基于离散元法的固体制剂生产设备如何进行仿真优化及与AI技术融合应用？

固体制剂是医药领域比较常见的剂型，可以分为片剂、颗粒剂、散剂等，该种剂型占药物剂型数量的70% 以上。固体制剂的制造生产工艺和生产设备十分复杂，任何环节的失误都将降低药物的整体质量。我国固体制剂生产机械的技术水平在近些年已得到了显著的改进，但仍与国外有很大的差距，因此想要取得固体制剂制生产机械产业的长足发展，就必须解决制约机械水平发展的因素，引入新的技术研究路线，不断革新和创新，实现精益生产。那么全球的固体制剂制生产机械产业的离散元仿真技术进展如何？作为领先的工程仿真解决方案供应商，Altair将于2024年11月20-21日举办全球离散元仿真技术会议，届时，来自默克医疗、美国艾伯维、梯瓦制药等众多知名企业的高管及行业专家将分享离散元仿真技术的实践经验以及如何利用AI推动离散元仿真发展等热门议题，助力药企创新增效。

现有固体制剂的制药工艺流程如下，首先将制备的药物进行粉磨，之后通过筛网进行筛选，对颗粒不达标的部分进行二次粉磨。如果将粉磨后的颗粒直接封装，可以得到散剂；如果将颗粒进行干燥、造粒处理，可以得到颗粒剂；如果将粉磨后的颗粒进行压缩成型，可以得到片剂；将粉磨后的颗粒分装进胶囊可得到胶囊剂。而针对不同的固体制剂类型，工艺流程会有所区别，其中尤以片剂工艺最为复杂。如下所示为片剂的具体生产流程：

粉碎：有效降低药物的直径，增加药物的比表面积，以利于药物溶解和吸收，同时，将药物和辅料进行粉碎可提高复方药物或药物与辅料的混合均匀度。根据粉碎方式不同，主要粉碎设备包括万能粉碎机、锤击粉碎机、球磨机、振动磨、流化床式气流粉碎机等。

过筛：可以有效分离不同直径的药物颗粒，从而获得粒径均匀的粉末药物。常见设备包括旋转式振动筛、电磁簸动筛粉机等。

混合：指通过机械方法使用两种或多种药物相互分散，保证药物的均匀性，是各种固体制剂生产中的重要操作。影响混合的因素主要包括颗粒的形态、流动性、密度、粘附性等。主要混合设备包括V型混合机、槽型混合机、三维运动混合机等。

制粒：将粉状物料加工成颗粒并加以干燥的操作，常作为压片和胶囊填充前的物料处理步骤，以改善粉末的流动性，防止物料分层和粉尘飞扬。制粒操作包括湿法制粒、干法制粒和一步混合制粒等方法。常见的制粒设备主要包括摇摆式颗粒机、高速搅拌制粒机和流化喷雾制粒机。

干燥：利用热能使制药物料中的湿分气化，并利用气流或真空带走气化的湿分，从而获得干燥物料。干燥速率成为衡量干燥作业的指标，影响干燥速率的因素主要包括制药颗粒的形状、干燥介质的温度和湿度、干燥条件、干燥器的结构形式等。常见的干燥方式包括厢式干燥器、喷雾干燥器、沸腾干燥技术等。

压片：借助外部压力将颗粒间距缩小到足够内聚力而紧密结合的程度。压片是整个片剂生产的关键部分，由压片机完成。常见设备主要包括单冲式压片机、旋转式压片机等。

包衣：指在片剂表面包裹其他材料，达到防潮、避光、隔绝空气、改善外观等目的。主要的包衣设备包括滚动包衣设备、流化床包衣设备、压制包衣设备等。

随着计算机技术的快速发展，借助高效的计算机辅助分析（CAE）手段，对制药机械设备进行自主精益的一体化设计与改进，已经成为行业内备受关注和认同的技术研究路线。从上述固体制剂制备工艺流程可以看出，颗粒物几乎存在于药物制造的各个过程。因而，有效地处理与加工药物颗粒是制造企业保证药物质量、提高生产效率的关键所在。本方案基于颗粒力学理论，引入离散元方法，并借助于仿真工具Altair^® EDEM™构建固体制剂生产机械仿真及优化技术路线。

离散元法（Discrete Element Method, DEM）是一种专业处理非连续介质问题的数值模拟方法。利用该方法可以有效地模拟分析机械系统与散体物料间的相互作用过程，获得传统测试方法无法获取的数据信息，目前已被广泛应用于涉及散料工艺与设备的设计分析环节。EDEM是一款基于离散元法的通用颗粒力学分析工具。软件基于共享内存式的CPU并行运算方法及基于GPU的高速计算技术，可高效处理千万以上颗粒量的工业级仿真需求。该软件提供了丰富的物料接触模型，能够模拟各种类型的颗粒物料，如干燥的矿石、含水的粘性矿石、带电或磁性的矿石等。同时，软件提供了强大的耦合平台，能够实现与多体动力学软件（MBD）联合模拟设备的运动与动力学特性等；与结构有限元分析软件（FEA）联合模拟设备结构强度与疲劳特性等；与计算流体力学分析软件（CFD）联合模拟流场、电磁场等对分选过程的影响等，已广泛应用于各个涉及散体物料处理的行业和领域。更多行业应用以及离散元方法创新欢迎报名注册2024年11月20-21日举办全球离散元仿真技术会议。

在固体制剂机械仿真过程中，药粉颗粒、片剂等均可通过EDEM的颗粒建模功能创建模型，如下图所示：

片剂建模

此外，EDEM中提供多种颗粒粒径分布方式以满足不同工艺过程中药粉等的粒径差异性，包括：正太分布、随机分布、均一大小、用户指定分布等。在仿真过程中可根据实际选择合适的颗粒粒径分布范围。

