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疫苗作為公認的控制和消滅傳染病最行之有效的力量，從研發到上市，往往短則幾年長則幾十年，從最初的藥物篩選與發現、臨床前研究、臨床實驗到申請上市和商業化生產，征程漫漫，阻力重重。在新冠疫情的驅使下，全球越來越多的制藥企業加入疫苗研發大軍，如何贏得與時間的賽跑，盡快給人類帶來有效的疫苗是生死攸關的大事。

對于疫苗企業而言，在疫苗研發前期，高額投資之下如何成為第一個成功研制出安全有效疫苗的企業是贏得競爭的關鍵。當開始進行商業化生產和大規模接種時，質量穩定、產量充足則又是重中之重。想要在激烈的市場競爭中贏得生存，質量、速度和成本是關鍵中的關鍵。

· 質量——安全、有效、合規

安全和有效是疫苗的兩大根基，確保生產出質量穩定可靠，且各環節均滿足合規監管要求，是所有疫苗生產企業的基本要義，也是應對國家合規監管的必答題。

· 速度——研發生產上市，唯快不破

疫苗研發成功后，進入工藝開發階段，需要花費很長時間進行大量的物理試驗，以滿足質量要求的規模化量產，如何縮短技術轉移和工藝放大的時間十分關鍵。

· 成本——企業生存和發展的保障

在商業化大規模生產中，提高效率、減少浪費是控制成本的有效手段，而當前國內普遍存在的情況是，某個生產批次一旦出現偏離質量要求的情況，整個批次都可能報廢，浪費嚴重。

縱觀上述挑戰， 不難發現其中一個共性問題——無論是繁雜的實驗，還是全流程的追蹤追溯確保質量合規，還是連續穩定的質量控制，最根本的突破口其實是用好背后的“數據”——如果能打通研發和生產環節，將積累在不同設備、系統和人員中的海量數據轉化成有效信息與經驗，實現生產的優化，贏率則將大大提高。

從研發到生產部署工藝數字孿生

基于此，西門子作為全球先進的數字化解決方案供應商，聯手Atos為GSK部署首個生物制藥領域的工藝數字孿生，助力疫苗生產企業實現數字化轉型，將安全有效的藥物從實驗室更加迅速地送到患者手中。

在工藝開發階段開始，西門子和Atos為GSK疫苗生產的每一步設計和部署工藝數字孿生，實時管理監測批次數據，與此同時，這些數據將被用作工藝設計和模型預測的基礎，在虛擬世界進行仿真預測，雙向優化工藝性能，從而幫助企業縮短疫苗研發和生產時間、減少整批報廢、實時放行及提高整體產量、質量和效率，實現數字化轉型的愿景。

強大軟件解碼工藝“黑匣子”

疫苗進入人體后，其免疫反應效果受多種因素影響，脂質體便是其中一環。所謂脂質體，是一種可以增強疫苗免疫反應的人工膜，它進入體內后與細胞膜融合后，將原本包裹在內的抗原釋放出來，從而引起免疫反應，對于免疫系統較弱的人，例如老年人等能起到至關重要的保護作用。而脂質體的粒徑大小和所包裹的抗原濃度等關鍵質量屬性（CQA）對于其在人體的作用十分關鍵，與此同時，制備過程中的溫度、壓力、流量、流量比、濃度等關鍵工藝參數（CPP）則將直接影響其關鍵質量屬性。

對于脂質體的制備，GSK選用了微流體技術，將抗原和脂質在微流體混合器中混合，形成包裹抗原的脂質體。混合器內的狀態就像一個“黑匣子”，存在諸多未知，包括抗原和脂質兩種流體在混合器內的實時混合狀態，關鍵質量屬性和關鍵工藝參數及微流體混合狀態之間的關系等等，在這種情況下就只能等待離線實驗室檢測結果，確定關鍵質量屬性合格后才能放行生產。

西門子攜手Atos為GSK打造的疫苗脂質體制備工藝數字孿生

在該疫苗項目中，GSK聯合西門子和Atos，將脂質體的制備作為數字化工藝數字孿生的第一個落地應用，利用一系列強大的軟件，建立了關鍵工藝參數與關鍵質量屬性之間的邏輯關系，實現了關鍵質量屬性的實時測量和預測，以及混合渦流狀態的離線仿真和在線實時仿真，并根據預測和仿真結果實時控制關鍵工藝參數，確保產品關鍵質量屬性符合預定要求，最終將速度、質量、成本問題逐一擊破。

· PAT技術助力關鍵質量屬性的實時檢測，讓數據更透明

利用西門子提供的PAT軟件Simatic SIPAT，通過DLS（動態光散射）儀表和混合模型運算進行脂質體的粒徑分布（PSD）的測量，通過NIR（近紅外）儀表和MATLAB工具箱的PLS模型進行抗原原液和產品的抗原濃度估算測量，從而計算脂質體內的抗原濃度。

· 計算流體動力學（CFD）軟件實時仿真混合渦流狀態

西門子計算流體動力學（CFD）軟件StarCCM+可仿真微流體混合器在不同的溫度、濃度、流量、流量比等中其混合渦流狀態。由于脂質體顆粒的仿真是高度計算密集型的，通常1.5秒的仿真需要15小時的計算，無法在線實時仿真。而通過數字化工藝雙胞胎將虛擬與現實完美結合，將每一種離線仿真狀態存儲在數據庫中，再使用機器學習和AI軟件根據在線實時輸入狀態在數據庫中查詢，最后將實時渦流狀態呈現出來，大大提高了仿真效率。

· TIA Portal助力實時控制關鍵工藝參數，確保質量屬性符合預定要求

通過A I 軟件和PAT 軟件的建模分析， 得出CQA、CPP、渦流之間的對應關系后，即可實時預測CQA的結果。基于此將CPP傳送給西門子自動化系統軟件TIA portal，便可實現實時在線檢測與控制，確保CQA滿足預定要求。

數據賦能 生態共創——共同助力疫苗研發生產

簡而言之，在這個項目中，西門子攜手Atos通過一系列軟件套件助力GSK實現生物制藥領域首個工藝數字孿生，將仿真、人工智能、自動化和PAT技術等有機結合起來，發揮大數據、尖端科技及合作伙伴優勢，有效節約時間和成本，提高效率，從疫苗研發或工藝設計開始到生產再到性能評估，實現全生命周期的優化，最終為GSK帶來一系列可量化的巨大價值。

· 縮短工藝開發和技術轉移時間

利用仿真模型快速多次進行虛擬試驗，可顯著減少耗時較長的物理試驗的次數，從而縮短工藝參數的探索時間，快速完成工藝開發，縮短從實驗室到商業生產的技術轉移時間。

· 提升質量一致性，并縮短放行時間

通過PAT的統計模型、CFD的離線仿真模型、機器學習的AI模型，可以實現對CQA的實時連續測量、預測，實時控制和實時放行，使CQA始終處于規定的范圍內，同時避免了取樣和實驗室測試的長時間等待。

· 降低工藝開發和生產成本

通過虛擬試驗，顯著減少了物理試驗的次數、物料消耗和人力投入，可以大幅降低工藝開發成本；通過仿真模型，實現實時質量控制和實時放行，避免質量偏差，降低由于批次報廢而產生的虛耗。

摘自《自動化博覽》2022年5月刊