Dans l'industrie biopharmaceutique, comme dans toute production de haute technologie moderne, les méthodes et les outils de modélisation numérique des processus physicochimiques sont de plus en plus utilisés pour résoudre une grande variété de problèmes, du développement de nouvelles formes posologiques et méthodes pour leur production à l'analyse des processus de transport, de stockage et de livraison des médicaments. .

Amgen est l'une des principales sociétés biopharmaceutiques au monde. Les médicaments de l'entreprise aident des millions de personnes souffrant de maladies graves. Chaque médicament est le fruit du travail minutieux de scientifiques, d'ingénieurs et de technologues. Les spécialistes d'Amgen utilisent la modélisation multiphysique comme un outil qui aide à garantir l'efficacité et la sécurité de toutes les étapes de la production. En raison des spécificités des problèmes qui se posent dans cette industrie, il faut souvent faire face à la modélisation de processus physiques et chimiques complexes, de sorte que la disponibilité d'une large gamme de modèles mathématiques dans les logiciels de modélisation numérique est un facteur clé.

Pablo Rolandi, directeur de la gestion des processus de production d'Amgen, a analysé comment les spécialistes de l'entreprise utilisent l'environnement de simulation numérique COMSOL Multiphysics ^® pour résoudre leurs problèmes.

Rolandi est arrivé à la conclusion que "COMSOL est une plate-forme mature avec des principes de développement modernes, qui vous permet de créer des modèles complexes, grâce à l'interface graphique logique et facile à utiliser, ainsi que la capacité de résoudre les problèmes interdisciplinaires de la modélisation physique et chimique." Rolandi dirige un groupe de spécialistes qui utilisent les méthodes de modélisation multiphysique pour résoudre divers problèmes au stade de la conception et du développement de nouveaux processus et systèmes technologiques. De plus en plus, ces solutions se transforment en applications de modélisation pratiques qui sont créées sur la base du modèle de calcul à l'aide de l'environnement de développement d'applications COMSOL. Les applications vous permettent d'obtenir et d'utiliser les résultats de la modélisation numérique pour un large éventail d'employés intéressés, même pour ceux qui ne sont pas des experts dans le domaine des calculs numériques et de la modélisation informatique. Pendant un an et demi, le groupe Rolandi a réussi à créer toute une bibliothèque d'applications faciles à utiliser conçues pour accroître l'efficacité de la recherche et accélérer le développement de nouvelles technologies.

Optimisation des processus

L'un des domaines dans lesquels le groupe Rolandi applique des outils de modélisation numérique est l'optimisation et l'élimination des goulots d'étranglement dans les processus de production. Comme exemple de mise en œuvre réussie des résultats de simulation, nous pouvons citer le problème de l'intensification du processus de séchage. Le problème est survenu lorsque l'entreprise a refusé les services d'une organisation contractuelle et transféré la production à sa propre usine à Singapour.

Il s'est avéré que les performances du filtre déshydrateur, dans lequel l'humidité est éliminée et les composants séparés, sont trop faibles, ce qui augmente le risque de demande non satisfaite pour le produit final. Le groupe de Rolandi a été intrigué par la construction d'un modèle informatique avec lequel il serait possible de trouver des goulots d'étranglement et d'optimiser le processus de séchage. Étant donné que le processus technologique est en plusieurs étapes et qu'un autre type d'équipement était précédemment utilisé pour les trois premières étapes, les spécialistes d'Amgen ne disposaient pas de suffisamment de données sur les caractéristiques des séchoirs, ce qui ne nous a pas permis de créer un modèle précis et de déterminer comment les conditions de séchage modifiées ont affecté la productivité. Tout d'abord, il a fallu évaluer l'influence de deux paramètres critiques - le taux d'évaporation et de diffusion dans le nouveau séchoir. Les spécialistes ont dû calculer un grand ensemble de données et utiliser une analyse de régression pour les traiter afin d'obtenir toutes les caractéristiques du modèle. Sur la base du modèle de calcul COMSOL développé, une application facile à utiliser a été créée dans laquelle vous pouvez calculer le temps nécessaire pour terminer un cycle de séchage complet.

Application pour le calcul du temps de séchage dans diverses conditions du procédé. L'application offre la possibilité de comparer les résultats des calculs avec des données expérimentales

Cette application a été utilisée par les ingénieurs de procédés pour mettre en place des équipements et des processus de production. L'application permet aux utilisateurs d'évaluer l'impact de l'évolution des conditions de fonctionnement de l'équipement et de prendre des mesures pour augmenter sa productivité.

Garantir des normes de stérilisation élevées

Un autre exemple de problème résolu avec succès par la modélisation est le respect des normes de stérilisation pour les conteneurs d'expédition. Les médicaments de l'usine sont transportés dans des conteneurs spéciaux, qui doivent être stérilisés conformément aux exigences strictes des normes pertinentes, car toute contamination, même légèrement bactérienne, du médicament peut entraîner des conséquences très désagréables ou même dangereuses. La procédure standard de stérilisation à l'oxyde d'éthylène n'était pas adaptée aux nouveaux conteneurs et a dû être ajustée. Le groupe Rolandi a proposé d'analyser le processus de diffusion de l'oxyde d'éthylène dans de nouveaux conteneurs à l'aide de simulations numériques, ce qui a évité de nombreuses expériences coûteuses. Une application a été développée dans laquelle l'utilisateur pouvait spécifier la zone de pénétration de la contamination, indiquer la solubilité, les constantes de diffusion et calculer comment la concentration d'oxyde d'éthylène dans le conteneur change au fil du temps.

