2021年7月ICH發(fā)布Q13《原料和制劑的連續(xù)制造》指南，指南的發(fā)布對于制藥工業(yè)意義重大，不僅是制藥工業(yè)連續(xù)制造工藝的綱領(lǐng)性文件，而且必將加速整個制藥工業(yè)連續(xù)制造的發(fā)展。過程分析技術(shù)（Process analytical technology，PAT）概念最早由美國FDA在2004年提出，旨在運用一個整體的、系統(tǒng)的過程監(jiān)控方法來改善藥品質(zhì)量，該方法能降低與產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)的過程風(fēng)險。眾所周知，原料藥晶型和粒度分布是影響固體制劑藥理藥效的關(guān)鍵屬性[1]。因此，原料藥結(jié)晶過程的有效控制，對于原料藥質(zhì)量和安全具有重要意義。PAT可以實時監(jiān)控原料藥結(jié)晶過程中的溫度、濃度、粒度分布等指標(biāo)，通過有效的過程調(diào)控，最終得到符合質(zhì)量要求的產(chǎn)品。

近年來，連續(xù)結(jié)晶在制藥工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了較大發(fā)展[2]，與目前普遍的間歇式結(jié)晶方式相比，連續(xù)結(jié)晶具有運行效率高、結(jié)晶時間短、操作簡單、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)率高等優(yōu)點。連續(xù)結(jié)晶技術(shù)在高速發(fā)展的同時也對過程分析技術(shù)的發(fā)展起到了推動作用。PAT應(yīng)用于原料藥結(jié)晶過程監(jiān)控，有助于進(jìn)一步認(rèn)識原料藥結(jié)晶過程，有助于降低過程中的不確定性和風(fēng)險，進(jìn)而有助于指導(dǎo)原料藥結(jié)晶工藝的設(shè)計、開發(fā)、優(yōu)化和放大。

本文通過對結(jié)晶過程的剖析，表述了PAT技術(shù)以及參與原料藥結(jié)晶過程的方式、路徑和策略，實現(xiàn)對結(jié)晶過程的精準(zhǔn)監(jiān)控。

一、過程分析技術(shù)（PAT）

PAT是通過實時在線測量技術(shù)監(jiān)控過程中的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)或參數(shù)，再通過信息分析處理反饋到控制系統(tǒng)，基于一定的邏輯標(biāo)準(zhǔn)建立起來的一種過程分析、調(diào)控、優(yōu)化和開發(fā)的集成系統(tǒng)[8]。質(zhì)量源于設(shè)計（QbD）理念強(qiáng)調(diào)對產(chǎn)品質(zhì)量的理解[3]，PAT應(yīng)用于原料藥結(jié)晶過程控制是貫徹QbD理念的體現(xiàn)。常用的PAT技術(shù)以及組合形式應(yīng)用與特點，見表1。

▲ 表1-應(yīng)用于原料藥結(jié)晶過程監(jiān)控的PAT技術(shù)類型及特點

以控制原料藥晶型和粒度為例，典型的ATR-FTIR在線監(jiān)測結(jié)晶系統(tǒng)示意圖，見圖1。

▲ 圖1- ATR-FTIR在線監(jiān)測結(jié)晶系統(tǒng)示意圖

上述結(jié)晶系統(tǒng)集成了ATR光譜探頭、熱電阻探頭、CCD（charge coupled device）相機(jī)、圖像監(jiān)測系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等PAT儀器，可以實現(xiàn)監(jiān)控結(jié)晶過程中包括濃度（過飽和度）、形狀（晶習(xí)）、晶型、濁度、溫度等關(guān)鍵參數(shù)的測量，再基于前期擬定的相應(yīng)策略監(jiān)控結(jié)晶過程，以實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。以上系統(tǒng)僅為示例，系統(tǒng)是開放的，針對不同的結(jié)晶過程控制要求，可集成不同的PAT設(shè)備實現(xiàn)對結(jié)晶過程的精準(zhǔn)監(jiān)控。

