Оптимизация биофармацевтических процессов с помощью численного моделирования

13/03/2015

Качество биофармацевтических препаратов зависит от биологических и химических процессов, лежащих в основе их производства. Численное моделирование позволяет добиться максимально быстрого результата при минимальных вложениях,а потому является ценным инструментом при изучении и оптимизации этих производственных процессов. Узнайте, как эффективно моделировать биофармацевтические процессы с помощью среды COMSOL Multiphysics.

Взаимосвязь конечного продукта и производственного процесса

Будущее фармацевтической промышленности неразрывно связано с бурным развитием технологии биофармацевтических препаратов. В основе биотехнологического производства препаратов, к числу которых относятся всевозможные вакцины, препараты для аллерген-специфической и генной терапии, лекарства и другая полезная фармакологическая продукция, лежат различные биологические процессы. Биотехнологии непрерывно совершенствуются, чтобы обеспечить потребителей и пациентов препаратами высочайшего качества.

Моделирование позволяет разработчикам развивать и расширять производство биофармацевтических препаратов, а также изучать их воздействие на живые организмы, то есть исследовать, каким образом разные биомолекулы, которые могут доставляться в организм с помощью вирусов и бактерий, влияют на него. В нашей Галерее моделей вы найдете несколько примеров, в которых моделируется действие биофармацевтических препаратов.

С помощью моделирования также можно оптимизировать производственные процессы синтеза биофармацевтических препаратов. Как правило, подобная проблема возникает уже после того, как создана или выделена новая биомолекула и начинается процесс массового производства разработанного препарата. Моделирование позволяет ответить на вопрос, как наиболее оптимально организовать этот процесс. И когда речь идет о живых организмах (например, использование живых клеток в процессе производства), оба этих типа моделирования, несмотря на свои различия, могут быть востребованы. Наша Галерея моделей содержит множество моделей разнообразных производственных процессов, некоторые из которых мы обсудим ниже.

В целом, моделирование представляет собой мощный инструмент для повышения качества биофармацевтических препаратов и оптимизации процессов, лежащих в основе их производства. Он не только позволяет сократить время на разработку конечной продукции, но также помогает проверять новые гипотезы, упрощает процесс усовершенствования продукции и открывает новые методы разработки.

Моделирование биофармацевтических процессов в среде COMSOL Multiphysics

Среда численного моделирования COMSOL Multiphysics — это мощный инструмент развития методов разработки и повышения качества биофармацевтических препаратов. На прошедшем недавно вебинаре мой коллега Ахсан Мунир выделил несколько примеров из нашей Галереи приложений, которые показывают, как проводить анализ различных этапов биофармацевтических процессов с помощью численного моделирования.

Производство биофармацевтических препаратов зачастую связано с использованием смесителей и реакторов. В среде COMSOL Multiphysics вы можете исследовать механизм осуществления химических реакций и скорость их протекания в этих аппаратах, а также определить влияние эксплуатационных характеристик на моделируемые процессы. Например, с помощью модели ламинарного потока в смесевом реакторе, которая описывает течение внутри смесителя с учетом массо- и теплопереноса, можно проанализировать влияние потока на поля концентрации и температуры. Модель пористого реактора с инъекционной иглой позволяет визуализировать течение реагентов и протекание реакций внутри пористого каталитического слоя в реакторе, используя связь между потоком жидкости в пористой среде и свободным течением жидкости.

Модель пористого реактора с инъекционной иглой в среде COMSOL Multiphysics.
Модель химического реактора. Изображены линии тока и изоповерхности для концентрации одного из реагентов. Через входные отверстия — горизонтальное и вертикальное — в реактор подаются реагенты, которые вступают в реакцию в пористом каталитическом слое, расположенном ниже по течению от инъекционной иглы.

Далее, можно перейти к моделированию стадии фильтрации продукта. На этом этапе происходит отделение твердых частиц из полученных продуктов реакции. Поскольку биологические клетки обладают свойствами диэлектриков, для их транспорта и разделения в медицинской сфере широко применяется метод, который называется диэлектрофорез. В задаче о диэлектрофоретическом разделении частиц моделируется отделение тромбоцитов от красных кровяных клеток. В этом примере рассчитываются траектории частиц как при наличии диэлектрофорезных сил, а также электрического поля внутри микроканала, так и без него. Тех, кто интересуется данной темой, также может заинтересовать статья моего коллеги Бьерна Щёдина (Bjorn Sjodin) в блоге, в которой рассказывается о применении диэлектрофоретического разделения.

Далее переходим к стадии очистки. Высокоэффективная жидкостная хроматография — это метод, который позволяет разделять близкие по свойствам химические реагенты в смеси, идентифицировать и измерять их количество. Данная технология разделения компонентов смеси является универсальной и отличается тем, что позволяет строго контролировать результат, поэтому ее часто применяют при получении фармацевтических и биологических препаратов. С помощью модели жидкостной хроматографии вы сможете анализировать концентрацию компонентов в подвижной фазе, в том числе с учетом влияния на процесс внешнего нагрева.

Последний пример относится к завершающей фазе технологического цикла. Для решения задачи о сушке термочувствительных веществ, вроде плазмы крови и антибиотиков, довольно эффективным может оказаться метод сублимации. Этот метод позволяет хранить продукцию в течение длительного периода времени, а кроме того упрощает ее транспортировку за счет удаления излишков влаги, то есть снижения общей массы. В COMSOL Multiphysics представлена модель анализа переходных процессов при сублимационной сушке, в которой реализован типичный случай применения этого метода: сублимация льда в вакуумированном сосуде. С помощью этой модели вы можете рассчитать характеристики теплообмена и изменение температуры в процессе сушки.

Распределение температуры и тепловой поток
Распределение температуры и тепловой поток после завершения процесса сушки.

Заключительные замечания и рекомендации

Данная статья и прошедший недавно вебинар дают лишь краткое представление о том, какую практическую пользу можно получить от численного моделирования биофармацевтических процессов в среде COMSOL Multiphysics. Мы рекомендуем ознакомиться с нашей Галереей приложений, где вы сможете найти дополнительные полезные модели, не вошедшие в этот краткий обзор. Пожалуйста, обращайтесь к нам, если вы хотите задать вопрос или узнать больше о среде численного моделирования COMSOL Multiphysics.


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