Na indústria biofarmacêutica, como em qualquer produção moderna de alta tecnologia, métodos e ferramentas para modelagem numérica de processos físico-químicos são cada vez mais utilizados para resolver uma ampla variedade de tarefas, desde o desenvolvimento de novas formas e métodos de dosagem para sua produção até a análise dos processos de transporte, armazenamento e entrega de medicamentos. .

A Amgen é uma das principais empresas biofarmacêuticas do mundo. Os medicamentos da empresa ajudam milhões de pessoas que sofrem de doenças graves. Cada medicamento é um produto do trabalho minucioso de cientistas, engenheiros e tecnólogos. Os especialistas da Amgen usam a modelagem multifísica como uma ferramenta que ajuda a garantir a eficiência e a segurança de todas as etapas da produção. Devido às especificidades dos problemas que surgem nesta indústria, é preciso lidar com a modelagem de processos físicos e químicos complexos, de modo que a disponibilidade de uma ampla gama de modelos matemáticos em software para modelagem numérica é um fator chave.

Pablo Rolandi, diretor de gerenciamento de processos de produção da Amgen, analisou como os especialistas da empresa usam o ambiente de simulação numérica COMSOL Multiphysics ^® para resolver seus problemas.

Rolandi chegou à conclusão de que “o COMSOL é uma plataforma madura com princípios modernos de desenvolvimento, que permite criar modelos complexos, graças à interface gráfica lógica e fácil de usar, além da capacidade de resolver problemas interdisciplinares da modelagem física e química”. Rolandi lidera um grupo de especialistas que usam os métodos de modelagem multifísica para resolver vários problemas no estágio de design e desenvolvimento de novos processos e sistemas tecnológicos. Cada vez mais, essas soluções estão se transformando em aplicativos de modelagem convenientes, criados com base no modelo de cálculo usando o COMSOL Application Development Environment. Os aplicativos permitem obter e usar os resultados da modelagem numérica para uma ampla gama de funcionários interessados, mesmo para aqueles que não são especialistas na área de cálculos numéricos e modelagem por computador. Por um ano e meio, o grupo Rolandi conseguiu criar uma biblioteca inteira de aplicativos fáceis de usar, projetados para aumentar a eficácia da pesquisa e acelerar o desenvolvimento de novas tecnologias.

Otimização de processos

Uma das áreas em que o grupo Rolandi aplica ferramentas de modelagem numérica é a otimização e eliminação de gargalos nos processos de produção. Como exemplo da implementação bem-sucedida dos resultados da simulação, podemos citar o problema da intensificação do processo de secagem. O problema surgiu quando a empresa recusou os serviços de uma organização contratada e transferiu a produção para sua própria fábrica em Cingapura.

Verificou-se que o desempenho do secador do filtro, no qual a umidade é removida e os componentes são separados, é muito baixo, o que aumenta o risco de demanda não atendida pelo produto final. O grupo de Rolandi ficou intrigado com a construção de um modelo computacional com o qual seria possível encontrar gargalos e otimizar o processo de secagem. Como o processo tecnológico é de várias etapas e um tipo diferente de equipamento foi usado anteriormente nas três primeiras etapas, os especialistas da Amgen não tinham dados suficientes sobre as características dos secadores, o que não permitia criar um modelo preciso e determinar como as condições de secagem alteradas afetavam a produtividade. Antes de tudo, foi necessário avaliar a influência de dois parâmetros críticos - a taxa de evaporação e difusão no novo secador. Os especialistas tiveram que calcular um grande conjunto de dados e usar a análise de regressão para processá-los para obter todas as características do modelo. Com base no modelo de cálculo COMSOL desenvolvido, foi criada uma aplicação fácil de usar, na qual é possível calcular o tempo necessário para concluir um ciclo completo de secagem.

Pedido de cálculo do tempo de secagem sob várias condições do processo. O aplicativo oferece a capacidade de comparar os resultados do cálculo com dados experimentais

Esta aplicação foi usada por engenheiros de processo que configuram equipamentos e processos de produção. O aplicativo permite que os usuários avaliem o impacto das condições operacionais dos equipamentos e tomem medidas para aumentar sua produtividade.

Garantir altos padrões de esterilização

Outro exemplo de um problema resolvido com sucesso pela modelagem é a conformidade com os padrões de esterilização para contêineres. Os medicamentos da fábrica são transportados em recipientes especiais, que devem ser esterilizados de acordo com os rígidos requisitos das normas relevantes, pois qualquer contaminação bacteriana do medicamento pode levar a consequências muito desagradáveis ​​ou até perigosas. O procedimento padrão de esterilização por óxido de etileno não era adequado para novos recipientes e precisava ser ajustado. O grupo Rolandi propôs analisar o processo de difusão do óxido de etileno em novos recipientes usando simulações numéricas, o que evitou numerosos experimentos caros. Foi desenvolvida uma aplicação na qual o usuário poderia especificar a área de penetração da contaminação, indicar solubilidade, constantes de difusão e calcular como a concentração de óxido de etileno no recipiente muda ao longo do tempo.