二、基于PAT的原料藥連續(xù)結(jié)晶過程的控制策略

原料藥傳統(tǒng)間歇式結(jié)晶是先結(jié)晶后制備樣品再表征分析，操作繁瑣、效率低。PAT的優(yōu)勢在于實時原位監(jiān)測過程的系統(tǒng)變化情況，根據(jù)檢測結(jié)果再通過控制器實時調(diào)控生產(chǎn)過程，避免了離線檢測的滯后性和人員操作的誤差，實現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測和調(diào)控，從而保障工藝穩(wěn)定性和質(zhì)量安全性。

PAT傳感器的發(fā)展及其測量精度的提高促進(jìn)了其在原料藥連續(xù)結(jié)晶過程的應(yīng)用?；赑AT的原料藥結(jié)晶過程控制策略可分為兩種方式[4]：（1）基于模型的控制（Model-based control）；（2）基于非模型的控制（Model-free control）。

2.1 模型控制策略

基于模型的控制策略最早可以追溯到上世紀(jì)70年代初，Jones A G等[5]利用程序化離線計算冷卻曲線相對于自然冷卻曲線展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。近些年隨著計算機(jī)科學(xué)、算法模型、PAT工具等技術(shù)和設(shè)備的進(jìn)步，基于模型的結(jié)晶過程控制有了更深入的理解和應(yīng)用。

基于模型的控制策略包括Programmed cooling/antisolvent（程序降溫/添加反溶劑）、Open-loop optimal control（最優(yōu)開環(huán)控制條件）、Model predictive control（模型預(yù)測控制）等[6]。一般步驟主要包括以下幾部分：（1）構(gòu)建數(shù)學(xué)模型；（2）選擇合適的PAT工具；（3）確定最佳操作軌跡的動態(tài)優(yōu)化體系。

基于模型的結(jié)晶過程控制基本框架，包括溶液濃度的離線建模和在線預(yù)測。離線建模是模型控制的基礎(chǔ)也是核心，包括數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、變量選擇、模型建立和模型等。為了保證模型的可靠性和精確度，數(shù)據(jù)采集尤為重要，一般可通過實驗設(shè)計法(Design of Experiment, DoE)考察系列實驗，采集過程中相應(yīng)溶液濃度的不同光譜數(shù)據(jù)，再經(jīng)過結(jié)果分析、預(yù)處理、變量選擇等設(shè)計初始模型，再通過驗證實驗不斷改進(jìn)校正，最終確定最優(yōu)的模型作為在線監(jiān)測模型。以ATR-FTIR在線監(jiān)測原料藥結(jié)晶溶液濃度為例，建模的一般步驟，見圖2。

▲圖2- 原料藥結(jié)晶溶液濃度監(jiān)測的建模步驟

Zhang等[7]利用ATR－FTIR采集了L-谷氨酸冷卻結(jié)晶過程中的亞穩(wěn)態(tài)區(qū)(MSZ) 與欠飽和區(qū)( USZ) 的紅外光譜，運用偏最小二乘算法分別建立MSZ光譜區(qū)、USZ光譜區(qū)和MSZ－USZ 光譜區(qū)的溶液濃度校正模型，結(jié)果顯示用MSZ譜區(qū)進(jìn)行建模，在保證操作溫度變化穩(wěn)定的前提下，可以準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)晶過程中的溶液濃度。Ma等[8]以L-谷氨酸結(jié)晶過程為研究對象，采集了不同溶液濃度、不同粒徑和不同溫度的L-谷氨酸溶液 NIR光譜，結(jié)合遺傳算法和支持向量機(jī)兩種方法建立校正模型，該模型成功應(yīng)用于L-谷氨酸冷卻結(jié)晶過程監(jiān)控。

模型控制策略的關(guān)鍵是結(jié)合數(shù)學(xué)模型建立的一種自動化控制系統(tǒng)，能夠大大減少了操作與檢驗的工作量，但在實際應(yīng)用中仍存在一些短板。（1）模型控制的精準(zhǔn)度亟待加強(qiáng)。動力學(xué)模型是基于一種理想狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，實際應(yīng)用中會受到各種不確定因素的干擾，影響精準(zhǔn)度；（2）基于模型的結(jié)晶過程控制策略，一般不考慮限制溶液在介穩(wěn)區(qū)間，存在爆析的風(fēng)險，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量問題?；谏鲜鲈蛳拗屏四Ｐ涂刂撇呗缘膽?yīng)用，在過程模擬和模型構(gòu)建方面基于模型的控制策略還需更深入的研究。

