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医薬品の連続生産の実現に向けた革新的シミュレーション技術の開発

研究課題

研究課題/領域番号 21H04870
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分60:情報科学、情報工学およびその関連分野
研究機関東京大学

研究代表者

酒井 幹夫  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (00391342)

研究分担者 出町 和之  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (00292764)
森 隆昌  法政大学, 生命科学部, 教授 (20345929)
綱澤 有輝  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 地質調査総合センター, 研究員 (80803923)
研究期間 (年度) 2021-04-05 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
41,730千円 (直接経費: 32,100千円、間接経費: 9,630千円)
2024年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
2023年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
2022年度: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円)
2021年度: 11,830千円 (直接経費: 9,100千円、間接経費: 2,730千円)
キーワード連続生産 / 離散要素法 / 固体-流体連成シミュレーション / デジタルツイン / 製剤 / 妥当性確認 / Validation / 固体-流体連成問題 / DEM-CFD法 / ロータリー式打錠機 / 医薬品 / マルチフィジックスシミュレーション / 医薬品連続生産 / 縮約モデル / Discrete Element Method / DEM / 粗視化モデル / Modeling & Simulation / V&V / 固有直行分解 / サイバーフィジカルシステム / スマート工場 / 埋込境界法 / 符号付距離関数 / 固有直交分解 / データサイエンス / 粉体工学
研究開始時の研究の概要

医薬品製造において、従来の生産方式に対して大きな利点があるため連続生産の導入が検討されている。本研究では、医薬品の中で最も身近な固形製剤の連続生産に注目する。固形製剤の連続生産は固体と流体が複雑に相互作用するマルチフィジックス問題である。固形製剤の連続生産を精緻に模擬するには、卓越したマルチフィジックスシミュレーションモデルとともに、正確な物性値の設定が求められる。そこで、本研究では、固形製剤の連続生産の実現に向けて、高度なマルチフィジックスシミュレーションモデルと機械学習を用いた物性値推定を融合した革新的シミュレーション技術を開発する。

研究実績の概要

医薬品の製造において連続生産の導入が注目されている。これまでの連続生産の研究は実験やプロセス設計を中心になされてきた。現在、連続生産の対象となる医薬品は少ないため、医薬品の連続生産を実現するために精緻なコンピュータシミュレーションの導入が期待されている。本研究では、固形製剤を対象とし、数値シミュレーションに関する研究を行う。本研究で対象とする連続生産は、固体粒子と流体が複雑に相互作用するマルチフィジックス問題である。このようなマルチフィジックス問題の数値シミュレーションを実行するために、研究者代表者のグループで独自開発したFlexible Euler-Lagrange method with an implicit algorithm (FELMI)コードを用いて研究を進めた。2023年度の研究実績は、(1)固気混相流を対象とした縮約モデルの開発および(2)FELMIを用いたロータリー式打錠機の数値シミュレーションである。(1)固気混相流を対象とした縮約モデルの開発では、人工知能(radial-basis function (RBF)およびlong-short term memory (LSTM) neural network)を使用した。本縮約モデルにより、固気二相流の現象を効率よく再現できることを示した。(2)FELMIを用いたロータリー式打錠機の数値シミュレーションでは、粉末を金型に充填する際の吸引効果の考察を行った。なお、既存の数値シミュレーションでは、ロータリー式打錠機のような下杵(境界条件)が動いた状態で、固体粒子と流体が流動する現象を模擬することが技術的に困難であったが、FELMIでは符号付距離関数と埋込境界法を組み合わせて境界を模擬しているため、このような既存技術で困難な体系を容易に模擬することができた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究者代表者のグループで独自開発したFlexible Euler-Lagrange method with an implicit algorithm (FELMI)コードをベースにして、固形製剤の連続生産の数値シ ミュレーションに関する要素技術の開発を行うとともに、開発したモデルの妥当性確認を行った。固気混相流を対象とした縮約モデルも開発し、本縮約モデルにより固気二相流の現象を効率よく再現できることを示した。本年度の研究成果の論文が権威ある国際学術雑誌に出版できた他、国内外の学会において多数の招待講演の機会が与えられた。このようなことから、研究成果が国際的に認めたと判断している。総合的にみて研究はおおむね順調に進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

