Биофарма и численное моделирование: опыт и практика компании Amgen
В биофармацевтической промышленности, как в любом современном высокотехнологическом производстве, все чаще используются методы и инструменты численного моделирования физико-химических процессов для решения самых разнообразных задач, начиная от разработки новых лекарственных форм и методик их производства и заканчивая анализом процессов транспортировки, хранения и доставки лекарственных препаратов.
Amgen — одна из ведущих биофармацевтических компаний мира. Лекарства этой компании помогают миллионам людей, страдающим от серьезных заболеваний. Каждый лекарственный препарат — это продукт кропотливой работы ученых, инженеров и технологов. Специалисты компании Amgen используют мультифизическое моделирование как инструмент, который позволяет обеспечить эффективность и безопасность всех этапов производства. В силу специфики задач, возникающих в этой отрасли, очень часто приходится иметь дело с моделированием сложных физико-химических процессов, поэтому доступность широкого набора математических моделей в программном обеспечении для численного моделирования является ключевым фактором.
Пабло Роланди, директор по организации производственных процессов Amgen, проанализировал, как специалисты компании используют среду численного моделирования COMSOL Multiphysics® для решения стоящих перед ними задач.
Роланди пришел к выводу, что «COMSOL — это зрелая платформа с современными принципами разработки, которая позволяет создавать комплексные модели, благодаря логичному и простому в использовании графическому интерфейсу, а также возможностям решения междисциплинарных задач физическо-химического моделирования». Роланди возглавляет группу специалистов, которые используют методы мультифизического моделирования для решения разнообразных задач на этапе проектирования и разработки новых технологических процессов и систем. Все чаще эти решения превращаются в удобные приложения для моделирования, которые создаются на основе расчетной модели с помощью Среды разработки приложений COMSOL. Приложения позволяют получать и использовать результаты численного моделирования широкому кругу заинтересованных сотрудников, причем даже тем, кто не является экспертом в области численных расчетов и компьютерного моделирования. За полтора года группе Роланди удалось создать целую библиотеку простых в использовании приложений, призванных повысить эффективность научных исследований и ускорить разработку новых технологий.
В этом видео мы рассказываем о среде разработки приложений COMSOL, которая позволяет создавать на основе расчетных моделей удобные в использовании приложения с необходимым именно Вам графическим интерфейсом и открывает возможность для расширения функционала среды численного моделирования за счет написания дополнительных процедур и скриптов.
Одно из направлений, в котором группа Роланди применяет инструменты численного моделирования, — это оптимизация и устранение «узких» мест в производственных процессах. В качестве примера успешного внедрения результатов моделирования можно привести задачу об интенсификации процесса сушки. Проблема возникла, когда компания отказалась от услуг контрактной организации и перенесла производство на собственную фабрику в Сингапуре.
Выяснилось, что производительность фильтровальной сушилки, в которой выполняется удаление влаги и разделение компонентов, слишком низкая, что повышает риск неудовлетворенного спроса на конечную продукцию. Группа Роланди озадачилась построением расчетной модели, с помощью которой можно было бы найти узкие места и оптимизировать процесс сушки. Поскольку технологический процесс является многостадийным, и для первых трех этапов ранее использовался другой тип оборудования, у специалистов Amgen было недостаточно данных о характеристиках сушилок, что не позволяло создать точную модель и определить, как на производительность повлияли изменившиеся условия проведения сушки. Прежде всего, нужно было оценить влияние двух критических параметров — скорости испарения и диффузии в новой сушилке. Специалистам пришлось просчитать большой набор данных и использовать регрессионный анализ для их обработки, чтобы получить все характеристики модели. На основе разработанной расчетной модели COMSOL было создано простое в использовании приложение, в котором можно посчитать время, требуемое для завершения полного цикла сушки.
Приложение для расчета времени сушки при различных условиях проведения процесса. В приложении предусмотрена возможность сравнения результатов расчета с экспериментальными данными
Этим приложением пользовались инженеры-технологи, настраивающие оборудование и производственные процессы. Приложение позволяет пользователям оценивать влияние изменения условий работы оборудования и принимать меры для повышения его производительности.