2.2 非模型控制策略

基于上述模型控制策略在結(jié)晶過程控制中的不足，同時得益于諸如ATR-FTIR和ATR-UV/Vis等在線檢測技術(shù)的進(jìn)步，能夠?qū)崿F(xiàn)對結(jié)晶過程實時、準(zhǔn)確的在線反饋，并及時調(diào)控的非模型控制得到了發(fā)展與應(yīng)用。

結(jié)晶過程中非模型控制策略基于PAT實時監(jiān)測并反饋濃度、溫度、晶體粒度/分布等關(guān)鍵要素測量值與預(yù)先設(shè)定值之間的差異，通過調(diào)控、干預(yù)從而保證過程在預(yù)設(shè)的軌跡上運行。非模型控制策略主要包括simple linear cooling/constant antisolvent addition（簡單線性降溫或持續(xù)定量反溶劑滴加）、SFC/CFC（過飽和溶液/濃度反饋控制）和DNC（直接成核控制）等。簡單線性降溫或持續(xù)加入反溶劑是一種簡單直接的控制方式，操作簡便但是控制精準(zhǔn)度相對不高，故此處重點描述SFC/CFC和DNC兩種控制策略。

2.2.1過飽和溶液/濃度反饋控制（SFC/CFC）

介穩(wěn)區(qū)是指溶解度與超溶解度之間的區(qū)域。溶解濃度與溫度相圖中被溶解度曲線和超溶解度曲線劃分為穩(wěn)定區(qū)、介穩(wěn)區(qū)、不穩(wěn)區(qū)[9]。介穩(wěn)區(qū)理論對于工業(yè)化結(jié)晶過程控制至關(guān)重要，當(dāng)溶液飽和度超過介穩(wěn)區(qū)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，溶液即會自發(fā)成核，這種成核是快速的、不可控的，往往存在“爆析”現(xiàn)象，造成產(chǎn)品質(zhì)量差。為了確保晶體具有理想的純度和粒徑分布，通常將結(jié)晶過程控制在介穩(wěn)區(qū)進(jìn)行。介穩(wěn)區(qū)寬度可以認(rèn)為是一個結(jié)晶體系的特征，介穩(wěn)區(qū)寬度越大，說明該結(jié)晶物系的過飽和溶液越穩(wěn)定。

SFC/CFC控制方式是基于監(jiān)控結(jié)晶過程溶液濃度在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)上建立起來的。通過FTIR和FBRM等PAT工具探測結(jié)晶相圖介穩(wěn)區(qū)間，自動確定生產(chǎn)過程時域的最佳操作軌跡，見圖3。

▲圖3- SFC/CFC控制方式運行示意圖

多晶型原料藥不同晶型之間理化性質(zhì)存在差異，在相圖表現(xiàn)上存在不同的介穩(wěn)區(qū)間，理論上介穩(wěn)區(qū)間不完全重合的情況下，可利用SFC/CFC設(shè)計特定的操作軌跡選擇性地控制特定晶型的析出[10]。介穩(wěn)區(qū)特定的結(jié)晶操作軌跡有利于溶液體系的穩(wěn)定性和勻速性，可以避免因濃度差異較大造成晶體粒度分布寬泛對于過程的擾動，能夠預(yù)防結(jié)晶過程越過介穩(wěn)區(qū)而導(dǎo)致不期望的結(jié)果。為了進(jìn)一步闡明基于SFC/CFC（過飽和溶液/濃度反饋控制）方式的原料藥結(jié)晶過程控制原理，見圖4。

