生物工藝智能化轉(zhuǎn)型的的核心工具——軟傳感器的原理及應(yīng)用
瀏覽次數(shù):266 發(fā)布日期:2025-7-18
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在生物制藥領(lǐng)域,確保工藝過(guò)程的一致性和最終產(chǎn)品的質(zhì)量、安全性與有效性至關(guān)重要。傳統(tǒng)依賴(lài)于離線檢測(cè)關(guān)鍵質(zhì)量屬性(CQAs)和關(guān)鍵工藝參數(shù)(CPPs)的方法存在顯著滯后性,難以實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)過(guò)程控制與優(yōu)化。軟傳感器(Soft Sensor)作為一種先進(jìn)的過(guò)程分析技術(shù)(PAT)工具,通過(guò)整合在線可測(cè)變量與先進(jìn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型,為實(shí)時(shí)、間接預(yù)測(cè)難以在線測(cè)量的關(guān)鍵變量提供了強(qiáng)大而靈活的解決方案,正深刻變革著生物工藝的研發(fā)與生產(chǎn)模式。
關(guān)于軟傳感器
軟傳感器原理
軟傳感器是一種基于數(shù)學(xué)模型和算法的虛擬測(cè)量工具或推斷測(cè)量技術(shù)。在生物制藥領(lǐng)域,它利用易于在線實(shí)時(shí)測(cè)量的輔助過(guò)程變量,結(jié)合過(guò)程知識(shí)(機(jī)理模型)或歷史數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型),來(lái)實(shí)時(shí)估計(jì)那些難以直接、快速、經(jīng)濟(jì)或可靠在線測(cè)量的關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)或質(zhì)量屬性。
核心特征:非物理性傳感器
軟傳感器本身不是一個(gè)物理硬件探頭或設(shè)備,而是嵌入在過(guò)程控制系統(tǒng)或數(shù)據(jù)平臺(tái)中的軟件算法。
軟傳感器依賴(lài)于現(xiàn)有的可靠的硬傳感器提供的輸入數(shù)據(jù)。
構(gòu)建步驟
構(gòu)建高性能軟傳感器涉及的關(guān)鍵步驟
- 過(guò)程理解與變量選擇: 基于對(duì)細(xì)胞生理、代謝途徑和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的深刻理解,結(jié)合機(jī)理模型分析或變量重要性分析技術(shù)篩選出與目標(biāo)變量高度相關(guān)且信息豐富的輔助變量。
- 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理: 高頻率、高精度地同步采集輔助變量和目標(biāo)變量的歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理(如濾波、異常值處理、缺失值填補(bǔ)、標(biāo)準(zhǔn)化/歸一化、時(shí)序?qū)R)對(duì)模型性能至關(guān)重要。
- 模型選擇與訓(xùn)練: 根據(jù)數(shù)據(jù)特性和預(yù)測(cè)目標(biāo)選擇合適的建模方法;
- 模型驗(yàn)證與維護(hù): 模型部署后需建立持續(xù)監(jiān)控和更新機(jī)制,以應(yīng)對(duì)工藝漂移、規(guī)模變更帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
典型應(yīng)用及工藝價(jià)值
軟傳感器的典型應(yīng)用
軟傳感器的工藝價(jià)值
- 增強(qiáng)過(guò)程可視化和理解: 提供難以測(cè)量變量的實(shí)時(shí)視圖。
- 實(shí)現(xiàn)先進(jìn)過(guò)程控制: 為反饋控制提供關(guān)鍵輸入信號(hào)。
- 提高過(guò)程穩(wěn)健性和一致性: 通過(guò)更精確的控制減少批次間差異。
- 優(yōu)化生產(chǎn)效率和質(zhì)量: 指導(dǎo)操作達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),提高產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。
- 降低運(yùn)營(yíng)成本: 減少昂貴的離線分析頻率,優(yōu)化資源利用。
