一、前言

近年來對低成本、高生產效率、高穩定性與永續性之生物製造系統(包括病毒載體、細胞生產製造)的需求逐漸成長，帶動了生物製藥產業的數位化轉型。物聯網、人工智慧等數位科技能自動且精準地監測與管理生產流程各環節，以提高生產效率、盡早發現與修正製程異常、改善產品品質，同時能減少生物製造的碳足跡與浪費，並且有助於連續式生物製造(continuous biomanufacturing)的實現。另外，供應鏈數位化亦有助於克服細胞等生物製劑產品運送、儲存與管理等物流方面的挑戰，同樣為數位生物製造發展的重要驅動力。根據麥肯錫分析報告，數位化能顯著提升生物製藥的產能（提高20-40%）、縮短交貨時間（縮短15-20%），同時能提高資訊透明度，使決策制定更加靈活且有效率(估計能節省工廠負責人約15%的管理與決策時間)。

二、關鍵數位科技與生物製造應用

促進數位生物製造發展之關鍵數位科技包括：自動化與機器人技術(Automation and robotics)、區塊鏈(Blockchain)、人工智慧 (Artificial　intelligence, AI)、數位孿生(Digital twin)、物聯網及雲端技術(IoT and Cloud)等技術。前述各項關鍵數位科技之介紹請參閱圖一，以下針對數位科技於生物製造之應用範疇作說明：

(一) 生產流程優化：以數據做為基礎的流程控制
數位化能改善生物製造的生產流程，包括上游端的細胞培養流程，以及下游端的萃取與純化流程。在上游端，數位科技有助於優化與標準化細胞的培養環境與條件。例如：自動化培養系統能避免人為操作錯誤，並且能夠精準地重複同樣的培養流程，有助於規模化生產；人工智慧演算法能根據細胞的生理參數，篩選出適合培養與產量大的細胞株進行培養；數位孿生技術能預測細胞的產量與品質，提供最適合的細胞培養流程。在下游端，數位科技有助於改善產品萃取與純化流程，提高產品品質。例如：先進的純化過濾系統能透過感測器、分析軟體、人工智慧等數位工具檢驗雜質並調整純化步驟。同時，前述系統所蒐集的相關數據，還能提供予上游的培養系統進行分析，以進一步優化細胞的培養流程。

(二) 生產流程分析與監控：生產即時監控
數位化能自動且不間斷地監控生產流程的重要環節，並且調整製程，以維持產品品質的穩定性。結合人工智慧、分析工具的先進的流程分析技術(Process analytical technology, PAT)，能夠監測製程中的關鍵製程參數(Critical process parameters, CPP)與關鍵品質屬性(Critical quality attributes, CQA)，以及早發現具缺陷的產品，降低最終產品的安全風險。PAT與自動化系統結合，除了能夠即時檢驗產品品質，還能立即調整生產參數，使各生產階段的產品品質皆能符合預期設計。

(三) 工廠營運：實現高效率生產並可因應營運上的挑戰
自動化設備能提高產品的生產效率，縮短產品的生產時間。利用物聯網與雲端平台將設備相關數據及時儲存於雲端，可取代傳統人工與書面記錄，有助於操作員遠距監控設備運行狀態，同時能提高數據的透明度，使管理階層能更清楚掌握工廠的營運情況，提升管理效率。
另外，擴大生物產品的生產規模需要大量的投資，包括設備與營運系統等方面的投資。透過AI和數位孿生技術，能夠在實體生產設備與流程設立之前，先建立起數位模型進行測試，並且優化製程放大(Scale-up)流程，以減少不必要的設備投資。

(四) 供應鏈管理：提升供應鏈的透明度、可追溯性與安全性
供應鏈管理是生物製造中相當重要的環節。除須確保上游供應鏈的材料來源與品質外，由於許多生物產品有嚴格的保存條件與使用期限，因此須與供應鏈中的利害關係人合作，密切監控產品的運送與交付流程，以確保產品功效。以自體細胞療法流程為例，首先需要從患者身上取出特定細胞，而後將細胞送至工廠開發成細胞療法產品，最後再送回患者身上。前述各項流程皆需要隨時監控環境與細胞的狀態，才能保障產品在交付予患者時，仍具備療效。區塊鏈、雲端技術、物聯網等數位技術有助於建立安全與可信賴的供應鏈，包括能與利害關係人共享重要資訊，提升彼此之間的信任度；追蹤供應鏈中的原物料與產品，以追溯原物料來源並確保產品能即時交付予客戶。另外，二維條碼或感應晶片的使用，亦有助於識別市場上的仿冒品。