В этом видео мы представляем обзор возможностей модуля Оптимизация пакета COMSOL Multiphysics® и на примере трех обратных задач — теплопроводности, сопряженного теплообмена и химической кинетики, показываем, как настроить вычислительную модель.
Еще один пример успешно решенной с помощью моделирования проблемы — соблюдение стандартов стерилизации транспортировочных контейнеров. Лекарственные препараты с фабрики транспортируются в специальных контейнерах, которые, необходимо стерилизовать согласно строгим требованиям соответствующих стандартов, ведь любое, даже незначительно бактериальное загрязнение препарата может привести к очень неприятным или даже опасным последствиям. Стандартная процедура стерилизации с помощью этиленоксида не подходила для новых контейнеров и ее необходимо было откорректировать. Группа Роланди предложила проанализировать процесс диффузии этиленоксида в новых контейнерах с помощью численного моделирования, что позволило избежать многочисленных дорогостоящих экспериментов. Было разработано приложение, в котором пользователь мог задать область проникновения загрязнения, указать растворимость, константы диффузии и рассчитать, как со временем изменяется концентрация этиленоксида в контейнере.
Приложение для моделирования процесса стерилизации, в котором рассчитывается изменение концентрации этиленоксида в контейнере с течением времени
Технологи использовали приложение, чтобы подобрать оптимальную концентрацию стерилизующего агента для заданных условий в контейнере определенной геометрической формы. Внедрение приложения позволило существенно сократить, а в некоторых случаях даже исключить необходимость проведения экспериментов, что в свою очередь на несколько месяцев сократило этап проектирования и расходы на проведение экспериментов. «Оказалось, что создавать приложения для численного моделирования намного эффективнее», — говорит Роланди.
В этом видео мы рассказываем, как моделировать процессы в химических реакторах различных типов в COMSOL Multiphysics®. В видео рассмотрены вопросы моделирования процессов переноса и кинетики химических реакций в проточных, пористых реакторах и реакторах смешения.
«Я думаю не только о численном моделировании, но еще и о разработке и интеграции самых продвинутых приложений и методов, — говорит Роланди. — Я считаю, что перед нами стоит стратегическая задача, и мы только приступили к ее решению». Одна из проблем, которую предстоит решить, — учет фактора неопределенности (погрешности) исходных данных. На практике входные параметры любой задачи редко заданы точно, все они характеризуются некоторой погрешностью. Чтобы повысить надежность и полезность моделирования, необходимо учесть эти погрешности.
Например, группа Роланди работает над созданием расчетной модели автоматического инъектора — прибора для введения лекарства в автоматическом режиме без участия врача. Важнейшим параметром устройства является время доставки препарата. Этот параметр нужно точно контролировать, чтобы строго соблюдать назначенные врачом дозировки вводимого лекарства. Сложность в том, что время доставки определяется рядом параметров, известных с разной точностью — это геометрические размеры и форма емкости, плотность и вязкость препарата, коэффициент трения для поршня в инъекторе и т.д. Если погрешность этих параметров не учитывать, то невозможно определить дисперсию для времени доставки лекарства, а без этой характеристики его невозможно точно контролировать. В результате моделирования важно получить распределение вероятностей результата, это позволит лучше проанализировать работу всей системы в целом.
Для анализа чувствительности времени доставки к различным исходным параметрам специалисты из группы Роланди воспользовались инструментами мультифизического моделирования, с помощью которых они рассчитали индекс чувствительности для каждого параметра задачи. Например, они выяснили, что вязкость препарата и геометрические размеры иглы определяют 90% дисперсии для времени доставки, а на остальные параметры приходятся оставшиеся 10%. Это позволило существенно упростить модель, поскольку только несколько параметров оказывают существенное влияние на время доставки. В свою очередь, эти знания облегчили составление технических заданий для поставщиков компонентов и понизили риски ошибок.
