Guidi, компанія IMA LIFE,
Annoni, компанія HPE Group
Вступ
Серед завдань, що постають у процесі проєктування та кваліфікації бар’єрних систем, необхідних для досягнення та забезпечення асептичних умов на лініях для наповнення чи в інших окремих системах, таких як ізолятори для передачі матеріалу, дозування або тестування на стерильність, керування динамікою повітря або потоку всередині систем відіграє ключову роль. Тому використання методів обчислювальної гідродинаміки (CFD) є цінним і фундаментальним елементом з урахуванням вимог Quality-by-Design щодо безпосереднього проєктування класифікованих зон і інтегрованих машин, а також виступає інструментом аналізу ризиків івалідації із застосуванням пари.
У статті описано різні варіанти визначення методів розрахунку CFD на практичних прикладах.
Передумова
Методи розрахунку CFD засновані на складних математичних рівняннях для моделювання динаміки потоків, яке зазвичай здійснюють у тривимірних середовищах. Як вхідні дані для симуляції при цьому використовують реальні 3D-моделі машин чи обладнання. Рівняння описують основні закони динаміки повітря, такі як збереження маси, імпульсу та енергії. Для їхнього вирішення до області потоку застосовують 3-вимірну сітку з менших елементів, які називаються комірками, або контрольними об’ємами (рис. 1). Деякі складнощі досліджень часто виникають саме на цьому етапі, оскільки він вимагає спеціальних знань для оцінки правильного розміру сітки без втрати роздільної здатності та ризику отримання нереалістичної моделі або наявності занадто великої кількості елементів у сітці та нездатності обчислювально керувати моделлю (що потребувало б надто багато часу та значної обчислювальної потужності).
Рівняння чисельно апроксимують та розв’язують ітераційно, щоб обчислити такі параметри потоку, як швидкість, тиск і температура. Це дає можливість отримати детальне цифрове представлення потоку в змодельованому середовищі, що дозволяє інженерам аналізувати та оптимізувати конструкцію систем або обладнання. Моделювання з допомогою CFD дає змогу передбачити будь-які критичні проблеми в конструкції ізолятора або ж виявити їх уже після завершення монтажу системи.
Рис. 1. Приклад розрахункової сітки
Спеціалізація та співпраця
Компанія IMA LIFE спирається на досвід своєї команди професіоналів, які спеціалізуються на моделюванні та створенні моделей CFD. Для вирішення такої складної задачі фахівці заручилися партнерством і налагодили технічну синергію зі спеціалістами компанії HPE Group, що спеціалізується на розробці інженерних рішень, проєктів і продуктів для автомобільної, морської та оборонної галузей промисловості, а також для сфери автоматизації. Можливість поєднання рішень IMA LIFE, розроблених для забезпечення асептичних вимог фармацевтичного сектора, з досвідом HPE Group у світі передової аеродинаміки стала ключовим фактором. Адже це забезпечить ноу-хау і обчислювальну потужність, що необхідні для відповідності новим вимогам, зокрема Додатка 1 до EU GMP, які були впроваджені з серпня 2023 р., а також для задоволення постійно зростаючого попиту на інновації, гнучкість і продуктивність машин для асептичного наповнення.
Компанія IMA LIFE використовує метод CFD для проєктування та вирішення низки задач. Залежно від типу необхідного аналізу аспекти моделювання та математичний підхід можуть змінюватися. Методи визначення CFD ґрунтуються на різних варіантах і обчисленнях. Завдяки партнерству з HPE Group цю методику було успішно впроваджено в кількох нових розробках машин і поточних проєктах. Для випадків, коли застосування певного методу потребувало використання величезної обчислювальної потужності, компанія HPE Group застосовувала хмарні рішення, які мають відмінні характеристики та відповідають високим стандартам продуктивності. Подібні системи використовують у процесі моделювання для автомобільних перегонів і в аеродинамічній симуляції в оборонному секторі.
Рис. 2. Дослідження односпрямованого потоку на станції для наповнення, вбудованій в асептичний ізолятор
Рис. 3. Дослідження односпрямованого потоку в укупорювальній машині
Зокрема, HPE Group надала відділу моделювання обчислювальний кластер із такими характеристиками: HPC≈1000 Core Intel Xeon і оперативна пам’ять більш як 1 ТБ DDR4, що дає змогу ефективно працювати над дуже складними щодо обчислень моделями. Обчислювальний кластер компанії HPE Group має набір високопродуктивних серверів, які забезпечують як простір для зберігання (область зберігання для даних та файлів обчислень), так і високу швидкість передачі даних (високопродуктивна паралельна система).
