En la industria biofarmacéutica, como en cualquier producción moderna de alta tecnología, los métodos y herramientas para el modelado numérico de procesos fisicoquímicos se utilizan cada vez más para resolver una amplia variedad de tareas, desde el desarrollo de nuevas formas de dosificación y métodos para su producción hasta el análisis de los procesos de transporte, almacenamiento y entrega de medicamentos. .

Amgen es una de las compañías biofarmacéuticas líderes en el mundo. Los medicamentos de la compañía ayudan a millones de personas que padecen enfermedades graves. Cada medicamento es producto del trabajo minucioso de científicos, ingenieros y tecnólogos. Los especialistas de Amgen utilizan el modelado multifísico como una herramienta que ayuda a garantizar la eficiencia y la seguridad de todas las etapas de producción. Debido a los aspectos específicos de los problemas que surgen en esta industria, a menudo uno tiene que lidiar con el modelado de procesos físicos y químicos complejos, por lo que la disponibilidad de una amplia gama de modelos matemáticos en software para el modelado numérico es un factor clave.

Pablo Rolandi, Director de Gestión de Procesos de Producción de Amgen, analizó cómo los especialistas de la compañía usan el entorno de simulación numérica COMSOL Multiphysics ^® para resolver sus problemas.

Rolandi llegó a la conclusión de que "COMSOL es una plataforma madura con principios de desarrollo modernos, que le permite crear modelos complejos, gracias a la interfaz gráfica lógica y fácil de usar, así como a la capacidad de resolver problemas interdisciplinarios de modelado físico y químico". Rolandi lidera un grupo de especialistas que utilizan los métodos de modelado multifísico para resolver diversos problemas en la etapa de diseño y desarrollo de nuevos procesos y sistemas tecnológicos. Cada vez más, estas soluciones se están convirtiendo en aplicaciones de modelado convenientes que se crean sobre la base del modelo de cálculo utilizando el entorno de desarrollo de aplicaciones COMSOL. Las aplicaciones le permiten obtener y utilizar los resultados del modelado numérico para una amplia gama de empleados interesados, incluso para aquellos que no son expertos en el campo de los cálculos numéricos y el modelado por computadora. Durante un año y medio, el grupo Rolandi logró crear una biblioteca completa de aplicaciones fáciles de usar diseñadas para aumentar la efectividad de la investigación y acelerar el desarrollo de nuevas tecnologías.

Optimización de procesos.

Una de las áreas en las que el grupo Rolandi aplica herramientas de modelado numérico es la optimización y eliminación de cuellos de botella en los procesos de producción. Como ejemplo de la implementación exitosa de los resultados de la simulación, podemos citar el problema de la intensificación del proceso de secado. El problema surgió cuando la compañía rechazó los servicios de una organización contratada y transfirió la producción a su propia fábrica en Singapur.

Resultó que el rendimiento del secador de filtro, en el que se elimina la humedad y se separan los componentes, es demasiado bajo, lo que aumenta el riesgo de una demanda insatisfecha del producto final. El grupo de Rolandi estaba desconcertado por la construcción de un modelo computacional con el cual sería posible encontrar cuellos de botella y optimizar el proceso de secado. Dado que el proceso tecnológico es de varias etapas y se utilizó previamente un tipo diferente de equipo para las primeras tres etapas, los especialistas de Amgen no tenían suficientes datos sobre las características de los secadores, lo que no nos permitió crear un modelo preciso y determinar cómo las condiciones cambiantes de secado afectaron la productividad. En primer lugar, fue necesario evaluar la influencia de dos parámetros críticos: la velocidad de evaporación y difusión en el nuevo secador. Los especialistas tuvieron que calcular un gran conjunto de datos y utilizar el análisis de regresión para procesarlos y obtener todas las características del modelo. Basado en el modelo de cálculo COMSOL desarrollado, se creó una aplicación fácil de usar en la que puede calcular el tiempo requerido para completar un ciclo de secado completo.

Aplicación para calcular el tiempo de secado bajo diversas condiciones del proceso. La aplicación proporciona la capacidad de comparar los resultados de cálculo con datos experimentales.

Los ingenieros de procesos utilizaron esta aplicación para configurar equipos y procesos de producción. La aplicación permite a los usuarios evaluar el impacto del cambio de las condiciones de operación del equipo y tomar medidas para aumentar su productividad.

Asegurar altos estándares de esterilización

Otro ejemplo de un problema resuelto con éxito mediante el modelado es el cumplimiento de los estándares de esterilización para el envío de contenedores. Los medicamentos de la fábrica se transportan en contenedores especiales, que deben esterilizarse de acuerdo con los estrictos requisitos de las normas pertinentes, ya que cualquier contaminación del medicamento, incluso ligeramente bacteriana, puede tener consecuencias muy desagradables o incluso peligrosas. El procedimiento estándar de esterilización con óxido de etileno no era adecuado para contenedores nuevos y tuvo que ser ajustado. El grupo Rolandi propuso analizar el proceso de difusión del óxido de etileno en nuevos contenedores utilizando simulaciones numéricas, lo que evitó numerosos experimentos costosos. Se desarrolló una aplicación en la que el usuario podía especificar el área de penetración de contaminación, indicar solubilidad, constantes de difusión y calcular cómo la concentración de óxido de etileno en el recipiente cambia con el tiempo.