三、代表性案例

        以下分別介紹4項數位生物製造之代表性案例：

(一) 用於細胞與基因療法的AI供應鏈管理平台- OCEELOS
開發業者：Trakcel
Trakcel開發了一個名為OCEELOS的AI供應鏈管理平台，為細胞療法等先進療法開發與產品運送等服務提供即時訊息。該平台能與供應商的系統整合並自動下定單，亦可查看產品的生產以及運送現況，同時也支持多個製造站點的產能調度與管理。此外，細胞療法種類繁多，且生產製造流程以及適用的患者族群不盡相同，因此在不同療法的管理上相當具備挑戰性。OCEELOS平台的另一項優勢為能支持不同細胞療法的供應鏈管理，並且能夠主動通知與引導使用者後續的步驟與流程，以降低發生管理失誤的可能性。
OCEELOS平台已上市，且已經有超過500名患者透過該平台進行治療。目前Trakcel正積極強化與製造商、醫院等利害關係人的合作，以提高供應鏈之透明度與管理效率。

(二) 自動化處理系統與移動式細胞療法產品生產基地-POCare平台與OMPUL實驗室
開發業者：Orgenesis
美國Orgenesis公司推出封閉式的自動化處理系統-POCare平台，以簡化細胞基因療法產品的生產流程。另外，Orgenesis亦結合了POCare平台、移動式潔淨室(clean room)與生產製造設備，推出小型的移動式實驗室-Orgenesis Mobile Processing Units and Labs(OMPUL)。OMPUL具備機動性，能於醫院附近設置並且生產所需要的細胞產品，同時亦使用IoT、雲端科技等數位科技，即時監控與追蹤生產相關數據，以確保產品品質與可追溯性。

(三) 自動化控制平台與生產平台- Figurate與FlexFactory
開發業者：Cytiva
Cytiva與工業自動化業者Rockwell Automation合作開發出Figurate自動化控制平台。該平台結合了Rockwell Automation的PlantPAx分散式控制系統以及Cytiva的軟體，能自動化控制與管理生物製造流程，並且可將生產相關資訊整合到標準化的數位資料庫內。此外，Figurate亦能將製程資訊上傳至雲端，並且與其它製程資訊整合與分析，以進一步優化製造流程。另外，Cytiva亦結合多種製程設備(如蛋白質純化設備與生物反應器)與Figurate自動化控制平台，推出FlexFactory生產平台。該平台能夠自動化執行多種符合cGMP規範的生物製造流程，包括細胞培養、蛋白質純化、無菌封裝等。目前Cytiva已於全球安裝了超過100條以FlexFactory生產平台為基礎的產線。

(四) 能遠距監控的生物反應器以及細胞培養與生產服務
開發業者：Culture Biosciences
Culture Biosciences開發出能自動化培養以及能遠距監控的生物反應器，並且提供細胞培養與生產服務。使用者能將細胞培養的工作委託給Culture Biosciences執行，並且可透過網路隨時監控細胞的生長狀況以及調整培養流程。該服務能加速細胞產品的開發，例如透過大量測試以篩選出合適的細胞株或者優化培養流程，同時能節省產線設置所需的時間與成本。

四、結語

目前生物製造產業正積極利用人工智慧、區塊鏈、自動化等數位科技，以優化生產流程、提高產品品質與產量、改善工廠營運效率與降低生產成本，以及建立安全與可信賴的供應鏈。另外，Frost & Sullivan評估，隨著人工智慧技術的進步，數位孿生能模擬與預測的範疇將逐漸擴大到整個生物製造流程，且分析速度與預測準確度亦會大幅提升，從而成為生物製造業者進行決策不可或缺的重要工具。