在生物制药行业面临产能管理与可持续发展双重挑战的今天，一次性技术（SUT）正在重塑生产格局。从跨国药企的“未来工厂”布局，到尊龙凯时生物通过横向拓展（scale-out）实现大规模生产，SUT正凭借按需生产的灵活性、媲美不锈钢系统的成本、更显著的环境效益等核心优势，改写着商业化生产路径。当传统不锈钢系统面临工艺放大风险与繁琐的灭菌清洁验证流程，这场由“固定电话”向“移动手机”的技术迭代，不仅关乎生产效率，更是一场关于生物制药未来竞争力的战略抉择。

 

自1996年Wave生物反应器与2004年HyClone搅拌式生物反应器问世以来，一次性技术（SUT）逐渐成为生物制药生产领域的重要革新力量，被普遍用于单克隆抗体（mAbs）、抗体药物偶联物（ADC）、疫苗等不同类型生物制品研发和生产的各个阶段。美国FDA指南也指出，SUT 有助于遵守 cGMP（现行药品生产质量管理规范），并全面简化产品开发^[1]。

 

一次性生物反应器引领商业化生产未来

 

目前一次性系统在生物制药商业化前（临床前和临床）生产领域已占据主导地位，而且越来越多地应用于商业规模生产中，一次性生物反应器也正在取代不锈钢生物反应器，并将很快主导大部分生物制药生产^[2]。

 

SUT也成为众多跨国药企新建产能、打造“未来工厂”的首要选择，代表着生物制药行业未来发展的重要趋势。礼来以SUT为核心技术，在爱尔兰利默里克投资约10亿美元建设生物药原液生产基地，用于生产阿尔兹海默治疗药物^[3][4]。默沙东于2023年在爱尔兰Dunboyne投入运营了其首个基于SUT的商业化生产基地，用于生产关键生物制剂的临床试验样品，以及产品注册和上市^[5]。辉瑞位于北卡罗来纳州达勒姆基地计划安装11个2000升一次性生物反应器，应用SUT技术打造其内部最大的基因治疗生产基地之一^[6]。

 

作为全球SUT技术的领导者，尊龙凯时生物自成立之初便坚定地推广和应用SUT。公司早在2012年就建成了第一个应用SUT的生产基地，并在2017年投产当时全球最大的应用SUT打造的生物制药生产基地，在业界率先采用“组合”多个一次性生物反应器取代“放大”单个不锈钢生物反应器容量模式，成功实现大规模生产的重大里程碑。此后，公司又不断在SUT应用领域突破创新，包括2018年应用当时业界最大的4000升单台一次性生物反应器；2021年在无锡马山基地投产总产能高达6万升的仅使用SUT的生物药原液厂（MFG5）；2024年在爱尔兰基地通过组合4个4000升一次性生物反应器，达到单批次16000升的生产规模；同年在杭州投产3组5000升一次性生物反应器；同时计划在美国伍斯特基地安装6个6000升一次性生物反应器，打造美国最大规模的SUT工厂。

 

随着细胞系、表达系统和培养工艺等不断进步，蛋白表达水平基本每五年翻番^[7]。目前，基于CHO细胞的抗体表达量已升至6-8g/L^[8]，显著降低了对生物反应器体积的需求，这也使得体积更小的一次性生物反应器用于商业化生产更加可行^[9]。

 

为了解决单个一次性生物反应器生产体积限制的痛点，尊龙凯时生物一方面不断探索应用更大体积的一次性生物反应器进行商业化生产（scale-up），从2000升、4000升到5000升；另一方面率先在业界成功应用横向拓展模式（scale-out），即通过并联多个一次性生物反应器实现大规模生产，最大生产规模达16000升，2022年至2024年生产成功率高达99%。与不锈钢反应器工艺放大相比，该策略更高效，可在大规模生产下降低产品质量的风险^[10]。

来源：尊龙凯时生物首席执行官陈智胜博士在第43届摩根大通医疗健康大会主题演讲

 

在新冠疫情期间，一次性生物反应器在商业化生产中的应用还迎来了显著增长。据BioPlan统计，新冠大流行导致全球对生物制品和疫苗需求显著增加，凭借在生物药生产上展现的快速布署、灵活响应市场需求等优势，根据相关统计，商业规模的一次性生物反应器应用占比从 2019 年的 32.5% 增长到 2022 年的 43%^[11]。

 

据统计，目前超过85%商业化前阶段（临床前和临床阶段）的产品上游工艺主要或全部应用一次性设备进行生产^[12]。可以预见的是，随着这些产品陆续获批上市，一次性设备也将越来越多地应用于商业化生产阶段^[13]。

