數字化轉型時代已為各行各業的第四次工業革命鋪平了道路，其中包括面向生物制藥制造的“生物制藥4.0”，其核心是在于整合先進的過程分析技術（PAT）與人工智能（AI）算法，實現從研發到生產的全鏈條實時監控、精準控制和主動優化，代表了從傳統基于批次的事后檢驗向質量源于設計（QbD）理念下實時質量保證的方式轉變，并為連續生產工藝（CM） 提供技術支持。

PAT：生物工藝過程理解的基石

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PAT是由美國FDA倡導的框架，PAT工具鏈已從單一過程參數的傳感器，演變為涵蓋多模態過程分析儀（如在線拉曼光譜、NIR、MES）的集成體系。旨在通過實時測量關鍵工藝參數（CPPs）與關鍵質量屬性（CQAs），提升對生產過程的理解與控制（FDA, 2004）。PAT核心工具的發展路徑聚焦于更高靈敏度、特異性、魯棒性及與過程的無縫集成。 PAT廣泛應用面臨復雜生物過程干擾下的光譜解析困難（如基質效應）、傳感器校準與維護的復雜性、海量高維數據實時處理與解讀的瓶頸等挑戰。人工智能（AI）算法通過解析高維異構數據、構建動態預測模型，驅動PAT進入“感知-決策-控制”閉環的新階段。

AI算法：生物工藝過程的智能大腦

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AI算法作為生物工藝過程的智能大腦，其選擇高度依賴于數據特性與應用目標： AI算法的核心優勢在于其強大的模式識別、非線性建模、自適應學習及預測能力，能有效處理PAT產生數據，實現生物工藝持續控制與動態優化。

AI+PAT：實時監測與預測未來

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深度學習驅動的連續工藝強化

基于AI算法驅動的過程分析技術（PAT）平臺，整合多源傳感器數據與實時控制策略，實現對生物制藥連續生產工藝（如灌注培養、連續下游純化）的閉環優化。通過深度學習模型解析非線性過程動態（如細胞代謝狀態、產物關鍵質量屬性波動），結合先進過程控制（APC）系統實現：

• 實時異常檢測（如培養基成分偏移、層析柱載量異常）；
• 自適應調整關鍵工藝參數（CPPs）；
• 確保產品關鍵質量屬性（CQAs）一致性；
• 縮短生產周期，降低能耗與緩沖液消耗，并符合ICH Q8/Q9質量源于設計（QbD）框架的實時放行要求。

基于大數據與數字孿生的知識管理

針對生物工藝中多元變量耦合的CQA-CPP關聯性（如細胞生長-產物糖基化關系），構建多變量分析（MVA）模型：

• 數字孿生應用：集成生物反應器動力學模型、純化單元操作數據，構建全流程數字化鏡像，用于預測性維護及工藝參數敏感性分析（DoE虛擬驗證）；
• 大數據引擎：融合歷史批次數據與實時PAT數據流，通過機器學習建立風險控制策略，鎖定設計空間邊界，降低工藝轉移失敗率。

自適應預測控制系統

自適應預測控制系統（APC）是一種先進的實時優化控制策略。它結合了預測控制模型和在線參數估計能力，利用描述工藝動態的數學模型來預測關鍵工藝參數未來一段時間內的變化趨勢。優化器根據預測結果、設定的目標以及操作約束，計算出最優的未來控制動作序列（如補料速率、溫度設定值、通氣量等）。其核心在于系統能夠持續利用在線傳感器或實時分析儀獲取的實際工藝數據，自動更新和校正其內部預測模型的參數。這種在線學習和模型調整能力使APC能夠有效應對生物系統固有的變異性（如細胞批次差異、環境擾動、模型失配），提高工藝的穩健性、一致性、產物收率和質量。 Akwa® PAT在線過程分析系統
Akwa® PAT是由浚真生命科學自主研發的用于關鍵工藝參數（CPP）和關鍵質量參數（CQA）持續監測和優化的在線過程分析系統。包括Akwa®Cyte在線細胞傳感器 、Akwa®Raman在線拉曼分析儀和Akwa®UV在線純化和分離過程分析系統，助力生物藥企通過先進的PAT技術確保產品質量及一致性，從而減少浪費、降本增效、實現高效工藝和技術轉移。 盡管AI算法與PAT技術的應用面臨克服技術集成與監管適應性的雙重挑戰，但其潛力已得到廣泛認可。通過構建統一的數據基礎設施、開發可解釋且魯棒穩健的AI模型、創新適應性監管框架，并深化對生物過程機理的理解，AI-PAT融合將生物工藝從實時監控走向預測優化，最終實現基于閉環控制的自主決策，推動生物制藥產業進入智能化、連續化的新紀元。

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

浚真生命科學簡介

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      上海浚真生命科學有限公司是一家專注于“生物智造4.0”產品的高新技術企業與國家級科技型中小企業。公司擁有多領域交叉學科的技術團隊，核心團隊均來自于北京大學多個院系，已提交并獲得國家專利30余項，PCT授權1項。
       公司深耕生物工藝制造場景，聚焦核心技術：基于算法驅動的光學傳感與生物分析系統技術（光學編碼、非標記成像、高光譜成像），實現生物工藝在線監控與過程分析（PAT）；以及基于先進的機器學習和深度學習技術的智能建模工具和模型評估方法，實現快速而精確的特異性生物建模。
        公司自主開發先進的設備、軟件和耗材，產品的工藝制造達到100%國產化率。核心產品包括：CytScop^®系列智能細胞計數儀及Akwa^®PAT系列在線過程分析產品（涵蓋EAS在線自動采樣系統、Akwa^®Cyte 在線細胞傳感器、Akwa^®Raman在線拉曼分析儀、Akwa^®UV在線純化和分離過程分析系統。可廣泛應用于疫苗、重組蛋白、單抗藥物及細胞基因治療產品等生物制劑的生產工藝開發與質量體系優化。
      公司已順利通過ISO9001:2015質量管理體系認證，致力于引領全球生物制藥與生物制造工藝流程自動化、數字化和智能化轉型，推進生物傳感技術與生物工藝過程建模的發展和應用。