国外PAT（过程分析技术）在制药中的应用

国外 PAT在制药工业的应用 摘要：从过程分析技术的定义与其技术介绍入手，简单地叙述了 FDA对 PAT的观点以及 PAT与制药装备的关系简述了过程分析技术，陈述了国外 PAT在制药工业的应用。 关键词：过程分析(PAT)；制药工业生产；应用；光谱；色谱；质谱；国外 过程分析技术（Process Analytical Technology，下简为 PAT）在前几年就被用于精细化工 产品的分析与制备，但这几年国际上正逐渐应用于制药工业。在过程分析技术应用方面，我 国起步很晚，且研发与制造此类产品的企业较少，特别是其与制药装备相结合的应用尤为罕 见。为了使我国制药装备技术水平的进一步提高，以赶超此领域的国际水平，因此有必要在 此介绍一下国际上过程分析技术在制药生产与装备方面的应用，以唤起有志之士为此努力。 1 PAT技术的概要 PAT是一个系统，即作为生产过程的分析和控制，是依据生产过程中的周期性检测、关 键质量参数的控制、原材料和中间产品的质量控制及生产过程，确保最终产品质量达到认可 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的程序。 PAT技术大致分为：多变量数据获得和分析工具，现代工艺过程分析工具，工艺过程、 终点监控和控制工具，持续性改进和信息管理工具。 PAT方法主要有光谱、色谱、质谱与 联用等方法。 1.1光谱法 光谱法有原子发射光谱法(AES)、原子吸收光谱法(AAS)、紫外-可见吸收光谱法、红外光 谱法等。其中：(1)原子发射光谱法是常见方法之一，但不能给出物质分子的有关信息，且 类似氧、氨、卤素等尚无法检测；(2)原子吸收光谱法的应用较广，测定的元素有 70多种， 可用间接原子吸收法测定非金属和有机化合物，但多元素同时测定尚有困难；(3)紫外-可见 吸收光谱法多用于研究具有共轭双键结构分子，常用于痕量分析、发光探针和分子取向测定； (4)红外光谱法是 PAT中较常用的复杂分析技术，这是由于各种化合物均有红外吸收现象。 按光谱区域分为远红外、中红外、近红外，最重要的应用是中红外区的有机化合物结构鉴定。 光谱在 PAT的应用基本有：激光二级管、拉曼(Raman)、离子(UV/VIS，紫外线/可见)、 近红外线(NIR)、中红外线(MIR)。其应用特性如表 1如示。 1.1.1在线光谱分析的平台 在线光谱分析的平台：多点取样→多路复用技术→FT-NIR(傅里叶变换-近红外)光谱分析 →模拟与评估→信号的形成→通过 DCS系统转换信号。 1.1.2模拟与数据转换 在光谱分析中，尤其是在 NIR区域，其吸收到最高点将会出现强烈的误差与重叠。因此， 用最简单的最高点作为评估值是不确切的，这就需借助化学计量模拟，可使用标准软件来分 析模拟的信号。以拜耳公司的分析软件而言，其能达到以下目的：把分析数据转换到 DCS 系统中去，形成生产控制信号，最终控制执行元件(如温控仪、阀)。 1.2色谱法 色谱法通常分气相色谱(GC)和液相色谱(LG)二种。按流动相物态、固定相物态、按流动 相使用形式、按分离过程的机制来分，则有多种类型。色谱法因为分离效率高、灵敏度高、 分析速度快而被广泛应用。其中：(1)气相色谱检测常有热传导、氢火焰离子、火焰光度、 电子捕获等方面。气相色谱适用于在 500℃以下、热稳定性好、相对分子质量在 400以下物 质的检测；(2)液相色谱中高效液相色谱法应用广泛，其采用高压泵、高效固定相和高灵敏 度检测器等，具有色谱柱可反复使用、流动相可选择范围宽、流出组分容易收集、分离效率 高、分析速度快、灵敏度高等特点。 色谱在 PAT的应用基本有：(1)气相色谱分 析，依靠温度程序、压力程序与显示器的应 用；(2)液相色谱分析，主要通过有等强度 (isocratic)与梯度(gradient)来分析；(3)凝胶渗 透色谱分析；(4)生物色谱分析。 2.1在线色谱分析的平台 在线色谱分析的平台建立(如图 1所示)： 至少 2个样品能循环→在线样品为实验分析 提供选择的选择→稀释、过滤、内部标准、 衍化、萃取、沉淀析出、搅拌、冷却/加热。 2.2在线色谱分析的应用 在线色谱分析主要用于：杂质检测(ppm范 围)、异构体分析、分子组成质量分析、蛋白 质分析等。 2 FDA对 PAT的观点 FDA早已设立了几个附属委员会来就如何 在制药界中使用 PAT提供建议， FDA用指导文件的方式向制药工业发出通知,支持将 PAT 作为 cGMP的开创性组成部分。