生物反应器的工艺性能设计解读
[2021-05-28 14:44:30]
生物反应器工艺性能表征是指：对微生物/细胞培养所处的微环境的评价，这些评价指标主要是对生物反应器混合和传质方面的评价，同时考量微环境对细胞的剪切力。基于对大量的不同类型的生物反应器进行工艺性能测试，以及专门地有针对性的工艺性能研究，同时有CFD工具的辅助，可以很好地服务于新建生物反应器的设计过程。在积累大量数据的基础上，可以在前期设计阶段—即生物反应器系统还没有开始制造的时候就虚拟地模拟细胞培养的微环境，并将现有的细胞培养微环境虚拟化地平行转移至新设计的生物反应器系统上。在生物反应器系统设计的时候先根据客户对生物反应器生产工艺的期望，以及生物反应器工艺性能指标和机械特征的关联，预先设置大概的机械设计特征，然后再进行工艺性能迭代，确定最终的机械设计特征，进而对细胞培养工艺进行平行转移的考量，从而可以基于期望的工艺表现和细胞培养特点设计出合理的生物反应器系统。生物反应器同样可以进行虚拟的工艺性能放大和缩小。同一生产线不同规模反应器之间虚拟地进行工艺放大和缩小的迭代，进而对细胞培养工艺微环境进行放大或缩小的考量。具体涉及到搅拌器的设计在放大和缩小过程的考量、通气速率的缩放。不同规模的反应器数据并不是直接的计算，而是来源于精确的模型，用于在设计/缩放中预测操作条件。搅拌设计的放大和缩小在整个上游工艺中采用同一种类型/设计的搅拌在工艺设计中是很常见的做法。这个方法的挑战是叶尖线速度和比输入功率不是以相同的比率进行缩放的。在通气速率的缩放方面，缩放参数vvm（每分钟的比体积通气量）广泛应用于各种反应器来计算通气速率，通气速率对整个反应器系统的影响包括气含率、气泡尺寸分布以及停留时间这些难以用单个参数进行放大的复杂变量。对于上游工艺的测量值表明，用vvm进行缩放的反应器，种子反应器的kla值会低于生产反应器。工艺条件是由Kla和Pv值定义的。这些值会被罐体及搅拌设计影响，因此计算仅对同一个罐体和搅拌设计有效。Kla值会受限于通气速率，而在高输入功率下建议通气量尽可能地小。下面以Hydrofoil桨叶与象耳式桨叶为例说明CFD在生物反应器工艺性能设计中的作用：
hydrofoil桨叶的设计可以在维持低剪切下达到更高的叶尖线速度，因此叶尖线速度＞2m/s是可接受的。相比于象耳式搅拌，Hydrofoil搅拌桨更小、更轻。即便是在万升级规模下也很方便地在罐内安装和拆除。运行过程会更平稳。对反应器罐体底部和法兰的作用力更小，可以适用于到更大规模的反应器。相同规模下，Hydrofoil搅拌的磁力耦合扭矩更低。比输入功率接近时，混合和传质方面更优于象耳式搅拌桨。
图2 Hydrofoil搅拌和象耳式搅拌剪切力的比较
图3 左图为象耳式搅拌、右图为Hydrofoil搅拌通过数据库预测和CFD模拟的综合评价，Hydrofoil搅拌桨叶要比象耳式搅拌桨叶更适合于哺乳动物细胞的培养过程，尤其是对于万升级的大规模不锈钢生物反应器，Hydrofoil搅拌的优势更加明显。如图2、3中通过CFD对Hydrofoil搅拌和象耳式搅拌在剪切力方面的模拟结果可知：设置为同样的比输入功率，均为55W/m3，Hydrofoil搅拌的转速为48 rpm，象耳式搅拌的转速为26 rpm；对应的叶尖速度，Hydrofoil桨叶为2.9 m/s，象耳式搅拌桨叶的叶尖速度为1.6 m/s。Hydrofoil搅拌桨叶的叶尖速度几乎是象耳式搅拌桨叶的叶尖速度的两倍，但是Hydrofoil搅拌桨叶所产生的剪切力却要明显低于象耳式搅拌桨叶。这个案例说明，传统的以叶尖速度来判断搅拌桨叶对细胞所产生剪切力大小的理论是有很大局限性的，只是在一定的条件下才有参考意义。而通过我们的数据库结合CFD模拟的手段，可以很好地评价这些指标，设计出更适合的生物反应器。通过预先构建的、长期积累的存储有不同规模和不同机械设计特征的生物反应器工艺性能数据，在大数据的指导下对模拟反应器进行迭代、仿真，从而实现了较好的设计效果，避免了依赖于人工经验设计导致的设计缺陷问题；同时辅助有CFD平台，针对于生物反应器工艺性能设计而开发的独特的CFD后处理方法，能够提前预测生物反应器中不可直接测量的重要参数，更好地服务于生物反应器的工艺性能设计。