Задачі ізоляторних технологій
Компанія IMA LIFE використовує метод CFD для проєктування та вирішення низки задач. Залежно від типу необхідного аналізу аспекти моделювання та математичний підхід можуть змінюватися. Методи визначення CFD ґрунтуються на різних варіантах і обчисленнях.
Аналіз стаціонарного типу
Враховуючи граничні умови, модель CFD визначає стаціонарний стан, який їм відповідає. Такий спосіб проведення аналізу заснований на умові постійного потоку протягом певного часу, що ідеально підходить для ситуацій, за яких відсутні значні зміни потоку в процесі моделювання, а також протягом фізичного часу змодельованого стану.
Цей метод є одним із найбільш застосованих для процесів ізоляції, і саме йому віддають перевагу перед нестаціонарним аналізом, який передбачає більше обчислювальних процесів.
Приклади
- Дослідження динаміки повітряного потоку в зонах класу А або зонах, захищених системою подачі повітря класу А (GAAS), для оцінки відповідної рівномірності, швидкості і відсутності місцевих турбулентних умов або ризику розсіювання частинок (рис. 2).
- Аналіз ризиків, які можуть виникнути під час входження першого повітря. Тобто оцінка впливу компонентів або частин машини, розташованих поблизу критичних зон, таких як відкриті флакони, контейнери або частини, що перебувають у прямому чи непрямому контакті і можуть вплинути на якість односпрямованого потоку (рис. 3).
- Аналіз перепадів тиску у вентиляційних каналах, циркуляційних системах (таких як у C-RABS, одинарних або подвійних ізоляторах) і резервних блоках HVAC (рис.4).
- Аналіз динаміки обертових систем. У цих стаціонарних дослідженнях використовують такий метод, як «рухома система відліку», що здатна імітувати вентилятор або обертові системи. Такий підхід дозволяє досліджувати динаміку приводів усередині ізоляторів зазвичай в обмеженому просторі, де існує ризик сильної турбулентності або кавітації, здатних вплинути на ефективність приводу та динаміку вихідного потоку (рис. 5).
Рис. 4. Тиск в зоні каналу зворотного всмоктування, обладнаного системою фільтрації
Рис. 5. Дослідження односпрямованого потоку на станції для укупорювання, спричиненого обертанням
Аналіз нестаціонарного типу
Нестаціонарний, або перехідний, аналіз із використанням методу CFD розглядає зміну потоку в системі залежно від часу. Цей тип аналізу корисний за тих випадків, коли потік змінюється (наприклад, під час запуску чи зупинки або у разі швидкої зміни тиску). Розгляд моделі за нестаціонарним способом дозволяє фіксувати перехідні явища та зміни поведінки потоку з часом, даючи більш повне та детальне уявлення про динаміку потоку.
Приклад
Динаміка тиску в перехідних процесах вентиляції. Аналіз того, як коливання тиску впливають на систему, коли ізолятор проходить через перехідні фази, такі як вихід блока HVAC у стаціонарний стан, зміна фази машини або перехід від дезактивації до аерації під час циклу обробки водню пероксидом (VPHP).
Аналіз мультипотоків
CFD-аналіз мультипотоків є вдосконаленим методом, за допомогою якого визначають взаємодію між двома або більше потоками в системі. Цей підхід принципово важливий для вивчення такого явища, як змішування різних газів у середині ізолятора.
Приклади
- Аналіз розподілу водню пероксиду у вигляді пари VPHP як під час фаз розпилення, щоб перевірити швидкість і однорідність розподілу дезактивуючого газу, так і під час фаз аерації, аби оптимізувати час циклу (рис. 6) і мінімізувати ризик місцевого накопичення VPHP (рис.7).
- Аналіз ефективності систем інертування азотом, які використовують для запобігання потраплянню кисню всередину контейнерів і шприців під час наповнення та закупорювання. Надзвичайно важливо переконатися, що станція для наповнення в ізоляторі або RABS може забезпечувати відповідні умови для чутливих до кисню препаратів, одночасно гарантуючи мінімально можливий залишковий вміст кисню.
Рис. 6. 3D-зображення нестаціонарного дослідження, що моделює фазу циклу дезактивації
Рис. 7. 2D-зображення,що демонструє відсотковий вміст VPHP всередині камери ізолятора (нестаціонарне дослідження)
Термічний тип аналізу
Аналіз CFD із використанням термічного аналізу ґрунтується на моделюванні та розумінні явищ теплопередачі в системі потоку. Цей підхід важливий для оцінки розподілу та зміни температури всередині обладнання або систем. Аналіз із допомогою термічного методу заснований на вирішуванні рівнянь збереження енергії, які враховують механізми теплового випромінювання, провідності та конвекції.