FDA指出：质量不是在产品中检验出来的,而是在过程中形 成的,或者是由过程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 决定的。为此,FDA决定通过更好地了解和控制生产过程实施管理监 督。 2001年 11月，医学博士、美国 FDA药品评价和研究中心（CDER）主任 Janet Woodcock 概述了生产过程分析技术（PAT）组织，关于在美国制药工业中，促进药品生产过程研究和 发展的改革，以达到改善药品质量目的的倡议。宗旨是提出与生产过程有关的药品质量问题， 通过促进生产过程的改革创新以减少制药行业中的有害风险。PAT作为药品生产过程的分 析和控制系统是依据生产过程中的周期性检测、关键质量参数的控制、原材料和中间产品的 质量控制、及生产过程确保最终产品质量达到认可标准的程序。 2003年 10月 23日，PAT小组委员会会议提出了 PAT技术报告 33号，主要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 是关于 评价、确认和实施新的微生物检查法和 PAT中快速微生物检查法的作用。并召开了 PAT倡 议中快速微生物方法（RMM）作用的讨论会，USP分析微生物专家委员会的成员Michael Korcynzski先生 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 会议讨论的结果时，他强调了首要关注的应是制定法规部门对快速检查 法的认可和新的微生物检查法论证的复杂性。 在生物技术和制药工业中，微生物检验可分为两部分，第一是生产过程的监控，第二是 产品出厂的检验。典型情况下，由于经典微生物检验周期太长,导致了生产过程监控和产品 出厂检验的检验结果只作为产品放行评价的一部分内容，而不能及时用于指导生产过程。 例如，生产过程的监控和产品出厂检验及其培养时间。传统培养时间较长的微生物检查 法不可能被 PAT所采用。此外，由于生产过程和产品出厂的微生物检验的周期太长，即使 采用最优的生产工艺、化学和物理替代方法监控生产过程以减少产品生产和出厂周期也是不 可能的。例如，无菌产品的配液、无菌过滤和无菌分装一般只需 1-2天，而无菌试验时间却 需要 14天。不依赖于微生物生长的快速检查法的到来预示着减少产品微生物污染的风险和 缩短产品出厂周期机会的来临。于是，FDA特别工作组简要地将微生物检查方法分为：利 用微生物的生长、直接测定样品中存在的活微生物、根据细胞组成成分或采用诊断试剂进行 检测、核酸分析法。 3过程分析技术在制药工业的应用 3.1 PAT在制粒、粉碎与混合生产中的应用 3.1.1粉粒的水份检测 在 NIR(近红外)区域对水的吸收是非常显著的，利用近红外光谱的反射(如图 2所示)，固 体粉粒中的水份很容易被测出。特点：(1)检测不接触产品或样品；(2)检测的是粉粒表面水 份(穿透深度仅为几个 μm)；(3)虽检测结果不是很精确，但能反映百分数与趋势。 另一种 NIR水份检测仪如图 3所示，能对粉粒进行在线水份检测，特点：(1)用此仪测定 水份的结果是客观公正与精确的，也可验证；(2)其测定数据为多元矩阵(PLS偏最小二乘法， PCA主成分回归法)；(3)此法比光学法更为精确。最终水份检测结果如图 4、图 5所示。 另一种 NIR在线检测干燥期间的水份装置，其可在干燥设备上安装，目的是用 NIR光谱 分析法对干燥过程的水份进行定量控制。特点：提高实时信息、生产过程能在控制基础上、 确保最终产品质量的均一性。图 6为安装在沸腾干腾机上的 NIR在线检测水份的示意。 3.1.2在线粉碎粒径分析 现在制药生产所涉及到粉碎工艺正向超细化发展，对粉碎物粒径的在线分析也越显重要。 德国新帕泰克公司MYTOS系统把 HELOS激光衍射系统和功能强大的 RODOS干法分散系 统相结合，其能对粉碎后颗粒粒径大小与粒径分布进行在线检测。 其系统装在气流粉碎机出料口处，取样装置 TWISTER将装在管道直径 38-150mm有取样 代表位，取样装置依次扫过管道整个横截面上各个点，其粒径结果如图 7所示(18s内 80次 测试)，有效地避免了取样误差。图 8是气流粉碎机参数变动导致粒度变化情况，其满足了 FDA对生产过程的实时监控要求。 3.1.3混合检测的应用 混合生产过程中有很多指标需及时检测，Spectral Dimensions公司最近推出了一款 PAT 混合分析设备——混合监视器，这套设备可以实时检测，并应用到工艺的控制中，而不需要 停止生产、采样、检测并重启设备等一系列操作。