Digitálne dvojča procesu skracuje čas a náklady výroby v J&J

Keď pôsobíte vo farmaceutickom priemysle, krátky čas uvedenia na trh môže zachrániť životy. Preto spoločnosť J&J Innovative Medicine využíva digitálne dvojča procesu od Siemens na zvýšenie efektívnosti výroby.

Digitálne dvojča J&J: Urýchlenie inovácií

Dostať nové produkty na trh čo najrýchlejšie— v spoločnosti J&J Innovative Medicine v Belgicku — nie je len otázkou ekonomiky; často ide o otázku života a smrti. Na optimalizáciu svojich výrobných procesov spoločnosť zaviedla pilotný projekt využívajúci digitálne dvojča procesu od Siemens. „Výsledky boli pôsobivé,“ hovorí Niels Vandervoort, Senior Manager Pilot Plant Data & Systems v spoločnosti J&J Innovative Medicine. „Pilotný projekt nám pomohol výrazne skrátiť časy spracovania, spotrebu chemických produktov a náklady.“

Laboratórny technik v ochrannom odeve skúma liekovky vo farmaceutickom výrobnom zariadení

Varenie s farmaceutickými ingredienciami

Ako vzniká liek v spoločnosti J&J Innovative Medicine? Laboratórium vypracuje postupný chemický plán (proces) na prípravu novej účinnej látky. Po ukončení laboratórnej fázy sa výroba postupne zvyšuje v niekoľkých etapách, od jedného litra až po desaťtisíce litrov v prípade komerčnej výroby. Vývoj prebieha v dvoch belgických zariadeniach, Chemical Development Mini Plant (CDMP, v Beerse) a Chemical Development Pilot Plant (CDPP, v Geel).

„Výroba chemických produktov je trochu ako varenie,“ vysvetľuje Niels. „Zmiešate ingrediencie v reakčnej nádobe a vznikne niečo nové. V procese ‚varenia‘ sa musíte veľmi sústrediť na dôležité parametre, ako sú teplota, tlak a rýchlosť miešania, aby ste vždy bezpečne získali správne produkty so spoľahlivou kvalitou. Tieto parametre neustále sledujeme.“

V spoločnosti J&J sa snažíme minimalizovať environmentálny dopad našich výrobných procesov. Preto sme zaviedli pilotný projekt s digitálnym dvojčaťom procesu od Siemens.

Niels Vandervoort, Vedúci manažér pre dáta a systémy pilotného závodu, J&J Inovatívna medicína

Od rozpúšťania po kryštalizáciu

„Reakčná nádoba obsahuje rozpúšťadlo, v ktorom sa chemické produkty za vhodných podmienok rozpúšťajú, aby spolu reagovali čo najlepším spôsobom. Potom je potrebné novovzniknuté chemické produkty dostať z nádoby, aby bolo možné vyrobiť finálny liek,“ hovorí Niels. „Na to je dôležité zabrániť tomu, aby sa nové chemické produkty ďalej rozpúšťali, a namiesto toho ich prinútiť znovu stuhnúť alebo kryštalizovať. Na dosiahnutie tohto cieľa sa rozpúšťacie rozpúšťadlo nahrádza kryštalizačným rozpúšťadlom: výmena rozpúšťadla. Táto výmena sa často vykonáva destiláciou alebo varením. Pri tisíclitrovej nádrži to môže zabrať veľa času. Napríklad, ak syntéza trvá celkovo 80 hodín, samotná výmena rozpúšťadla môže spotrebovať až 20 hodín z 80.“

„Ak optimalizujeme výmenu rozpúšťadla,ušetríme veľa času a zvýšime efektívnosť naprieč celým procesom. Každá spoločnosť chce vyrábať čo najefektívnejšie, no keď ide o ľudské životy, je to ešte naliehavejšie. Optimalizovaná výmena nám zároveň pomáha používať menej chemických produktov. To je dôležité, pretože v spoločnosti J&J sa snažíme minimalizovať environmentálny dopad našich výrobných procesov. Preto sme zaviedli pilotný projekt s digitálnym dvojčaťom procesu od Siemens — najskôr s cieľom optimalizovať jednu výmenu rozpúšťadla, s konečným cieľom optimalizovať všetky výmeny.“

Model neustále vytvára predikcie, ktoré následne porovnáva so skutočnými údajmi. To nám umožňuje priebežne zlepšovať proces.

Nicolas Catrysse, Riešenia digitalizácie BD, Siemens

Virtuálna výmena rozpúšťadla

„Najprv sme vytvorili procesný model v gPROMS FormulatedProducts, pokročilej platforme na modelovanie procesov. Ide o revolučný softvér, ktorý nám umožňuje zhromažďovať mechanické poznatky — teda ako možno na (bio)vedeckom základe očakávať priebeh takejto reakcie. Procesný model je teda v skutočnosti virtuálnou replikou výrobného procesu a predstavuje jednu zo základných súčastí digitálneho dvojčaťa. To znamená, že na tejto úrovni sa náš prístup líši od modelu orientovaného viac na údaje. Prináša nám to množstvo výhod — umožňuje nám realizovať optimalizácie vo väčšom rozsahu, potrebujeme výrazne menej údajov (približne päťnásobne menej) a nielenže dokážeme zmeny zaviesť rýchlejšie do prevádzky, ale sú aj jednoduchšie na údržbu,“ vysvetľuje Nicolas Catrysse, riaditeľ pre riešenia digitalizácie rozvoja podnikania v spoločnosti Siemens.

