专家谈智造:以物联智慧打造4.0药厂

厂商:施耐德电气(中国)有限公司
作者:蒋能群 丁之洁
  点击数:1876  发布时间:2017-09-12 22:40
在过去数年间,全球制药行业一直保持着约5%的复合增长率,2017年的全球总产值预计将达到1.2万亿美元。在中国市场,作为全民医疗保障体系中至关重要的组成部分,制药行业增长的潜力更加可观。在过去五年,中国医药行业的复合增长率约为20%,是全球的4倍,2017年其产值预计将达到2.5万亿人民币。而国内从事这一行业的制药企业,也多达数千家。
关键词:药厂 ,智能制造 ,施耐德

施耐德电气(中国)有限公司制药行业负责人蒋能群博士

FosterWheeler设计院(中国)副总经理兼首席工程师丁之洁

在过去数年间,全球制药行业一直保持着约5%的复合增长率,2017年的全球总产值预计将达到1.2万亿美元。在中国市场,作为全民医疗保障体系中至关重要的组成部分,制药行业增长的潜力更加可观。在过去五年,中国医药行业的复合增长率约为20%,是全球的4倍,2017年其产值预计将达到2.5万亿人民币。而国内从事这一行业的制药企业,也多达数千家。

近年来,随着我国居民对优质医疗和保健的需求不断提升,以及政府监管机制的不断加强和完善,制药行业在持续分享增长红利的同时,也面临着比以往更高的要求和挑战,行业的转型升级可谓迫在眉睫。制药行业主要分为原料药、制剂及生物制药等类型。在规模较大的原料药领域,对工艺自动化包括批处理控制的需求十分显著。我国原料药行业和国外同行业的最大差距,主要是产品的稳定性和质量的差距,究其原因可以归为工艺设备和工艺控制上的差距。近年来,国内很多出口型企业都在寻求技术升级,以便和全球领先的行业对手同台竞争。而在制剂领域,其工艺本身的特点是离散型的。在这方面,很多制药企业也正在力图实现控制系统乃至整个生产过程的自动化、连续化。可见,在这些不同的领域,企业面临的挑战虽各有侧重,但本质上都需要寻求更加先进、高效、智能的技术解决方案加以应对。

同时,由于制药行业的特殊性,其在质量、安全、数据完整性等方面的政府监管也比其他行业要更加严格,如何满足严苛的合规要求,同样是企业的一个重要课题。例如,制药行业和其他行业最大的不同,就是数据完整性的合规。在新版GMP(即我国于2010年修订的《药品生产质量管理规范》)中,专门有一个章节阐述如何做到数据完整性的控制,以实现数据的准确性、一致性和完整性,防止不受控的人员篡改。很多涉足国际市场的制药企业,不仅要满足我国的规范,还要符合美国FDA、欧盟EMEA等目标市场国家的规范。在质量和安全方面,药品的质量安全问题直接关系到民众的生命健康与安全,所以药品需要达到百分之百的合格,其容错率为零,这就对整个产品的流程监控提出了高要求。在这方面,很多领先的企业已经在寻求药品生产上的工业4.0建设,以实现对质量和安全的透明化、实时监控、可追溯、数据完整性等方面的最大保障,以符合严格的监管标准。

智能化升级成“题眼”,透明融合应对挑战

如何应对以上这些挑战?在多部委联合发布的《医药工业发展规划指南》中,就对医药工业的创新发展提出了一系列要求。该《规划》指出,推进医药工业两化深度融合是这一时期行业创新发展的主要任务之一,医药工业应以信息技术创新研发设计手段,支持企业建立基于信息化集成的研发平台和数字化管理平台,实现全生命周期管理。《规划》还指出,医药工业应提高生产过程自动化和信息化水平,改进制药设备和工艺的自动化、数字化、智能化水平,增强信息上传下控和网通互联功能。采用工业互联网、物联网、大数据和云计算等信息化技术,广泛获取和挖掘生产过程的数据和信息,为生产过程的自动优化和决策提供支撑。推动“制造执行系统”(MES)在生产过程中的应用,整合集成各环节数据信息,实现对生产过程自动化控制,打造智能化生产车间。

正如《规划》中所提出的,剖析制药行业当前面临的这些课题和挑战,其最大的题眼不外乎工艺流程和生产过程管控的智能化升级。从数据信息的有序管控、无缝融合到对各类药品生产工艺流程的精准控制,都发挥着重要的作用。例如在工艺层面上,制药行业的工艺十分复杂,种类也非常多,不同的工艺类型有着不同的需求特点。以化学合成为主的原料药,其一部分过程是类似于精细化工的过程;而单克隆抗体、疫苗、以及血液制品等生物制药,相比化工的过程离散度要稍高一些,连续度没有那么高,但是在路径管理、配方管理上十分复杂;而在制剂这一部分,其工艺过程离散度则会更高一些。所以,针对不同的工艺类型及其在连续度和离散度上的区别,不光要实施智能制造解决方案,在具体方案的设计和实施上也必须有一些特别的针对性。