Une application pour la modélisation du processus de stérilisation, dans laquelle la variation de la concentration d'oxyde d'éthylène dans le récipient au fil du temps est calculée

Les technologues ont utilisé l'application pour sélectionner la concentration optimale de l'agent stérilisant pour les conditions données dans un récipient d'une certaine forme géométrique. La mise en œuvre de l'application a permis de réduire considérablement, et dans certains cas même d'éliminer le besoin d'expériences, ce qui a réduit à son tour la phase de conception et le coût des expériences de plusieurs mois. «Il s'est avéré que la création d'applications pour la simulation numérique est beaucoup plus efficace», explique Rolandi.

Pas seulement la modélisation

«Je pense non seulement à la modélisation numérique, mais aussi au développement et à l'intégration des applications et des méthodes les plus avancées», explique Rolandi. «Je crois que nous sommes confrontés à une tâche stratégique et nous venons à peine de la résoudre.» Un des problèmes qui reste à résoudre est la prise en compte du facteur d'incertitude (imprécision) des données initiales. Dans la pratique, les paramètres d'entrée d'une tâche sont rarement spécifiés avec précision; tous sont caractérisés par une erreur. Pour augmenter la fiabilité et l'utilité de la modélisation, il est nécessaire de prendre en compte ces erreurs.

Par exemple, le groupe Rolandi travaille sur un modèle de conception d'un injecteur automatique - un dispositif pour administrer un médicament en mode automatique sans la participation d'un médecin. Le paramètre le plus important de l'appareil est le délai de livraison du médicament. Ce paramètre doit être contrôlé avec précision pour respecter strictement la posologie prescrite par le médecin pour le médicament administré. La difficulté est que le délai de livraison est déterminé par un certain nombre de paramètres connus avec une précision différente - ce sont les dimensions géométriques et la forme du récipient, la densité et la viscosité du médicament, le coefficient de frottement du piston dans l'injecteur, etc. Si l'erreur de ces paramètres n'est pas prise en compte, il est impossible de déterminer la variance pour le moment de l'administration du médicament, et sans cette caractéristique, elle ne peut pas être contrôlée avec précision. Grâce à la modélisation, il est important d'obtenir la distribution de probabilité du résultat, cela permettra une meilleure analyse du travail de l'ensemble du système dans son ensemble.

Pour analyser la sensibilité du délai de livraison à différents paramètres initiaux, les spécialistes du groupe Rolandi ont utilisé les outils de modélisation multiphysique, avec lesquels ils ont calculé l'indice de sensibilité pour chaque paramètre du problème. Par exemple, ils ont constaté que la viscosité du médicament et les dimensions géométriques de l'aiguille déterminent 90% de la dispersion pour le temps de livraison, et les 10% restants tombent sur les paramètres restants. Cela nous a permis de simplifier considérablement le modèle, car seuls quelques paramètres ont un effet significatif sur le délai de livraison. À leur tour, ces connaissances ont facilité la préparation de spécifications techniques pour les fournisseurs de composants et réduit le risque d'erreurs.

Application pour modéliser un injecteur automatique, qui calcule l'erreur de délai de délivrance du médicament

Comme les autres modèles de calcul intégrés à COMSOL Multiphysics ^® , le modèle d'analyse du délai de livraison des médicaments a été transformé en une application pratique et facile à utiliser dans laquelle les utilisateurs peuvent consulter la documentation, définir les données initiales, effectuer une analyse des erreurs et générer automatiquement des rapports sur les calcul. Le déploiement à nouveau de l'application a permis d'économiser du temps et de l'argent sur la recherche.

Déploiement et distribution d'applications

Amgen utilise la version locale de COMSOL ServerTM pour mettre les applications à la disposition de ses employés. «Nous voulons que tous les employés d'Amgen utilisent nos applications», déclare Rolandi. - Je suis fier que la société utilise actuellement plus de dix applications. L'introduction de ces technologies a été rendue possible exclusivement grâce à l'utilisation de l'environnement COMSOL. »

COMSOL ^ServerTM facilite le déploiement, l'administration et l'utilisation d'applications en interne et en externe via Internet. Les utilisateurs peuvent simplement se connecter à l'aide d'un navigateur Web standard et accéder à la bibliothèque d'applications développée par l'équipe Rolandi.

Bibliothèque d'applications Amgen développée par le groupe Rolandi

Le groupe Rolandi ne va pas se reposer sur ses lauriers et prévoit d'intégrer ses applications dans le processus technologique, par exemple d'automatiser la saisie des données d'entrée et de transformer les applications elles-mêmes en «cœur de calcul» du système d'information de l'entreprise.

Discours de Pablo Rolandi à la conférence des utilisateurs COMSOL 2017

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Information additionnelle

Encore plus d'exemples d'utilisation de COMSOL ^{® par} les équipes de recherche d'ASML, TAUW, NRC, Endress + Hauser, Sintex, Amgen, TUM, EPFL, NTS et d'autres peuvent être trouvés dans le numéro de COMSOL NEWS 2018 en russe.

Nous invitons également tout le monde le 1er novembre à l'événement principal pour les utilisateurs actuels et futurs de COMSOL - COMSOL Day à Moscou .