(1)颗粒损伤与破碎模型

(2)黏结颗粒模型

破碎模型

此外，针对不同的粉碎方式，EDEM可提供相应的仿真技术全面考察药物粉碎过程，这包括：

1）对于万能破碎机、锤击式粉碎机、球磨机等机械式破碎机，EDEM可通过与多体动力学（MBD）软件的耦合仿真考察药物原料粉碎效率及不同粉碎度下设备的动力学响应；

2）对于流化床粉碎机等气流式破碎机，可通过EDEM与计算流体力学（CFD）软件的耦合建立流固耦合仿真模型。

综上，通过EDEM及其多学科仿真平台，可研究粉碎机械如下内容：

1）粉碎机理研究，包括：粉碎度与粉碎能力、被粉碎物料间的碰撞、被粉碎物料与机械壁面碰撞能量等；

2）一定粉碎度要求下粉碎机械选型；

3）被粉碎物料特性如密度、硬度、含水率、粒径大小等对粉碎度的影响；

4）机型设计能否满足粉碎度的要求；

5）粉碎机械作业参数优化；

6）粉碎机械磨损等。

球磨机及旋回破碎机

EDEM内置基本的转动、摆动等运动形式，可满足一般混合机的运动设置；对于三维运动混合机等复杂形式的运动，可借助于EDEM与MBD软件耦合实现。

借助于EDEM仿真可研究混合机如下内容：

1）混合机理研究，包括药粉颗粒的流动规律；

2）不同的药粉颗粒填充率对混合效果影响；

3）混合时间与混合效率关系；

4）混合死角或药粉颗粒粘结区域；

5）搅拌结构对混合效果影响；

不同粒径药粉混合分层现象等。

V型混合机混合机

借助于EDEM可研究如下内容：

1）干燥条件包括进风温度、风速等对干燥效率影响；

2）颗粒温度变化检测；

3）干燥器内部温度分布；

4）干燥能耗等。

综上，制粒过程仿真难点在于如何准确表征粘合剂作用下粉末间粘结且粘结作用力随时间变化、温度场作用下水分蒸发等过程。EDEM API支持对颗粒间作用力的二次开发工作，可实现粉末间作用力随时间变化关系；通过EDEM-Fluent耦合可实现干燥过程仿真。

流化床制粒示意图

借助于EDEM可研究如下内容：

1） 物料流动状态；

2） 颗粒结块过程研究；

3） 制粒条件如流场变化、运动部件运动周期变化等对制粒影响；

4） 制粒机内壁颗粒附着；

5） 颗粒堵塞、流动死角；

6） 制粒过程中粉尘控制研究等。

双螺杆制粒仿真示意图

1）下冲的冲头部位(其工作位置朝上)由中模孔下端伸入中模孔中,封住中模孔底；

2）利用加料器向中模孔中填充药物；

3）上冲的冲头部位(其工作位置朝下)自中模孔上端落入中模孔,并下行一定行程,将药粉压制成片；

4）上冲提升出孔,下冲上升将药片顶出中模孔,完成一次压片过程；

5）下冲降到原位,准备下一次填充；

EDEM内置EEPA接触模型可实现压片前后药粉颗粒堆密度的变化过程，实现压片机工作过程仿真。同时，借助于EDEM-MBD耦合方法可进一步考察压片机中压力调节结构对压力的控制效果在片剂上的体现。

借助于EDEM可研究如下内容：

1）压制中药粉颗粒剂量控制；

2）压制后混合药粉成分含量统计；

3）压制后药片结构完整性分析；

4）药片厚度及压实程度控制；

5）压制完成后药片强度虚拟测试；

加料机构、压力调节机构、出片机构等颗粒-多体动力学联合仿真。

药片压制压力分析

药片应力分布

压制后药片成分含量统计

药片结构完整性分析

1）片剂流动状态及内部结构对流动状态影响研究；

2）包衣均匀度；

3）包衣液的使用量研究；

4）药片停留时间、作业参数等与包衣均匀度关系；

5）包衣时间；

6）包衣过程中药片损伤；

7）同机型下不同形状药片包衣效果差异研究等；

包衣片剂干燥（包衣锅温度分布及药片温度分布）

包衣过程中药片损耗

1）胶囊填充药量及填充率控制；

2）喂料机构作业参数：堆料、堵料；

3）胶囊填充药量均一性和稳定性研究；

4）混合药粉偏析现象研究；

药粉流动中结块现象研究等。

填充过程中不同粉末质量统计

ATCx DEM 全球离散元仿真技术会议

自2020年首次举办以来，ATCx DEM已发展为全球首屈一指的离散元仿真技术线上活动，专注于离散元方法（DEM）在散料和颗粒材料仿真中的应用技术交流。

今年，Altair 将在11月20-21日举办为期2天的ATCx DEM 全球离散元仿真技术会议。本次会议，Altair 将邀请德国默克医疗、美国艾伯维、梯瓦制药等全球知名企业的技术专家和一线工程师，倾情分享近60个涵盖重型设备、矿业与冶金、化学、制药等不同行业的精彩演讲，诚邀您共同探索离散元方法在各个行业中的创新应用，离散元仿真和Altair^® EDEM™ 如何彻底革新设备优化和流程效率最新创新和最佳实践。

➡️ 会议时间：2024年11月20-21日（周三~四）中午12:00 开始

➡️ 会议形式：线上直播

➡️ 会议语言：英语（免费提供中文同声传译）

了解更多会议信息，请点击：htt‍ps://events.altair.com/zh-hans/atcx-dem-离散元仿真技术大会/#info