制药工业4.0为制药企业向智能化转型

       在过去的两个世纪里，药品已经从天然草药和植物制剂演变为复方药品和制剂。伴随着药品的演变，药品的生产也已经从使用简单工具的小规模手工加工发展到大规模生产，成为价值万亿美元的制药工业的一部分。如今的制药工艺飞速发展，物联网、人工智能、机器人技术和高级算法为传统的制药方法和商业模式带来挑战与机遇。这些技术的应用为显著提高药品工业生产的效率、质量和灵活性带来巨大潜力。随着工业4.0时代的到来，如何部署这些技术将决定制药生产的未来。要实现制药工厂智能化这一美好愿景，需要对其概念、技术、监管和挑战有深入理解。
       工业4.0一词是指第四次工业革命，它汇集了快速发展的技术，如物联网（IoT）、人工智能（AI）、机器人和高级算法，极大地改变了制造业的面貌。工业4.0的特点是生产系统的集成、自动化和协同。要实现制药业的工业4.0，并克服当前制造基础设施、运营和监管的惯性，需要新的思维。虽然实施实现工业4.0所需的许多先进技术和制造方法可能并不容易，但这很大程度上是值得的，因为它们带来了更高的产出，同时节省能源、改善质量、提高价值、增加安全性、敏捷性和灵活性。
       如果工业4.0是未来，那么工业1.0就是现代制药工业的起点。工业1.0见证了作为药品的植物，矿物和动物衍生材料的制作从简单的手工加工过渡到能够粉碎，研磨，混合甚至是机器制作。在19世纪，利用非电力驱动机械的大规模药物生产来自个别药店和化工企业。从实验室规模到药物批量生产的这种转变，推动了19世纪医药行业的建立并在上个世纪取得了巨大增长。第一次工业革命中的一些早期机器，如：气动研磨机和压片机，今天仍然普遍使用。
       第二次工业革命是通过电力、早期电子机器以及带有预先控制的装配线实现的，结合了基本的自动化控制和过程控制，使制造商能够设置基本的过程参数。在制药方面表现为：利用电子机器进行粉碎、研磨、混合和压片，制药企业可以进行大规模生产；更值得注意的是，它能够实现对工艺和质量的监控。然而，过程控制通常局限于预先确定设置，在灵活性上还有所欠缺。工业2.0的发展直接导致了许多机器的出现，如每小时可以可靠地生产超过100万片药的现代压片机。目前，许多制药企业仍然在2.0行业范式中运作。
       第三次工业革命是由计算机和通信技术的发展促成的。网络计算、互联网和无线通信等技术使制药工艺和设备的自动化程度更高，在药品生产中实现了连续生产和主动控制等概念。人机交互界面有助于开发更复杂的控制策略，提高产品和工艺质量。遥感和监测减少了制造车间对人类操作员的需求，促进了对与生产有关的参数和指标的更好跟踪。一些行业现在已经很好地进入了工业3.0，但很多制药企业仍在向工业3.0过渡。
       第三次工业革命带来了制药业先进的过程分析技术(PAT)，旨在提供实时过程数据和产品质量数据。工业3.0还推动了模型和质量设计(QbD)过程的发展，其目的是通过一组定义的质量参数控制目标产品质量。然而，要发掘PAT和QbD的全部潜力，还需要更多的先进技术来实现更具体的工艺流程和实时分析，以便在不同的制药生产场景中提供更精准的产品质量保证。由于近三分之二的药品作废是由质量问题造成的，所以，我们显然需要开展更多工作来改善过程控制以增强设备生产的可靠性。尽管如此，工业3.0还是侧重于促进制药行业更好地理解如何捕获、分析和保护与制药生产相关的大量数据。
       第四次工业革命汇集了先进的制造技术，使无人值守的自动化集成制造系统成为可能。凭借在工业3.0中获得的自动化和数字化经验，医药制造业就可以大规模地转变为工业4.0。工业 4.0推动了整个制造系统和基础设施的进步。工业4.0时代，性能数据可以通过算法进行分析，助力实时运营业务的关键决策。数据的收集维度也从简单过渡到复杂：不仅要完成从制造过程中捕获原始数据的任务，还要通过分析这些数据获得信息，再通过人工智能增加背景意义形成知识，最后为领导人的决策提供参考“智慧“（图1）。这种“智慧”由能够自我优化、执行判断、生成决策的智能系统和可以远程控制的网络物理机器共同支撑。

       在这些阶段中，“数据“最初从制造过程中收集，然后通过数据数字化和大数据分析，组织成”信息“，然后通过人工智能识别的意义合成为“知识“ ，最后通过数字成熟度的综合洞察力获得可操作的“智慧“。
       工业4.0的到来迫使我们想象一个完全数字化和自主化的制造世界会是什么样，以及它如何影响制药产业链和相关法规。由于数字化、自动化和实时数据整合，制药行业将出现新的操作模式，这将使制药业的质量优于六西格玛（一种改善企业质量流程管理的技术），这种革新将涵盖小分子和大分子药物产品。COVID-19突发公共卫生事件凸显了对制造技术的需求，因为这些技术能够对快速变化的需求做出反应，并减少对人工干预的依赖。在此，我们将描述医药制造的未来愿景，以及行业要实现工业4.0的全部价值所需解决的一些潜在的监管、技术和物流挑战。
      《“十四五”医药工业发展规划》提出，要深入实施智能制造、绿色制造和质量提升行动，提高药品、医疗器械全生命周期质量管理水平和产品品质，推动医药工业高端化、智能化和绿色化发展。后疫情时代，保证药品质量、降低生产成本是企业生存和发展的基础，数字化、智能化是核心竞争力。
       第二十一届世界制药原料中国展（CPhI China 2022）及第十六届世界制药机械、包装设备与材料中国展（P-MEC China 2022）作为行业内久负盛名的产品贸易与信息交流平台，将整合国际国内医药智能制造资源，打造行业高峰论坛，组织专家团队为制药企业提供智能制造信息化、自动化评估服务，助力企业智能制造能力建设。