在製藥產業中，縮短產品上市時間能挽救生命。正因如此，J&J 創新藥物部門採用 Siemens 的製程數位孿生解決方案，以提升生產效率。
在 J&J 創新藥物部門（比利時），盡快將新產品推向市場不僅是經濟效益問題，往往更是關乎生死的關鍵。為優化製程，該公司採用 Siemens 的製程數位孿生解決方案啟動試點專案。「成果令人驚嘆，」J&J 創新藥物部門試驗工廠資料與系統資深經理 Niels Vandervoort 表示：「該試點專案大幅縮短了製程時間，同時顯著降低了化學品消耗量與整體成本。」
J&J 的創新藥物如何誕生？實驗室會制定分階段化學方案（製程），以製備新型活性成分。實驗室階段完成後，生產規模將分階段擴大 — 從一公升逐步提升至商業生產所需的數萬公升。研發工作於比利時的兩個廠區進行：化學開發小型工廠（CDMP，位於比爾瑟）與化學開發試驗工廠（CDPP，位於赫爾）。
「製造化學產品有點像烹飪，」Niels 解釋道：「你將原料混合在反應容器中，便會產生新物質。在這個『烹飪』過程中，必須高度關注溫度、壓力和攪拌速度等關鍵參數，才能確保始終安全地獲得品質可靠的正確產品。我們時刻監控著這些參數。」
J&J 致力於將製程對環境的影響降至最低。正因如此，我們與 Siemens 合作啟動了基於製程數位孿生的試點專案。
「反應器容器內盛裝著溶劑，在適當條件下，化學製品會溶解於其中並以最佳方式相互反應。接著必須將新形成的化學製品從容器中取出，才能製成最終藥品，」Niels 解釋道。「為達成此目的，關鍵在於防止新化學製品溶解，使其重新固化或結晶。為達成這一目標， 需將溶解性溶劑替換為結晶性溶劑 — 即溶劑轉換。轉換過程通常透過蒸餾或沸煮實現。對於千公升級反應槽而言，此步驟極耗時。例如，若整體合成需耗時 80 小時，僅溶劑轉換階段就可能佔用 20 小時。」
「如果我們優化溶劑切換，我們 節省大量時間並提高整體效率。任何企業都希望盡可能有效地生產，但在涉及人類生命的情況下，事情變得更加緊急。優化的開關還可以幫助我們使用更少的化學產品。這很重要，因為在 J&J，我們致力減少生產過程對環境的影響。這就是為什麼我們與西門子的 Digital Process Twin 建立了試驗項目，首先優化一個溶劑開關，最終目標是優化所有交換器。」
模型持續進行預測，並將預測結果與實際資料進行比對。這使我們得以不斷改進製程。
「首先，我們在先進製程建模平台 gPROMS FormulatedProducts 中建立了一個製程模型。這套革命性軟體能整合機械知識 — 即基於（生物）科學原理預測反應進展的預期路徑。因此製程模型實為製程的虛擬複製品，亦是數位孿生的基礎元件之一。這意味著在該層級上，我們的方法有別於更注重資料的模型。這帶來諸多優勢 — 我們能執行更大規模的優化，所需資料量大幅減少（不到之前的五分之一）；這不僅能更快實施變更，後續維護也更為簡便。」Siemens 數位化解決方案業務發展經理 Nicolas Catrysse 解釋道。
「構建模型後，我們運用來自製程的資料（即實際生產資料）進行校準。利用這些資料，我們透過 gPROMS 數位應用平台（gDAP）建構出數位應用程式。整個過程在開環狀態下運行，接著我們觀察模型如何回應製程控制系統的輸入，最終形成閉環系統。gDAP 在運作過程中持續進行預測，並將預測結果與實際資料進行比對，使我們得以不斷優化製程。」
「我常將它比作 GPS 導航系統，」Niels 補充道。「我們從某種溶劑組成（地點 A）轉換（前往）另一種溶劑組成（地點 B）。該模型會即時引導我們以最短路徑、最快速度或最環保的方式從 A 點抵達 B 點。它會輸出理想路線，並根據實際狀況持續優化，例如是否有繞道或事故？」
該試點項目的成果令人印象深刻。孿生數位製程解決方案成功將溶劑消耗量削減 30%，轉換時間縮短 35%，總成本亦同步降低。Niels 表示：「成果遠超我們的預期。
這種效率不僅在經濟上具有價值，而且更為穩健。如今，我們已將試點專案擴展至另外四種溶劑的轉換，期望獲得類似成果，因為這些經濟效益不僅限於此特定應用場景。
除此之外，在建立新製程時也具備顯著優勢。單是優化現有的溶劑轉換過程本身就極具盈利價值。若能在擴大生產前（也就是在實驗室階段）應用此模型，將能節省更多時間與資源，畢竟實驗室的實驗成本遠低於工業規模的實驗。因此我們目前正研究如何運用實驗室資料建立模型，以便後續應用於大規模生產。」
虛擬化測試為我們節省了大量時間與資源。
在 GMP（優良製造規範）環境中使用這些模型面臨著重大挑戰。所有環節都必須符合美國食品藥品監督管理局（FDA）與歐洲藥品管理局（EMA）制定的 GMP 標準。這意味著必須處理稽核追蹤、版本控制、資料完整性、安全性等諸多環節。Nicolas 表示：「當我們在商業生產規模中應用模型時，透過 SIPAT 軟體平台即可滿足所有附加要求。這得益於我們在製程分析技術（PAT）方面的專業知識。SIPAT 還能作為中央 PAT 品質資料管理系統，無論在實驗室、中試工廠或商業規模皆能運作。該系統使這些模型具備實用性、高效性與快速執行力，將帶來驚人的成果。」
「最近，我們也運用製程數位孿生開發了一項涉及凍乾技術的新製程。該反應會導致反應釜內溫度上升，但溫度必須維持在特定值以下，否則反應將失敗。實驗室規模的製程雖能運作，但擴展至工業規模時參數會產生變化。通常我們會建立測試配置並反覆實驗，直至獲得正確參數。但這次我們能透過虛擬模擬運行配置，模型顯示該製程在工業規模下根本無法運作。這為我們節省了大量時間與資源。」
製程數位孿生對製藥領域極具發展潛力，Niels 總結道。「這僅僅是開端。顯然存在諸多途徑能大幅提升生產效率並減少環境衝擊。憑藉這項技術，未來我們將能更快速開發新製程，而 Siemens 正是實現此目標的理想夥伴 — 他們兼具軟體專業知識、對製藥領域的深刻理解，以及在製藥等產業的製程實務經驗。
最終我們將能夠從開發階段到商業生產全程使用虛擬模型。這節省的時間也將挽救許多生命。」
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