文/周洋 王立蒙

中國工程院院士眼科學(xué)專家謝立信團隊曾組織全國10 省市自治區(qū)進行角膜病流行病學(xué)調(diào)查——結(jié)果顯示我國角膜病患病率約為0.32%，以此推算我國角膜病患者約有416 萬人，其中因角膜病導(dǎo)致的至少一眼盲者約為299 萬人，致盲率高達72%，雙眼盲者約為44 萬人，并且每年新增角膜盲患者約20 萬人。而受限于供體角膜不足，每年能夠接受角膜移植手術(shù)治療的患者僅有1 萬例左右，目前仍有大量盲人患者等待重見光明?？梢?，人工生物合成角膜有著巨大的市場需求。

時間回溯到1817 年，Weber 醫(yī)生首次將一片水晶玻璃植入患者角膜，開創(chuàng)了人工角膜植入史；到今天，人工角膜的研究和發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了200 多年，無論是在材料設(shè)計、制作工藝、手術(shù)技巧，還是術(shù)后處理方面都有了很大的發(fā)展。然而無論移植的是水晶玻璃還是其他動物源角膜，始終都無法突破“免疫排斥”的局限，而由生物菌群代謝表達產(chǎn)生的合成眼角膜近年來受到更多的關(guān)注，未來有望突破其他移植方法的“免疫排斥”局限。

與傳統(tǒng)材料制成的角膜相比，生物合成角膜具有幾個潛在優(yōu)勢，包括免疫惰性、再生功能、透光性、保質(zhì)期以及工業(yè)化生產(chǎn)等方面。由于生物合成角膜的主要成分是人膠原蛋白，不含任何動物源性成分，可以克服異種或異體移植的免疫學(xué)缺陷。同時，該產(chǎn)品可為患者自身角膜上皮細胞和角膜基質(zhì)細胞的遷移和生長提供一個組織工程骨架，并促進神經(jīng)再生和觸覺敏感性的恢復(fù)。更值得關(guān)注的是，相較于捐贈人角膜必須在兩周內(nèi)完成移植手術(shù)，該生物合成角膜的保質(zhì)期可長達3 年之久。

在合成生物學(xué)領(lǐng)域，琺成浩鑫擁有豐富的項目案例與雄厚的技術(shù)儲備。如2022 年底經(jīng)過多輪技術(shù)篩選，琺成浩鑫成功承接了蘇州生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)園某重組膠原蛋白發(fā)酵與純化項目。恰逢國內(nèi)疫情轉(zhuǎn)常態(tài)之際，設(shè)計團隊克服種種困難，與客戶緊密地進行方案溝通，為項目有序、快速交付創(chuàng)造了條件。如今，該項目已順利完成調(diào)試，轉(zhuǎn)入試生產(chǎn)階段。

生物合成角膜示例

該項目為酵母細胞在長發(fā)酵周期中通過甲醇誘導(dǎo)合成“全長的具有穩(wěn)定三螺旋結(jié)構(gòu)的重組人膠原蛋白”，該生物角膜屬于三類醫(yī)療器械，處于臨床后期開發(fā)階段。下文將根據(jù)該項目來講解合成生物中的設(shè)計難點與解決方案。

1.長周期、高轉(zhuǎn)速、高溶氧、高放熱

一般項目細胞的培養(yǎng)周期通常為幾小時到數(shù)天，但本項目酵母細胞所需要的培養(yǎng)時間則超過了10 天。在較長的培養(yǎng)周期中，如何保證菌種生長所需的溫度、氧含量、pH 等關(guān)鍵參數(shù)穩(wěn)定，滿足菌種高效表達的營養(yǎng)環(huán)境需求，設(shè)計團隊進行了針對性設(shè)計。最終，試生產(chǎn)的過程參數(shù)曲線表明，該系列設(shè)計方案運行可靠、穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)需求。

生物培養(yǎng)車間

300 L 高硼硅玻璃工藝罐

2.精準的過程控制

由于酵母細胞是在甲醇的誘導(dǎo)中表達目標蛋白的，因此甲醇的添加成為決定產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。相較一般補料罐位于發(fā)酵罐附近，甲醇由于其特殊的物理性質(zhì)必須被設(shè)置在防爆區(qū)域，這也造成了補料管道長、存料多、輸送不穩(wěn)定等因素。設(shè)計團隊在分析各種對比條件后，采取了設(shè)置過程緩沖罐、補料天平、伺服電機驅(qū)動蠕動泵以及優(yōu)化程序控制等手段，成功將全周期數(shù)百升補料需求控制在±1g/min 精度內(nèi)。

3.國內(nèi)首臺大容量玻璃工藝罐

上游目標蛋白得到高效表達，項目只成功了一半，下游產(chǎn)物分離與純化質(zhì)量的高低，同樣決定了生產(chǎn)是否能夠成功。由于末端產(chǎn)品的特殊性質(zhì)，傳統(tǒng)不銹鋼容器不被允許在此工藝點使用，只能采用穩(wěn)定性更好的高硼硅玻璃制作容器。國內(nèi)硼硅玻璃罐的容積一般為20 L～50 L，極少有能制作容積超過50 L 的容器的廠家。美國與歐洲國家在該工藝節(jié)點通常將玻璃罐的容積定為150 L，該項目首次采用300 L 的大容積硼硅玻璃工藝罐。在接到這個挑戰(zhàn)后，設(shè)計團隊整合國內(nèi)外項目案例、供應(yīng)商資源，突破種種困難完成了系統(tǒng)交付。

4.零排放——CIP 流程的定制設(shè)計

該項目生產(chǎn)基地位于太湖水域，生產(chǎn)園區(qū)無集中污水處理系統(tǒng)，因此只能將生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢水全部收集后統(tǒng)一交付第三方廠家處理，由此產(chǎn)生近5000 元/t 的廢水處理費。

一般清洗流程下，清洗一個反應(yīng)釜需要大約3～10 m3/h 的用水量，這對于客戶而言無疑是巨大的生產(chǎn)成本。琺成浩鑫自控團隊立足客戶需求，與客戶反復(fù)溝通，仔細打磨了每一個可以節(jié)省用水的環(huán)節(jié)，定制每一個清洗流程，在新的程序控制下，年節(jié)約污水處理費用初步估算約120萬元。