数字孪生驱动生物制药上游工艺智能化转型——从实时监控到自主决策
2026-07-08 来源:本站 点击次数:64
生物制药企业长期面临着药物开发周期长、研发生产成本高、失败风险大的典型困境。并且随着行业的发展，工艺复杂性的提升，多尺度控制需求增长及实时风险决策要求的提高，传统以批次管理和事后检测为核心的控制模式已难以满足市场需求和监管期望。
面对这些困境，FDA提出的PAT指南是一个有效的解决方案。在生产实践中实现PAT，首先要理解并明确关键工艺参数（CPP）和关键质量属性（CQA）等相关参数，设定工艺参数的可接受范围。例如在生物反应器中，通过在线拉曼等PAT工具对工艺参数进行实时监测，搭配先进过程控制（APC），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策略（如补料速率、温度设定值、通气量等），使生物过程保持在最佳状态。
同时FDA与ICH也日益强调通过整体控制策略（Holistic Control Strategy）实现生物制药生产全过程的稳健受控。ICH Q8、Q9、Q10 与Q13 从工艺理解、风险管理、质量体系及连续制造等层面，系统性提出了对集成化控制策略的要求。在此基础上，FDA 在监管实践中进一步推动数字建模与仿真技术的应用。
何为数字孪生？
生物反应器的数字孪生平台，本质是对生化反应及配套装备建立模型，将生物反应过程进行数字化转换，嵌入至控制系统或者数据管理系统中进行分析与处理，进而实现数字模拟与物理实体的双向数据通讯。
上游工艺数字孪生的核心价值
在上游工艺中搭建数字孪生平台有以下几大核心价值：
破解放大效应难题：通过多尺度、多层次的模拟实验，精准预测小试、中试、大生产各阶段的流体力学、传热传质、细胞代谢行为差异，减少在工艺放大过程中的重复实验，减少时间和资源的浪费，从源头消除"放大效应"。
降低产业化风险与成本：减少中试与大生产阶段的工艺迭代次数，缩短产业化周期，降低设备改造成本与原料消耗。
提升过程稳定性与可控性：实时监控与智能调控实现对发酵过程的 "精准干预" ，降低批次间差异，满足生物制药等领域的严格质控要求。
实现柔性化与智能化生产：基于数字孪生模型的反应器可快速切换生产菌株或产物，适配个性化定制生产需求（如合成生物学领域的高附加值化学品柔性制造），推动生物制造从 "单一产品规模化" 向 "多产品柔性化" 转型。
数字孪生平台实践案例
2026年1月，药明生物推出数字孪生平台PatroLab™，根据其官方发布信息，PatroLab™平台以先进拉曼PAT系统为核心，可对40余项关键工艺表现和产品质量属性进行持续实时在线监测。与传统方法相比，单批次数据密度提升近1000倍，使客户能够更高效地应用“质量源于设计”理念，加速生物工艺开发与生产，确保产品质量与卓越运营。
应用挑战：实时传感
在上游工艺实现数字孪生仍有一些核心技术瓶颈，其中一个关键点便是实时监控与传感器技术瓶颈。智能调控的前提是实时、准确的获取反应器中的真实状态，当前仍存在两大短板：
离线检测参数（如底物浓度、代谢物浓度、细胞活性等）无法实时反馈。
在线检测设备的检测限、灵敏度、稳定性不足。
并且数字孪生平台做出准确的预测需要更多维度的数据，这对在线检测工具的性能提出了更高的要求。上海浚真生命科学自主研发的Akwa® R1原位在线拉曼分析仪完美贴合这一需求。
破局利器：Akwa®R1原位在线拉曼分析仪
Akwa®R1是一款内置标准化通用模型、实时监测的原位在线拉曼分析仪。在线实时监测生物工艺过程中的关键工艺参数(CPP)与产品质量属性(CQA)，以实现实时反馈控制，从而支持客户在保障产品质量的前提下提升目的蛋白产率，助力生物制药企业降本增效，更高效、稳定地完成工艺开发及生产。
Akwa®R1在线拉曼在取样、光学系统、建模方面拥有多项专利技术。
数据信号强，分辨率高，精准稳定。
测量多种关键参数，包括活细胞密度、活率、葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺、谷氨酸、氨、抗体浓度等，为数字孪生平台提供多维度数据。
搭载标准化通用模型，实现真正 "即插即用" ，无需复杂建模过程。
提供"硬件+软件+工程控制"的整体方案，为数字孪生平台提供完美的PAT系统框架。
符合21 CFR Part 11要求，满足GMP要求的验证程序。
尽管数字孪生平台与PAT技术的应用仍面临技术集成与监管适应性的双重挑战，但其应用潜力已得到广泛认可。未来，Akwa® R1原位在线拉曼分析仪赋予数字孪生平台实时感知能力，将构建起覆盖监测—建模—预测—控制的闭环智能工艺框架。在此基础上，借助AI驱动的混合建模与自适应控制策略，生物制药上游工艺有望从实时监控迈向预测性自主决策，最终实现FDA与ICH倡导的“质量源于设计”与全过程稳健受控的产业化目标。