引き続き、医薬品の連続生産を対象とした数値シミュレーションに関する研究を行う。その際、研究代表者のグループで開発した、DEM粗視化モデル、非球形粒子モデル、数値計算安定化手法などを組み合わせた数値シミュレーションを実行し、高い安定性で実現象をよく再現できることを示す。連続生産を対象としたサロゲートモデルの開発に関する研究も行いたい。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (51件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (15件) (うち国際共著 1件、 査読あり 15件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (35件) (うち国際学会 18件、 招待講演 16件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] On Fostering Predictions in Data-Driven Reduced Order Model for Eulerian?Lagrangian Simulations: Decision of Sufficient Training Data2024

    • 著者名/発表者名
      Yang Kai-en、Li Shuo、Duan Guangtao、Sakai Mikio
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Engineering of Japan

      巻: 57 号: 1 ページ: 2316155-2316155

    • DOI

      10.1080/00219592.2024.2316155

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] On reduced-order modeling of gas?solid flows using deep learning2024

    • 著者名/発表者名
      Li Shuo、Duan Guangtao、Sakai Mikio
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 36 号: 3 ページ: 033340-033340

    • DOI

      10.1063/5.0193480

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Validation study on a coarse-grained DEM-CFD simulation in a bead mill2024

    • 著者名/発表者名
      Tsunazawa Yuki、Soma Nobukazu、Iijima Motoyuki、Tatami Junich、Mori Takamasa、Sakai Mikio
    • 雑誌名

      Powder Technology

      巻: 440 ページ: 119743-119743

    • DOI

      10.1016/j.powtec.2024.119743

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] On POD-based modal analysis in simulations of granular flows2023

    • 著者名/発表者名
      Li Shuo、Duan Guangtao、Sakai Mikio
    • 雑誌名

      Powder Technology

      巻: 413 ページ: 118058-118058

    • DOI

      10.1016/j.powtec.2022.118058

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] DEM simulations in nuclear engineering: a review of recent progress2023

    • 著者名/発表者名
      Li Rui、Duan Guangtao、Sakai Mikio
    • 雑誌名

      Journal of Nuclear Science and Technology

      巻: 61 号: 3 ページ: 285-306

    • DOI

      10.1080/00223131.2023.2231969

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Large-Scale Discrete Element Modeling for a Gas?Solid?Liquid Flow System2023

    • 著者名/発表者名
      Li Rui、Duan Guangtao、Yamada Daisuke、Sakai Mikio
    • 雑誌名

      Industrial & Engineering Chemistry Research

      巻: 62 号: 42 ページ: 17008-17018

    • DOI

      10.1021/acs.iecr.3c01511

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Numerical study on the elucidation of powder mixing mechanism in a container blender2023

    • 著者名/発表者名
      Shi Qi、Sakai Mikio
    • 雑誌名

      Advanced Powder Technology

      巻: 34 号: 11 ページ: 104231-104231

    • DOI

      10.1016/j.apt.2023.104231

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 粒子分離プロセスの高度化に資する粒子流体連成シミュレーション技術2023

    • 著者名/発表者名
      綱澤有輝, 酒井幹夫
    • 雑誌名

      分離技術

      巻: 53 ページ: 401-407

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Validation study on a toroidal approximation-based capillary force model in the discrete element method simulation2022

    • 著者名/発表者名
      Tamura Kotaro、Mori Yuki、Takabatake Kazuya、Sakai Mikio
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 34 号: 2 ページ: 023319-023319

    • DOI

      10.1063/5.0080792

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Recent progress on the discrete element method simulations for powder transport systems: A review2022

    • 著者名/発表者名
      Shi Qi、Sakai Mikio
    • 雑誌名

      Advanced Powder Technology

      巻: 33 号: 8 ページ: 103664-103664

    • DOI

      10.1016/j.apt.2022.103664

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of a reduced-order model for large-scale Eulerian?Lagrangian simulations2022

    • 著者名/発表者名
      Li Shuo、Duan Guangtao、Sakai Mikio
    • 雑誌名

      Advanced Powder Technology

      巻: 33 号: 8 ページ: 103632-103632

    • DOI

      10.1016/j.apt.2022.103632

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] DEM study on identification of mixing mechanisms in a pot blender2022

    • 著者名/発表者名
      Tsunazawa Yuki、Soma Nobukazu、Sakai Mikio
    • 雑誌名

      Advanced Powder Technology

      巻: 33 号: 1 ページ: 103337-103337

    • DOI

      10.1016/j.apt.2021.10.029

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] POD-based identification approach for powder mixing mechanism in Eulerian?Lagrangian simulations2022

