随着生物医药行业日益成熟与发展，行业对于更高生产率和更稳健的哺乳动物细胞培养需求逐渐提升，推动了对高性能、可扩展、更灵活的生物反应器的需求。了解生物反应器关键的参数（例如剪切速率和湍流）以及可扩展性对于满足性能标准至关重要。
生物反应器设计中的计算流体动力学 (CFD) 建模可以通过仿真生物反应器几何形状、流体流动以及组件的设计和定位来帮助设计，缩短产品开发时间。这篇文章，我们将讨论如何使用CFD建模来加速新一代Xcellerex X-platform生物反应器中搅拌器和气体分布器的设计，并预测剪切应力和浓度梯度。
CFD模型和产品的开发
第一步是开发单相（液-液）CFD模型。随后迭代开发两相（气-液）模型，以确认最终生物反应器产品的性能（图1）。
图1：产品和CFD模型共同开发的阶段概述。CFDG-L：气液CFD模型；CFDL-L：液-液CFD模型
CFD第1阶段：确认200 L生物反应器的几何形状和CFDL-L模型
使用当前的Xcellerex XDR生物反应器几何结构和新的生物反应器设计开发了模型，以确保该模型适用于该项目。
第1阶段目标：
建立并测试单相（液-液）CFD模型；
建立并测试两相（气-液）CFD模型；
考虑新的几何形状和应用（粘度、气泡大小、搅拌和气体流速）。
为了验证CFD单相模型的可靠性，使用经验扭矩和混合时间数据（图2）。气液模型的结果表明，需要进一步在阶段2、2A和2B中进行调整。在气液模型的第2阶段，可以将液-液模型的产出用于生物反应器产品开发。测试的第2阶段还允许偶尔使用气液模型进行产品设计决策，前提是模型的性能是可预测的。
第1阶段结果：
确定CFDL-L模型适合立即用于生物反应器设计和叶轮几何形状筛选。
发现CFDG-L模型需要进一步调整。
图2：第1阶段的CFD模型，描述了液-液混合。左图为确认的200 L罐几何形状；右图为预测时间与实验混合时间。T95：时间达到95%
CFD第2阶段：优化CFDG-L模型
在第2阶段，主要围绕气泡分布和使用可选关键通气的直接气泡测量来优化气液CFD模型。这种调整和测试的结果将确定气体分布元件的最终形式以及孔径。第2阶段的目标是：
第2阶段目标：
评估和优化CFDG-L，以确保使用传质、剪切速率和湍流的气液预测输出的准确性；
将过程模拟时间从1-2天缩短到几个小时；
通过与经验结果对比来验证气液模型。
在设计剪切、湍流和气泡尺寸因子的模型输入和假设时，首先筛选了最可能拟合的模型输入，以便与代表搅拌和气体流速应用范围的经验结果相匹配。使用了24个条件集来筛选关键输入因子。在这个阶段考虑的关键输入因素与湍流动力学建模参数有关。
湍流假设受湍流动能 (k) 和能量耗散率 (ε) 的影响。可以从几个因素中进行选择，包括标准k-ε、重整化群 (RNG) k-ε、可实现的k-ε、Chen-Kim k-ε、优化的Chen-Kim k-ε和雷诺应力模型。避免这些因子更适合层流环境而不是湍流条件的模型。
使用10个条件进行整个应用性能范围测试，验证了气液模型的最终模型输入。为了确认最终模型行为，我们将扭矩和氧传质系数 (kLa) 的经验结果与模型输出进行了比较，并且一式三份进行了实证检验。此外，还评估了氧气传质在体积中各个点的稳态与瞬态行为，发现它反映了在单个传感器上观察到的传质行为。
第2阶段结果：
CFDG-L模型进一步符合最终目标 — kLa ± 20%以内，扭矩± 10%以内，偏移更少。
在缓慢搅拌和通气条件下还存在异常。
CFD第2A阶段：调整气泡大小模型
第2A阶段目标：
增强气泡尺寸的CFDG-L调整；
通过气液CFD模型调整筛选通气盘；
使用液-液CFD模型筛选叶轮。
使用高速相机来确定平均气泡大小，每张图像至少采样30个气泡，并确定2维图像的平均气泡直径（图3）。根据这些信息，选择了CFD模型输入值，用于气泡扩散和聚结，以匹配高速气泡直径估计值。一旦气泡直径匹配，就验证了模型的性能。
