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How To 優化產線:即時監控製程,反應不間斷!

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2020/12/10 ・3327字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文由 台灣賽默飛世爾 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

有病就要吃藥,但為了不讓救命藥丸變奪命毒丸,每顆藥丸的背後,都有著嚴苛的法律規範與研究支持,並研發出「一套精密、嚴謹的製作流程」,只有嚴格的品管,才能讓人安心服用,重新找回健康,迎接明天挑戰。不只在製藥產業,在半導體產業中,晶圓的刻蝕或磊晶過程都必須要嚴格把關,才能做出一片合格的積體電路晶圓。

「合格!」、「這個不行!」⋯⋯過去在產線上,我們大多仰賴人力進行監控與製造;隨著工業 4.0 與大數據時代的到來,工廠已經能利用智慧化的機具和設備,輔助人們工作,優化產線!

沒取樣找不到問題,一取樣又冒出更多問題

製作藥物的過程中,每一個步驟都會影響最終藥物的品質,像是濕度高產品不穩定、化學反應不夠完全、結晶型態不對、壓力失控、顆粒大小不均⋯⋯等。而在半導體產業中,刻蝕的成敗將決定積體電路的品質,刻蝕所用的酸液、雙氧水或光阻剝離液濃度只要稍有差錯,都可能讓投注無數心血、金錢的產品付諸流水。

以往傳統製作過程中,工廠會在製作途中「取樣」並送往實驗室分析;如此一來,不但需要費時等待有限的分析結果,取樣的過程中也容易造成汙染,干擾原本的製作流程,可能造成無法挽回的人為疏失或偏差。

除了效率較低,由於半成品需要取樣、離開產線,增添了更多不確定的變因,增加品質、安全性的風險,一旦被檢驗出失敗品,其分析成因、補救造成的時程延宕,對工廠造成的經濟打擊也是不容小覷。再加上取樣、檢驗技術的限制,工廠品管部門只能從樣品得到有限的分析結果,因此,工廠往往必須耗費龐大的人力和時間成本,才能達到品質管理的需求。

不只藥廠跟半導體廠會遇到這樣的難題,從化學工業發展以來,許多相關產業面臨了類似的困境,為了確保產品品質,大家都不斷在尋找更有效率、更精確的製作流程。

其中,腳步最快的就是製藥產業, 因應科技發展和管理需求,美國食藥署(FDA)在2004 年提出了新的管理框架——製程分析技術(Process Analytical Technology,簡稱 PAT),讓監控與優化不再是難事。

PAT:產品不離產線,即時分析過程確保品質

什麼是 PAT ? PAT 的關鍵在於「即時」,透過產線上的監控分析設備,工廠可以隨時量測原料、半成品、過程的關鍵參數,像是成分、濃度、結晶狀態等等,讓製作中的半成品自己告訴你「嗶嗶嗶!這裡出大事了啊啊啊!」。

透過 PAT ,工廠不用再浪費時間、苦苦等待遠方實驗室有限的分析資料,產線上的精密儀器就能一手掌握所有的重要參數,一旦數值不對,我們就可以即刻救援岌岌可危的半成品,開始補救或是停止產線。

這些重要數據也可以透過統計方法(例如多變量分析等)、建立模型,對產線有比較全面性的了解,更加宏觀地檢視製作流程,預測每個化學反應的終點。

同時,PAT 也讓工廠擁有更多小規模測試的機會,以往研發投入的資金,大部分會浪費在失敗的測試品上,有了 PAT 的即時監控,就能即時停止失敗品的製作,不僅減少原物料浪費,也讓工廠更靈活有彈性地研發新的產品或製程。 

藉由這些關鍵數據、統計分析法,工廠就可以設計出研發、測量、品管集於一身的系統,用更短的分析時間,得到更好的產品品質、降低製程中的各式風險,不再花大錢製作廢料或廢品。

步步為營,時時監控,全面掌握製程提升品質

傳統的離線檢驗法,就像是工廠為製作流程「拍幾張紀錄照」(taking several snapshots),而 PAT 的做法,卻是幫製程「錄製一個更完整的紀錄影片」(recording a movie)。除此之外,工廠也可以藉此找到流程中的缺陷,發現不曾發現的未知數,自己幫自己 debug,優化出更完美的製作流程!

