SIMULATION SUCCESS STORIES

Sartorius Develops High-Quality Biopharmaceutical Devices

医疗健康

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）

图 1. 在所有候选药物中，只有万分之一的药物在经历漫长且成本高昂的研发过程后能够进入市场。

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）。

左侧展示的是介观尺度下多孔结构的三维模型，右侧展示的是宏观尺度下混合器内流体流动的三维模型。

图 2. 介观模型可直观显示较小组件中的流体流动（左），而宏观模型可以评估设备性能（右）。

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。