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协同融合信息技术的智能制药设备在中药产业升级中应用现状与展望

发布时间:2021-02-22 10:38:28  来源:陇萃源  浏览:   【】【】【

协同融合信息技术的智能制药设备在中药产业升级中应用现状与展望

杨立诚 封亮通信作者 贾晓斌

(中国药科大学中药学院)

中药工业是我国医药工业的重要组成部分,近年来中药工业的产值持续增长,2017年中药的市场规模已经占中国医药市场的1/3,逐渐晋升为国民经济的关键支柱之一,为了保证中药产业的发展,我国多地出台鼓励中药发展的政策,其宗旨是协同先进科技手段融合传统中药的特色及优势,守正并创新地促使中药产业转型升级,朝着信息化、智能化方向迈进。

自新冠疫情以来,中医药在防治方面表现极其出色,据《“健康中国2030”规划纲要》的预计2020年中药市场规模将达到5806亿元,疫情在提供机遇的同时也暴露出中药产业的自身发展问题,在疫情面前部分中药产业还是受到波及,如一些中药材种植周期较长,传统炮制工艺、制剂的生产均需要大量劳动力,相关工艺设备已难以满足与日俱增的市场需求和国家要求。与此同时,一些具备信息化、智能化程度高的生产设备及工艺流程的企业却在疫情期间依旧保持高效率、高产能、高安全性等生产状况,充分保障生产供应需求,并且兼有低成本、高利润、工艺合理、信息可溯等优势,充分体现工业信息化、数字化的意义,通过加大“智能制造”在工业生产中的占有率,确保在人力资源匮乏或其他特殊情况下中药产品高质量、高效率的供给。一些企业借助5G、人工智能、物联网、大数据等为代表的信息技术促使中药工业向智能制造时代靠拢,对中药制药技术进行改革,也因此受到了政策的鼓励和支持,中药业是典型的具有自主知识产权优势的民族产业,中药产业协同融合信息技术对中药产业由传统产业向现代化、信息化以及智能化转型升级可能具有深远的发展意义。

1、中药产业升级的障碍因素

我国中药产业规模高、销量大,仍就无法媲美一些世界著名制药企业,难以走出国门、走向世界,且与化学制药比较仍存在显著的产业特征差异,中药农业产业链长,中药种植对农业生产、自然资源和气候情况的依赖性,同品种不同产地产品质量差异较大;中药工业方面仍有部分企业处于复杂机械化、依赖人力的生产阶段,制药技术及先进设备的引进没能大范围普及,生产周期长、工艺较粗犷、质控水平以满足国家最低要求为准且影响因素众多,信息技术没能完全渗透进传统制药技术,产品升级乃至产业升级还需要投入大量的精力和资金。一些制药企业在各个产业环节发展缓慢或者存在滞后性,农业弱质性明显,产业标准缺失、规模效应未形成,导致质量控制评价体系难以构建,中药原料的质量、稳定性、生产工艺一致性难以保证,虽然国家与药企对传统中医药的精华部分的保护、研发力度一直提升但仍需努力改善传承不足、创新不够的局面,在中医药理论创新、标准创新和产品研发创新上有待提高。

与此同时,我国中药制药设备的生产规模浩大,在制药设备企业数量、产品品种、规格、产量等方面均在国际上名列前茅,但国产的制药设备在产品稳定性、创新性、耐用性等关键性能仍存在显著的差距,并且工艺制造水平决定了中药产品质量的优劣,通过提升制药设备的智能性,进而控制关键工艺水平。解决制约产品质量的瓶颈问题是如今制药设备企业的迫切任务,需要企业提高研发投入,政府出台加强创新的政策,对企业鼓舞支持,使之不断缩小其中的差距,从而推动中药制药行业向着开发基础共性技术、绿色制造技术、节能环保技术、信息互联互通技术及智能制造技术等标准化体系发展。

因此,传统中药产业升级亟需充分运用现代科学手段,制定一整套从研发、生产、质量控制直至安全评价、临床应用的标准体系,解决质量控制和评价难题;其中信息技术在中药现代化中将发挥巨大作用,凭借大数据、物联网、人工智能等先进信息技术提供有力支撑,一方面轻而易举地解决信息不对称的困境,达到过程可感知、生产可视化、产品可评价、质量可追溯,以保证中药的安全性、有效性、稳定性及均一性。另一方面可以为中药的研究助力,多学科、跨行业合作加速中医药现代化进程最终带动相关技术发展,实现中药产业升级。

