生物药物重组人干扰素α2b注射剂生产线的虚拟仿真教学实验

实验目的

1．典型工艺设备3D虚拟仿真，使学生掌握其工作原理与操作规范

重组人干扰素α2b是典型的生物类药物代表，属一线药物，具有广谱抗病毒、抗肿瘤、抑制细胞增殖以及提高免疫功能等作用，对于治疗病毒性疾病有很好的功效。重组人干扰素α2b注射剂的生产设备包括发酵罐、配液罐、层析系统、冷冻干燥机、灌装机、轧盖机等，提高学生制药设备理论知识水平，锻炼学生动手操作能力，按GMP法规操作与使用工艺设备，模拟验证生产设备，培养学生分析问题与解决生产过程中问题的能力，创新源于实践，在新的教学模式下，学生在动手生产的同时可充分发挥个人的创造力来解决问题，从而培养学生的实践应用能力和创新能力。

2．典型生物制药工艺3D虚拟仿真，使学生掌握生物制药生产全过程

本项目重组人干扰素α2b生产工艺包括扩种、发酵、纯化、灌装、冷冻干燥、压盖、质检等工序，通过该虚拟仿真实验培训，要求学生学习并掌握：1.大肠杆菌表达系统制备重组人干扰素α2b的原理；2 .微生物分批式发酵过程、逐级放大及过程控制；3.纯化原理及过程控制；4.冻干工艺及过程控制；5.QA和QC的内容与职责等。使学生从全局掌握生物制药生产工艺，培养学生工程素养，为训练学生解决复杂工程问题提供强有力的实践基础。

3．生物制药车间“真实”再现，培养学生的工程素养与车间设计能力

基于真实企业生产线，采用计算机3D仿真技术，构建本项目重组人干扰素α2b生产工艺实验模型，即该生产工艺是现实车间真实模拟。制药工程设计是制药工程专业的必修课程，是现代医药工业的发展趋势和工程技术的必要需求，学生通过综合应用所学知识开展工程设计实践活动，可培养其工程实践能力及团队协作精神。重组人干扰素α2b注射液生产线是根据制药企业GMP认证需求设计的虚拟仿真系统，学生可通过厂区漫游了解整个车间的设计布局和设计理念，掌握GMP法规对车间设计的要求，通过切身体验更有利于快速掌握知识内容，培养学生的药厂设计能力。

4、“嵌入式”生物制药实景教育，培养学生解决复杂工程问题能力目前，我国制药工程专业本科教育存在实践平台缺失、实践机会少、学生动手能力差等一系列问题，其主要原因是由于制药行业的特殊性，学生进入企业实习的机会少，即使在制药企业进行生产实习，真正能进入GMP生产车间核心部门学习的人数也是非常有限。为解决这一困局，我院从2014年起在大四的课程设置中增加了制药工艺综合实验课程，该课程的主要内容是以生物药物的制备和质量评价以及化学药物的合成及质量评价为主线，开设相应的综合实验课程。但由于实验面积、资金等条件的限制，该实验条件还不能满足学生GMP生产实训的需求，因此建立GMP生产虚拟仿真系统势在必行。该系统的建立有利于全面提升制药工程专业人才培养质量，为我国制药行业的发展注入更加优质的人才资源。通过本项目实训，掌握生物药物生产全过程，理解重组人干扰素α2b注射液的生产要点，分析影响药品生产的各种因素，培养学生解决复杂工程问题的能力。

实验课时

实验原理

实验原理说明：根据基因工程菌和目标产物特性，设计重组干扰素rhIFNα-2b生产工艺流程如图1所示。

图1 重组干扰素rhIFNα-2b生产的整体工艺路线

实验仪器设备（装置或软件等）

虚拟仿真实训教学平台设备包括硬件和软件两部分。

硬件：由电脑、桌椅、交换机、VR设备组成的操作设备共20台套。

软件：生物制药虚拟仿真实训软件，包括生物制药厂区布局、车间设置、一条重组干扰素的生物生产线和模拟生产过程、相关仪器设备的三维结构图和操作方法、生产过程问题处理、考试体系等。

实验材料（或预设参数等）

实验教学方法

（举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果）

1.使用目的

药学院和生物工程学院的专业建设理念是深入贯彻“重视理科基础、强化工科实践、突出生物特色”，以培养具有解决复杂工程问题能力的创新型工程专业人才。然而随着生物技术的快速发展，生物药物制备的方法、剂型越来越多，生产过程对设备控制的要求也越来越高，而学生进入药厂进行实际动手操作的机会却越来越少，药厂实习往往沦为走马观花式的"药厂一日游"；另一方面，药厂对毕业生的要求越来越高，仅靠传统的教学方法已无法满足人才培养的需求。因此，在实践教学领域，虚拟仿真实验室建设已变得尤为重要。