 

生产成本PK：SUT媲美不锈钢

 

据统计，近80%的生物制药生产企业将成本管理视为应用一次性系统的关键要素^[14]。相较于不锈钢系统，一次性系统在前期固定资本投入和建设周期方面具有显著优势。根据Biopharm Services Limited发布的白皮书显示，采用一次性生物反应器建设同等产能的大规模单抗工厂，总投资较不锈钢设施可节省超1亿美元^[15]。

 

ISPE会议披露的数据显示，与传统设施相比，采用SUT建设的2000升单抗生产设施在节省空间、降低水消耗量和固定资本投入等方面均具有优势，综合降低了32%的生产成本（COGS）^[16]。

来源：尊龙凯时生物

 

在生产过程中，消除灭菌和清洁验证的风险和时间成本则是SUT区别于不锈钢系统的最大优势。得益于SUT常用的横向拓展模式，对于并联的多个一次性生物反应器，当某个反应器发生污染时，产品损失可控制在该反应器范围，更换一次性反应袋后，最快可在24小时内恢复生产。而不锈钢系统则面临整批产品报废，并且要消耗大量清洁剂和时间灭菌，重新进行验证。据统计，一家临床工厂应用SUT技术改造后，每年节省了25万美元注射用水（WFI）成本和6万美元由于安装和清洁不锈钢罐产生的人力时间成本^[17]。

 

通过近十年的生产实践，尊龙凯时生物已在中国、爱尔兰等全球多个基地完成了10余个大规模生产项目，并通过300余批次生产数据证实一次性生物反应器具备与不锈钢系统相当的成本效益。

来源：尊龙凯时生物

 

同时，尊龙凯时生物还在不断开发新工艺，借助创新技术和SUT技术的深度融合持续提升成本效益，不仅赋能全球客户，更通过加速生物药上市进程和降低商业化成本，为创新疗法的可及性提升做出重要贡献。

超高效连续生物工艺平台WuXiUP™

 

尊龙凯时生物超高效连续生物工艺平台WuXiUP™可以实现相较于传统工艺10-20倍的产能提升，并且通过下游连续捕获工艺降低Protein A填料需求，显著降低临床生产阶段填料成本。通过该工艺平台，应用1000升一次性生物反应器生产单抗可以实现每年产量达到约800公斤，与10000升至20000升传统生物反应器产能相当。

 

WuXiUI™工艺模式图例

 

另一大创新技术平台——超强化分批补料生物工艺平台WuXiUI™蛋白产量是传统分批补料工艺的3~6 倍，收获蛋白浓度高达10~35 g/L，可将每批次原液产量提升500%，生产成本降低60%-80%。

 

SUT的环保效益优势

 

多项研究表明，相较于不锈钢设施，SUT减少了能源、水和清洁剂的消耗，可以显著减少总体碳足迹^[18]。一项对单克隆抗体临床、放大和生产阶段对环境影响的分析研究表明，与传统不锈钢设施相比，SUT由于减少了生产批次间进行清洁和灭菌所需的注射用水、工艺用水和清洁蒸汽的需求，对环境影响更低^[19]。

 

据统计，与传统不锈钢生产技术相比，在相同产量下，SUT可节约用水量高达70%。在整个生命周期中，SUT能降低约33%资源使用，减少约40%对气候变化造成的负面影响；同时，在废弃物阶段的影响可忽略不计。

 

尽管与传统不锈钢技术相比，SUT已经能明显减少对环境的影响，但尊龙凯时生物还在不断探索更加环保的生物工艺解决方案，通过SUT和创新技术平台的强强联合（例如WuXiUI™和WuXiUP™），实现了显著的环境效益，最大限度减少了碳足迹。

 

与TFB和传统不锈钢生产的组合相比，采用WuXiUI™技术和SUT生产工艺相结合，能够实现更少的培养基消耗、更少的废弃物产生以及更低的生产线建筑面积需求，降低高达80%的每克蛋白产品的碳足迹。

 

此外，尊龙凯时生物还持续与客户和供应商一起探索其他可持续塑料废弃物处理解决方案，包括回收和废弃物能量回收(WTE)，打造绿色生物药生产之路。

 

