《Toxicon》：Design and techno-economic assessment of an industrial-scale polyvalent clostridial vaccine production process
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兽用多价梭菌疫苗工艺设计与 techno-economic分析显示，采用单次使用生物反应器、封闭式系统及快速灭菌检测（情景3）可获最佳经济性（NPV约366万美元，ROI23%），而传统开放式生产（基线情景）成本高且盈利为负。关键因素包括设备选型、检测效率及系统封闭性。
帕尔瓦内赫·埃斯马伊尔内贾德-阿赫兰贾尼（Parvaneh Esmaeilnejad-Ahranjani）
伊朗卡拉杰（Karaj）农业研究、教育与推广组织（AREEO）拉齐疫苗与血清研究所（Razi Vaccine and Serum Research Institute）研发部门，邮政信箱31975/148
摘要
本研究提出了一种多价兽用梭菌疫苗的结构化工艺设计，并进行了全面的技术经济分析。通过考察以下主要因素评估了四种生产方案：（i）培养设备（不锈钢（SS）与一次性生物反应器（SUB）；（ii）灭活和配制工艺的选择（1500升和250升不锈钢容器或750升一次性生物反应器袋）；（iii）过程中质量控制策略（传统的14天无菌检测与快速的1天检测）；（iv）配制和灌装的封闭系统设计。基准方案（以高需求量250升不锈钢设备、长时间的无菌检测和开放式系统设计为特征）表明，其生产能力为3200万剂，但经济效益不佳（投资回报率ROI为-65%，毛利率为-47%，15年内的净现值NPV为-500万美元）。在三种替代方案中引入快速无菌检测后，工艺持续时间相同，年产量均为5120万剂，但资本和运营成本有所不同。值得注意的是，使用一次性组件降低了资本成本和用水量，但导致经济效益指标为负。另一种方案（方案3）使用较少的不锈钢设备并采用封闭系统设计，获得了正的净现值（约366万美元），回收期为1.4年，毛利率为35%，投资回报率为23%。敏感性分析显示，净现值受产品售价影响最大，其次是劳动力、材料和公用事业成本。在各种因素变化±25%的范围内，只有优化后的方案（方案3）保持了盈利能力。总体而言，方案3是最可行的持续生产梭菌疫苗的选项。
引言
梭菌（Clostridium）是一类大型且种类多样的革兰氏阳性、能形成内孢子的厌氧细菌。它们在全球土壤中广泛分布，也是人类和动物胃肠道微生物群的组成部分，尽管不同物种和环境下的丰度存在差异。虽然通常不具侵袭性，但梭菌以其产生的强效毒素和酶而闻名，这些毒素和酶可导致严重的病理反应。梭菌的显著运动能力和在厌氧环境中生存繁殖的能力使其能够产生多种动物疾病相关的毒素。在牲畜中，梭菌疾病（如肠毒血症）会造成巨大的经济负担，包括死亡率增加、生产力下降以及受感染动物和产品的废弃。例如，在伊朗，几十年来记录了许多梭菌疾病暴发事件，凸显了这些病原体的持续相关性和危害性。
鉴于抗生素治疗的可靠性有限，疫苗接种仍是减轻牲畜梭菌疾病影响的主要策略。疫苗通常包含来自致病梭菌菌种的菌苗（灭活的全细胞）和/或类毒素（灭活的毒素），特别是产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens）的B型、C型和D型，以及败血梭菌（Clostridium septicum）。多价疫苗配方提供的广泛保护对于实际应用至关重要，因为牲畜在自然环境中会接触到多种毒素类型。已知产气荚膜梭菌D型和B型的ε毒素会导致绵羊和山羊的肠毒血症（浆尿病），而B型和C型的β毒素与出血性和坏死性肠炎有关。败血梭菌的α毒素则与绵羊和牛的硬脂病、恶性水肿以及多种动物的梭菌性皮炎有关。因此，这些疾病促使人们开发具有广泛覆盖范围的疫苗。