面对这些困境，FDA提出的PAT指南是一个有效的解决方案。在生产实践中实现PAT，首先要理解并明确关键工艺参数（CPP）和关键质量属性（CQA）等相关参数，设定工艺参数的可接受范围。例如在生物反应器中，通过在线拉曼等PAT工具对工艺参数进行实时监测，搭配先进过程控制（APC），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策略（如补料速率、温度设定值、通气量等），使生物过程保持在最佳状态。
同时FDA与ICH也日益强调通过整体控制策略（Holistic Control Strategy）实现生物制药生产全过程的稳健受控。ICH Q8、Q9、Q10 与Q13 从工艺理解、风险管理、质量体系及连续制造等层面，系统性提出了对集成化控制策略的要求。在此基础上，FDA 在监管实践中进一步推动数字建模与仿真技术的应用。
何为数字孪生？
生物反应器的数字孪生平台，本质是对生化反应及配套装备建立模型，将生物反应过程进行数字化转换，嵌入至控制系统或者数据管理系统中进行分析与处理，进而实现数字模拟与物理实体的双向数据通讯。
上游工艺数字孪生的核心价值
在上游工艺中搭建数字孪生平台有以下几大核心价值：
破解放大效应难题：通过多尺度、多层次的模拟实验，精准预测小试、中试、大生产各阶段的流体力学、传热传质、细胞代谢行为差异，减少在工艺放大过程中的重复实验，减少时间和资源的浪费，从源头消除"放大效应"。
降低产业化风险与成本：减少中试与大生产阶段的工艺迭代次数，缩短产业化周期，降低设备改造成本与原料消耗。
提升过程稳定性与可控性：实时监控与智能调控实现对发酵过程的 "精准干预" ，降低批次间差异，满足生物制药等领域的严格质控要求。
实现柔性化与智能化生产：基于数字孪生模型的反应器可快速切换生产菌株或产物，适配个性化定制生产需求（如合成生物学领域的高附加值化学品柔性制造），推动生物制造从 "单一产品规模化" 向 "多产品柔性化" 转型。
数字孪生平台实践案例
2026年1月，药明生物推出数字孪生平台PatroLab™，根据其官方发布信息，PatroLab™平台以先进拉曼PAT系统为核心，可对40余项关键工艺表现和产品质量属性进行持续实时在线监测。与传统方法相比，单批次数据密度提升近1000倍，使客户能够更高效地应用“质量源于设计”理念，加速生物工艺开发与生产，确保产品质量与卓越运营。
应用挑战：实时传感
在上游工艺实现数字孪生仍有一些核心技术瓶颈，其中一个关键点便是实时监控与传感器技术瓶颈。智能调控的前提是实时、准确的获取反应器中的真实状态，当前仍存在两大短板：
离线检测参数（如底物浓度、代谢物浓度、细胞活性等）无法实时反馈。
在线检测设备的检测限、灵敏度、稳定性不足。
并且数字孪生平台做出准确的预测需要更多维度的数据，这对在线检测工具的性能提出了更高的要求。上海浚真生命科学自主研发的Akwa® R1原位在线拉曼分析仪完美贴合这一需求。
破局利器：Akwa®R1原位在线拉曼分析仪
Akwa®R1是一款内置标准化通用模型、实时监测的原位在线拉曼分析仪。在线实时监测生物工艺过程中的关键工艺参数(CPP)与产品质量属性(CQA)，以实现实时反馈控制，从而支持客户在保障产品质量的前提下提升目的蛋白产率，助力生物制药企业降本增效，更高效、稳定地完成工艺开发及生产。
Akwa®R1在线拉曼在取样、光学系统、建模方面拥有多项专利技术。
数据信号强，分辨率高，精准稳定。
测量多种关键参数，包括活细胞密度、活率、葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺、谷氨酸、氨、抗体浓度等，为数字孪生平台提供多维度数据。
搭载标准化通用模型，实现真正 "即插即用" ，无需复杂建模过程。
提供"硬件+软件+工程控制"的整体方案，为数字孪生平台提供完美的PAT系统框架。
符合21 CFR Part 11要求，满足GMP要求的验证程序。
尽管数字孪生平台与PAT技术的应用仍面临技术集成与监管适应性的双重挑战，但其应用潜力已得到广泛认可。未来，Akwa® R1原位在线拉曼分析仪赋予数字孪生平台实时感知能力，将构建起覆盖监测—建模—预测—控制的闭环智能工艺框架。在此基础上，借助AI驱动的混合建模与自适应控制策略，生物制药上游工艺有望从实时监控迈向预测性自主决策，最终实现FDA与ICH倡导的“质量源于设计”与全过程稳健受控的产业化目标。
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