图3：气泡尺寸分析，用于评估通气盘孔径的选择。图像是用高速相机拍摄的。每张图像上方的值是平均气泡直径
我们将实验条件的模型输出与经验氧传质结果进行了比较，并将新的生物反应器几何形状与正在考虑的新叶轮选项之一进行了比较。该模型在± 20%的限值内执行，低传质条件除外。
第2A阶段结果：
围绕整个应用范围，创建了气泡大小的输入条件。
CFDG-L模型输出在经验kLa结果的± 20%以内，在缓慢搅拌和通气条件下的异常较少。
200 L生物反应器设计使用最终通气盘和叶轮设计到了目标kLa的预期性能。
CFD的2B阶段：接近最终的生物反应器设计
有了可靠的气液模型，在2B阶段，集中在接近最终的生物反应器设计中验证CFDG-L模型。
第2B阶段目标：
使用液-液模型优化叶轮，然后在验证实验组中确认生物反应器设计和气-液模型的性能。通过这种方式，可以同时确认CFD模型和生物反应器设计。
通过已经确定的通气盘孔径和可能的叶轮设计，能够对生物反应器的应用范围进行更彻底的探索。测试结果表明，在使用氧传质和扭矩的经验结果± 20%的模型行为内保持一致。结果还证实了新型200 L生物反应器的最终性能（图4和图5）。
第2B阶段结果：
对于最终选择的通气盘和叶轮，CFDG-L模型的扭矩和kLa ±经验结果的20%以内（可接受的例外）。
200 L生物反应器设计使用最终确定的通气盘和叶轮设计，按照目标kLa的设计预期执行。
早期设计的几何结构允许继续开发耗材。
图4：对网格woliu大小对气体滞留分布的影响进行建模。通过比较粗、中和细网格模型的精度，选择了最终的网格大小，以优化处理时间和仿真输出的准确性
图5：(A) 确认的200 L系统性能；(B) 2B阶段后的CFDG-L模型性能
CFD第3阶段：确认CFDG-L模型和新的生物反应器性能
第3阶段目标：
随着气液模型的开发完成，主要在200 L下对最终生物反应器几何形状进行湿法测试，以确认最新CFDG-L模型。以及产品开发的平行目标是确认200 L生物反应器和基于200 L设计几何缩放的2000 L生物反应器的剪切速率和湍流的产品性能。
此阶段的所有测试均基于针对每种生物反应器尺寸设计的一组实验。评估了氧传质和扭矩，以确保产品得到充分表征，并且有足够的数据来评估气液CFD模型。
结果表明，气液CFD模型在经验结果的± 20%以内，两种生物反应器都达到了传质（氧气和二氧化碳剥离）以及混合时间的目标性能。
最后，通过气液CFD模型来确认剪切速率和Kolmogorov湍流尺寸的设计极限（图6和图7），以让这两个因素都符合新生物反应器产品设计的要求。
图6：CFD模型的Kolmogorov湍流尺寸分析的150 W/m3上搅拌和0.2 VVM气体流速。直径<62.5 μm的湍流涡流用红色表示。此处的结果不是产品设计的最终性能结果
图7：用于剪切速率分析的CFD模型，此处显示了速度等值线。在150 W/m3上搅拌和0.2 VVM气体流速下进行分析。此处的结果不是产品设计的最终性能结果
第3阶段结果：
验证了最终生物反应器几何形状、叶轮和通气盘形式的生物反应器性能。
确认生物反应器在剪切速率和湍流性能的设计范围内。
展示了200 L设计到2000 L的可扩展性。
总 结
经过开发和优化，得到一个强大的气液CFD模型，该模型能够确认新生物反应器设计的可扩展性，并更有效地筛选出新一代生物反应器的新型设计，例如叶轮类型、气体分布器形式和挡板等。新一代X-platform生物反应器可以满足您从高密度细胞工艺到低密度细胞工艺的广泛应用需求，可实现更高细胞密度培养、更灵活化模块设计、更高智能化的操作。
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Xcellerex X-platform生物反应器
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