2、中药产业向“智能制造”转型升级的必要性

中药智能制造要通过智能设备组装集成后构建而出智能工厂为平台,以生产过程中大数据为起点,利用中药材资源优势,将智能制造与自动化规模生产连接起来扩大生产规模,提高工艺过程的智能化,使智能制造的特性得以显现,改善其对中药产业繁冗制备工艺的理解能力及在对设备性能的掌控和调节,在人工受限的情况实现智能化监管调控,提高产出比和产品质量以保证竞争中处于优势地位。目前部分企业在局部业务范围内实现了信息化和数字化,还存在部分中药生产线仍处于机械化或自动化阶段,没能跻身数字化、智能化的行列。

中药智能制造技术成型关键在于中药制药技术的数字化、信息化、智能化改革,追求对整个产品环节的自动化调控,通过多项技术融合对工艺进行创新改进,规范工艺流程,凭借先进的技术和设备,节约成本,提升产能,减少能耗及保护环境,让人们摆脱简单重复、智力水平较低的体力劳动、及对人体造成危害的生产环境,有效提高并控制产品的质量水平。打破在传感器、自动控制和数字化技术的壁垒,对工业传感器、过程检测及分析仪器等数字化、智能化设备的开发及自动控制技术研究,促进中药工业绿色智能升级,逐渐向“智能工厂”迈进。

对于中药全产业链进行的产业升级,务必借助物联网、大数据、人工智能等先进信息技术,促进中药智能制造的的高速发展,创建中药制药的智能工厂,并结合“工业4.0”以及制剂4.0”的概念提出了“中药工业4.0”(即工业4.0的中药制药版本),产学研用联合,推动中药智能制造的规范化、标准化建设,构建数据整合、技术集成的中药数字化车间和经大数据挖掘分析后的中药产品质量控制准则,对智能化高的中药企业进行宣传和相应扶持,积极推动对标建设,拔高中药智能制造的整体水平,用以扫清中药产业现存的发展障碍并且指明产业升级未来的发展方向。中药产品质量是实现中药现代化以及智能制造的根本,而工业自动化融入了信息化和智能化元素可以进一步加速中药智能制造的发展,推动中药质量提升,未来只有产品疗效确切、安全性有保障的产品才有市场,智能制造必然是实现这一市场发展需求的必经之路。

中药质量控制等瓶颈制约严重,有业内专家提出可以通过信息化技术的应用,建立全过程质量管控一体化系统,从全产业链的各个环节着手,从而提升中药质量。一方面,借助生产线上的各类仪表、传感器、机器视觉和过程分析装置,可以动态获取设备运行状态、工艺参数、物料状态、环境条件等数据,从而实现中药生产过程的“数字化”,另一方面,质量是生产出来的,而不是检验出来的,所以各种参数的检测只是对产品质量的下限进行实时把控预警,而在中药生产的过程中更需要注重关键质量属性。通过积累这些数据,可以加强对生产工艺过程中关键参数的风险认知、深层理解和科学调制,实现药品质量的实时优化控制,逐步提高中药质量一致性,确保疗效和安全性。打破中药生产过程的信息孤岛现象,实现生产全过程监控,合理管理和调度各种生产资源,提高运营效率。

3、信息技术在中药产业升级中的应用

中药制药设备需要从“中国制造”向“智能制造”转型,实现更加智能化的生产控制、更加智慧化的监管,而目前中药的产业升级可以大致划分为:1)中药材到中药饮片环节;2)中药制剂原料(中药提取物等)环节;3)中药制剂成型环节。中药产业链的信息不对称是造成质量控制及评价体系难以实现的主要原因,因此以数字信息互联网技术为纽带,借助云计算、5G、大数据、物联网和人工智能等信息技术手段,协同融合数项技术于中药产业各环节中,形成智能化、网络化、数字化中药产业链,整个信息链的质量数据流闭环等,进而实现协同推动中药产业升级,解决了生产要素整合迟缓、资源配置不够优化、交易成本居高不下等问题,打破信息不对称的壁垒,完善产品质量控制评价体系,确保产品安全性和稳定性,为产业的创新提供有力支持。