在製藥產業中,為了真正減少患者的痛苦並改善他們的生活,藥廠必須能夠確保自己製造出安全、有效又高品質的藥物。然而,藥物不僅結構複雜,製作的過程也非常的繁瑣,過程中甚至可能包含許多有害物質。

面對處處充中充滿風險和陷阱的藥物製造,美國食品藥物管理局(U.S. Food and Drug Administration,  簡稱FDA)的 PAT 指南中這麼寫道「產品品質並非檢驗出來的,應是產品本身固有的或是被設計成如此(Quality cannot be tested into products; it should be built-in or should be by design)」。

高品質絕非來自於產品的最終檢驗,而是源自於好設計,使產品在製造時便蘊含高品質。從流程直接保證藥物品質,才是積極又負責的作法,這也是 FDA 在 2002 年開始提倡的新藥品品質概念: 藥品的品質是經由設計出來的(Quality by Design,簡寫為 QbD)。

PAT帶動監測儀器發展,拓展應用層面

隨著製藥產業率先走入 PAT 的管理框架,許多相關產業如化工、化石、半導體……等,都發展出即時監控的衍生技術與設備,像是線上近紅外光譜儀(on-line NIR)或是桌上型核磁共振儀(NMR)

線上近紅外線光譜儀。圖/台灣賽默飛世爾

以線上近紅外光譜儀(on-line NIR)為例,它可以在不破壞樣品的情況下,運用光譜法在數秒到數分鐘內,取得傳統要十五分鐘甚至半小時以上,用各種不同檢驗方法才能分析出來的水分、酸價、羥基的數據,有助於縮短研發時間與成本。

在半導體製程上,NIR可運用光譜法即時分析原物料組成,過往製作積體電路的半導體廠,只能透過上游廠商提供的品質證明,來判斷這一批晶圓品質。有了NIR介入,就能針對每一塊即將進入產線的晶圓進行即時分析,防止因原物料缺陷而導致的資源浪費。

在必須時時監控反應過程的刻蝕中,由於溶液內混合了多種化學物質,傳統的電導率法與 pH 值偵測有使用上的限制,而 NIR 提供的光譜,能更加精確地確認溶液組成,也能偵測反應過程中的細微變化。

在產線上,線上(on-line)技術可以即時提供數據給自動化管理系統作為監控依據,也能透過蒐集到的巨量數據分析,揭露更細微的生產風險,找到更適合的生產行程,來實踐 PAT 中的 QbD 精神。

不過,並非所有製程都需要 PAT,像是切削工件,通常只需要雷射尺跟幾個簡單的判斷標準,就能作出工差極小的工件,不像製藥或半導體產業,需要掌握眾多反應數據才能監控品質。

即使如此,我們依舊可以從 PAT 的重要價值中取經,像是 QbD 、縮短生產週期、不中斷連續製程、減少人為誤差⋯⋯等,不同的產業該如何利用相似的概念,發展符合特定產線需求的新技術,藉此提高生產效率,便是優化產線道路上的重點!


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參考資料:

  1. FDA:Guidance for Industry PAT — A Framework for  Innovative Pharmaceutical  Development, Manufacturing,  and Quality Assurance
  2. An Introduction To Process Analytical Technology
  3. 利泓科技:過程即時線上分析技術 PAT – Chapter 1
  4. 利泓科技:過程即時線上分析技術 PAT – 軟體篇
  5. 利泓科技:FT-NIR Spectrometer,近紅外光譜儀 
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