في صناعة الأدوية الحيوية ، كما هو الحال في أي إنتاج حديث عالي التقنية ، يتم استخدام طرق وأدوات النمذجة العددية للعمليات الفيزيائية الكيميائية لحل مجموعة متنوعة من المهام ، بدءًا من تطوير أشكال الجرعات الجديدة وطرق إنتاجها إلى تحليل عمليات النقل والتخزين وتوصيل الأدوية .

Amgen هي واحدة من الشركات الصيدلانية الحيوية الرائدة في العالم. تساعد أدوية الشركة ملايين الأشخاص الذين يعانون من أمراض خطيرة. كل دواء هو نتاج العمل الشاق للعلماء والمهندسين والتقنيين. يستخدم متخصصو Amgen نمذجة الفيزياء المتعددة كأداة تساعد على ضمان الكفاءة والسلامة لجميع مراحل الإنتاج. نظرًا لخصائص المشاكل الناشئة في هذه الصناعة ، غالبًا ما يتعين على المرء التعامل مع نمذجة العمليات الفيزيائية والكيميائية المعقدة ، لذا فإن توفر مجموعة واسعة من النماذج الرياضية في البرمجيات للنمذجة الرقمية يعد عاملاً رئيسيًا.

قام بابلو رولاندي ، مدير إدارة عمليات الإنتاج في Amgen ، بتحليل كيفية استخدام المتخصصين في الشركة لبيئة المحاكاة العددية COMSOL Multiphysics ^® لحل مشاكلهم.

توصل Rolandi إلى استنتاج مفاده أن "COMSOL عبارة عن منصة ناضجة ذات مبادئ تطوير حديثة ، والتي تسمح لك بإنشاء نماذج معقدة ، وذلك بفضل الواجهة الرسومية المنطقية وسهلة الاستخدام ، بالإضافة إلى القدرة على حل المشكلات متعددة التخصصات للنمذجة الفيزيائية والكيميائية". يقود Rolandi مجموعة من المتخصصين الذين يستخدمون طرق النمذجة متعددة الفيزياء لحل المشكلات المختلفة في مرحلة التصميم والتطوير للعمليات والأنظمة التكنولوجية الجديدة. تتحول هذه الحلول بشكل متزايد إلى تطبيقات ملائمة للنمذجة يتم إنشاؤها على أساس نموذج الحساب باستخدام بيئة تطوير تطبيقات COMSOL. تتيح لك التطبيقات الحصول على نتائج النمذجة الرقمية واستخدامها لمجموعة واسعة من الموظفين المهتمين ، حتى أولئك الذين ليسوا خبراء في مجال الحسابات العددية ونمذجة الكمبيوتر. لمدة عام ونصف ، تمكنت مجموعة Rolandi من إنشاء مكتبة كاملة من التطبيقات سهلة الاستخدام المصممة لزيادة فعالية البحث وتسريع تطوير التقنيات الجديدة.

تحسين العملية

أحد المجالات التي تطبق فيها مجموعة Rolandi أدوات النمذجة الرقمية هو تحسين الاختناقات وإزالتها في عمليات الإنتاج. كمثال على التنفيذ الناجح لنتائج المحاكاة ، يمكننا أن نذكر مشكلة تكثيف عملية التجفيف. نشأت المشكلة عندما رفضت الشركة خدمات منظمة العقود ونقل الإنتاج إلى مصنعها الخاص في سنغافورة.

اتضح أن أداء مجفف المرشح ، حيث تتم إزالة الرطوبة وفصل المكونات ، منخفض للغاية ، مما يزيد من خطر الطلب غير الملبى على المنتج النهائي. حيرت مجموعة رولاندي من بناء نموذج حسابي يمكن من خلاله إيجاد اختناقات وتحسين عملية التجفيف. نظرًا لأن العملية التكنولوجية متعددة المراحل ، وكان يتم استخدام نوع مختلف من المعدات سابقًا في المراحل الثلاث الأولى ، لم يكن لدى المتخصصين في Amgen بيانات كافية عن خصائص المجففات ، والتي لم تسمح بإنشاء نموذج دقيق وتحديد كيفية تأثير ظروف التجفيف المتغيرة على الإنتاجية. بادئ ذي بدء ، كان من الضروري تقييم تأثير معلمتين هامتين - معدل التبخر والانتشار في المجفف الجديد. كان على المتخصصين حساب مجموعة كبيرة من البيانات واستخدام تحليل الانحدار لمعالجتها للحصول على جميع خصائص النموذج. بناءً على نموذج حساب COMSOL المطور ، تم إنشاء تطبيق سهل الاستخدام يمكنك من خلاله حساب الوقت المطلوب لإكمال دورة تجفيف كاملة.

