COMSOL 博客

通过仿真优化生物制药工艺

作者 Bridget Cunningham

2015年 3月 13日

隐藏在生物制药开发背后的生物和化学过程对产品质量有着重要的影响。在研究和优化这些技术时，仿真因其可以通过更低的成本来快速获得结果而被看作一项相当宝贵的资源。让我们来了解 COMSOL Multiphysics 如何能帮助您模拟生物制药工艺。

产品和工艺之间的联系

在思考医药行业的未来时，您会发现生物制药将是一个会经历快速发展，并且非常有意思的领域。在利用生物技术开发的产品中，例如疫苗、过敏源和基因疗法，都用到了生物工艺来设计或制造药品或其他有效产品。开发这类药品的最终目标就是希望能为病人提供尽可能高质量的产品。

设计人员可以利用仿真来推进生物制药产品的设计，以及分析它们在体内的工作机理，例如，分析产品的预期疗效。研究人员能够研究不同生物分子如何影响生物机制，而且这些生物分子同样可能被病毒和细菌控制。在我们的案例集锦中，您将能够找到一些有关模拟生物制药产品功能的示例。

建模还是一项可以提高生物制药产品生产工艺设计的宝贵资源，这通常会被看作第二步。设计出生物分子之后，问题就变为了如何通过优化的生产工艺实现更大规模的生产。不同于以往的模拟类型，这两类分析都可能发生在生命系统中，例如在某个生产工艺中将用到活细胞。我们的案例集锦中包含多个模拟这类生产工艺的示例，并将在下文中介绍其中的部分示例。

从整体而言，仿真是一个可以提升生物制药及其生产工艺的强大工具。除了能更快得到结果，这种测试方法还将能够促进创新，并提供一个改进产品设计及其开发机理的简易方法。

利用 COMSOL Multiphysics 模拟生物制药工艺

COMSOL Multiphysics 仿真软件是一个可提升生物制药设计及性能的宝贵工具。在最近的一场网络研讨会中，我的同事 Ahsan Munir 重点介绍了我们案例集锦中的几个示例，希望借此演示如何使用仿真来分析生物制药过程中的不同阶段。

生物制药的生产阶段中通常会用到混合器及反应器。使用 COMSOL Multiphysics，您可以分析这些设计中的反应机理及动力学，以及各种工艺参数的影响。例如，层流挡板搅拌混合器模型分析了混合器中的流动，我们可以向其中加入传质与传热以研究流动对浓度与温度场的影响。在含有注射针的多孔床反应器模型中，您将能够可视化反应器中多孔催化剂床内的流动和反应，并重点分析多孔域及自由域中的流体流动。

化学反应器模型，显示其中一种反应物及产物的流动流线及浓度等值面。两种物质从不同的入口进入反应器，然后置于注射针下游的多孔催化床中发生反应。

接下来，我们可以转向澄清阶段，此时将重点分析粒子的分离。由于生物细胞具有不同的介电属征，因此医学领域中常常使用介电泳来运输及分离不同种类的粒子。介电泳分离模型显示了从红细胞中分离血小板，其中表明了在施加或没有施加介电泳力时的粒子轨迹，以及微流道内的电场。您也许还希望阅读一下我的同事 Bjorn Sjodin 所撰写的有关介绍介电泳分离 App 的博客。

现在我们就到了纯化阶段。高效液相色谱法是一种分离混合物中密切相关的化学成分，并对不同成分进行标识及量化的方法。因为本分离技术具有良好的可控性和通用性，它常常用于医药及生物产品的开发。利用液相色谱法模型，您可以分析流动相的成分浓度，以及外部加热会如何影响材料行为。

最后就是完成阶段。当希望干燥类似血浆、抗生素类的热敏物质时，冷冻干燥会是一个不错的选择。除了能延长产品的存储时间，本项技术还对产品进行了脱水，因此产品将变得更轻、更易运输。在该项技术的多个设定中，COMSOL Multiphysics 的冷冻干燥瞬态分析模型演示了其中一个较常见的测试实例：真空室环境下玻璃瓶中的冰升华。您可以通过本示例来研究整个干燥过程中的温度及热变化。

描述了干燥工艺最后阶段温度及热通量的模型。