在伊朗，梭菌疫苗的生产有着悠久的历史。大规模生产和标准化始于1976年的拉齐疫苗与血清研究所（Razi Vaccine and Serum Research Institute，RVSRI），该研究所几十年来一直采用传统的玻璃瓶制造方法每年生产数百万剂疫苗。1990年RVSRI转向基于生物反应器的生产方式，标志着一个重要进展，提高了生产一致性和可扩展性（数据未公开）。尽管传统方法生产的疫苗已证明具有安全性和免疫原性，但进一步优化工艺设计仍然十分必要，重点在于封闭和无菌操作、成本效益以及先进的生物加工技术。此外，将工艺从实验室规模扩大到工业规模需要进行稳健的技术和经济分析，以评估其在生物精炼框架内的可扩展性和可行性，并满足国家和国际健康需求。这一点在RVSRI尚未得到充分重视。
尽管在疫苗开发方面取得了显著进展，但关于梭菌疫苗生产工艺设计和技术经济分析（TEA）的文献仍存在明显不足。生物制药制造领域的通用工艺工程研究强调了系统化工艺设计和经济评估的重要性，以实现高产量、成本效率和合规性。在这方面，用于生物过程优化的计算工具（如SuperPro Designer）在制造工作流的映射、优化和经济分析方面显示出潜力，包括对资本和运营支出的决策支持。
本研究通过提出一种多价梭菌疫苗的集成工艺设计框架，并利用SuperPro Designer进行深入的技术经济分析，填补了这一空白。评估了四种生产方案，涉及培养和灭活设备类型与规模、过程中质量控制（IPQC）策略以及封闭系统设计等选择。对于每种方案，跟踪的指标包括工艺持续时间、材料利用率、产量、劳动力、能源和水资源使用情况，以及资本和运营成本。此外，还计算了经济指标（如净现值NPV、毛利率ROI和回收期），以明确不同制造方案的财务可行性和可扩展性。
材料
本研究使用的产气荚膜梭菌B型、C型、D型及败血梭菌（C. septicum）菌株由伊朗拉齐疫苗与血清研究所（RVSRI）提供。培养基成分包括肉蛋白胨、营养肉汤粉和酵母提取物粉，均购自HiMedia公司。其他试剂包括磷酸氢二钠（Na2HPO4·2H2O）、氢氧化钠（NaOH）、氯化钠和葡萄糖，均从Merck公司购买。
上游工艺
研究了产气荚膜梭菌B型、C型、D型及败血梭菌（C. septicum）的培养过程。
基准方案
在RVSRI常见的梭菌疫苗生产过程中，主要设备包括用于细菌培养的不锈钢生物反应器以及用于过程处理的250升不锈钢容器。此外，在整个生产过程中特定时间点进行IPQC测试（包括传统的14天无菌检测）。配制、灌装、贴标和装箱在单独的设施中进行，之后疫苗储存容器手动转移到生产区域进行后续步骤。
结论
本研究评估了四种多价梭菌疫苗的生产方案，以探讨工艺设计与经济可行性之间的权衡。通过比较不同的培养设备（不锈钢生物反应器与一次性生物反应器）、灭活/配制选项（不同尺寸的不锈钢容器与一次性生物反应器袋）、IPQC策略（14天与1天无菌检测），以及配制和灌装的封闭系统设计，分析表明基准方案（以高需求量不锈钢设备为特征）……
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：本研究得到了伊朗卡拉杰农业研究、教育与推广组织（AREEO）拉齐疫苗与血清研究所（Razi Vaccine and Serum Research Institute，资助编号：2–18–18–007–010350）的财政支持。
资金来源
本研究得到了伊朗卡拉杰农业研究、教育与推广组织（AREEO）拉齐疫苗与血清研究所（Razi Vaccine and Serum Research Institute，资助编号：2-18–18-007-010350）的支持。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：本研究得到了伊朗卡拉杰农业研究、教育与推广组织（AREEO）拉齐疫苗与血清研究所（Razi Vaccine and Serum Research Institute，资助编号：2-18–18-007-010350）的财政支持。
