汎用離散要素法(dem)ソルバー rockyの製薬工業への適用可能性 · 2017. 12....

汎用離散要素法(DEM)ソルバーROCKYの製薬工業への適用可能性

ステイシフト株式会社今市健太

2017/11/21 Stay-Shift Co., LTD. 1

ROCKY-DEM For pharma industry

ROCKYとは

• ROCKY DEMは、離散要素法を用いた汎用粒子解析ソフトウエアです。ROCKYはソルバーだけでなく、プリポストを含むすべてのシミュレーション作業環境が使いやすいGUIに搭載されたオールインワンのパッケージソフトとして提供しています。

• これまでの汎用粒子解析ソフトウエアでは扱うことが難しかったポリゴンによる非球形粒子形状での計算が可能となっています。任意の形状をインポートして粒子として扱うことが出来るため、かつてないリアリスティックなDEM計算が可能です。

• また、独自の高速化アルゴリズムの採用およびGPU並列処理の導入により、多数の粒子を圧倒的な規模と速度で、正確に計算することが可能です。


錠剤楕円形錠剤三角形錠剤方形錠剤カプセル剤ソフトカプセル

剤


製薬工業におけるシミュレーションの活用可能性

Predictive Modeling of Pharmaceutical Unit Operations, Pandey and Bharadwaj, 2016, in print


:DEMの適用可能な工程


DEMとは

• DEM(Discrete Element Method:離散要素法)とは、変形しない剛体どうしの接触/反発現象を、ヤング率と接触オーバラップを用いたモデルで表現するシミュレーション方法です。

• 粉体計算手法としては最も広く使用されており、一般的かつ信頼性のある方法です。

• 計算時間が長いことが欠点とされてきましたが、近年のハードウエア技術、特にGPU計算の発展により急速に高速化/一般化してきています。


法線方向力接線方向力

線形ヒステリシス法線方向力モデル線形弾性摩擦力モデル

オーバラップ領域

当社の非球形モデルは結合球体ではなく、完全なポリゴンです。商用コードで非球形対応は当社のみです。


事例紹介：タブレットコーティング


左の動画は、錠剤のコーティング工程(コーター)の大規模シミュレーションです。

• コーティングの均一化評価(品質向上)

• 歩留まり向上(コスト削減)

上記を目的として、海外製薬メーカーと開発元が共同実施した事例です。242,000の非球形要素を計算しており、これは球形では53,240,000粒子相当になります。

製造欠陥の例


事例紹介：GPU計算による高速化


下図は前ページ動画のコーター計算を複数のハードウエアで速度ベンチマークした結果です。ROCKYは，最新のCUDATMアーキテクチャに対応しており，従来のCPUを用いた計算と比較して安価なハードウエア(GPUボード)で高速に計算を行うことが可能です．

マルチGPUによる計算時間削減効果 242,000個の非球形カスタム粒子(220Vertex)

を、3基のP100 GPUを用いて1.1時間で計算可

能です。これは、球形粒子にすると53,240,000

個相当です。

マルチGPU計算サーバ

8コアCPUに対して、最新のP100 GPUカード3枚による計算速度は、およそ80～

100倍に達します。大規模なDEM計算も短時間で完了することが出来ます。


事例紹介：タブレットコーティングシミュレーション設定• ROCKYでは任意形状を簡単に読み込むことが可能です。任意のCADモデルからシミュレーションを簡単に設定し、机上検討することが可能です。


コータードラムCADデータ

錠剤CADデータユーザー知見

実験結果サポート

計算条件

ROCKY設定・活用の概念図


• 運転条件やスプレー有効範囲の改善などの結果を、実験を行う前に騎乗評価することが可能です。

• 実験では評価しづらい項目についても、シミュレーションであれば評価することが可能です。


現実のコーティング：スプレーで表面にコーティング剤を噴射し塗膜作成

DEMによる評価：スプレー有効範囲での各タブレットの滞留時間を評価

滞留時間が長い=塗膜が厚い

滞留時間が短い=塗膜が薄い

• ROCKYは優れたポスト処理機能によって、用途に合わせて様々な結果評価が可能です。

• この事例ではコーティングによるスプレーの効果を、特定範囲での錠剤の滞留時間の多寡に置き換えて評価実施しています。

事例紹介：タブレットコーティング塗膜評価


事例紹介：タブレットコーティング・ポスト処理


スプレー領域滞留時間 [s]

平均空間充填率[-]

平均せん断応力[Pa]

移動速度と流線

[m/s]

• ROCKYは多様なポスト処理機能を搭載しており、ユーザーの必要性に応じて様々なパラメータによる結果評価が可能です。


事例紹介:タブレットコーティング形状依存性評価

• 非球形ポリゴン粒子を使用することが出来るROCKYは、形状依存による現象の違いを非常に簡単に評価・検討することが可能です。


T = 7 mm

T = 7 mm

T = 5 mm0

5

10

15

20

25

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Nu

mb

er o

f Ta

ble

ts [

%]

Residence Time [s]

SRC

Diamond

Capsule

SRC型

Capsule型

Diamond型

左の三種類の薬剤形状を用いてコーターシミュレーションを実施しました。右グラフが、スプレー領域滞留時間によるスペクトル評価を行った結果です。

この結果ではSRC型が最も滞留時間が長く拡散性があり、次いでDiamond、Capsuleであることが確認されました。

これは、SRC型が最もコーティング性が良いという事を示します。


事例紹介：粉体圧縮モデル (粉末冶金での応用)

• ROCKYには粉体圧縮モデルが搭載されてます。そのため、打錠工程などへの応用が可能です。

• ここでは、類似事例として粉末冶金によるギア部品の圧粉成型モデルを紹介いたします。


粉体圧縮モデル概念図

粉体圧縮モデルは、粒子間に反発力だけでなく、吸着力を発生させることが出来ます。そのため、疑似的に粉体の圧縮挙動(圧密挙動)を再現することが可能です。


まとめ

• ROCKYは、高速・多機能・簡便な汎用DEMシミュレーションツールです。

• 非球形に対応しているので、現実の粉体問題に対して極めて近い条件で計算することが可能です。

• 形状依存問題にも応用が可能です。

• 粉体圧縮モデルを搭載しており、圧粉工程を含む問題に応用可能です。


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