Приклади
- Аналіз теплообміну в ізоляторі — моделювання для визначення розподілу температури в повітряних потоках, теплообміну зі стінками ізолятора та конвективних рухів, які генеруються за таких критичних процесів, як у системах CIP/SIP під час фази стерилізації (для поверхонь за температури 121 °C), фазах нагріву сухим теплом тунелів для депірогенізації та ефектах конвекції та теплообміну між сублімаційними сушарками та входом/виходом в ізолятор, особливо у випадках «холодного завантаження», тобто з використанням холодних пластин під час транспортування контейнерів (рис. 8).
Рис. 8. Карта HTC (коефіцієнтів конвекції) на пластині для транспортування контейнерів
Рис. 9. Аналіз FEM на з’єднувальній пластині
Рис. 10. Температурне поле навколо станції для наповнення холодним фармацевтичним продуктом
Карту, що демонструє точкову поведінку коефіцієнта конвекції, тобто результат дослідження CFD у фактичних робочих умовах, використовували як граничну умову аналізу методу конвекційних елементів, для оцінки деформації компонента під дією теплових навантажень (рис. 9).
- Дослідження ефективності та розробка термобатарей. Це дозволяє розробляти теплові батареї для нагріву або охолодження повітря, які можна інтегрувати всередину ізолятора з чіткими вимогами, що висуваються до простору.
Багатофазний аналіз
Багатофазний CFD-аналіз, який зазвичай поєднують з термічним аналізом, призначений для вивчення потоків, що містять кілька фаз або станів речовин (наприклад, рідина — газ, рідина — тверде тіло або газ — тверде тіло). Цей підхід надає можливість аналізувати взаємодію та динаміку між різними фазами, що дозволяє пояснити такі складні явища, як суспендування частинок у рідині, розділення фаз у суміші або випаровування рідини.
Рис. 11. Дослідження односпрямованого потоку на станції для наповнення Xtrema
Рис. 12. Дослідження односпрямованого потоку на станції Injecta 36
Рис. 13. Дослідження односпрямованого потоку на станції Injecta 36
Рис. 14. Концентрація VPHP уздовж центральної лінії для розпилення
Приклади
- Аналіз ризиків конденсації в зоні наповнення, розташованих усередині ізоляторів або RABS, в яких спостерігається односпрямований потік за заданих значень температури та вологості. Розрахунок динамічного ефекту охолодження повітря під час руху та ризику конденсації на холодних поверхнях (рис. 10).
- Аналіз скупчення холоду та конденсату на пластинах сублімаційної сушарки під час етапів холодного завантаження. При цьому пластини сублімаційної сушарки можна відрегулювати до значень, близьких до нуля (4–6 °C) або навіть до температури замерзання (–40/–50 °C).
Нестаціонарний аналіз зі змінною в часі геометрією
На сьогодні це надзвичайно складне моделювання і найсучасніша CFD-симуляція. Моделювання відображає не лише динаміку повітря в реальному часі, але й динаміку рухомих частин і, отже, змін фізичної моделі з урахуванням потоків. Іншими словами, CFD-симуляцію виконують для частини, яка, рухаючись за власним шаблоном, впливає на потоки повітря, що, своєю чергою, змінює її специфічні граничні умови. За такої моделі сітка безперервно змінюється, потребуючи надзвичайної обчислювальної потужності. В той самий час вона демонструє, коли рух механічної частини, наприклад роботизованої руки, може спровокувати турбулентність або збурення в односпрямованому потоці повітря, які в інший спосіб важко побачити.
Висновки
Методи CFD використовують на етапах проєктування, і вони можуть бути представлені як документальне підтвердження, що додають до проєктів, об’єктивно демонструючи підхід Quality-by-Design, який є обов’язковим під час проведення асептичних досліджень. Вони є першим етапом досліджень візуалізації повітряного потоку, чого вимагає новий Додаток 1 до EU GMP, і інструментом, який допоможе регулювати та вдосконалювати етапи валідації за допомогою досліджень потоків на станціях для наповнення.
