生物制药上游工艺PAT应用

diantek · 发表于 2020-4-16 17:59:35

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本帖最后由 diantek 于 2020-4-16 18:03 编辑

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生物过程(例如用于生产疫苗、抗生素、蛋白药物)非常复杂。发酵罐或生物反应器内的生物过程涉及可控制的过程参数(例如pH和温度)以及一系列输出指标(例如生物质和杂质)。此外，一些不可控制的因素也会影响过程和产品的质量和可重复性。

现有的生物反应过程中对目标产物以及感兴趣物质的测量往往耗时几个小时，从而在获得测试结果时已经丧失了最佳的控制时间。而过程分析技术(PAT)实时测量能够给生物制药企业一个非常好的工具，能够实时检测和预测生物过程的发展趋势。

PAT技术通过在线分析仪器实时对原材料或过程中的物料的理化信息(如浓度，温度等)，进行监测、分析、控制，从而保证最终产品的质量。在生物反应过程中，除了常规的过程参数监测以外，反应过程生物质的成分等信息也是非常重要的信息。目前常用的过程分析仪包含拉曼光谱仪/近红外光谱仪。这类光谱仪能直接的获得生物质和副产物的分子振动和转到信息，再结合化学计量学方法来分析这些光谱数据，从而可以解读出所关注的生物质指标参数。

生物反应器的数据通过光谱仪采集进入Unscrambler Process Pulse平台的数据库中，并通过将Unscrambler软件建立的模型文件导入Unscrambler Process Pulse加以预测，预测值可以通过OPC-UA，OPC-DA输出到控制器从而控制整个生物发酵过程。

以MarqMetrix拉曼光谱仪采集到的葡萄糖与谷氨酸溶液的光谱数据和对应的参考值为例演示建模操作步骤和实时数据预测。

1、关于Unscrambler建模

·导入数据以及数据可视化

·样本参考值数据分布可视化

上图为对应样本葡萄糖柱状图，从上图可知，样本葡萄糖浓度在0--5g/L范围内均匀分布，满足建模样本均匀分布的要求。

·样本光谱可视化

上图为对应样本的拉曼光谱图，在上图中，样本通过不同颜色分成5个小组，从光谱图中可以发现数据在拉曼位移为400-1400 cm-1范围内变化较明显，可以初选为建模波段。另外，光谱整体存在斜率不一致的线性漂移，应该采用一定方法的预处理。

·光谱数据预处理

·初步建模

下图为采用预处理后的光谱以及对应的参考值利用偏最小二乘（PLS）回归算法建模的结果。

图中左上角显示的为得分图，得分图表示样本在提取出来的得分空间中的分布，当两个样本在得分空间中越相近时，代表样本的光谱越接近，也就意味着样本的性质越接近，横坐标代表的为第一个因子，纵坐标为第二个因子，因子后面跟着的数据标为为该因子对X光谱矩阵，Y响应矩阵的方差的解释。

图中左下角曲线代表的为因子数对Y响应矩阵方差的解释率，其中蓝色线(被红色线掩盖)表示为校正曲线的解释率，红色线表示为验证曲线的解释率。当两条曲线相互靠近比较紧密时，代表模型的数据结果比较牢固，不会受增减几个样本而影响。

图中右上角为模型的回归系数曲线，也就是最终的模型Y＝F(X)中X的系数，其中横坐标下面的B0为系数中的常数项。

图中右上角为模型的参考值(真值)与预测值的拟合结果，图中也包含有蓝色和红色两种颜色的点，其中蓝色为校正样本的点，红色为验证样本的点。图中有四项数据标签，分别为Slope/offset/RMSE/R-square.其中Slope/R-square 越接近于１，offset/RMSE越接近于０，模型越好，且两者的数据越接近，模型越稳健。

·优化模型

另外从上得分图中，我们可以发现有几个样本落于霍特林置信椭圆外，并且上图的校正曲线中有一个样本明显偏离整体的走势，这些样本可以认为是异常样本或离群样本，并加以删除。

对比上面的建模结果和下图的结果，从下图中我们可以发现，在进一步删除异常值后，模型的R-square可以从0.992提高到0.995，且RMSE可以从0.12降低到0.09。模型的性能得到进一步的提高。

通过将上述建立的模型导入Unscrambler Process Pulse平台可以实现对实时采集到的数据进行预测，并作实时的展示，如下图中为一个配置文件显示结果，两分位图中左图显示为通过拉曼光谱仪采集光谱数据并作实时预测数据，右图为实时采集到的拉曼光谱数据，另外软件可以通过霍特林阈值和F残差阈值来判断预测值是否为异常值。

·拉曼光谱数据在线显示并预测葡萄糖含量

·拉曼光谱数据在线显示并预测细胞发酵工艺8个参数

·输出可选格式

·Audit Trail

上图显示的为Unscrambler Process Pulse的Audit Trail功能，Unscrambler Process Pulse将制药、食品等对GMP要求严格的行业单独设置了Audit Trail功能。该功能中记录了用户的登入登出，以及用户所采取的动作等信息，非常方便用户在审计时调出。另外Unscrambler Process Pulse为用户定义好四级分类分权管理，用户也可以根据自身特殊需求自定义各个级别的权限，同时也支持闲置一段时间后锁屏的功能。

PAT技术在全球制药行业已经得到广泛应用，始于1897年的国际制药巨头瑞士龙沙集团(Lonza)早在2013年就通过Unscrambler Process Pulse先进工艺智能化平台完成了PAT系统的搭建。Lonza的PAT主管Tobias Merz说:"PAT数据管理解决方案使我们能够从新工艺开发的开始就积累工艺知识，并缩小研发与生产之间的差距。"

syhorchid · 发表于 2020-4-16 22:32:40

谢谢分享

henan116 · 发表于 2020-4-17 07:48:25

专业、系统，学习了，谢谢分享

狮子座123 · 发表于 2020-4-17 08:42:44

专业、系统，学习了，谢谢分享

xqliu · 发表于 2020-4-17 14:15:19

不错，谢谢提供分享。

本草之光辉 · 发表于 2020-4-17 15:31:55

谢谢楼主分享

胜利者 · 发表于 2020-4-17 19:58:19

学习

zhudi1999 · 发表于 2020-5-13 15:35:21

专业、系统，学习了，谢谢分享

制药工程学习者 · 发表于 2020-8-20 11:57:06

谢谢楼主分享

头戴小红花 · 发表于 2020-12-4 15:01:43

专业、系统，学习了，谢谢分享

张智慧szk · 发表于 2022-5-16 17:16:15

感谢分享，努力学习

君临沧海 · 发表于 2022-10-19 16:56:38

学习学习感兴趣

[近红外技术] 生物制药上游工艺PAT应用

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