تطبيق لحساب وقت التجفيف تحت ظروف مختلفة من العملية. يوفر التطبيق القدرة على مقارنة نتائج الحساب مع البيانات التجريبية

تم استخدام هذا التطبيق من قبل مهندسي العمليات الذين يقومون بإعداد المعدات وعمليات الإنتاج. يسمح التطبيق للمستخدمين بتقييم تأثير ظروف تشغيل المعدات المتغيرة واتخاذ تدابير لزيادة إنتاجيتها.

ضمان معايير تعقيم عالية

مثال آخر على مشكلة تم حلها بنجاح عن طريق النمذجة هو الامتثال لمعايير التعقيم لحاويات الشحن. يتم نقل الأدوية من المصنع في حاويات خاصة ، والتي يجب تعقيمها وفقًا للمتطلبات الصارمة للمعايير ذات الصلة ، لأن أي تلوث جرثومي طفيف للدواء يمكن أن يؤدي إلى عواقب غير سارة أو حتى خطيرة. لم يكن إجراء تعقيم أكسيد الإيثيلين مناسبًا للحاويات الجديدة ويجب تعديله. اقترحت مجموعة Rolandi تحليل عملية انتشار أكسيد الإيثيلين في حاويات جديدة باستخدام المحاكاة العددية ، والتي تجنبت العديد من التجارب المكلفة. تم تطوير تطبيق يمكن للمستخدم من خلاله تحديد منطقة اختراق التلوث ، وبيان قابلية الذوبان ، وثوابت الانتشار ، وحساب كيفية تغير تركيز أكسيد الإيثيلين في الحاوية بمرور الوقت.

تطبيق لنمذجة عملية التعقيم ، حيث يتم حساب التغير في تركيز أكسيد الإيثيلين في الحاوية بمرور الوقت

استخدم التقنيون التطبيق لتحديد التركيز الأمثل لعامل التعقيم لظروف معينة في حاوية ذات شكل هندسي معين. سمح تنفيذ التطبيق بتقليل كبير ، وفي بعض الحالات حتى يلغي الحاجة إلى التجارب ، مما أدى بدوره إلى تقليل مرحلة التصميم وتكلفة التجارب لعدة أشهر. يقول Rolandi: "اتضح أن إنشاء تطبيقات للمحاكاة العددية أكثر فاعلية بكثير".

ليس فقط النمذجة

يقول رولاندي: "لا أفكر في النمذجة الرقمية فحسب ، بل أيضًا في تطوير ودمج التطبيقات والأساليب الأكثر تقدمًا". "أعتقد أننا نواجه مهمة استراتيجية ، وقد بدأنا للتو في حلها". إحدى المشاكل التي لا يزال يتعين حلها هي النظر في عامل عدم اليقين (عدم الدقة) في البيانات الأولية. في الممارسة العملية ، نادراً ما يتم تحديد معلمات الإدخال لأي مهمة بدقة ؛ وتتميز جميعها ببعض الأخطاء. لزيادة موثوقية وفائدة النمذجة ، من الضروري أخذ هذه الأخطاء في الاعتبار.

