线是否可以接受。
4.2.3 物料接收和排放的确认
包括物料移入或移出功能是否正常、数量是否准确等，也包括对称重或液位控制系统的确认。
4.2.4数字、模拟量输入输出的确认
主要确认液位或称重是否正确、电机是否按要求启停、气动或电动阀门开关逻辑是否正确等。
4.2.5 搅拌器的确认
主要确认搅拌能否正常启动和调节。
4.2.6 压力控制和通气的确认
主要确认溶解氧、氮气等的通入是否正常，通气后压力控制是否正常。
4.2.7 CIP和SIP功能确认
确认在位清洗（CIP）和在位灭菌（SIP）功能是否符合功能说明的要求。
4.2.8 对安全防护功能的确认
如故障及上下限报警、设备急停、安全排放、断电恢复等内容的确认也十分重要。
5.性能确认
5.1性能确认的内容和确认流程
性能确认是按照用户需求说明中对性能的要求进行全面确认的过程，是对设备是否满足生产要求进行全面检验的过程。在性能确认阶段首先进行以水代料模拟试验；之后利用如培养基、缓冲液等物料进行模拟生产试验，同时需要确认设备满载量和最小载量状态下的性能表现；最后需要按照生产工艺进行试生产做最终确认。
5.2生物反应器性能确认的主要内容
5.2.1 利用以水代料模拟试验可以确认的内容
5.2.1.1 温度、压力调整和控制。
5.2.1.2 最大和最小载量工况下的设备性能的确认。
5.2.1.3 搅拌器性能确认。
5.1.2.4 CIP、SIP性能确认。
5.2.2 利用培养基、缓冲液等物料进行模拟生产试验确认的内容
5.2.2.1 培养过程的无菌控制
包括反应器本身的无菌确认，也包括物料输送管路的无菌确认。
5.2.2.2 SIP灭菌结果的确认。
5.2.3 使用试生产方式确认的内容
5.2.3.1对主要控制参数控制功能和控制曲线的确认
主要考察生产状态下温度、压力、pH、DO等主要控制参数的控制功能是否正确、控制曲线是否可以接受。
5.2.3.2 对搅拌相关参数的确认
包含如搅拌转速对培养物破坏的评估等。
5.2.3.3 对设备性能的评估
主要考察培养物对设备的适应性，设备最大载量和最小载量工况下培养物增殖状况，全面评估生物反应器和培养物增殖之间的关系。
6.总结和展望
在新工艺、新材料、新质控要求、新成本要求、新自动控制策略等持续推进之下，生物反应器设计理念不断进步，验证理论也会紧跟设计理论的步伐，在诸如质量源于设计(QbD）等理论深入人心、GMP验证理论持续完善及国家和行业政策进一步规范的基础上，新的验证理论和方法也会不断涌现，生物反应器的验证也会进一步向精细化和数字化的方向发展。
生产部 万玉林