Приложение для моделирования автоматического инъектора, которое рассчитывает погрешность времени доставки препарата
Как и другие расчетные модели, построенные в COMSOL Multiphysics®, модель для анализа времени доставки препарата была превращена в удобное и простое в использовании приложение, в котором пользователи могут просматривать документацию, задавать исходные данные, выполнять анализ погрешности и в автоматическом режиме создавать отчеты о выполненном расчете. Внедрение приложения снова позволило сэкономить время и средства на проведение исследований.
В этом видео мы расскажем, как использовать функцию анализа чувствительности модели к ее входным параметрам. На достаточно простых примерах мы продемонстрируем ключевые настройки расчетной модели и покажем, как выполнить анализ чувствительности при моделировании различных физических процессов.
Компания Amgen использует локальную версию COMSOL ServerTM, чтобы сделать приложения доступными для своих сотрудников. «Мы хотим, чтобы все сотрудники компании Amgen пользовались нашими приложений, — говорит Роланди. — Я горжусь тем, что на данный момент в компании активно используются более десяти приложений. Внедрение подобных технологий стало возможным исключительно благодаря использованию среды COMSOL».
COMSOL ServerTM позволяет очень легко развертывать, администрировать и использовать приложения как внутри компании, так и за ее пределами через интернет. Пользователи могут просто войти в систему через обычный веб-браузер и получить доступ к библиотеке приложений, разработанной группой Роланди.
Библиотека приложений компании Amgen, разработанных группой Роланди
Группа Роланди не собирается останавливаться на достигнутом и планирует интегрировать свои приложения в технологический процесс, например, автоматизировать ввод исходных данных, а сами приложения превратить в «вычислительное ядро» информационной системы компании.
В этом видео мы покажем, как использовать алгоритмы и уникальные инструменты моделирования COMSOL Multiphysics® для решения произвольных систем алгебраических и дифференциальных уравнений и для модификации существующих физических интерфейсов.
Еще больше примеров использования COMSOL® исследовательскими коллективами из ASML, TAUW, NRC, Endress+Hauser, Sintex, Amgen, TUM, EPFL, NTS и др. можно найти в выпуске журнала COMSOL NEWS 2018 на русском языке.
- Мультифизическое моделирование при производстве микросхем. ASML, Нидерланды
- Моделирование многофазных потоков в очистных сооружениях. TAUW, Нидерланды
- Моделирование в области биофармацевтики. AMGEN, США
- Снижение риска гальванической коррозии в алюминиевых конструкциях. Национальный исследовательский совет Канады
- Разработка и анализ бесконтактных магнитных муфт. Sintex, Дания
- Оптимизация акустических расходомеров. Endress+Hauser, Швейцария
- Приложения для моделирования и исследований в области трибологии. Центр исследований механизмов (FZG) Мюнхенского технического университета (TUM), Германия
- Численное моделирование акустических метаповерхностей. EPFL, Швейцария
- Улучшение эффективности спекания железосодержащих руд. Промышленно-исследовательский институт общества немецких металлургов, Германия
- Оптимизация конструкции пассажирских автомобилей с помощью приложений для моделирования. Mahindra Two Wheelers, Индия
-Мультифизическое моделирование на защите ветряных турбин от молний. NTS, США
А еще мы приглашаем всех желающих 1 ноября на главное мероприятие для настоящих и будущих пользователей COMSOL — день COMSOL в Москве.
- Бесплатно в центре Москвы говорим весь день о моделировании в COMSOL
- Множество активных пользователей пакета в одном месте делятся опытом и знаниями
- Инженеры COMSOL отвечают на каверзные вопросы
- Приглашенные доклады от ведущих наукоемких и инновационных организаций России
- Программа из 4-х миникурсов: Механика, Электротехника, Обратные задачи и Автоматизация
- Кофе, печеньки и мультифизика
Бесплатная регистрация и полная программа по ссылке.