على سبيل المثال ، تعمل مجموعة Rolandi على نموذج تصميم للحاقن التلقائي - وهو جهاز لإدارة الدواء في الوضع التلقائي دون مشاركة الطبيب. أهم معلمة للجهاز هي وقت تسليم الدواء. يجب التحكم في هذه المعلمة بدقة للامتثال الصارم للجرعة التي يحددها الطبيب للدواء المدار. تتمثل الصعوبة في أن وقت التسليم يتم تحديده من خلال عدد من المعلمات المعروفة بدقة مختلفة - وهي الأبعاد الهندسية وشكل الحاوية ، وكثافة ولزوجة الدواء ، ومعامل الاحتكاك للمكبس في الحاقن ، إلخ. إذا لم يؤخذ خطأ هذه المعلمات في الاعتبار ، فمن المستحيل تحديد التباين في وقت تسليم الدواء ، وبدون هذه الخاصية لا يمكن التحكم فيه بدقة. نتيجة للنمذجة ، من المهم الحصول على التوزيع الاحتمالي للنتيجة ، وهذا سيسمح بتحليل أفضل لعمل النظام بأكمله ككل.

لتحليل حساسية وقت التسليم للعديد من المعلمات الأولية ، استخدم المتخصصون من مجموعة Rolandi أدوات النمذجة متعددة الفيزياء ، حيث قاموا بحساب مؤشر الحساسية لكل معلمة من المشكلة. على سبيل المثال ، وجدوا أن لزوجة الدواء والأبعاد الهندسية للإبرة تحدد 90٪ من التشتت في وقت التسليم ، و 10٪ المتبقية تقع على المعلمات المتبقية. هذا سمح لنا بتبسيط النموذج بشكل ملحوظ ، حيث أن القليل من المعلمات فقط لها تأثير كبير على وقت التسليم. بدورها ، سهلت هذه المعرفة إعداد المواصفات الفنية لموردي المكونات وقللت من مخاطر الأخطاء.

تطبيق لنمذجة حاقن تلقائي ، الذي يحسب خطأ وقت تسليم الدواء

مثل نماذج الحساب الأخرى المضمنة في COMSOL Multiphysics ^® ، تم تحويل نموذج تحليل وقت تسليم الأدوية إلى تطبيق مناسب وسهل الاستخدام يمكن للمستخدمين من خلاله عرض الوثائق ، وضبط البيانات الأولية ، وإجراء تحليل الأخطاء وإنشاء التقارير تلقائيًا عند الانتهاء الحساب. نشر التطبيق مرة أخرى توفير الوقت والمال على البحث.

نشر التطبيق وتوزيعه

تستخدم Amgen الإصدار المحلي من COMSOL ServerTM لإتاحة التطبيقات لموظفيها. يقول Rolandi: "نريد أن يستخدم جميع موظفي Amgen تطبيقاتنا". - أنا فخور بأنه في الوقت الحالي تستخدم الشركة بنشاط أكثر من عشرة تطبيقات. لقد أصبح إدخال هذه التقنيات ممكناً حصرياً من خلال استخدام بيئة COMSOL ".

يعمل COMSOL ^{ServerTM على} تسهيل نشر التطبيقات وإدارتها واستخدامها داخليًا وخارجيًا عبر الإنترنت. يمكن للمستخدمين ببساطة تسجيل الدخول باستخدام متصفح ويب قياسي والوصول إلى مكتبة التطبيقات التي طورها فريق Rolandi.

مكتبة تطبيقات Amgen التي طورتها مجموعة Rolandi Group

لن تعتمد مجموعة Rolandi على أمجادها وتخطط لدمج تطبيقاتها في العملية التكنولوجية ، على سبيل المثال ، أتمتة إدخال بيانات الإدخال ، وتحويل التطبيقات نفسها إلى "جوهر الحوسبة" لنظام معلومات الشركة.

خطاب بابلو رولاندي في مؤتمر مستخدمي COMSOL 2017

مقالات كومسول مدونة مثيرة للاهتمام

• تحسين العمليات الصيدلانية البيولوجية باستخدام النمذجة العددية
• تحليل التركيب الكيميائي الدقيق في مفاعلات الصفائح

معلومات إضافية

يمكن العثور على المزيد من الأمثلة على استخدام COMSOL ^{® من قبل} فرق البحث من ASML و TAUW و NRC و Endress + Hauser و Sintex و Amgen و TUM و EPFL و NTS وغيرها في إصدار COMSOL NEWS 2018 باللغة الروسية.

ندعو أيضًا الجميع في 1 نوفمبر إلى الحدث الرئيسي لمستخدمي COMSOL الحاليين والمستقبليين - يوم COMSOL في موسكو .