„Po vytvorení modelu sme ho kalibrovali údajmi získanými z procesu, teda z reálnej prevádzky. Na základe týchto údajov sme vytvorili digitálnu aplikáciu pomocouplatformy gPROMS Digital Applications, alebo gDAP. Tento postup prebieha v otvorenej slučke. Následne sme sledovali, ako model reaguje na vstupy zo systému riadenia procesu, a dospeli sme k uzavretej slučke. gDAP priebežne vytvára predikcie, ktoré následne porovnáva so skutočnými údajmi. To nám umožňuje neustále zlepšovať proces.“

„Často to prirovnávam k GPS,“ dodáva Niels. „Presúvame sa od určitého zloženia rozpúšťadiel — poloha A, k inému zloženiu — poloha B.Model nás bude v reálnom čase viesť z bodu A do bodu B najkratšou trasou, alebo najrýchlejšou, alebo najekologickejšou. Určí ideálnu trasu a priebežne ju optimalizuje v závislosti od aktuálnych podmienok — je tam obchádzka alebo nehoda?“

Celkové náklady klesli o 35%

Výsledky pilotného projektu boli pôsobivé. Digitálne dvojča procesu umožnilo znížiť spotrebu rozpúšťadiel o 30 %. Čas výmeny sa skrátil o 35 % a rovnako aj celkové náklady. „Výsledky prekonali naše očakávania,“ vysvetľuje Niels.

„Efektivita nie je len ekonomicky výhodná, ale aj robustnejšia. Dnes sme pilotný projekt rozšírili o ďalšie štyri výmeny rozpúšťadiel, kde očakávame podobné výsledky, pretože tieto úspory nie sú obmedzené len na tento konkrétny prípad použitia.“

„Okrem toho existujú významné výhody aj pri zavádzaní nových procesov. Už samotná optimalizácia existujúcich výmen rozpúšťadiel je veľmi výnosná. A ak dokážeme model aplikovať ešte pred rozšírením výroby — teda už v laboratóriu — ušetríme ešte viac času a zdrojov.Koniec koncov, experimentovanie v laboratóriu je totiž výrazne lacnejšie ako experimentovanie v priemyselnom meradle. Preto sa teraz zameriavame na to, ako využiť laboratórne údaje na vytvorenie modelov, ktoré budeme môcť neskôr aplikovať pri výrobe vo väčšom rozsahu.“

Virtuálne testovanie nám výrazne ušetrilo čas a zdroje.

Niels Vandervoort, Vedúci manažér pre dáta a systémy pilotného závodu, Johnson & Johnson Inovatívna medicína

Aplikácia modelov v prostredí GMP

Používanie týchto modelov v prostredí správnej výrobnej praxe (GMP) predstavuje značné výzvy. Všetko musí spĺňať normy GMP stanovené americkým Úradom pre kontrolu potravín a liečiv (FDA) a Európskou liekovou agentúrou (EMA). To znamená riešenie auditných záznamov, verzovania, integrity údajov, bezpečnosti a mnohých ďalších aspektov. Nicolas: „Keď aplikujeme modely v komerčnom výrobnom meradle, pokrývame všetky dodatočné požiadavky prostredníctvom našej softvérovej platformy SIPAT. Dokážeme to vďaka našim znalostiam v oblasti procesnej analytickej technológie (PAT). SIPAT má navyše schopnosť fungovať ako centrálne riadenie kvality údajov PAT, a to v laboratóriu, v pilotnom závode aj v komerčnom meradle. Tento systém robí tieto modely praktickými, efektívnymi a rýchlymi, s pôsobivými výsledkami.“

Široká dostupnosť modelov

„Nedávno sme digitálne dvojča procesu využili aj pri vývoji nového procesu zahŕňajúceho lyofilizáciu. Išlo o reakciu, pri ktorej dochádzalo k nárastu teploty vo vnútri reakčnej nádoby, pričom teplota musela zostať pod určitou hodnotou, inak by reakcia zlyhala. Proces fungoval v laboratóriu, no pri rozšírení na priemyselné meradlo sa parametre menia. V takom prípade by sme za bežných okolností nastavili testovaciu konfiguráciu a experimentovali, kým by sme nenašli správne parametre. Tentoraz sme však mohli konfiguráciu spustiť virtuálne a model ukázal, že proces by v danom meradle vôbec nefungoval. To nám ušetrilo veľa času a zdrojov.“

Virtuálne od laboratória až po lekáreň

Digitálne dvojčatá procesu majú podľa Nielsa veľký potenciál pre farmaceutický sektor. „Toto je len začiatok. Existuje mnoho spôsobov, ako vyrábať výrazne efektívnejšie a s menším dopadom na životné prostredie. Vďaka tejto technológii budeme schopní v budúcnosti vyvíjať nové procesy oveľa rýchlejšie a so spoločnosťou Siemens máme ideálneho partnera — vďaka ich kombinácii znalostí softvéru, znalostí nášho odvetvia a skúseností s procesmi vo farmaceutickom aj iných sektoroch.

Postupne budeme môcť využívať virtuálne modely od fázy vývoja až po komerčnú výrobu. Čas, ktorý tým ušetríme, pomôže zachrániť mnoho životov.“

Dvaja usmievaví technici v modernom priemyselnom zariadení

Spojte sa s našimi odborníkmi

Chceli by ste zlepšiť vašu vlastnú výrobu pomocou digitálneho dvojčaťa procesu? Stačí nás kontaktovať a spoločne pripravíme riešenie prispôsobené vašim potrebám.

Kontaktujte nás