3.1中药材到中药饮片环节

在中药种植、采收、加工和炮制等工艺环节中,传统经验和隐性知识在保证中药品质中起到关键作用,中药炮制为传统特色技术,但饮片品种与规格众多、加工方法不统一、工艺技术单一机械化,饮片的质量无法严格保证,直接影响中医临床疗效,而饮片生产凭借传统经验与现代信息技术结合的前提下,可以在产业链的源头进行质量的有效控制,保证药材的道地性、优质性,之后提升饮片生产的专业化,通过相应生产设备等达到规范化、规模化生产,进一步达到生产过程自动化甚至信息化,只有前面这些基础都足够牢固,才能再构建起饮片智能化生产模式。

目前的电磁炒药机采用电磁加热技术、微电脑控温技术、智能补温技术以及芯片植入技术,可以将中药炒制的工艺参数植入芯片,实现智能化批量生产、一键自动出料,并区别清炒、碳炒、辅料炒、麸炒、蜜炒、醋炒等多种加工方式,可替代传统加热方式,推动中药饮片的标准化生产,还保证饮片的生产过程稳定、安全、便捷、环保等。部分药企在中药饮片加工生产中积极引进计算机信息技术,实现全过程的信息化管理,并采用先进的生产设备对饮片炮制工艺和生产步骤进行机械化设置,有序地控制中药饮片的原材料选择、加工生产、包装、贮存过程的质量检测,体现了现代技术与传统产业的完美结合,在中药饮片的生产过程上完成了升级,实现了中药饮片生产的规模化、自动化、标准化,致力于中药饮片生产所需设施设备的全面升级;市面上还有智能化程度较高的数控直线往复式切药机,只需在设备系统上设置参数,即可在操作台上进行药材切制,与传统切药机比较,智能化调节可使切制好的药材规格更加精准、外形更为美观,充分发挥药材的药性,提高生产效率;更有中药材智能化包装开发,为中药材提供涵盖从种植、采收、加工、物流、仓储到销售等所有环节的物联网智能包装及包装信息化服务,实现中药溯源系统的构建以推动中药市场的发展。

3.2中药制剂原料生产环节

中药制剂原料通常分为固体(粉末、浸膏粉或提取物)、半固体(稠浸膏)、液体(提取液)3类状态,制剂原料的物理性质对成型工艺的难易程度、加工流程的顺畅程度,以致影响终端产品的质量。

中药制剂原料环节目前可以借助自动控制系统和在线检测系统,依靠电子计算机或控制器对生产过程进行自动化控制,以及传感器技术及时检测各种工艺参数的信息,涵盖提取、浓缩、醇化、干燥等工艺环节,使自动控制、实时监测传感器的智能制造过程体系,可以解决部分目前中药制剂水平所存在的障碍,通过传感器、大数据技术的助力,为在线检测信息采集提供了稳固的基础,将会大幅度提升中药智能制造体系中对于过程的实时监控从而做出反馈进行优化调整,为中药制剂原料产业升级奠定了坚实的基础。

如提取工艺中各成分对不同工艺参数的要求不同,如压力、温度、湿度等,应使各种类型的有效成分最大程度保留,传感器可以对生产工艺过程数据及时搜集,通过及时传送给自动控制系统分析处理然后做出相应的反馈调节,实现实时动态调控,天士力集团在复方丹参滴丸数字化车间的基础上开发的质量数字化系统,可以通过系统整合pH值、温度、压力、流量等常规传感器,近红外或拉曼等光谱、工业成像技术等,对生产过程的关键工艺参数、质量属性进行实时监控与分析。浓缩工艺变量多、扰动大,一旦遇到不良因素,势必会引起结焦、液冷或热分解等问题,传感器技术的融入能够有效提高中药浓缩工艺的调控管理水平,确保了中药生产稳定、安全,符合相关操作标准;干燥工艺中,可以通过对中药干燥工艺进行连续智能管理,有效提高中药加工效率,降低生产成本,确保制造的中药符合国家安全标准;在灭菌工艺中可以对灭菌温度、处理时间、辐照剂量、施加压力、耐热参数、致死效率等参数进行实时监控与管理,确保中药成品符合相关标准的同时,还能节省很大一部分能耗费用。

3.3中药制剂成型环节

中成药化学组成以及制药工艺特点决定了其生产制造过程动态变化的高度复杂性,过程状况难以全面辨识且缺乏有效的检测技术装备,过程参数的便捷观测成为中药制药过程能及时有效调控的核心条件。