Приклади кейсів
Перевірка односпрямованості та швидкості повітряного потоку
Мета: перевірити відповідний розподіл повітряного потоку станції для наповнення флаконів моделі Xtrema всередині ізолятора. Потрібно було довести, що в критичних точках немає турбулентності або ризику забруднення, а швидкість повітря відповідає вимогам GMP.
Для цього послуговувались методом стаціонарного аналізу з використанням реальної 3D-моделі машини та ізолятора.
Отриманий результат: CFD підтвердив, що односпрямований розподіл потоку був відповідним, критичних турбулентностей не виявлено, а швидкість повітря перебувала в діапазоні 0,45 м/с із відхиленням +/–20% у різних точках, в яких оцінювали односпрямований потік. Отриманий документ був затверджений замовником під час перевірки проєкту та став частиною документації щодо валідації системи (рис. 11).
Перевірка та оптимізація першого повітряного удару
Мета: робот-захоплювач станції для наповнення Injecta був розміщений над точкою захоплення «гнізда» з контейнерами RTU під час етапу pick & place. Потрібно було оцінити можливість вдосконалення конструкції захвату для запобігання впливу першого повітря під час цього етапу транспортування. Також необхідно було перевірити відповідність односпрямованого повітря в зоні наповнення поруч із приводами роботів.
Для цього використовували метод аналізу стаціонарного стану з допомогою реальної 3D-моделі машини та ізолятора.
Отриманий результат: CFD дозволив оптимізувати 3D-модель, щоб зменшити вплив геометрії захвату на потік повітря, який потім проходить вздовж основного контейнера, гарантуючи покращену відповідність принципу першого повітря. Траєкторії рухомих роботів були оптимізовані для мінімізації ризиків зіткнення з першим повітрям (рис. 12 і 13).
Контейнмент VPHP у тунелі Nebula
Мета: в системі Nebula використовується висока концентрація VPHP, яка підтримується у відкритому тунелі, проте забезпечена аеродинамічним захистом, щоб VPHP не виходив із дезактиваційної камери Nebula. Отже, дослідження тиску та захисних потоків повинно було довести, що VPHP зберігається в певній точці системи, запобігаючи його потраплянню в сусідні камери.
Для цього використовували метод мультипотокового аналізу.
Отриманий результат: завдяки мультипотоковому моделюванню, під час якого розраховують розподіл двох потоків, а саме повітря та VPHP, конструкцію Nebula було оптимізовано таким чином, щоб потік VPHP (червоним) залишався обмеженим усередині дезактиваційної камери за різних умов експлуатації (рис.14–16).
Рис. 15. Лінії потоку, що відображають турбулентну динаміку VPHP за високих концентрацій
Рис. 16. Рух на виході з форсунок Nebula та відповідний вплив на прохідні трубки
Аналіз впливу частин, що рухаються з високою швидкістю у першому повітрі
Мета: оцінити можливість високошвидкісної динаміки системи для підбору та розміщення закупорювальних елементів на новій станції Injecta 36, що здатна наповнювати та закривати 36 000 контейнерів на 1 год, спричинити проблеми з односпрямованістю та першим повітрям у критичній зоні для наповнення.
Для цього використовували метод нестаціонарного аналізу зі змінною в часі геометрією.
Отриманий результат: моделювання продемонструвало, що турбулентність, спричинена рухом механічної частини, не впливала на перше повітря в зоні для закупорювання.
Висновки
Методи CFD застосовують для пошуку інноваційних рішень або вдосконалення конструкції ізоляторів і RABS, а також із метою модернізації традиційних або роботизованих наповнювальних машин, технологічних систем, таких як сублімаційні сушарки, дезактиваційні тунелі або спеціальні рішення, наприклад нової системи для дезактивації Nebula.
Під час досліджень, проведених фахівцями компанії IMA LIFE, деякі фактори в CFD виявилися вирішальними. Передусім це створення внутрішньої групи, яка спеціалізується на симуляції CFD і здатна швидко визначати відповідну модель симуляції та оцінювати встановлені параметри та граничні умови.
Можливість отримання підтримки галузевих спеціалістів, зокрема співробітників HPEGroup, і тісна співпраця з нашою внутрішньою командою дозволили швидко налаштувати складне моделювання, підтримувати очищення 3D-моделей і отримати величезну обчислювальну потужність.
І останнє, але не менш важливе: розширення моделей до всебільш складних сценаріїв з урахуванням термічної динаміки, змішаних потоків, зміни фаз та змінних у часі 3D-моделей є досяжним і реалістичним результатом на обчислювальному рівні.
Зоран Бубало Zoran@Bubalo.rs Тел.: +380 (63) 442-56-48