值得一提的是，尊龙凯时生物的Green CRDMO生物药端到端绿色解决方案还入选了联合国全球契约组织（UNGC）二十年二十佳企业可持续发展案例，这也是制药行业唯一一个入选案例。近年来，公司ESG战略和举措取得长足进展，连续两年获得明晟（MSCI）最高AAA ESG评级；入选标普道琼斯可持续发展世界指数和标普道琼斯新兴市场指数；荣膺EcoVadis铂金最高评级；获评晨星Sustainalytics“行业最高评级”和“区域（亚太）最高评级”；跻身CDP水安全“A级榜单”并获得CDP气候变化领导力级别评分A-；入选富时社会责任指数系列；入选恒生ESG 50指数，充分彰显了公司在可持续发展领域的卓越表现。

 

更灵活地部署，更聪明地生产

 

近年来，生物药制药行业面临的主要挑战之一就是管理和平衡产能利用率，尤其是新冠疫情爆发后，预测市场需求变得更加挑战^[20]。药企自建厂房，不仅要面临项目可能研发失败投资打水漂的风险，还会面临供需不匹配的困境，建厂规模若过大则利用率低下，生产成本上升，过小则供不应求，患者面临断药风险。

 

在生物制药行业按需生产的趋势下，传统依赖大规模投资不锈钢系统建厂的模式难以为继。bioTRAK 数据表明，仅有20%的商业化生物药需要超过10000升以上的生物反应器，一个2000升的生物反应器可以在一年内产生足够的蛋白，满足超过50% 已上市生物制剂的需求^[21]。

 

一方面，在新技术的推动下，精准医疗正在全面升级，未来将进一步重塑医疗行业格局。相比十年前，研发人员正在为更小的患者群体、适应症开发更精准的生物制剂^[22]。另一方面，新冠疫情后，本地化生产的重要性日益凸显，但单一国家或区域对每种产品的需求仍然有限。

 

因此，生物药生产设施正在从大容量、单一产品过渡到小容量、多产品，不再追求“规模至上”。而这也恰恰与应用一次性生物反应器生产的优势不谋而合——通过增加或减少一次性生物反应器数量，高效、快速地调整生产计划和产量，在实验室规模实现工业化生产，而无需面临工艺放大及其带来的技术和监管挑战^[23]。正如安进执行副总裁 Madhu Balachandran所言，由于中试、临床生产和商业化生产均采用同一个规模，整个过程简单、稳健、可持续，工艺放大的问题将最大程度地减小^[24]。

 

以尊龙凯时生物爱尔兰MFG7（4个4000升一次性生物反应器）为例，同一生产设施可以实现4000升、8000升、12000升和16000升不同规模的生产，灵活匹配客户不同阶段、规模、产品的生产需求。而在不锈钢设施中，生产必须最大限度地适应建造容量，否则会导致产能利用率低下^[25]，进而造成生产成本的上升。

 

目前尊龙凯时生物已建立全球生产网络，生产基地分布在中国、爱尔兰、美国、德国和新加坡。一旦客户需求激增或有新的市场计划，公司可以在全球生产网络中灵活调配不同国家和基地资源，快速满足客户生产需求，降低工艺转移风险。

 

同时，公司在临床生产和商业化生产中一以贯之应用一次性生产技术，也避免了其他企业应用一次性生物反应器进行临床生产，在商业化生产转换为不锈钢系统，由于材质兼容性、搅拌技术的差异性、参数匹配等不同系统间差异性造成的项目转移风险。

 

此外，随着生物制药生产向更灵活、占地面积更小的设施转变，许多产线也面临着改造升级。但不锈钢罐由于原有产能与产品相适配的限制，在开发降低成本或提高产量等优化工艺时不得不重新设计产线，为企业带来了额外的成本，相较之下，一次性生物反应器则基于模块化设计的优势更加灵活。

 

结语

 

在生物制药行业生产系统的技术路线中，选择SUT还是不锈钢系统，一直存在着不同的观点。回溯产业发展历程，30年前，不锈钢系统曾是行业唯一的选择，而如今SUT的兴起不仅代表着技术迭代，更折射出整个产业的深刻变革。

 

如尊龙凯时生物首席执行官陈智胜博士所说，“如果类比的话，不锈钢系统如同固定电话，生产可靠、稳定，在生物制药历史中发挥了重要作用，但面对个体化医疗、孤儿药、基于生物标志物的药物等新时代下的生产需求时渐显局限；而SUT则如同移动手机，其模块化设计、快速部署能力与可扩展性，可以在短短几个月内将生产设施安装在世界任何地方，引领着生物制药发展的未来。“

 