与传统混合的 NIR分析设备不同，这套 混合监视器采集近红外图像而不是点测量。NIR(近红外)测量平均的混合特性，而 Spectral Dimensions公司的超光谱或化学成像能够迅速对混合组分的排列和尺寸进行鉴定并成像，从 而得到混合更完整的信息，而这些信息的采集都不需要打开混合设备进行取样。 Spectral Dimensions公司之前已经采用这项技术用几乎相同的方法对最终产品进行分析。 NIR化学成像可以快速地确定固体药物用量成分的分布以及胶囊中赋形剂与活性药物成分 的分布。Spetral Dimensions公司的 Neil Lewis说：“简单的光谱只能提供不同波长的每一点 的测量信息。另一方面，化学成像可以在很多不同的波长或者在有选择的一系列波长捕捉所 有的图像。这有利于快速有效地确定混合物质中细微的区别，而这种细微的区别往往有可能 对最终产品的性质产生重大影响。” 3.2 PAT在片剂生产中的应用 在片剂生产过程分析中有一种在线分析仪(如图 9所示)，其是一种不具破坏性的测试分析， 可利用 NIR(近红外)光谱进行分析，主要用于片剂是活性成分和水分的测定。特点：分析快 速(＜2min)，分析精确在 0.1%之内，没有破坏性。 另一种 IMA Kilian-RQ100片剂专门分析仪(如图 10所示)可用于压片后的成分测定，并能 在线直接检测片剂压制后质量，该结构是把一个特制的反射探测器安装在分析仪转台的检测 位(如图 11所示)。检测过程：片剂由真空输送至振动输送盘，每一片剂在跟踪开关控制下 通过倾斜道至检测位(如图 4所示)进行检测。其检测原理如图 12所示，也是一种片剂质量 的检测，其类似于机械压力裂纹的试验，最后将生成交叉验证图(如图 13所示)。特点：无 损、不破坏，更好地统计连续压片中内含成分的统一测试，更快地检出压片参数的偏差。 此外，在片剂生产中用 PAT还有：(1)片剂常规的溶出度检测，其是利用高效液相色谱 (HPLC)仪，一般 20min能出结果；(2)片剂质量 NIR光谱分析的应用程序(API)，随着对片剂 光谱分析研发的深入，人们发现片剂质量对粉粒密度的依赖性，而对这种密度可建立起一种 多元性模型，利用此模型可提高片剂质量检测的精确性。特点：无损伤、无破坏，提高统计 精度，能提供实时信息，也能连续含量均匀性检测。 3.3 PAT在抗生素瓶分装生产的应用 利用光谱分析技术对抗生素瓶分装压塞后进行瓶内真空度在线检测，其是一个二级管激 光光谱检测装置(如图 14所示)，图 15是其检测量分析后结果。特点：100%的无破坏性的真 空度测试，分析时间快速(＜1s)，此方法在国外被主要管理机构所批准。 3.4 PAT在冻干过程的应用 3.4.1气体质谱分析仪 用于监测过程中的水蒸汽与 其它气体的情况，其可以测定干 燥过程中气体成分和干燥终点 及系统受污染或外界泄漏程度。 实际上这是气体质谱分析技术 在冻干机上的应用。但这种方法 对 SIP不适用。图 16为一冻干 过程中干燥箱内气体成分监测 过程曲线记录图。 3.4.2 LyoTrack传感器 LyoTrack传感器作为一种低 温等离子体激发光子分析技术，经 10年试用，证明了其在冻干机上推广运用的可行性，标 志着冻干机冻干过程 PAT进入了一个新时代。 图 17为 LyoTrack传感器与露点法、真空度法（压力升法）、微型重量测量法在冻干过 程中同时进行测量过程曲线对比。 LyoTrack特点：(1)可以作为 PAT工具监测冻干过程，准确判断一次干燥终点和二次干燥 终点；(2)相比较于以往所有的工具，其可较准确地测定出产品的相对残余含水量。具备系 统数据整体性和重复性，而不是个别性的；(3)可以进行在线 SIP，符合现行的 GMP；(4)必 须在渗入 N2/空气条件下进行；(5)适用于双室结构的冻干机。 3.5 PAT在生物发酵生产中应用 在线生物高效液相色谱(Bio HPLC)分析方法是 高效液相色谱在生物发酵自动检测技术的发展。其 要求有生物生产相适应的基础平台，用高效液相色 谱在线蛋白浓度检测是从实验到生产的演变，人们 可先用 300L发酵桶进行可行性研究。可以说，生 物高效液相色谱分析方法解决了生物发酵中蛋白 浓度的在线检测，改善了处理过程的无菌状况，FDA的 PAT 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 符合 cGMP。 