生物制藥企業(yè)如何建成智能化工廠

想要建設(shè)生物制藥智能化工廠，僅僅只是配備信息化系統(tǒng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)樗且粋€(gè)更加全面的概念——即“面向藥品生產(chǎn)從原料到包裝的全流程環(huán)節(jié)，以高端智能裝備為基礎(chǔ)，利用信息化、大數(shù)據(jù)、云處理等先進(jìn)技術(shù)，與藥品生產(chǎn)工藝要求高度集成，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)的新型工廠”。它需要同時(shí)滿足生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的柔性、高效、高質(zhì)量、安全（GMP）、節(jié)能環(huán)保等要求，并能通過互聯(lián)網(wǎng)與供應(yīng)商、客戶等外部資源聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)“云”制造。“工欲善其事，必先利其器”。目前，為建成智能化工廠，生物制藥企業(yè)除了在科技創(chuàng)新上下功夫外，還不斷向智能制造邁進(jìn)，以期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的智能化。未來，數(shù)字化和智能化將成為生物制藥企業(yè)降本增效與擴(kuò)大產(chǎn)能的重要手段，并推動(dòng)生物制藥企業(yè)的發(fā)展邁入快車道。本文將從“制藥企業(yè)智能制造系統(tǒng)基本架構(gòu)搭建”、“計(jì)算機(jī)化驗(yàn)證系統(tǒng)管理”、“制藥智能工廠的未來展望”三個(gè)維度，深入闡述在工業(yè)4.0時(shí)代，生物制藥企業(yè)智能化工廠的解決方案。Part1、制藥企業(yè)智能制造系統(tǒng)基本架構(gòu)搭建

根據(jù)《中國(guó)制藥工業(yè)智能制造白皮書（2020年版）》，制藥企業(yè)智能制造的系統(tǒng)架構(gòu)包括設(shè)備層、控制層、業(yè)務(wù)管理層、經(jīng)營(yíng)管理層4個(gè)方面，如圖1所示。設(shè)備層，一般由單體硬件組成，具體包括基于指令的自動(dòng)化操作設(shè)備、儀表及傳感器等。設(shè)備層負(fù)責(zé)執(zhí)行具體的生產(chǎn)作業(yè)，并為生產(chǎn)過程控制生成、提供底層數(shù)據(jù)。控制層承擔(dān)與設(shè)備層對(duì)接，數(shù)據(jù)收集、整合設(shè)備層等有關(guān)數(shù)據(jù)的職責(zé)，是智能制造的信息化管理基礎(chǔ)。企業(yè)可以通過數(shù)據(jù)整合在控制層初步實(shí)現(xiàn)可視化管理。此外，可以在控制層按需配置初級(jí)的跨設(shè)備管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小范圍的自動(dòng)化運(yùn)行。業(yè)務(wù)管理層，通過生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WMS）、實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（LIMS）、質(zhì)量信息管理系統(tǒng)（QMS）等系統(tǒng)的單項(xiàng)建設(shè)與系統(tǒng)間集成，實(shí)現(xiàn)智能制造業(yè)務(wù)管理一體化應(yīng)用。經(jīng)營(yíng)管理層，它橫跨于其他系統(tǒng)之上，貫穿研發(fā)、生產(chǎn)、質(zhì)量和物流全流程，是制藥企業(yè)實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化的管理需求的關(guān)鍵。業(yè)務(wù)管理層、控制層和設(shè)備層各系統(tǒng)間的全面互聯(lián)互通是經(jīng)營(yíng)管理層發(fā)揮智能決策作用的重要前提。圖1制藥企業(yè)智能制造系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)智能化制藥工廠的關(guān)鍵技術(shù)包括：企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；生產(chǎn)設(shè)備智能化、工作站化；機(jī)器人技術(shù)及智能傳感器技術(shù)的應(yīng)用；符合制藥行業(yè)特點(diǎn)，滿足GMP要求的智能化管理系統(tǒng)；能進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)，提高企業(yè)整體運(yùn)營(yíng)效率的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)；云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用；互聯(lián)網(wǎng)與智能化工廠的融合；數(shù)據(jù)安全技術(shù)等。智能化制藥工廠的基礎(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)是以工業(yè)以太網(wǎng)、無線工業(yè)以太網(wǎng)為標(biāo)準(zhǔn)，以環(huán)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以從網(wǎng)絡(luò)上獲取、發(fā)送信息，并將傳感器、控制器、設(shè)備、人員、軟件和產(chǎn)品等聯(lián)系在一起，形成人與物、物與物的相聯(lián)，通過物聯(lián)網(wǎng)，打通藥廠生產(chǎn)的全流程數(shù)據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析及生產(chǎn)過程的智能管理。智能化制藥工廠云服務(wù)主要可以分為IaaS(InfrastructureasaService，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、PaaS(PlatformasaService，平臺(tái)即服務(wù))、SaaS(Softwareasaservice，軟件即服務(wù))。這三者的差別可以通過舉例來輔助理解：1.IaaS，即當(dāng)藥企進(jìn)行中試放大的時(shí)候，由服務(wù)商提供廠房、設(shè)備、動(dòng)力這些基礎(chǔ)設(shè)施，藥企自己來做中試；2.PaaS，即當(dāng)藥企進(jìn)行中試放大的時(shí)候，服務(wù)商除了會(huì)提供基礎(chǔ)設(shè)施，還會(huì)順便購(gòu)買輔料，并提供人員進(jìn)行中試放大，藥企只需要提供原料和配方；3.SaaS，就是只做藥品上市許可持有人（MAH），服務(wù)商承包所有工作，企業(yè)可以直接拿到產(chǎn)品去出售。Part2計(jì)算機(jī)化驗(yàn)證系統(tǒng)管理

