Dank Simulation schneller skaliert

Die Herstellung von Medikamenten beginnt im kleinen Maßstab im Labor, wo Zellen kultiviert und Bakterien fermentiert werden. Für die Produktion im industriellen Maßstab setzt ABEC – ein Hersteller von Bioreaktoren und Fermentern – auf hochentwickelte Simulationssoftware von Siemens.

Der Hals kratzt, die Nase läuft, Niesanfälle durchfahren den Körper: Bei den ersten Anzeichen einer Erkältung machen wir uns häufig schnell auf den Weg in die Apotheke. Laut Packungsbeilage eingenommen, können Tropfen und Pillen eine ausgewachsene Infektion meist noch verhindern.
 

Erfreut über die Besserung denken wir indes kaum darüber nach, woher die „Wundermittel“ eigentlich kommen. Tatsächlich beginnt jedes Medikament in einem Labor. Hier wird es zunächst in kleinen Chargen entwickelt und getestet, bis es schließlich in großen Mengen hergestellt werden kann – die Produktion wird hochskaliert.
 

Die damit verbundenen Herausforderungen betreffen nicht nur die Pharmaindustrie; angesichts der Beschaffenheit und der beabsichtigten Verwendung der Produkte sind sie hier aber von besonderer Bedeutung. Die Hochskalierung ist deshalb eine jener Herausforderungen, mit der sich ABEC, ein Hersteller von Bioreaktoren und Fermentern, bereits seit seiner Gründung vor mehr als 45 Jahren auseinander setzt. 

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TechnologischeHerausforderungen meistern

Eine der wichtigsten technologischen Herausforderungen der Kunden von ABEC besteht darin, die Bioreaktorleistung über ein breites Spektrum von Größen und Plattformen hinweg zu prognostizieren und zu verändern. „Ein typisches Szenario könnte etwa ein Projekt beinhalten, das von der Laborbank im Zehn-Liter-Maßstab zu einer Prozessentwicklung übergegangen ist, die möglicherweise im Hundert-Liter-Maßstab durchgeführt wird. Ein anderes Unternehmen, das kurz vor der Produktion steht, muss möglicherweise Tausende von Litern in mehreren Einheiten hochfahren“, veranschaulicht Paul Kubera, Vice President of Process Technology bei ABEC.
 

Plattforminkompatibilitäten sind ein weiteres potenzielles Hindernis. So nutzt ein Unternehmen an einem Standort möglicherweise eine Ausrüstung, die sich von der an einem anderen Produktionsstandort unterscheidet. Um dies zu lösen, unterstützt ABEC seine biopharmazeutischen Kunden bei der Überbrückung verschiedener Plattformen, um einheitliche Ergebnisse an allen Standorten zu gewährleisten.

„Siemens bietet uns die Unterstützung, die wir brauchen, um unseren Kunden zu zeigen, dass die Ausrüstung sofort beim Anfahren sehr zuverlässig betrieben werden kann – das verringert die Produkteinführungszeit.“
Paul Kubera, Vice President of Process Technology, ABEC

BewährteHilfsmittel

Zur Lösung dieser Probleme setzt ABEC auf verschiedene Konzepte und Methoden, darunter Berechnungen, Labormodelle, die Prüfung der Produktionsausrüstung sowie die Modellierung der numerischen Strömungsmechanik (CFD, Computational Fluid Dynamics). Für Letzteres vertraut ABEC auf die Siemens-Software Simcenter STAR-CCM+. „Mit Simcenter STAR-CCM + können wir eine CFD-Großsimulation durchführen und uns darauf verlassen, dass die gemessene Leistung der gelieferten Geräte den Erwartungen entspricht“, sagt Kubera.

 

Dank der Simulationssoftware konnte ABEC den Einsatz von Experimenten im großen Maßstab verringern, die Prozessstabilität über Standorte und Plattformen hinweg sicherstellen, das Potenzial für eine verbesserte Produktionsausbeute erhöhen und die Markteinführungszeit verkürzen.

 

Darüber hinaus profitieren auch bestehende Systeme: dank Simulation können für jede beliebige Bioreaktorkonfiguration Experimente mit einem digitalen Zwilling durchgeführt werden, um Möglichkeiten zur Prozessverbesserung zu ermitteln.

Noch mehr Potenzial

So wertvoll Simcenter STAR-CCM+ für ABEC auch ist, den Experten des Unternehmens ist bewusst, dass die Software noch mehr kann: „Wir führen nicht genug CFD-Simulationen durch, um alle Vorteile zu nutzen, die sie uns bieten könnten“, sagt Kubera. Was Simcenter STAR-CCM+ noch nützlicher macht ist der Umstand, dass die Ingenieure von ABEC auf die Expertise von Siemens zählen können.

 

„Siemens bietet uns die Unterstützung, die wir brauchen, um unseren Kunden zu zeigen, dass die Ausrüstung sofort beim Anfahren sehr zuverlässig betrieben werden kann – das verringert die Produkteinführungszeit“, merkt Kubera an. Ganz so, wie bei der Einnahme von Medikamenten gegen eine drohende Erkältung: Sie wirken verlässlich und schnell – und verkürzen damit die Zeit bis zur Genesung.

Es gibt eine ganze Reihe von Fällen, bei denen sich die Ingenieure von ABEC inzwischen auf Simcenter STAR-CCM+ verlassen. Eine typische Anwendung bei Bioreaktoren ist die Beurteilung von Designs für Rührwerkschaufeln mit dem Ziel, die Vermischungsdauer zu verbessern. Das Konzept von ABEC besteht darin, das CFD-Modell von Simcenter STAR-CCM+ mithilfe von Ergebnissen aus kleinmaßstäblichen Experimenten mit verschiedenen Rührwerkdesigns zu validieren und die Ergebnisse dann unter Nutzung des validierten CFD-Modells auf den Produktionsmaßstab zu extrapolieren.

Eine weitere typische Anwendung betrifft die Beurteilung von Bioreaktor-Produktionsplattformen für die Zellkultur und Bakterienfermentation – ein wichtiger erster Schritt in der Herstellung biologischer Produkte. Das Ziel besteht darin, unabhängig vom Maßstab die Eignung jeder Plattform für die Bereitstellung der gleichen Umgebung für jeden Organismus zu bewerten. Hier setzt ABEC Simulationen mit Simcenter STAR-CCM+ ein, um die Auswahl zu unterstützen und zu ermitteln, welche Option am besten für die Einschränkungen des Kunden geeignet ist – beispielsweise hinsichtlich Volumen, Geometrie und Zeitplan.

ABEC ist seit 1974 ein Marktführer für die Bereitstellung integrierter Prozesslösungen und Dienstleistungen für die Fertigung in der Biopharmazeutikindustrie. Heute sind weltweit mehr als 3.000 Systeme des Unternehmens in Betrieb.

abec.com

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