    • 著者名/発表者名
      Li Shuo、Duan Guangtao、Sakai Mikio
    • 雑誌名

      Advanced Powder Technology

      巻: 33 号: 1 ページ: 103364-103364

    • DOI

      10.1016/j.apt.2021.11.016

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Advanced DEM simulation on powder mixing for ellipsoidal particles in an industrial mixer2022

    • 著者名/発表者名
      Mori Yuki、Sakai Mikio
    • 雑誌名

      Chemical Engineering Journal

      巻: 429 ページ: 132415-132415

    • DOI

      10.1016/j.cej.2021.132415

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] セラミックス粉体成形加工プロセスのサイバーフィジカルシステム構築に向けた粉体シミュレーション技術2021

    • 著者名/発表者名
      森勇稀, 酒井幹夫
    • 雑誌名

      セラミックス

      巻: 10 ページ: 694-699

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Data-driven reduced-order modeling for parameterized multiphase flows in a spouted bed2023

    • 著者名/発表者名
      Shuo Li, Guangtao Duan, Mikio Sakai
    • 学会等名
      11th International Conference on Multiphase Flow
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] On digital twin for a powder process2023

    • 著者名/発表者名
      Mikio Sakai
    • 学会等名
      International Powder and Nanotechnology Forum 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development of a coarse-grained DEM incorporating non-spherical particle shape effects2023

    • 著者名/発表者名
      Putri Mustika Widartiningsih, Toshiki Imatani, Yoshiharu Tsugeno, Mikio Sakai
    • 学会等名
      International Powder and Nanotechnology Forum 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] On a simulation-based digital twin towards the realization of smart manufacturing in the powder industry2023

    • 著者名/発表者名
      Mikio Sakai
    • 学会等名
      The Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering (APCChE) 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] What technologies are essential in development of the DEM-based digital twin?2023

    • 著者名/発表者名
      Mikio Sakai
    • 学会等名
      9th International Conference on Discrete Element Methods (DEM9)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] A graph neural network based surrogate model for granular flows with complex boundary geometries2023

    • 著者名/発表者名
      Shuo Li, Guangtao Duan, Mikio Sakai
    • 学会等名
      9th International Conference on Discrete Element Methods (DEM9)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] What is necessary for the realization of a simulation-based digital twin in a powder process?2023

    • 著者名/発表者名
      Mikio Sakai
    • 学会等名
      4th International Powder Technology Conference and Exhibition Indonesia 2023 (ICePTi 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 粉体プロセスのデジタルツイン構築のための革新的数値シミュレーションモデルの開発と産業応用2023

    • 著者名/発表者名
      酒井幹夫
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第36回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 改良型 DEM 粗視化モデルによる固気二相流シミュレーション2023

    • 著者名/発表者名
      山田大輔、柘野善治、森勇稀、河野孝志、伏見千尋、酒井幹夫
    • 学会等名
      粉体工学会2023年春期研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 粉末金型充填における気体の影響評価のための数値シミュレーション2023

    • 著者名/発表者名
      今谷俊貴, 酒井幹夫
    • 学会等名
      粉体工学会2023年春期研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Numerical study on powder die filling in a rotary tablet press2023

    • 著者名/発表者名
      Arata Hashimoto, Mikio Sakai
    • 学会等名
      International Workshop and Symposium Energy-X
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 不連続体を対象としたマルチフィジックスシミュレーションとその産業応用2023

    • 著者名/発表者名
      酒井幹夫
    • 学会等名
      日本原子力学会2023年春の年会(炉物理部会セッション)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] On computational granular dynamics based digital twin: core technologies in the DEM2022

    • 著者名/発表者名
      Mikio Sakai
    • 学会等名
      7th International Conference on the Characterization and Control of Interfaces for High Quality Advanced Materials
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] DEM study on powder mixing for non-spherical particles in a container blender2022

    • 著者名/発表者名
      Keita Kyoya, Guangtao Duan, Mikio Sakai
    • 学会等名
      7th International Conference on the Characterization and Control of Interfaces for High Quality Advanced Materials
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Reduced-order models for the identification and calibration of DEM parameters2022

    • 著者名/発表者名
      Shuo Li, Guangtao Duan, Mikio Sakai
    • 学会等名
      7th International Conference on the Characterization and Control of Interfaces for High Quality Advanced Materials
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Advanced numerical simulations for granular and multi-phase flows2022

