夏彬 | 液体制剂的模拟仿真技术

原文始发于微信公众号(药时代):夏彬 | 液体制剂的模拟仿真技术

夏彬 | 液体制剂的模拟仿真技术

引言

大家好,DOE工具篇(1-5)终于更新结束,感谢大家的支持和鼓励。

正所谓:好马配好鞍。各位朋友有没有从笔者介绍的软件中找到自己心仪的一款呢?有需要的朋友可以直接给公众号留言,未来可以考虑出一个专题系列针对某个工具的详细教程哦。

今天,我们换个话题:聊聊模拟仿真技术。大部分朋友估计一看到这个名词就头大,晕乎乎的,根本不知所云:什么动力、涡轮运动;什么粒子碰撞。

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图1 仿真模型

模拟仿真,简单说:采用计算机辅助设计技术,构建外在模型(设备)、内在模型(颗粒、液体)以及运动方式等来模拟实际运行情况。随着计算机CPU、GPU高度发达的现在,短时间进行大规模的数据量的计算增加了普通大众也能参与的可能。

那么,如果能在计算机上采用模拟仿真的方式得到初步的结果,然后再在生产规模进行少批量的验证(我们都知道商业批的生产价格是十分昂贵的),怎么想都是十分美好的事情呢。

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可是,这块需要的能力太高了:不仅需要物理化学的知识、制剂知识、计算机能力,甚至还需要CAD的能力。那么,有没有比较容易和简单理解的工具呢? OK,笔者就带大家来了解一款轻量级仿真模拟工具。

正文

如果问,制剂难在哪?很多朋友第一个念头就是:放大。做制剂的朋友一定看过这本书(没看过的朋友,建议入手一本)。

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图2 制剂放大书籍

书里大量的采用无量纲分析来作为放大的理论,对数学基础较弱的朋友有点难度;但是,今天笔者并不是要带大家来继续研究“弗罗德数”、“雷诺数”。

我们将书翻到88页

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图3 88页内容

看到:Liu和Neeld采用VisiMix… 是的,我们今天的主角:VisiMix。

一、初识VisiMix

看名字,VisiMix=Vis(可视)+Mix(混合)=可视化混合模拟软件。Bingo!最早的时候VisiMix只有一款Turbulent,经过多年的发展,也慢慢的增加了 Laminar、DI、RSDE、Pipeline、Visicel。

我们今天还是来看看它的核心能力-混合模拟,看看它都能干些什么,以下是它能力的列表:

  1. 液-液混合

  2. 液-固混合

  3. 气-液混合

  4. 热和质量交换

  5. 牛顿和非牛顿介质

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图4 初识VisiMix

二、简单的例子来操作

我们选择常见的“液-固混合“为例子。为什么采用这个例子,很简单,因为我们经常需要溶解(比如包衣液的欧巴代,什么时候能混和均匀?可能我们大部分朋友只知道搅拌混合30min、1h之类;又比如我的API需要在介质里混悬上药,那么搅拌到什么程度,我们可以认为混合均匀而不是有沉淀或者蓄积呢?)。下面,笔者就来带大家初窥这个问题。

2.1 问题所在

常常这类问题,我们有已知条件:

  1. 搅拌器(高度、直径、里面装的液体的高度);

  2. 搅拌桨(形状参数)

  3. 物质(对于介质:一般为水或醇,这里假设;对于固体:密度、粒径范围。固相浓度)

而我们需要回答问题:评估悬架速度(Just SuspensionSpeed,简称JSS)。 而JSS是叶轮的最小转速(确保不会导致固体颗粒沉淀在搅拌器底部)。

2.2 解决问题

第一步:选择合适的搅拌器

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图5 选择搅拌器材质

第二步:输入搅拌器合适的参数

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图6 搅拌器参数设置

第三步:选择搅拌桨

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图7 选择搅拌桨种类

第四步:选择合适的搅拌桨参数及位置(高度)

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图8 输入搅拌桨参数

这样基本的搅拌器外在模型(设备)已经建立完成。我们接着往下设置内在(固-液):

第五步:设置介质的性质

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图9输入介质参数

第六步:设置固体性质

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图10 设置固体性质

OK,到现在,我们的混合模型就算建立完成。

我们运行下看看呢:

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图11 60RPM下的不均匀性的分布图

注意:60RPM哪里来的呢?各位朋友看下面这张图:

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看结果,60RPM的不均匀性大概在20%左右。20%太高了,说明我们的转速还可以加大,加大后是不是不均匀性就能降低呢?

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图12 85RPM下的不均匀度图

啊哈,果然降低了,变成15%左右了。

尾声

这块内容需要的知识和能力要求非常高,建一个好的仿真模型需要大量的工作,所以,并不推荐新手直接就开始这块的内容。当充分了解了物质的性质、设备的状态、运行的方式等综合内容,有兴趣可以尝试。

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夏彬 统计SME

工程师、医学硕士、LeanSigma黑带大师、国际知名统计学软件公司程序测试员。现任上海合全药业制剂项目部组长,负责业务相关数据工作,指导和参与二十余个QbD & DoE项目的设计、开展和统计分析。内容包括:传统统计、实验设计、数据挖掘、机器学习技术等开发和应用。精通Minitab、JMP、Design Expert、Python等软件。迄今,发表核心期刊论文10篇;专利33项(其中11项已授权)。

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