国内中药企业也在进行中药智能化探索。例如楚天科技在片剂生产方面采用一步制粒生产线、干法制粒生产线、超高速压片生产线、多功能包衣生产线和全自动数控联动包装生产线,整个制粒生产线由喷雾制粒、沸腾干燥和整粒等多个操作单元组成。在提升产品质量、保证工艺重现、数据完整、提高效率、减少人为差错等方面都有了明显的进步。华森制药在实行外包装智能化后,与传统人工包装比较,产品外包装效率至少提高50%,而工作差错则降低90%以上;还有一些制药设备企业研发出了全智能包中包溯源生产线、全智能中药配方颗粒瓶装生产线、全智能罐装包装线等制药设备,主要是根据企业的实际要求,在此基础上做到减轻工作强度,减少劳动时间,同时加强设备包装的质量,以及GMP管控的要求,推动中药产业以及制药设备的智能化发展;天士力在提升智能制造基础上,搭建了完备的数字化研究平台体系,通过数据系统和信息系统,研发高速微滴丸工艺与成套智能设备,实现现代中药智能制造的设备创新和系统设计,用以监测制剂成型的稳定性和均匀性,如滴制的丸剂或丸形的工业成像与图像识别,实时判断工艺终点,如浓缩工艺的在线密度测量,还可以在线质量控制,如胶囊灌装工艺的在线质量测量;康仁堂药业对在线浊度传感器对颗粒剂的溶化性进行客观评价,将浊度值与目视法结合,建立分级评价标准为颗粒剂的溶化程度判断提供量化数据,运用传感器技术对中药制剂的关键质量属性进行客观化表征,可为中药制药过程智能控制明确目标;康缘药业的热毒宁注射剂的提取精制工艺流程较好地达到中药产业数字化智能化的要求,通过先进的现代质量控制技术提升对注射液的质量管理,实时通信与数据平台结合生产过程控制和管理系统,将信息化融入工业化中,实现生产的全过程控制,为行业内其他企业在中药制剂成型环节升级到信息化提供了参考。

4、发展趋势

数据科学是中药工业4.0理念的核心组成部分,但当前使用的数据科学应用程序本质上大多是被动的,用于监视或分析目的,很少有智能程序或算法是实时控制循环的一部分,并且很少单独负责关键的主动决策,今天的工业设备技术等距离中药工业4.0和智能制造等目标还相差甚远,需要投入更多精力与资金来弥补业内先进技术水平和我们的差距。

中药智能制造的核心是质量数字化,立足于中药的现代化、智能化,用现代科技手段解构中药的系统性和复杂性,阐明中药安全有效、质量可控的数字内涵,实施以“全产业链质量数字化”为核心的现代中药产品研发、工艺数字化设计、过程模型化控制、生产可视化管理、产品透明化服务,打造全产业链智能制造平台。见图1。中药智能制造需要采集生产制造数据,在保证信息真实性、完整性和有效性的同时,还需要注重信息的安全性和异构系统数据对接的统一规划性。信息采集的真实性、数据的完备性与安全性是实现中药智能制造需要重点考虑的关键。而又一项新兴技术区块链技术对数据的安全性又有了保证,其内容难以篡改,具有去中心化、数据不可篡改性、开放透明性、匿名性等特征,区块链可以联合云计算、大数据、物联网等技术建立起中药溯源系统,是在中药产业中的又一次突破创新,再次构建起中药行业信用环境,实行从初始种植到之后所有流通过程的追溯管理,确保中药品质和安全,推动中药产业蓬勃发展。

3D打印在制药行业的应用研究一直在进行,2所示为3D打印药物的流程示意图,直至2015年美国FDA批准世界首个由3D打印制备的SPRITAM速溶片(左乙拉西坦,Lvetiracetam)上市,意味着3D打印对未来实现精准性制药、针对性制药提供了一种较为关键的思路方法。国内有团队首次运用3D打印制备了速效救心口崩片并通过质量评价来验证其制备的可行性,后续又优化了3D打印速效救心口崩片的处方,减少了患者服药量,大幅提高了患者的顺应性,并对其进行质量评价,调整为3D打印后的崩解片崩解时限仅需1min,极短时间内提高冠脉血流量、进而缓解急症心绞痛的用药需求,解决了传统制药技术制备过程中不稳定成分的损失、需要添加各种辅料的问题,在原有滴丸剂型的研究基础上对中成药进行再开发,开发出起效更快、服用方便、且患者顺应性更佳的速效救心口崩片,同时为其他急性疾病治疗药物、儿童及老人药品等的3D打印制造提供良好借鉴作用,并且为3D打印之后在中药制药中的研发、创新树立了榜样,提供了未来发展的思路。