國(guó)家提出的工業(yè)4.0布局中包括機(jī)器人、高端智能設(shè)備、大數(shù)據(jù)及云的信息化和計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)驗(yàn)證服務(wù)。在這4個(gè)核心戰(zhàn)略里，其中最為重要的一項(xiàng)就是計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)驗(yàn)證服務(wù)。制造行業(yè)有一句重要的質(zhì)量口號(hào)：沒有被記錄下來的一切都是謊言。計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)驗(yàn)證是從計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)驗(yàn)證V模型（如圖2所示）演變過來的，相比之下模型更加細(xì)化，并加入了驗(yàn)證文檔。計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)施的詳細(xì)內(nèi)容如表1所示。圖2

計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)驗(yàn)證V模型Part3制藥智能工廠的未來展望：軟核心與硬核心

對(duì)于制藥企業(yè)來說，建設(shè)智能化工廠的主要目標(biāo)包括：設(shè)備/生產(chǎn)過程/產(chǎn)品/管理全方位滿足GMP要求；用智能化生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)更高效、高質(zhì)量的生產(chǎn)；利用機(jī)器人技術(shù)代替人工，提高效率，節(jié)約成本，并滿足潔凈、無菌生產(chǎn)環(huán)境的需求；智能化管理系統(tǒng)與設(shè)備的融合，實(shí)現(xiàn)柔性化、定制化生產(chǎn)，保證企業(yè)批量生產(chǎn)盈利；利用大數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)，提高企業(yè)整體運(yùn)營(yíng)效率；產(chǎn)品智能化，實(shí)現(xiàn)周期可追溯；利用云及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能服務(wù)、智能物流；實(shí)現(xiàn)工廠之間、工廠內(nèi)部生產(chǎn)全流程的高度集成。生物制藥智能化工廠的硬核心是生產(chǎn)裝備智能化。首先，現(xiàn)有裝備應(yīng)進(jìn)行智能化升級(jí)，即設(shè)備升級(jí)為工作站。每個(gè)工作站是由若干個(gè)設(shè)備組成，組成了局部的信息物理系統(tǒng)（CPS），能自主地完成生產(chǎn)工作。工作站之間可實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)、自我整定、自我動(dòng)作調(diào)解。工作站可以從管理系統(tǒng)獲取相關(guān)的生產(chǎn)指令，并智能調(diào)整各設(shè)備的動(dòng)作，這些都是互聯(lián)的優(yōu)勢(shì)。其次，應(yīng)使用機(jī)器人替代機(jī)械設(shè)備。應(yīng)用場(chǎng)景之一是在無菌潔凈環(huán)境中，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)在無菌制劑灌裝瓶傳送過程中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)及快速處理；還可實(shí)現(xiàn)在膠塞清洗滅菌轉(zhuǎn)運(yùn)后，與灌裝系統(tǒng)的無菌對(duì)接；另外，泡罩機(jī)器人和預(yù)灌封一體機(jī)機(jī)器人也已得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用場(chǎng)景之二是在搬運(yùn)、上下料、碼垛等倉(cāng)儲(chǔ)物流方面。