▲圖4- SFC/CFC控制原料藥結(jié)晶過程原理

如圖4所示，結(jié)晶器內(nèi)先通過溫度計實時檢測原料藥料漿溫度，通過蠕動泵泵入反溶劑，再通過PAT工具（ATR-UV/vis）實時采集料漿光譜數(shù)據(jù)，基于前期標(biāo)定實驗和濃度模型，計算得出料漿溶液濃度，結(jié)合原料藥溶解度數(shù)據(jù)，得到結(jié)晶料液過飽和度（S）情況。再通過對比該飽和度是否在預(yù)設(shè)范圍的上下限（Smax，Smin），若S≥Smax ,則通過控制器減緩降溫速率和增加反溶劑泵入速率以降低結(jié)晶料漿過飽和度至預(yù)設(shè)區(qū)間；若S≤Smin，則增加降溫速率和減緩反溶劑泵入速率以增加結(jié)晶料漿過飽和度至預(yù)設(shè)區(qū)間；若Smin＜S＜Smax，即維持在介穩(wěn)區(qū)間，則保持目前的降溫速率和反溶劑泵入速率，總之，始終維持結(jié)晶液濃度在介穩(wěn)區(qū)間。

關(guān)國強(qiáng)等[11]以無水乙醇-撲熱息痛為模型物體系，對基于ATR-UV分析的結(jié)晶過程實時濃度檢測進(jìn)行了研究。通過ATR-UV實時監(jiān)控結(jié)晶過程的過飽和度變化，并結(jié)合關(guān)聯(lián)聚焦光束反射測量技術(shù)的數(shù)據(jù)分析，研究了不同降溫方式對結(jié)晶過程以及產(chǎn)品的影響。Kee等[12]采用CFC成功實現(xiàn)了L-谷氨酸的亞穩(wěn)晶型 α和晶型β的控制，在結(jié)晶過程的介穩(wěn)區(qū)間加入目標(biāo)晶型 α 的晶種，結(jié)晶過程中通過在結(jié)晶相圖中控制操作軌跡在預(yù)設(shè)的過飽和水平，處理后產(chǎn)品幾乎均為目標(biāo) α 晶型。

盡管SFC/CFC控制策略是一種簡便、直觀的控制方法，但是也存在局限性。如結(jié)晶過程中無法直接監(jiān)控晶體粒徑、溶液顆粒分布等屬性。當(dāng)結(jié)晶體系受到較強(qiáng)擾動情況下（如晶種質(zhì)量不一、晶粒破碎、原料藥純度差異大等）會造成介穩(wěn)區(qū)發(fā)生劇烈變化，過程控制與預(yù)期偏離過大，造成SFC/CFC控制方式robustness（魯棒性）降低[13]。

2.2.2直接成核控制（DNC）

鑒于SFC/CFC控制策略無法直接監(jiān)測結(jié)晶過程中晶體屬性的缺陷和不適用于存在較強(qiáng)擾動情況下結(jié)晶體系監(jiān)控的局限性，Baker等[14]提出了DNC（直接成核）控制方式，很好的解決了上述問題。DNS運用FBRM（聚焦光束反射測量）原位實時監(jiān)測溶液中顆粒粒數(shù)的變化，對比測量值與目標(biāo)值之間的差異，運用加熱與冷卻或溶劑與反溶劑添加來回切換的方式，以實現(xiàn)細(xì)粒成核或溶解，從而保持體系在預(yù)先設(shè)定的FBRM監(jiān)測數(shù)量，實現(xiàn)對體系顆粒數(shù)和晶體粒徑的控制。DNC控制方式無需提前清楚結(jié)晶模型、過程動力學(xué)、介穩(wěn)區(qū)寬度等信息，能夠基于FBRM技術(shù)原位實時監(jiān)測結(jié)晶體系顆粒數(shù)，在結(jié)晶過程中連續(xù)自動生成溫度曲線，通過相圖模擬DNC控制軌跡如圖5所示。

▲圖5- DNC控制方式運行示意圖

DNC方式通過可控的、循環(huán)多次的晶體生長和溶解能夠減少顆粒聚結(jié)和溶劑包藏，此外可以通過反復(fù)多次晶體表面溶解和再生長，能夠有效減少晶格中雜質(zhì)的嵌入，同時也對晶體表面缺陷起到修復(fù)作用。結(jié)晶放大過程中通常由于流體力學(xué)的改變往往會導(dǎo)致動力學(xué)過程、介穩(wěn)區(qū)間范圍發(fā)生變化，可能導(dǎo)致結(jié)晶小試與放大工藝不能很好的重現(xiàn)。DNC控制策略不需要提前獲知結(jié)晶過程動力學(xué)模型和介穩(wěn)區(qū)寬度等信息，可以說彌補(bǔ)了SFC/CFC控制策略在某些情況下的不足，是一種穩(wěn)健的控制策略。為了進(jìn)一步闡明基于DNC方式的原料藥結(jié)晶過程控制原理，見圖6。