我国中药制药工业现代化进程起步较晚,因此中药制药业与制药技术与世界发达水平存在差距,存在有能耗大、污染严重、资源综合利用率低等突出问题。因此,在中药制药行业大力推广绿色制造理念与技术已经迫在眉睫,使企业对资源和能源的高效、合理利用,将制药过程对环境的破坏降至最低限度,对原料资源的利用率达到最大化,从而实现生产企业的经济、社会效益协调优化。比如通过上市品种二次开发,改进生产工艺,使用新技术、新方法,提高中药材的利用率,循环利用药材资源,改变转移率低的局面,实现中药的“保性增效”。制药过程应最大限度地降低能源的使用,开展节能减排技术设备开发,同时保证药品的质量和疗效。例如中药提取液的浓缩方面采用机械蒸汽再压缩(MVR)相关设备,将二次蒸汽循环利用、大大降低企业的能耗,降低生产成本;中药配方颗粒、中药提取物及中成药生产的过程产生了大量的固体废弃物,生理活性物质的资源化利用如从药渣中再提取其余有效成分,还能以药渣作为微生物发酵的培养基,如郭文英等以黄连药渣为发酵基质,发明了一种具有抑制植物病原微生物生长的生物肥料;还可以通过现代生物技术对药渣中的木质纤维类成分进行资源化利用,研究发现木质纤维素生物质的厌氧发酵可以生产酸类如乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸及异戊酸等短链脂肪酸,也可以产氢气、甲烷、乙醇等能源气体。这些方法均为产业提升生产资源利用率、固体废弃物资源价值的有效手段之一,促进中药绿色制药的发展,从而为产业升级指出一条明路。

中药企业在生产转型期的每个阶段,都要根据自身实际需求,在质量、成本与效益之间寻求平衡点,适时推动中药生产与先进制药技术和先进信息技术的融合发展,积累并提升相应的智能制造水平,而应避免盲目“跟风”,杜绝形式主义,许多企业的制药设备和制药技术都是基于引进的设备,结合实际生产特点自主研发获取。盲目应用不成熟技术和设备创新是不可取的,直接将智能化的设备不假思索就应用于传统生产过程,类似于拔苗助长,最终结果与最初目的可能背道而驰,脚踏实地、稳步发展才是硬道理。

5、讨论与展望

中医药科技创新受到高度重视,其战略地位更加凸显,推动我国中药产业蓬勃发展中医药现代化成为引领中国迈向科技强国建设、助推健康中国建设的重要力量。

坚持守正创新思维,通过云计算、物联网、大数据、人工智能等前沿信息技术,完成多学科、跨行业深度交叉融合,对固有的科研思维、产业模式冲击突破,根本上提高产业知识产生、传承和利用的效率,解放人的脑力和体力,加快创新速度,将现代中药制药技术和制药设备推进到一个新水平,增强中药绿色智能制造与中药制剂关键新技术研究,推动信息技术协同融合传统中药产业的转型升级,提升效能和质量,支撑中药全产业链科技创新、转型发展,达到产业升级,步入以高质、高效、绿色、柔性、开放为特征的新发展阶段,达到中药的有效物质基础一致性,中药质量评价的一致性,中药临床疗效的一致性,并逐步建立中国独有知识产权的现代中药集成化技术体系与制药设备体系,通过技术信息化,推动中药智能制造走向世界。

信息技术固然优势明显,但是我国中药行业普遍起步晚,水平落后,如果单纯的引进先进设备和强行“嫁接”先进技术,反而可能会阻碍中药产业的转型升级,目前中药企业应该结合自身生产情况、设备基础及资金情况等方面因素来进行产业升级,从自动化向数字化升级,之后再进一步向智能化升级,将产业现状与信息技术统筹协调,多学科融合进行设备、工艺创新升级,通过政策完善、人才培养等多元投入来逐步构建智能制造体系,稳步前行至智能制造时代。

来源:大品种联盟

责任编辑:大品种联盟
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