Pedido de modelagem do processo de esterilização, no qual é calculada a variação na concentração de óxido de etileno no recipiente ao longo do tempo

Os tecnólogos usaram o aplicativo para selecionar a concentração ideal do agente esterilizante para as condições dadas em um recipiente de uma determinada forma geométrica. A implementação do aplicativo permitiu reduzir significativamente e, em alguns casos, até eliminar a necessidade de experimentos, o que, por sua vez, reduziu a fase de projeto e o custo dos experimentos em vários meses. "Aconteceu que a criação de aplicativos para simulação numérica é muito mais eficiente", diz Rolandi.

Não apenas modelagem

"Estou pensando não apenas em modelagem numérica, mas também em desenvolver e integrar os aplicativos e métodos mais avançados", diz Rolandi. "Acredito que estamos enfrentando uma tarefa estratégica e apenas começamos a resolvê-la." Um dos problemas que ainda precisam ser resolvidos é a consideração do fator de incerteza (imprecisão) dos dados iniciais. Na prática, os parâmetros de entrada de qualquer tarefa raramente são especificados com precisão; todos eles são caracterizados por algum erro. Para aumentar a confiabilidade e a utilidade da modelagem, é necessário levar em consideração esses erros.

Por exemplo, o grupo Rolandi está trabalhando em um modelo de projeto de um injetor automático - um dispositivo para administrar um medicamento em modo automático sem a participação de um médico. O parâmetro mais importante do dispositivo é o tempo de entrega do medicamento. Este parâmetro deve ser controlado com precisão para cumprir rigorosamente a dosagem prescrita pelo médico para o medicamento administrado. A dificuldade é que o tempo de entrega é determinado por vários parâmetros conhecidos com precisão diferente - essas são as dimensões geométricas e o formato do recipiente, a densidade e a viscosidade do medicamento, o coeficiente de atrito do pistão no injetor etc. Se o erro desses parâmetros não for levado em consideração, é impossível determinar a variação para o tempo de entrega do medicamento e, sem essa característica, ele não pode ser controlado com precisão. Como resultado da modelagem, é importante obter a distribuição de probabilidade do resultado, isso permitirá uma melhor análise do trabalho de todo o sistema como um todo.

Para analisar a sensibilidade do tempo de entrega a vários parâmetros iniciais, especialistas do grupo Rolandi usaram as ferramentas de modelagem multifísica, com as quais calcularam o índice de sensibilidade para cada parâmetro do problema. Por exemplo, eles descobriram que a viscosidade do medicamento e as dimensões geométricas da agulha determinam 90% da dispersão para o tempo de entrega, e os 10% restantes caem nos parâmetros restantes. Isso nos permitiu simplificar significativamente o modelo, uma vez que apenas alguns parâmetros têm um efeito significativo no tempo de entrega. Por sua vez, esse conhecimento facilitou a preparação de especificações técnicas para fornecedores de componentes e reduziu o risco de erros.

Pedido de modelagem de um injetor automático, que calcula o erro do tempo de entrega do medicamento

Como outros modelos de cálculo construídos no COMSOL Multiphysics ^® , o modelo para analisar o tempo de entrega do medicamento foi transformado em um aplicativo conveniente e fácil de usar, no qual os usuários podem visualizar a documentação, definir dados iniciais, executar análises de erros e gerar automaticamente relatórios sobre os resultados concluídos. cálculo. A implantação do aplicativo novamente economizou tempo e dinheiro em pesquisas.

Implantação e distribuição de aplicativos

A Amgen usa a versão local do COMSOL ServerTM para disponibilizar aplicativos para seus funcionários. "Queremos que todos os funcionários da Amgen usem nossos aplicativos", diz Rolandi. - Tenho orgulho de que, no momento, a empresa esteja usando ativamente mais de dez aplicativos. A introdução de tais tecnologias foi possível exclusivamente através do uso do ambiente COMSOL. ”

O COMSOL ^ServerTM facilita muito a implantação, administração e uso de aplicativos, interna e externamente, via Internet. Os usuários podem simplesmente fazer login usando um navegador da Web padrão e acessar a biblioteca de aplicativos desenvolvida pela equipe Rolandi.

Biblioteca de aplicativos Amgen desenvolvida pelo Grupo Rolandi

O grupo Rolandi não se preocupa com os louros e planeja integrar suas aplicações ao processo tecnológico, por exemplo, automatizar a entrada de dados de entrada e transformar as próprias aplicações no "núcleo de computação" do sistema de informações da empresa.

Discurso de Pablo Rolandi na conferência de usuários do COMSOL 2017

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Informações Adicionais

Ainda mais exemplos do uso do COMSOL ^{® por} equipes de pesquisa da ASML, TAUW, NRC, Endress + Hauser, Sintex, Amgen, TUM, EPFL, NTS e outros podem ser encontrados na edição do COMSOL NEWS 2018 em russo.

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