▲圖6-DNC控制原料藥結(jié)晶過程原理

如圖6所示，基于DNC方式的原料藥結(jié)晶過程控制，通過FBRM在線實時監(jiān)測結(jié)晶器內(nèi)晶體粒徑（CLD）和顆粒數(shù)（Counts N），對比前期預(yù)設(shè)的顆粒數(shù)上下限（Nmax、Nmin），若N≥Nmax，此時析晶過快，晶體顆粒容易團(tuán)聚，控制器根據(jù)反饋調(diào)控升溫和/或增加溶劑；

若N≤Nmin，此時析晶過緩，晶體顆粒成長緩慢，控制器根據(jù)反饋調(diào)控降溫和/或增加反溶劑；若Nmin＜N＜Nmax，此時析晶速率滿足預(yù)設(shè)范圍要求，控制器根據(jù)反饋保持目前狀態(tài)或切換為SFC（過飽和度反饋控制）模式。

Saleemi A等[15]運用DNC控制策略考察了撲熱息痛異丙醇溶液不加晶種的情況下的冷卻結(jié)晶與線性冷卻結(jié)晶過程的現(xiàn)象與結(jié)果對比試驗，結(jié)果顯示通過自動成核控制策略可以改善撲熱息痛產(chǎn)品晶體性狀，相對于線性冷卻結(jié)晶的晶體，DNC控制結(jié)晶過程中沒有觀察到明顯的晶體聚結(jié)行為，同時DNC控制下的晶體具有更大的粒徑和相對規(guī)則的外形。Simone等[16]對維生素B12結(jié)晶過程進(jìn)行了研究，分別考察對比了CFC和DNC兩種結(jié)晶控制方式的優(yōu)缺點。結(jié)果顯示CFC在控制晶體產(chǎn)品粒度分布方面有優(yōu)勢，對產(chǎn)品純度提高沒有顯著影響。而DNC能夠顯著降低雜質(zhì)在晶體表面的吸附從而提高純度，該過程如圖7所示。

▲圖7-溫度循環(huán)對結(jié)晶過程的影響

目前，如在線圖像分析技術(shù)直觀地監(jiān)測晶體顆粒生長-溶解循環(huán)過程，能夠輔助DNC更加精準(zhǔn)的調(diào)控，更多先進(jìn)的PAT工具應(yīng)用于基于DNC的原料藥連續(xù)結(jié)晶過程控制是該領(lǐng)域的發(fā)展方向之一[17]。

三、結(jié)束語

本文立足于原料藥結(jié)晶過程控制領(lǐng)域，重點闡述了基于PAT技術(shù)的原料藥連續(xù)結(jié)晶控制策略與典型案例。PAT應(yīng)用于原料藥連續(xù)結(jié)晶過程的控制策略包括模型控制和非模型控制兩種方式，兩種控制策略均基于PAT實時、高效的在線反饋，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)控以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。本質(zhì)上的區(qū)別在于對結(jié)晶過程控制邏輯的差異，前者是基于過程理解基礎(chǔ)上的模型化控制，后者更加強(qiáng)調(diào)基于實時反饋的過程監(jiān)控（濃度、溫度、顆粒數(shù)等）與預(yù)設(shè)值的差異，再通過干預(yù)調(diào)控確保結(jié)晶過程在預(yù)設(shè)區(qū)間運行。模型化優(yōu)點是控制抗干擾能力強(qiáng)，自動化程度高，缺點是精準(zhǔn)度不夠，同時產(chǎn)品存在質(zhì)量風(fēng)險。非模型控制優(yōu)點是基于實時的過程監(jiān)控，干預(yù)調(diào)控更加精準(zhǔn)高效，相較于模型控制稍顯“智能”不足。但是，隨著計算機(jī)科學(xué)、算法模型、PAT工具等技術(shù)和設(shè)備的進(jìn)步，相信在不久的將來，模型控制與非模型控制能夠互相取長補(bǔ)短，真正實現(xiàn)制藥工業(yè)全生命周期“智能制造”。

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