数字化转型时代已为各行各业的第四次工业革命铺平了道路，其中包括面向生物制药制造的“生物制药4.0”，其核心是在于整合先进的过程分析技术（PAT）与人工智能（AI）算法，实现从研发到生产的全链条实时监控、精准控制和主动优化，代表了从传统基于批次的事后检验向质量源于设计（QbD）理念下实时质量保证的方式转变，并为连续生产工艺（CM） 提供技术支持。

PAT：生物工艺过程理解的基石

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PAT是由美国FDA倡导的框架，PAT工具链已从单一过程参数的传感器，演变为涵盖多模态过程分析仪（如在线拉曼光谱、NIR、MES）的集成体系。旨在通过实时测量关键工艺参数（CPPs）与关键质量属性（CQAs），提升对生产过程的理解与控制（FDA, 2004）。PAT核心工具的发展路径聚焦于更高灵敏度、特异性、鲁棒性及与过程的无缝集成。 PAT广泛应用面临复杂生物过程干扰下的光谱解析困难（如基质效应）、传感器校准与维护的复杂性、海量高维数据实时处理与解读的瓶颈等挑战。人工智能（AI）算法通过解析高维异构数据、构建动态预测模型，驱动PAT进入“感知-决策-控制”闭环的新阶段。

AI算法：生物工艺过程的智能大脑

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AI算法作为生物工艺过程的智能大脑，其选择高度依赖于数据特性与应用目标： AI算法的核心优势在于其强大的模式识别、非线性建模、自适应学习及预测能力，能有效处理PAT产生数据，实现生物工艺持续控制与动态优化。

AI+PAT：实时监测与预测未来

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深度学习驱动的连续工艺强化

基于AI算法驱动的过程分析技术（PAT）平台，整合多源传感器数据与实时控制策略，实现对生物制药连续生产工艺（如灌注培养、连续下游纯化）的闭环优化。通过深度学习模型解析非线性过程动态（如细胞代谢状态、产物关键质量属性波动），结合先进过程控制（APC）系统实现：

• 实时异常检测（如培养基成分偏移、层析柱载量异常）；
• 自适应调整关键工艺参数（CPPs）；
• 确保产品关键质量属性（CQAs）一致性；
• 缩短生产周期，降低能耗与缓冲液消耗，并符合ICH Q8/Q9质量源于设计（QbD）框架的实时放行要求。

基于大数据与数字孪生的知识管理

针对生物工艺中多元变量耦合的CQA-CPP关联性（如细胞生长-产物糖基化关系），构建多变量分析（MVA）模型：

• 数字孪生应用：集成生物反应器动力学模型、纯化单元操作数据，构建全流程数字化镜像，用于预测性维护及工艺参数敏感性分析（DoE虚拟验证）；
• 大数据引擎：融合历史批次数据与实时PAT数据流，通过机器学习建立风险控制策略，锁定设计空间边界，降低工艺转移失败率。

自适应预测控制系统

自适应预测控制系统（APC）是一种先进的实时优化控制策略。它结合了预测控制模型和在线参数估计能力，利用描述工艺动态的数学模型来预测关键工艺参数未来一段时间内的变化趋势。优化器根据预测结果、设定的目标以及操作约束，计算出最优的未来控制动作序列（如补料速率、温度设定值、通气量等）。其核心在于系统能够持续利用在线传感器或实时分析仪获取的实际工艺数据，自动更新和校正其内部预测模型的参数。这种在线学习和模型调整能力使APC能够有效应对生物系统固有的变异性（如细胞批次差异、环境扰动、模型失配），提高工艺的稳健性、一致性、产物收率和质量。 Akwa® PAT在线过程分析系统
Akwa® PAT是由浚真生命科学自主研发的用于关键工艺参数（CPP）和关键质量参数（CQA）持续监测和优化的在线过程分析系统。包括Akwa®Cyte在线细胞传感器 、Akwa®Raman在线拉曼分析仪和Akwa®UV在线纯化和分离过程分析系统，助力生物药企通过先进的PAT技术确保产品质量及一致性，从而减少浪费、降本增效、实现高效工艺和技术转移。 尽管AI算法与PAT技术的应用面临克服技术集成与监管适应性的双重挑战，但其潜力已得到广泛认可。通过构建统一的数据基础设施、开发可解释且鲁棒稳健的AI模型、创新适应性监管框架，并深化对生物过程机理的理解，AI-PAT融合将生物工艺从实时监控走向预测优化，最终实现基于闭环控制的自主决策，推动生物制药产业进入智能化、连续化的新纪元。

参考资料：
[1]FDA. (2004). Guidance for Industry: PAT — A Framework for Innovative Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance. U.S. Food and Drug Administration.
 

浚真生命科学简介

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      上海浚真生命科学有限公司是一家专注于“生物智造4.0”产品的高新技术企业与国家级科技型中小企业。公司拥有多领域交叉学科的技术团队，核心团队均来自于北京大学多个院系，已提交并获得国家专利30余项，PCT授权1项。
       公司深耕生物工艺制造场景，聚焦核心技术：基于算法驱动的光学传感与生物分析系统技术（光学编码、非标记成像、高光谱成像），实现生物工艺在线监控与过程分析（PAT）；以及基于先进的机器学习和深度学习技术的智能建模工具和模型评估方法，实现快速而精确的特异性生物建模。
        公司自主开发先进的设备、软件和耗材，产品的工艺制造达到100%国产化率。核心产品包括：CytScop^®系列智能细胞计数仪及Akwa^®PAT系列在线过程分析产品（涵盖EAS在线自动采样系统、Akwa^®Cyte 在线细胞传感器、Akwa^®Raman在线拉曼分析仪、Akwa^®UV在线纯化和分离过程分析系统。可广泛应用于疫苗、重组蛋白、单抗药物及细胞基因治疗产品等生物制剂的生产工艺开发与质量体系优化。
      公司已顺利通过ISO9001:2015质量管理体系认证，致力于引领全球生物制药与生物制造工艺流程自动化、数字化和智能化转型，推进生物传感技术与生物工艺过程建模的发展和应用。