在生物制药 4.0 时代，数字孪生（Digital Twin）已成为实现智慧工厂的基石。数字孪生的效能高度依赖于物理世界与数字模型之间的数据同步能力。作为过程分析技术（PAT）的关键技术，原位在线拉曼分析技术凭借其对复杂分子振动信息的深度捕获，为工艺模拟器提供了高维度的实时数据输入，实现了从静态经验模型向动态感知模型的跨越。
在传统的工艺开发流程中，研发人员主要依赖离线生化分析获取断点数据。这种数据获取方式具有明显的碎片化与滞后性，难以支撑数字孪生所需的实时映射。引入能够提供原位（In situ）、实时（Real-time）、多变量（Multivariate） 监测的过程分析技术（PAT）成为必然需求。
原位在线拉曼分析技术的介入，从根本上改变了这一局面。通过原位插入反应器的光纤探头，它能够在不干扰工艺过程的前提下，连续获取反映反应器内部生化状态的指纹光谱。这一连续的光谱数据流，通过预先建立的定量模型，可同时、实时地解析出活细胞密度（VCD）、关键营养物质（如葡萄糖、谷氨酰胺）及代谢副产物（如乳酸、氨）的动态浓度曲线。这种原位、连续的“感知”能力，如同为数字孪生体接上了敏锐的感官神经，提供了高保真、无滞后的状态输入，确保了虚拟模型与真实工艺在时间维度上的高度同频共振。
数字孪生并非单纯的数学模拟，而是机理模型与数据驱动模型深度融合的产物。机理模型基于生物化学原理提供理论框架和解释性，而数据驱动模型则善于从复杂数据中捕捉潜在规律、弥补机理未知的变异。在线拉曼提供的多指标实时数据流，正是驱动这种“混合建模”高效运转的底层燃料。
生物工艺运行中，细胞代谢路径常因细胞株差异、培养基批次效应或微环境波动而发生偏移。在线拉曼捕获的实时生化数据可作为持续的反馈信号，动态校准机理模型中诸如比生长速率、底物比消耗速率等关键动力学参数。这使得数字孪生体能够实现基于实时数据的迭代演化，而非僵化地遵循预设的静态轨迹。关键工艺参数（CPP）与关键质量属性（CQA）关联预测 通过原位在线拉曼分析技术，系统能够实时监测反应器内的关键工艺参数（CPP）波动。数字孪生模型利用实时CPP数据流，结合高级化学计量学算法，构建针对产物效价、糖型分布或聚集率等关键质量属性（CQA）的预测逻辑。通过对 CQA 的实时预测，数字孪生系统能够在生产过程中动态评估并保障最终产品质量。数字孪生在生物制药 4.0 中的核心价值在于实现“感知-预测-决策”的闭环。原位在线拉曼分析仪在此过程中发挥数据枢纽作用。在灌流培养或补料分批等复杂工艺中，集成了在线拉曼数据的数字孪生系统能够实时计算工艺状态与目标轨迹的偏离风险。例如，当监测到关键营养物质浓度异常下降或代谢副产物异常累积时，数字孪生体可立即通过内部模型算法，预测该偏移对终点细胞活性、产物产量或质量的影响程度，并自动触发或推荐优化后的补料策略、或调整pH、溶解氧等环境参数的设定值。这种基于实时感知和高精度预测的前馈控制策略，将生物工艺的稳健性从被动的“监测-响应”提升至主动的“预见-干预”新阶段。在线拉曼与数字孪生协同工作，推动工艺开发团队转向更高效的研发模式。加速设计空间（Design Space）探索：借助于实时数据流支撑的数字孪生模型，研发人员可在计算机上进行大规模工艺压力测试，减少实际昂贵的湿实验次数，缩短规模放大的转化周期。强化工艺理解与一致性：实时监测积累的数字资产有助于深入解析工艺变量间的相互作用，确保在规模放大过程中实现高度的工艺一致性。契合先进制造的合规性趋势：数字化、基于数据与模型的实时过程控制模式，完全符合全球监管机构对连续制造及“质量源于设计”理念下先进制造技术的鼓励与期待，为企业的长期合规与质量卓越奠定基础。浚真生命科学自主研发的Akwa® R1是一款内置标准化通用模型，实时监测的原位在线拉曼分析仪。在生物工艺过程中在在线实时监测关键工艺参数（CPP）与产品质量属性（CQA），为工艺优化和质量管控提供核心数据支撑，从而帮助客户在确保产品质量的前提下提升目标蛋白产率，助力生物制药企业降本增效，实现更高效、更稳定的工艺开发与生产。在3L规模的Fed-batch培养工艺中，客户通过Akwa® R1原位在线拉曼分析仪对葡萄糖、乳酸、细胞活率、谷氨酰胺等关键参数进行实时监测，并与离线数据对比以评估其性能。结果显示，各参数的在线监测数据与离线结果高度一致，且RMSEP均处于极低水平，表明内置的标准化通用模型预测准确，能够为培养过程的实时监控与工艺优化提供可靠支持。
原位在下拉曼分析仪通过提供原位、实时、多变量的关键参数，有效解决了生物工艺数字孪生对高质量实时数据流的迫切需求。其与机理模型的深度集成，实现了从动态模型校准、深层状态感知到模型预测控制的完整闭环。当前国产创新仪器——Akwa® R1原位在线拉曼分析仪，正通过降低技术门槛、提升集成效率的方式加速该技术的产业化部署。对于生物制药行业而言，拥抱并投资于在线拉曼增强的数字孪生技术，是构建敏捷、稳健、智能的未来生产体系，实现质量源于设计（QbD）理念的关键战略步骤。关键词：生物制药；数字孪生，在线过程分析技术；原位在线拉曼光谱分析技术
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