本项目基于“能实不虚、虚实结合”的原则，以学院小试教学实验为基础、以真实科研项目为蓝本，依托3D仿真技术专业软件、多媒体技术和数据库技术，将实际的药厂布局、实验设备真实呈现，更可以将难以观察的设备内部结构可视化，将高成本、高危环境的实训项目常规化，通过与现有的教学实验室相结合，能起到相互补充、相互促进的效果。

2.实施过程

1)虚拟仿真实验室是虚拟仿真教学的实际场所，实验室需配备能运行相关软件的电脑及VR设备，生物制药虚拟仿真实验室目前已基本建设完成。

生物制药虚拟仿真软件是由本单位相关领域老师和上海馨正信息科技有限公司共同设计开发，软件内容以重组人干扰素α2b

的生产为主线，涵盖工程设计、设备仿真、工艺仿真、厂区漫游、生产操作仿真和在线考试六大模块。目前该软件已基本开发完成，单机版软件已正常运行，双方将通过持续改进的模式继续优化软件内容，以不断提升教学效果。

2）教学过程

学习仿真软件的使用方法；

老师带领学生进入系统的每个模块，并讲解每个模块的功能和操作方法；

学生个人进入系统的每个模块，完成相应的学习和操作；

师生交流、答疑；

考核。主要包括两方面：

1.故障模拟和排除，自动考核评分；

2.生产安全、工艺知识点、工艺操作，自动考核评分。学生通过在线考核模块完成课程考核。

3.实施效果

1）教学内容更加形象、生动、直观

仿真软件将实际的药厂布局、实验设备真实呈现，将难以观察的设备内部结构可视化，对复杂零部件任意位置、任意角度剖切，操作者可以进入虚拟厂区进行实际观察和操作，软件中还设计了故障模拟环节，操作者需要排除故障才可以进入到下一阶段的操作。如此形象、生动、直观的教学内容可以很好地提升教学效果。

2）教学过程更安全

生物制药系统关系到很多危险系数较高或大型的精密实验设备，如高压灭菌容器、蒸汽发生器、大型生物发酵罐、冻干设备、离心设备等，学生操作真实实验设备的机会较少，初学者使用的危险性也较高。将这些设备改为程序控制的软件系统，

3）教学成本更节约

生物制药相关的GMP车间以及大型设备价格都非常昂贵，并且每批次生产周期长达数周，实验成本巨大。该类实验通过虚实结合，采用教学小试实验结合计算机模拟中试生产，可以大大节约成本，即便学生操作失误，也可以重复进行，不必担心实验消耗的问题。

4）解决工厂实习难的困局

制药企业大都危险性高，环境、卫生和安全要求严格，生产过程也日趋集成化、自动化、连续化，学生动手实践的机会越来越少。通过工艺实习实训软件，可以帮助学生更好地理解相关工艺原理、操作环境、过程与控制系统、故障处理、三废处理、生产安全等，增强学生的动手能力、实践能力和工程意识。

实验方法与步骤要求

（学生交互性操作步骤应不少于10步）

实验方法描述：

本实验项目包括工程设计、设备仿真、工艺仿真、生产操作仿真、工艺验证和在线考试6个模块，学生进入软件后可以自行选择相应的模块进行学习。其中生产操作仿真模块包括10个工段。

学生交互性操作步骤：16

学生交互性操作步骤说明：

1、工程设计模块：

的工程设计图纸，包括药厂工程设计中的相关设计规范、设计文档、工艺流程、辅助专业设计等资料，尽可能从基础设计理论、三维工程设计等多个角度帮助学生理解制药工程设计的概念，建立初步的工程设计认知能力。

2、设备仿真模块：

技术、刚体动力学技术对于关键的工艺设备进行液体流动和颗粒流动（包括多相）模拟与展示，最大程度真实展示设备的工作原理，提高对新版GMP洁净度等系列规范要求的理解，为教学提供可视化的深读解析。

3、工艺仿真模块：

该模块展现主要工段的工艺流程图以及相应的工艺说明，点击某一工艺步骤即可进入该工艺动态展示图，展示内容包括该步骤的管线控制、阀门开度、液体流向等，通过详细的工序流程和相应的流体动态展示，提高学习的可观性，增强学生对各工艺流程的直观认识。

4、生产操作仿真模块：

该模块以具体的生产流程为主线，进行岗位场景的切换，涉及安全生产的各个工序环节，充分体现药品生产过程中的生产质量管理体系和新版GMP标准中对于人流、物流和工器具流的规范要求。全三维沉浸式立体交互模式可进一步提高学生对药品生产全过程的认知学习。进入生产操作仿真模块，一楼为冻干制剂车间，二楼为发酵纯化车间，点击各工段名称可进入该工段。每个工段均可选择"学习模式"或"考核模式"，其中考核模式为操作考核；学习模式中提供详细的操作流程，可对照进行操作练习。