在传统的生产现场,还存在“黑盒子”的问题,需要引入更加透明、融合的信息流。比如,以前制药企业的物料平衡非常滞后,为了平衡滞后的物料,需要建更大的仓库,积压更多的资金做物料库存,而且仓储空调等运行费用居高不下。如果我们能够通过透明化的工厂,把生产现场和企业层打通,将生产系统与企业运营系统有机的融合为一体,就会显著改善这样的现象。而在制药行业的质量与合规方面,同样需要从这方面打通“任督二脉”,以前很多企业的数据都是分散、独立的,是一些信息化的孤岛,迫切需要通过智能化的改造,把所有的数据做集成和有效的关联,整合一切有价值的信息来帮助监管、保障药品在生产、物流过程中的安全和质量。

加速IT、OT融合,以物联智慧打造4.0药厂

目前,面对着这样一个快速增长的市场,众多自动化和信息化的解决方案供应商也都在开发能够助力制药企业实现智能化升级的解决方案。在这方面,施耐德电气基于物联网技术,应用于生命科学领域的EcoStruxureTM架构,是主流的制药行业智能制造解决方案之一。从技术上,这一架构提供了基于物联网技术的开放式、交互性的创新平台与架构,支持信息技术(IT)和运营技术(OT)的融合,同时完美符合制药行业公认的ISA95国际标准,能够适应制药行业当前的实际需求和未来的扩展性需求。

具体来看,EcoStruxure横向覆盖完整生产流程,纵向跨软硬件与多系统的构架,可以有效解决制药行业制造智能化的一系列挑战。首先,架构的最底层实现了产品的互联互通,能够确保底层的设备控制和运行是可靠的和可连通的,且能够通过通透的数据采集和传递,为整个系统提供大数据基础;在第二层边缘控制,则以施耐德电气的Wonderware系统平台和InBatch为核心,它在制药行业可以起到一些非常重要的作用。首先,它可以把所有的设备协调和联动起来,为生物制药提供智能配方管理、批次管理与控制、和复杂路径协调,如多批次供线、多品种供线、单品种多路径等,大大提高设备利用效率和设备绩效,同时防止出现人工错误。而从数据完整性上,它可以把所有底层设备以及人工操作整合出一个统一的电子批记录,在合规和效率上都可以很好地支持智能制造的应用。

而在更高层面,比如MES层面上,施耐德电气的SPC统计过程的控制则可以和底层的工艺系统(如InBatch的配方比对、趋势分析等功能)协调起来实现在线放行。目前在线放行在制药行业里面是一个非常受关注的课题,它可以以工艺放行来取代检验放行,使检验变为事后的一种确认。此外,在制药过程中有很多人工的干预,比如说中间环节的取样和放行,过程放行实际上可以把这些环节放到后面去作为一个确认,这样可以大大提高生产的连续性。尤其是在半连续的生物制药和几乎完全离散的制剂工艺中,如果能够提高其生产连续性,而且这种连续性是基于一种可靠的分析而且是合规的,就可以大大提高工厂的设备和质量的绩效。此外,EcoStruxure架构和ISA95国际标准实现了完美的契合,在这样一个架构的整合下,统一的大数据平台,以及生产与企业资源管理系统的贯通可以更好的支持工艺和质量的一致性。例如,在固体制剂领域,目前很大的一个痛点就是一致性评价。在各个设备都是独立的情况下,如何保证批与批之间的一致性,如何保证活性原料药成分API含量的一致性,这在以往都是很大的挑战。现在通过EcoStruxure都可以轻松解决。

再例如,在生物制药方面,还存在大量的批次路径管理,在每一个批次生产的时候,都要对设备状态进行确认,如清洗是否完成或者设备是否被占用。这种大量的复杂路径和状态的确认,要通过一个批处理系统来进行管理和控制,在这些方面,施耐德电气本身的在工业软件领域中也有着成熟的解决方案。例如在单抗领域,需要做工艺开发和工艺放大,施耐德电气的批控制系统就可以很好地支持这样的过程。首先是可以实现完整的生产记录;其次可以提供工艺趋势和工艺分析,包括在用户做工艺验证或寻求黄金批次时,这一系统也可以提供很好的分析工具和历史数据。

最后,在工程便利性方面,用户可以基于EcoStruxure架构将复杂的工艺及设备逐级分解成可重复调用的模块,使得工程和验证都像搭积木一样容易,从而提升工程的便利性。目前,正在建设即将投入使用的全球第一个工业4.0智能制造药厂正是应用了施耐德电气的EcoStruxure架构,这家全球最大的制剂工厂已经落户中国。

信息技术与运营技术的融合,以及新的物联网技术的应用,已经成为了制药行业在今后发展升级的关键动力。我们相信,随着技术的不断发展,未来还将会有更多的创新技术趋势不断和制药行业的智能化升级实践相结合,为这个制药行业的转型升级带来更强劲的动力。

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