Una aplicación para modelar el proceso de esterilización, en el que se calcula el cambio en la concentración de óxido de etileno en el recipiente a lo largo del tiempo

Los tecnólogos utilizaron la aplicación para seleccionar la concentración óptima del agente esterilizante para las condiciones dadas en un recipiente de cierta forma geométrica. La implementación de la aplicación permitió reducir significativamente y, en algunos casos, incluso eliminar la necesidad de experimentos, lo que a su vez redujo la etapa de diseño y el costo de los experimentos en varios meses. "Resultó que la creación de aplicaciones para la simulación numérica es mucho más eficiente", dice Rolandi.

No solo modelando

"Estoy pensando no solo en el modelado numérico, sino también en desarrollar e integrar las aplicaciones y métodos más avanzados", dice Rolandi. "Creo que nos enfrentamos a una tarea estratégica y acabamos de comenzar a resolverla". Uno de los problemas que queda por resolver es la consideración del factor de incertidumbre (inexactitud) de los datos iniciales. En la práctica, los parámetros de entrada de cualquier tarea rara vez se especifican con precisión; todos se caracterizan por algún error. Para aumentar la fiabilidad y la utilidad del modelado, es necesario tener en cuenta estos errores.

Por ejemplo, el grupo Rolandi está trabajando en un modelo de diseño de un inyector automático, un dispositivo para administrar un medicamento en modo automático sin la participación de un médico. El parámetro más importante del dispositivo es el tiempo de entrega del medicamento. Este parámetro debe controlarse con precisión para cumplir estrictamente con la dosis prescrita por el médico para el medicamento administrado. La dificultad es que el tiempo de entrega está determinado por una serie de parámetros conocidos con diferente precisión: estas son las dimensiones geométricas y la forma del recipiente, la densidad y la viscosidad del medicamento, el coeficiente de fricción del pistón en el inyector, etc. Si el error de estos parámetros no se tiene en cuenta, entonces es imposible determinar la variación para el momento de la entrega del medicamento, y sin esta característica no se puede controlar con precisión. Como resultado del modelado, es importante obtener la distribución de probabilidad del resultado, esto permitirá un mejor análisis del trabajo de todo el sistema en su conjunto.

Para analizar la sensibilidad del tiempo de entrega a varios parámetros iniciales, los especialistas del grupo Rolandi utilizaron las herramientas de modelado multifísico, con el que calcularon el índice de sensibilidad para cada parámetro del problema. Por ejemplo, descubrieron que la viscosidad del medicamento y las dimensiones geométricas de la aguja determinan el 90% de la dispersión para el tiempo de entrega, y el 10% restante recae en los parámetros restantes. Esto nos permitió simplificar significativamente el modelo, ya que solo unos pocos parámetros tienen un efecto significativo en el tiempo de entrega. A su vez, este conocimiento facilitó la preparación de especificaciones técnicas para proveedores de componentes y redujo el riesgo de errores.

Aplicación para modelar un inyector automático, que calcula el error del tiempo de entrega del medicamento

Al igual que otros modelos de cálculo construidos en COMSOL Multiphysics ^® , el modelo para analizar el tiempo de entrega de medicamentos se ha convertido en una aplicación conveniente y fácil de usar en la que los usuarios pueden ver la documentación, establecer datos iniciales, realizar análisis de errores y generar automáticamente informes al finalizar cálculo Implementar la aplicación nuevamente ahorró tiempo y dinero en investigación.

Implementación y distribución de aplicaciones

Amgen utiliza la versión local de COMSOL ServerTM para poner las aplicaciones a disposición de sus empleados. "Queremos que todos los empleados de Amgen utilicen nuestras aplicaciones", dice Rolandi. - Me enorgullece que en este momento la compañía esté utilizando activamente más de diez aplicaciones. La introducción de tales tecnologías fue posible exclusivamente a través del uso del entorno COMSOL ".

COMSOL ^ServerTM hace que sea muy fácil implementar, administrar y usar aplicaciones tanto interna como externamente a través de Internet. Los usuarios pueden simplemente iniciar sesión utilizando un navegador web estándar y acceder a la biblioteca de aplicaciones desarrollada por el equipo de Rolandi.

Biblioteca de aplicaciones Amgen desarrollada por el Grupo Rolandi

El grupo Rolandi no va a descansar en sus laureles y planea integrar sus aplicaciones en el proceso tecnológico, por ejemplo, automatizar la entrada de datos de entrada y convertir las aplicaciones en el "núcleo informático" del sistema de información de la compañía.

Discurso de Pablo Rolandi en la conferencia de usuarios COMSOL 2017

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Información adicional

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