    • 著者名/発表者名
      Mikio Sakai
    • 学会等名
      International Symposium on Thermal Hydraulics and Safety of Advanced Nuclear Energy Systems 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] State-of-the-art modeling of computational granular dynamics for a simulation-based digital twin2022

    • 著者名/発表者名
      Mikio Sakai
    • 学会等名
      9th World Congress on Particle Technology
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] State-of-the-art DEM modeling towards realization of CPS based pharmaceutical manufacturing processes2022

    • 著者名/発表者名
      Mikio Sakai
    • 学会等名
      International Powder and Nanotechnology Forum 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 粉体プロセスのデジタルツイン構築のための数値解析技術の開発2022

    • 著者名/発表者名
      酒井幹夫
    • 学会等名
      Japan Pack 2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 乳糖水和物の流動性評価に関する研究2022

    • 著者名/発表者名
      櫻田花菜穂、北村研太、酒井幹夫、森隆昌
    • 学会等名
      化学工学会第87年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Advanced discrete element modeling for digital twin2021

    • 著者名/発表者名
      Mikio SAKAI
    • 学会等名
      The 3rd International Symposium on Computational Particle Technology
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Future modeling and simulation for CPS based powder system2021

    • 著者名/発表者名
      Mikio SAKAI
    • 学会等名
      8th Asian Particle Technology Symposium APT2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 最先端粉体シミュレーションによるこれからのモノづくり2021

    • 著者名/発表者名
      酒井幹夫
    • 学会等名
      日本ファインセラミックス協会 マテリアルズインフォマティックスを支えるシミュレーションスクール
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 粉体プロセスのデジタルツイン構築に向けた数値シミュレーション技術の開発2021

    • 著者名/発表者名
      酒井幹夫
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第39回エレクトロセラミックスセミナー
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] CPSベース粉体プロセスの構築に向けたシミュレーション技術の開発2021

    • 著者名/発表者名
      酒井幹夫
    • 学会等名
      国際粉体工業展大阪2021, 最新情報フォーラム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 離散要素法によるポットブレンダーの混合機構の解明2021

    • 著者名/発表者名
      綱澤有輝, 相馬宣和, 酒井幹夫
    • 学会等名
      粉体工学会 第56回夏期シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Numerical Investigation on the Mixing Mechanism in a Pot Blender using the Discrete Element Method2021

    • 著者名/発表者名
      Yuki Tsunazawa, Nobukazu Soma, Mikio Sakai
    • 学会等名
      8th Asian Particle Technology Symposium APT2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] DEM-CFD Simulation on Effect of Air Flow On Powder Mixing in a Container Blender2021

    • 著者名/発表者名
      石琪, 酒井幹夫
    • 学会等名
      粉体工学会 第56回夏期シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] A data-driven parameterized surrogate model for the identification of DEM parameters2021

    • 著者名/発表者名
      Li S., Duan G., Sakai M.
    • 学会等名
      化学工学会第52回秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Validation study on a coarse-grained DEM for the flow regime in a spouted bed based on the POD analysis2021

    • 著者名/発表者名
      李碩,段広涛,酒井幹夫
    • 学会等名
      粉体工学会 第56回夏期シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Development and application of the FELMI for the simulation of industrial powder systems2021

    • 著者名/発表者名
      Mori Yuki、Sakai Mikio
    • 学会等名
      8th Asian Particle Technology Symposium APT2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] コンテナブレンダーの粉体混合における密度偏析の抑制効果2021

    • 著者名/発表者名
      柘野善治, 酒井幹夫, 江口潤
    • 学会等名
      粉体工学会 第56回夏期シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 粉体のマルチキャビティ金型充填に関するDEM-CFDシミュレーション2021

    • 著者名/発表者名
      横山莉奈子, 酒井幹夫
    • 学会等名
      粉体工学会 第56回夏期シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 非球形粒子を対象とした粉末金型充填における気流の影響2021

    • 著者名/発表者名
      森勇稀、酒井幹夫
    • 学会等名
      化学工学会第52回秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 数値シミュレーションによるコンテナブレンダーの粉体混合メカニズムの解明2021

    • 著者名/発表者名
      柘野善治、酒井幹夫
    • 学会等名
      化学工学会秋田大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 東京大学 酒井研究室

    • URL

      https://dem.t.u-tokyo.ac.jp/publication.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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