实际上其是一种现代生物层析法，该装置如图 18所示。目的：使细胞产生蛋白质，运行 时间 1-4天；取样频率：1h。新生成在线参数：浓度滴定值(titer)，组分(side components)。 特点：取样频率由 24h提高到 1h，检测结果更符合实际时间，融入集散控制技术(DCS)，产 品质量进一步提高。图 19是利用 Bio HPLC进行蛋白质检查结果图。 同时，该在分析装置还可在线测定生物发酵中参数，如蛋白蛋/缩氨酸(肽)、介质、抗体 等，且其检测过程均是洁净的。 该在分析装置由提供 单元、控制单元与分析 单元所组成。其中，控 制单元由程控系统、安 全控制系统、工业 PC/LCD、远程控制、自 动系统(ARTS、 ARTS-SC)等组成；分析 单元由样品、高效液相 色谱分析(HPLC)、快速 蛋白液相色谱分析 (FPLC)/凝胶渗透色谱分 析(GPC)、生物传感器等组成。 3.6 PAT在洁净空气监察中应用 瞬间微生物检测仪利用光谱技术，可以测定存在于液体或空气中的小粒子的数量和大小， 同时还能检测出每个粒子是惰性的还是具有生物活性的，而所有这些工作都是在瞬间完成的。 瞬间微生物检测仪的结构如图 20 如示，其包括：(1)可检测单个微粒大 小的光学组件；(2)通过紫外光激发某 些微生物细胞或孢子细胞的代谢产 物，从而产生荧光信号的光学组件； (3)可区分空气中微生物和惰性粉尘 的系统。 其可用在药品生产洁净室。作用： (1)警告装置，可连续对空气进行抽样 检测，并在检测到微生物时给出信号 或警告；(2)连续监控及趋势装置，可 瞬间对微生物检测并能进行连续监 控且分析趋势，而现有的常规方法则 没这功能。瞬间微生物检测这一独特 的技术除了可以使洁净区环境符合外部法规及内部要求；(3)验证补救措施是否成功，其可 以立即获得结果。例如，在对微生物污染采取补救措施后，可依据一个实时的数据，验证补 救措施是否成功。 4 PAT与制药装备 PAT是一种通过定时对关键质量和性能指标进行测量，并进行设计、分析、控制和制造 过程的系统。PAT已经成为规范生产过程最优化的有效工具，从 PAT 得到产品成分的实时 数据可以改进人们对生产过程的认知程度和控制程度。因此，可以利用高密集的、可再现性 的产品数据来提高产品质量，通过更好的控制单元操作来避免延迟，如由释放时间产生的延 迟，PAT在这其中起着举足轻重的作用。PAT是应该在制药装备设计阶段就考虑到，其目 标是理解与控制整个过程。PAT是通过实行“设计保证质量”的原则来确保生产过程结束时的 产品质量，在提高效率的同时减少质量降低的风险。在线的测量与控制系统将能缩短生产周 期，防止次品和废料，提高操作人员的安全性和整体的生产效率。 也可以说，PAT要求用户和供应商在制药装备的设计和研发阶段要进行一种高层次的合 作，它要求智能的制药装备和传感器不仅能够传递加工过程的状态，而且还要能反馈传感器 的状态，这导致了新一代集成控制系统的诞生。过去，制药装备只是简单地控制它自身的功 能，另外三四套系统或者追踪机器的进料是什么，或者测定停机时间，或者追踪机器的性能。 但是现在应用 PAT的制药装备能知道什么时候它是一台好制药装备，什么时候不是。虽然， PAT 要求进行更多的验证，但是最终它会使加工过程更简单，也更有效，特别是在转换产 品时，而转换产品对于验证来说是另一个巨大的挑战。 5结论 本文从过程分析技术的定义与其技术介绍入手，简单地叙述了 FDA对 PAT的观点以及 PAT与制药装备的关系简述了过程分析技术，陈述了国外 PAT在制药工业的应用。可以得 到这样结论：PAT已是将来先进制药生产的必须，中国制药装备的先进性也与其息息相关。 参考文献： 1卞正岗.谈谈过程分析仪表，国际医药加工及包装商情[J].2007(6) 2 Dr Helmut Berg.PAT in pharmaceutical manufacturing.Bayer Technology Services Seminar.2008(4) 3 如何应对 FDA新要求：API生产的在线粒度分析与控制技术. www.chemshow.cn/UploadFile/datum/1000/sympatec_200813018450807582 4张耀平.冻干过程 PAT及方案设计.中国制药装备杂志.总 44期.2009(4) 5蒋箭平、黄跃东.瞬间微生物检测技术与应用.中国制药装备杂志. 总.9期.2008(10)