PSE gPROMS:工艺数字孪生开启制药新纪元

2022/5/18 11:12:04

  “10年时间花费10亿美元。”

  这是制药行业著名的“双十定律”,用来形容一款新药研发所需的时间和金钱成本。加之当前,新药的赛道愈发拥挤,竞争日益激烈,缩短药品上市周期,节省研发成本,是药企赢得市场的核心竞争力,也是惠及众多患者,推动社会健康水平的重要因素。

  随着数字孪生和模拟仿真的发展,工艺过程的数字孪生技术已经能够帮助药品研发和生产实现飞跃式进步。

  亟需缩短的制药工艺开发周期

  一款新药从研发到上市,须先后经历药物发现、药物开发、临床试验以及上市审批等众多流程,同时需要大量实验,往往耗费长达数十年时间。

  在新药研发的过程中,除了药物的安全性、有效性的研究,药物如何以合适的方式生产出来也是研究的重点。在这个过程中,需要通过各种不同类型的多次实验来确定合适的工艺路线。

  在中试过程中,需要用工程化的设备实现药物的生产,工艺的优化、设备的选型都要基于研发技术转移数据和多次物理实验。

  在工艺放大过程中,如何更有效利用中试的实验数据,减少试生产过程中的试验次数、物料消耗、缩短试产时间,一直是制药企业的关注点。

  因此,制药工艺开发是药物发现后最需要大量实验时间、最漫长的环节之一,也是缩短整个药品研发周期的关键,全球的制药企业都在通过新技术、新方法来最大程度地缩短这个时间周期。

  数字孪生加速制药工艺开发和工程化

  数字孪生技术在制造业的应用已经十分成熟,特别是在过程模拟、生产预测分析、决策优化等领域应用广泛。制药工艺过程复杂,药品的工艺研发和工程化过程,需要设计大量实验进行验证。而实验想要获得“最优值”,可能要试错成千上万次,且一旦出现决策错误,将导致巨大的时间和效率损失。

  因此,利用工艺过程数字化建模,在虚拟世界中提前开启设计与优化,成为药物制造工艺开发的必然选择。多批次、高效的虚拟仿真实验,能够大大缩短企业在探索工艺参数,以及从实验室到工业化生产技术转移的时间,从而事半功倍地完成工艺开发工作。

  早在2011年,PSE公司*就牵头成立了基于系统的制药学联盟(SbP联盟)。基于联盟成员对于制药机理模型的需求,PSE建立并校准了多个基于科学原理的工艺模型,并在全球范围内实现了丰富制药工艺开发和工程化应用。

  *Process System Enterprise,一家专注于全生命周期的精准建模、仿真和优化技术的软件服务商,2019年被西门子并入麾下,成为西门子数字化工业集团的重要成员之一

  6家全球制药领军企业加入SbP联盟

  不同于大数据驱动的数字孪生,在动态变量多的制药过程中,gPROMS FormulatedProducts能够在百万级偏微分联立方程的基础上,搭建1:1高保真的基于科学的机理模型,并能不断通过实验迭代修正偏差,利用多批次、高效率的虚拟实验,给予制药企业更准确的指导,从而提高工艺开发效率,加速工程化,促进药品生产。

  PSE为药品从研发到商业化生产提供全生命周期服务

  1、提高研发效率,优化工艺开发

  • 在虚拟世界中进行仿真优化,减少实际实验次数,节省物料与时间
  • 通过表征工艺过程的设计空间,量化并降低风险,保证产品质量
  • 利用实验室或批次生产数据进行模型校准,预测、设计并优化连续生产工艺

  2、加速工程化

  • 将数据转化为知识与经验,促进工艺放大和技术技术转移风险
  • 帮助企业评估控制策略,并支持申报

  3、提高生产运营效率

  • 拥有先进的在线监控和生物反应软测量功能
  • 跟踪批次生产和连续生产中的物料传递
  • 培训操作员,帮助人员进行决策
  • 在虚拟工厂中,对可能出现的干扰和故障对控制系统进行测试

  据统计,在PSE工艺建模平台之一gPROMS 过程模拟软件的帮助下,制药企业不仅能获得更快的工艺开发、设计、技术转移与工艺放大时间(减少3-6个月),还可省去90%的实验次数,进而大大缩短药品进入药物研发时间和上市周期,降低药品开发成本。

  PSE gPROMS:

  开启制药行业新时代

  现如今,为满足企业对提高药品合成率、表达率、收获率及良品率的需求,面向合成药、生物药各大类的制药企业,gPROMS 搭建了许多成熟模型,在助力企业知识转移、加深工艺理解的同时,为药品的研发和生产给予帮助。

  PSE 全流程数字孪生模型

  PSE目前已开发出针对药品生产过程、药物配方及药品性能三个维度的端到端全流程数字孪生模型,并可以与整个供应链的数字孪生实现有机结合。

  针对化学原料药、化学制剂、生物药三大细分领域,以及药品性能评估(如溶解、吸收、药代动力学、药品稳定性),gPROMS在全球范围内积累了丰富的实践经验,在小分子药API结晶工艺、API反应釜合成反应工艺、API精馏、生物药反应器和发酵罐、生物药层析分离以及制剂生产造粒、压片、干燥等六大典型应用场景中为药企创造价值。

  以结晶工艺开发为例,快速获取高纯度,符合粒度分布要求的晶体产品是企业的首要需求。gPROMS利用有针对性的批次实验,校准基于机理的数字孪生,可高效确定最佳工艺参数和条件,如最佳搅拌速度、pH值和温度等关键工艺参数,保障结晶的质量和产量。针对不同的结晶过程,用户都可以在gPROMS的帮助下,将结晶工艺的开发周期从数月缩短至几周。

  gPROMS的生物药模型库

  在生物制药领域,生物反应器作为单克隆抗体、疫苗等药剂的生产平台,研发阶段会面临生物表达复杂性、多维决策空间大和时间紧迫的挑战,而使用gPROMS能够很好地解决这些问题。

  例如在GSK(葛兰素史克)的哺乳动物细胞补料分批培养生产过程中,为了维持培养并最大限度地生产高质量产品,需要大量实验确定反应器的pH值、温度、搅拌等工艺参数。为减轻实验负担,GSK使用了PSE gPROMS过程动力学的机械模型,捕获了多个关键的细胞培养参数,能够对该项目的实验设计给予补充,指导并优化了过程设计、风险评估、设计空间探索、生产放大以及技术转移等众多环节。

  作为西门子数字孪生蓝图的重要组成部分, PSE 结合西门子全面的数字化平台,在赋予药品研发、生产制造更大灵活性的同时,为制药行业开启提质增效、加快药品上市的数字化变革之旅带来曙光。

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