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生物反應器的工藝性能設計解讀
2023-02-24 15:48:38
生物反應器工藝性能表征是指：對微生物/細胞培養所處的微環境的評價，這些評價指標主要是對生物反應器混合和傳質方面的評價，同時考量微環境對細胞的剪切力?；趯Υ罅康牟煌愋偷纳锓磻鬟M行工藝性能測試，以及專門地有針對性的工藝性能研究，同時有CFD工具的輔助，可以很好地服務于新建生物反應器的設計過程。在積累大量數據的基礎上，可以在前期設計階段—即生物反應器系統還沒有開始制造的時候就虛擬地模擬細胞培養的微環境，并將現有的細胞培養微環境虛擬化地平行轉移至新設計的生物反應器系統上。在生物反應器系統設計的時候先根據客戶對生物反應器生產工藝的期望，以及生物反應器工藝性能指標和機械特征的關聯，預先設置大概的機械設計特征，然后再進行工藝性能迭代，確定最終的機械設計特征，進而對細胞培養工藝進行平行轉移的考量，從而可以基于期望的工藝表現和細胞培養特點設計出合理的生物反應器系統。生物反應器同樣可以進行虛擬的工藝性能放大和縮小。同一生產線不同規模反應器之間虛擬地進行工藝放大和縮小的迭代，進而對細胞培養工藝微環境進行放大或縮小的考量。具體涉及到攪拌器的設計在放大和縮小過程的考量、通氣速率的縮放。不同規模的反應器數據并不是直接的計算，而是來源于精確的模型，用于在設計/縮放中預測操作條件。攪拌設計的放大和縮小在整個上游工藝中采用同一種類型/設計的攪拌在工藝設計中是很常見的做法。這個方法的挑戰是葉尖線速度和比輸入功率不是以相同的比率進行縮放的。在通氣速率的縮放方面，縮放參數vvm（每分鐘的比體積通氣量）廣泛應用于各種反應器來計算通氣速率，通氣速率對整個反應器系統的影響包括氣含率、氣泡尺寸分布以及停留時間這些難以用單個參數進行放大的復雜變量。對于上游工藝的測量值表明，用vvm進行縮放的反應器，種子反應器的kla值會低于生產反應器。工藝條件是由Kla和Pv值定義的。這些值會被罐體及攪拌設計影響，因此計算僅對同一個罐體和攪拌設計有效。Kla值會受限于通氣速率，而在高輸入功率下建議通氣量盡可能地小。下面以Hydrofoil槳葉與象耳式槳葉為例說明CFD在生物反應器工藝性能設計中的作用：
hydrofoil槳葉的設計可以在維持低剪切下達到更高的葉尖線速度，因此葉尖線速度＞2m/s是可接受的。相比于象耳式攪拌，Hydrofoil攪拌槳更小、更輕。即便是在萬升級規模下也很方便地在罐內安裝和拆除。運行過程會更平穩。對反應器罐體底部和法蘭的作用力更小，可以適用于到更大規模的反應器。相同規模下，Hydrofoil攪拌的磁力耦合扭矩更低。比輸入功率接近時，混合和傳質方面更優于象耳式攪拌槳。
圖2 Hydrofoil攪拌和象耳式攪拌剪切力的比較
圖3 左圖為象耳式攪拌、右圖為Hydrofoil攪拌通過數據庫預測和CFD模擬的綜合評價，Hydrofoil攪拌槳葉要比象耳式攪拌槳葉更適合于哺乳動物細胞的培養過程，尤其是對于萬升級的大規模不銹鋼生物反應器，Hydrofoil攪拌的優勢更加明顯。如圖2、3中通過CFD對Hydrofoil攪拌和象耳式攪拌在剪切力方面的模擬結果可知：設置為同樣的比輸入功率，均為55W/m3，Hydrofoil攪拌的轉速為48 rpm，象耳式攪拌的轉速為26 rpm；對應的葉尖速度，Hydrofoil槳葉為2.9 m/s，象耳式攪拌槳葉的葉尖速度為1.6 m/s。Hydrofoil攪拌槳葉的葉尖速度幾乎是象耳式攪拌槳葉的葉尖速度的兩倍，但是Hydrofoil攪拌槳葉所產生的剪切力卻要明顯低于象耳式攪拌槳葉。這個案例說明，傳統的以葉尖速度來判斷攪拌槳葉對細胞所產生剪切力大小的理論是有很大局限性的，只是在一定的條件下才有參考意義。而通過我們的數據庫結合CFD模擬的手段，可以很好地評價這些指標，設計出更適合的生物反應器。通過預先構建的、長期積累的存儲有不同規模和不同機械設計特征的生物反應器工藝性能數據，在大數據的指導下對模擬反應器進行迭代、仿真，從而實現了較好的設計效果，避免了依賴于人工經驗設計導致的設計缺陷問題；同時輔助有CFD平臺，針對于生物反應器工藝性能設計而開發的獨特的CFD后處理方法，能夠提前預測生物反應器中不可直接測量的重要參數，更好地服務于生物反應器的工藝性能設計。
