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计算机辅助工程技术加速生物制药的研发

Sartorius 公司依靠其计算机辅助工程（CAE）部门优化生物制药设备，加速医药研发和生产。

作者 Joseph Carew
2025 年 9 月

生物药物可以有效治疗癌症、多发性硬化症和风湿病等疾病。然而，这些新型药品极其复杂，其生产需要生物反应器、生物技术工艺，以及大量的时间和资源投入。Sartorius 是一家国际制药和实验室设备供应商，其计算机辅助工程（CAE）部门发现，使用 COMSOL Multiphysics^® 仿真软件可以帮助他们克服常见的药物生产难题，加快研发速度，减少原型制作，支持创新和优化测试。

万里挑一：生产成功的生物药物

生物药物是指利用生物资源制造，或从生物资源中提取或合成的药物产品。与化学药物不同，生物药物可以定制为靶向特定细胞，比如疫苗、体细胞、组织和全血等，新冠病毒（ COVID-19）疫苗即是近年来取得成功的一个生物制药案例。生物药物功能强大，但其开发过程也面临重重挑战。

“上万种候选新药中只有一种能够进入市场，” Sartorius 公司 CAE 仿真资深科学家 Friedrich Maier 博士解释说，“一种药物的开发成本超过20亿欧元，更不用说大量的时间投入了。”（图 1）

生物制药的开发成本高昂，主要是因为其复杂的分子结构、所需的专业化生产工艺，以及行业监管要求。其中，物理实验的投资尤其昂贵。在这种情况下，建模和仿真技术显得尤为重要，可以减轻对物理实验的依赖。然而，建立准确的模型并非易事，因为需要模拟的生物过程复杂多变，难以精准复现。Sartorius 通过将生物工艺精心整合到其设备中，为生物制药和生命科学领域的客户提供支持，力求最大限度地减少误差并提高产品产量。

成立 CAE 部门，优化合作与发展

2019 年，Sartorius 在公司内部成立了 CAE 部门来帮助解决生产难题，Maier 博士清楚地知道从哪里入手，“第一步是确定我们想要使用的仿真工具”，他分享说。

Maier 团队希望在设备研发工程师和生产工艺研究人员之间，改进彼此分享见解与结果的方式，并最终选择了 COMSOL Multiphysics^® 软件。从那以后，该软件便成为CAE工具箱中一个得心应手的工具，为成功沟通和解决问题发挥了至关重要的作用。

CAE 部门对工程部的同事开展了仿真软件的使用培训，旨在建立一个内部仿真社区，为公司项目提供质量检验支持。“我们的问题由物理原型、工艺流程、时空维度，以及在模拟方法中需要考虑的材料或材料之间的相互作用定义。” Maier解释。

如今，CAE 部门已经在 Sartorius 运行多年，并拥有了一套结合 CAE 和 V 模型开发方法的成熟开发流程。“在构思阶段，我们着眼于成本层面，并将其细分为主要项目。之后，一旦我们了解了内部流程，会再次将其提升到系 统层面。” Maier 介绍说。这种方法会贯穿整个生产链，包括在成熟阶段请专家来优化设计，分享如何改进产品的想法，并最终制作成数字原型。

Sartorius 公司的 CAE 部门参与了各种不同的项目，这些项目规模大小不一，涵盖各种生物制药设备。每个项目都独立运作，以便进行有针对性的创新。在一个项目中，团队开发了一个生物反应器。与此同时，他们还开展了一个介观尺度膜结构的三维仿真，这是一项独立于生物反应器项目的研究。在这个过程中，他们从介观模型中获得的启示帮助改进了过滤器设计，而后者是生物反应器以及其他生物制药设备中不可或缺的组成部分（图2）。

他们的大部分模拟都是在宏观尺度上进行的，但 Maier 和 CAE 团队也在探索系统之间的相互作用。“我们的工作涵盖了从原材料投入到最终药物交付的全流程环节，包括移液器、混合器、下游加工环节，以及众多过滤层析步骤、冷冻处理、最终灌装等，直至完成药物制剂的生产。” Maier介绍。面对如此多的项目，CAE 团队需要有能力对多个物理领域进行建模和仿真。

”生物制药是一个多物理场问题，" Maier 说，“对于我们的产品来说，我们必须关注结构力学，用于确保其稳健性，但也必须考虑计算流体动力学（CFD），因为我们需要了解其性能，液体系统无处不在。在这些方面，COMSOL Multiphysics 绝对非常有帮助。”

从模型到生产设备

Sartorius 的 CAE 部门经常将 COMSOL Multiphysics 用于专门的 CFD 应用，如搅拌器和多孔介质模拟。此外，他们还参与了需要考虑冷冻、焊接、反应传递、传热过程和流–固耦合的项目。通过使用基于方程的模拟，Maier 还加入了控制和控制流程，以提高设计性能，缩短开发时间并减少原型制作。

CAE 部门的模拟为整个组织的专家提供了对各种现象的详细见解。当分析根本原因时，专家们可以利用这些物理测试无法提供的洞察力（例如，物理测试无法观察设备内部）来增强他们的知识。仿真还可以帮助 Sartorius 的设计人员完成测试过程。

"我们挑战测试，测试也挑战我们，这是一个反复的过程。" Maier 解释说。结果可以显示测试和模拟中的不确定性。在此基础上，团队可以通过额外的模拟或难以测量的指标来扩展测试，并优化他们的测试工作。

基于一个原型开发生物反应器配件

在新冠病毒大流行期间， Univessel® SU 生物反应器系列产品证明了高质量设备对生产生物药物的必要性。最初的 Univessel® SU 生物反应器是 BioNTech 公司生产的首个新冠病毒疫苗的关键组件。基于该产品的成功应用，Sartorius 决定对其进行更新，增加更多的功能并扩大尺寸，其中的一项功能是一个重要的生物反应器配件：热夹套。对这个配件产品的开发可以剖析 CAE 部门的典型工作流程。研究团队从市场上一款现有的热夹套开始调查，他们很快发现这种热夹套效率不高，于是决定通过仿真对其进行设计优化，以改善产品性能。团队针对热夹套的新设计基于方程进行了建模（图 3），并综合考虑了传感器、开关和控制器的性能，进行了 CFD、传热等多物理场仿真分析。Maier 表示，仿真结果为开发团队提供了明确的建议，例如开关和传感器的安装位置以及如何分配热量，这有助于他们进行智能设计。

Maier说：“我们从仿真中获得了一个很好的瞬态控制模拟，并得到了一个优化的设计方案。” 仿真结果与实验测试的温度数据完全吻合，因此团队只需要为他们的设计制作一个原型即可（图 4）。

得益于 CAE 团队使用的各类仿真工具，Sartorius 已经建立了一个高效和高绩效的部门，致力于克服生物制药生产中的各种挑战。Maier 总结道，团队心中怀揣着一个目标：“我们希望提升科学家和工程师的能力，帮助他们简化生物制药生产过程，开发出更好和更经济实惠的新型药品。”

Univessel 是 Sartorius Stedim Biotech GmbH 的注册商标