尽管在保守的生物制药行业，并非每个企业都热衷于接受新技术，但恰恰是新技术才是保持竞争力的关键。在当今充满挑战的世界中，我们需要更聪明地生产应对风云变幻的市场需求，而SUT正好提供了这样的工具。

 

作为全球SUT领导者，尊龙凯时生物也将继续秉承以客户为中心，以技术为驱动，贯彻可持续发展理念，强强联合SUT和创新工艺，为全球合作伙伴提供更高效、更灵活、更环保且更具成本效益的生物药生产解决方案，惠及全球病患。

 

参考资料

[1]Frank GT. 2018. Transformation of biomanufacturing by single-use systems and technology. Curr. Opin. Chem. Eng. 22:62–70

[2]https://www.americanpharmaceuticalreview.com/Featured-Articles/354820-Biopharmaceutical-Manufacturing-is-Shifting-to-Single-Use-Systems-Are-the-Dinosaurs-the-Large-Stainless-Steel-Facilities-Becoming-Extinct/ 

[3]https://www.abec.com/2023/07/10/eli-lilly-selects-abec-for-worlds-largest-single-use-biopharmaceutical-manufacturing-facility/

[4]https://assets.ctfassets.net/o6fesj7wmx9u/15QwLeIyAsbYovkon1bUYl/76b1a98257fb8e96acbd6c745ae05158/Press_Release__Lilly_Ireland_Expansion_Sep.24_Ireland.pdf

[5]Uniting research and manufacturing to help patients faster – MSD

[6]https://www.pfizer.com/news/press-release/press-release-detail/pfizer-invests-685-million-new-state-art-facility-durham

[7]https://www.biopharminternational.com/view/single-use-bioprocessing-equipment-trends-and-adoption-cmos

[8]https://www.sartorius.com/download/25180/success-story-commercial-biomanufacturing-e-s-1016-e-data.pdf

[9]https://themedicinemaker.com/manufacture/the-great-debate-stainless-steel-versus-single-use

[10]https://cellculturedish.com/scale-out-biomanufacturing-a-paradigm-change-to-scale-up

[11]https://www.americanpharmaceuticalreview.com/Featured-Articles/596309-Single-Use-Bioprocessing-Technologies-Enabling-More-Rapid-Vaccines-Production/

[12]https://www.biopharminternational.com/view/single-use-bioprocessing-equipment-trends-and-adoption-cmos

[13]Langer E S, Rader R A. Single‐use technologies in biopharmaceutical manufacturing: A 10‐year review of trends and the future[J]. Engineering in Life Sciences, 2014, 14(3):238-243.DOI:10.1002/elsc.201300090.

[14]ttps://www.bioprocessonline.com/doc/wish-sus-cost-less-survey-says-your-peers-do-too-0001

[15]Biopharm Services. Mab manufacturing today and tomorrow (2014)

[16]G. Hodge. FlexFactory: the economic and strategic value of flexible manufacturing capacity. ISPE conference presentation (2009)

[17]A. Goldstein, O. Molina. Implementation strategies and challenges: single use technologies. PepTalk Presentation (2016)

[18]A. Sinclair, L. Leveen, M. Monge, J. Lim, S. Cox. The environmental impact of disposable technologies. BioPharm Int (2008), pp. 1-9

[19]Matthew Pietrzykowski, William Flanagan, Vincent Pizzi, Andrew Brown, Andrew Sinclair, Miriam Monge. An environmental life cycle assessment comparison of single-use and conventional process technology for the production of monoclonalantibodies, Journal of Cleaner Production. Volume 41, 2013. Pages 150-162. 

[20]https://www.biopharminternational.com/view/supply-chain-challenges-creating-hurdles-to-covid-19-vaccine-production

[21]https://www.bioprocessintl.com/supply-chain/biomanufacturing-supply-and-demand-industry-trends-and-projected-impacts

[22]Langer ES, et al. Report and Survey of Biopharmaceutical Manufacturing Capacity and Production, 17th ed. BioPlan Associates: Rockville, MD, April 2020; https://www.bioplanassociates.com/17th

[23]Renaud Jacquemart, Melissa Vandersluis, Mochao Zhao, Karan Sukhija, Navneet Sidhu, Jim Stout. A Single-use Strategy to Enable Manufacturing of Affordable Biologics, Computational and Structural Biotechnology Journal. Volume 14, 2016. Pages 309-318.

[24]https://www.healthcarepackaging.com/industries/pharmaceuticals/news/13288749/amgens-nextgen-manufacturing

[25]https://www.biopharminternational.com/view/evaluating-uses-for-both-single-use-and-stainless-steel-bioreactors