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。
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。
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。
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