- 支持質(zhì)量源于設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)放行: 為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵質(zhì)量屬性提供工具。
- 早期故障檢測(cè): 識(shí)別偏離正常操作條件的情況。
軟傳感器開(kāi)發(fā)與應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn):模型開(kāi)發(fā)與維護(hù)的專(zhuān)業(yè)性要求高、模型需要持續(xù)驗(yàn)證和校準(zhǔn)(尤其數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型)、對(duì)輸入數(shù)據(jù)(硬傳感器)的質(zhì)量和可靠性高度敏感、以及法規(guī)接受度仍需持續(xù)推進(jìn)。
特異性過(guò)程建模
特異性生物過(guò)程建模由浚真生命科學(xué)自主開(kāi)發(fā),基于先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的智能建模工具和模型評(píng)估方法,助力生物制藥企業(yè)快速而精確的建立生物工藝的機(jī)理過(guò)程與特征工程進(jìn)行混合建模及模型評(píng)估方法,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物過(guò)程的深入洞察和精準(zhǔn)控制,加速研發(fā)進(jìn)程和工藝轉(zhuǎn)化,降本增效,提高產(chǎn)品質(zhì)量及一致性。
在生物制藥邁向智能化、連續(xù)化、個(gè)性化的浪潮中,軟傳感器已從實(shí)驗(yàn)室的新概念,成長(zhǎng)為撬動(dòng)工藝效能躍升的關(guān)鍵使能技術(shù)。它突破了物理測(cè)量的局限,具備“感知”和“理解”復(fù)雜的生物系統(tǒng)內(nèi)部的能力,隨著數(shù)據(jù)科學(xué)、人工智能和傳感技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步,以及對(duì)模型穩(wěn)健性和可解釋性研究的深入,軟傳感器必將成為實(shí)現(xiàn)生物制藥“質(zhì)量源于設(shè)計(jì)”(QbD)理念、推動(dòng)連續(xù)生物制造和智能制造落地的核心支柱。克服現(xiàn)有挑戰(zhàn),擁抱技術(shù)創(chuàng)新,將最大化釋放軟傳感器在提升工藝?yán)斫、控制能力和產(chǎn)品質(zhì)量方面的巨大潛力。
浚真生命科學(xué)簡(jiǎn)介
上?U嫔茖W(xué)有限公司是一家專(zhuān)注于“生物智造4.0”產(chǎn)品的高新技術(shù)企業(yè)與國(guó)家級(jí)科技型中小企業(yè)。公司擁有多領(lǐng)域交叉學(xué)科的技術(shù)團(tuán)隊(duì),核心團(tuán)隊(duì)均來(lái)自于北京大學(xué)多個(gè)院系,已提交并獲得國(guó)家專(zhuān)利30余項(xiàng),PCT授權(quán)1項(xiàng)。
公司深耕生物工藝制造場(chǎng)景,聚焦核心技術(shù):基于算法驅(qū)動(dòng)的光學(xué)傳感與生物分析系統(tǒng)技術(shù)(光學(xué)編碼、非標(biāo)記成像、高光譜成像),實(shí)現(xiàn)生物工藝在線監(jiān)控與過(guò)程分析(PAT);以及基于先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的智能建模工具和模型評(píng)估方法,實(shí)現(xiàn)快速而精確的特異性生物建模。
公司自主開(kāi)發(fā)先進(jìn)的設(shè)備、軟件和耗材,產(chǎn)品的工藝制造達(dá)到100%國(guó)產(chǎn)化率。核心產(chǎn)品包括:CytScop®系列智能細(xì)胞計(jì)數(shù)儀及Akwa®PAT系列在線過(guò)程分析產(chǎn)品(涵蓋EAS在線自動(dòng)采樣系統(tǒng)、Akwa®Cyte 在線細(xì)胞傳感器、Akwa®Raman在線拉曼分析儀、Akwa®UV在線純化和分離過(guò)程分析系統(tǒng)?廣泛應(yīng)用于疫苗、重組蛋白、單抗藥物及細(xì)胞基因治療產(chǎn)品等生物制劑的生產(chǎn)工藝開(kāi)發(fā)與質(zhì)量體系優(yōu)化。
公司已順利通過(guò)ISO9001:2015質(zhì)量管理體系認(rèn)證,致力于引領(lǐng)全球生物制藥與生物制造工藝流程自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型,推進(jìn)生物傳感技術(shù)與生物工藝過(guò)程建模的發(fā)展和應(yīng)用。