最后，應(yīng)采用具有物聯(lián)網(wǎng)的智能傳感器及視覺系統(tǒng)使產(chǎn)品智能化。通過接入企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，可隨時(shí)感知其他設(shè)備的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程及工藝的自動(dòng)調(diào)整；監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、報(bào)表等可實(shí)時(shí)傳輸?shù)街悄苌a(chǎn)管理系統(tǒng)，與產(chǎn)品批次實(shí)時(shí)統(tǒng)一，單一的設(shè)備就此變成了模塊化的工作站。生物制藥智能化工廠的軟核心是智能化管理系統(tǒng)。如果制藥企業(yè)已經(jīng)配備了很多的管理系統(tǒng)，那么進(jìn)行合規(guī)、有效的管理是非常重要的。軟核心亟需解決的問題是建設(shè)安全高效的數(shù)據(jù)庫(kù)。一個(gè)智能化工廠必須擁有一個(gè)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并有安全的保障。這個(gè)安全保障是多方面的，既包括可防止數(shù)據(jù)庫(kù)不被病毒攻擊，本身可以安全穩(wěn)定地運(yùn)行，也包括對(duì)公司質(zhì)量管理全方位的監(jiān)督。另外，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性保證也異常重要。具體操作包括：在采集時(shí)，通過采用傳感器及智能設(shè)備來代替人工錄入；在存儲(chǔ)時(shí)，則可以運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)、加密技術(shù)、冗余技術(shù)、數(shù)據(jù)備份等方法；在數(shù)據(jù)分析時(shí)，確保各功能分析模塊滿足GMP認(rèn)證要求；在數(shù)據(jù)操作時(shí)，進(jìn)行嚴(yán)格的登陸管理、操作權(quán)限管理；在數(shù)據(jù)記錄/輸出時(shí)，有電子簽名。除此之外，智能化工廠的實(shí)施也面臨著諸多的難點(diǎn)。第一個(gè)難點(diǎn)就是標(biāo)準(zhǔn)化。它包括企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、管理系統(tǒng)模塊標(biāo)準(zhǔn)化、功能標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)過程標(biāo)準(zhǔn)化及管理產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化。目前要工廠做到每個(gè)工序都進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，還較為困難。第二個(gè)難點(diǎn)就是安全，即信息安全、產(chǎn)品安全和生產(chǎn)過程安全。第三個(gè)難點(diǎn)就是打造一個(gè)智能化工廠的成本非常高昂，所以進(jìn)行良好的成本控制非常重要。Part4、制藥智能工廠實(shí)際案例

目前，國(guó)內(nèi)眾多領(lǐng)先的生物制藥企業(yè)已經(jīng)開始布局智能化工廠。例如，抗體藥物CDMO新銳企業(yè)白帆生物，2020年就在上海的臨港新片區(qū)建成了智能化無交叉生產(chǎn)基地并投產(chǎn)。該基地符合中國(guó)GMP、美國(guó)GMP以及歐盟GMP標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)規(guī)模最高可達(dá)12?000?l。秉承著“質(zhì)量源于設(shè)計(jì)”的理念，白帆臨港基地在設(shè)計(jì)之初，就以打造智能化工廠為目標(biāo)，首創(chuàng)NONCRO