ABEC

　　自 1974 年以来，ABEC 一直是为生物制药行业的制造提供集成过程解决方案和服务的领导者。世界上许多制药和生物技术公司都是 ABEC 的客户。许多领先的疗法都是由 ABEC 设计、制造、安装和服务的工艺和设备制造的。

　　挑战

　　通过准确预测和修改各种规模和平台的生物反应器性能来缩短上市时间

　　通过跨规模和制造平台创建一致的配方环境来提供产品质量

　　成功的关键

　　使用 Simcenter STAR-CCM+ 快速确定最佳性能设计

　　使用小规模测试验证高保真 CFD 模型

　　使用经过验证的 CFD 模型确定全面运营的最佳设计

　　在放大过程的早期使用高保真模拟来了解流体动力学行为

　　结果

　　通过使用 CFD 模拟确定更好的叶轮设计，将混合时间缩短 50%

　　降低成本并缩短上市时间

　　​​​交付的生物反应器设备在整个过程中都以预期的性能运行

　　从实验室规模到工业规模

　　曾经开发的每一种药物都从实验室开始，小批量开发和测试，直到准备好大批量生产。尽管并非制药行业独有，但考虑到产品的性质和预期用途，从实验室规模的实验扩大到工业规模生产的挑战至关重要。自 45 多年前作为生物反应器和发酵罐供应商进入市场以来，ABEC 自成立以来一直在应对挑战之一。在许多方面，公司的时机再好不过了，因为细胞培养和生物技术的重大进步才刚刚出现。

　　自 1974 年以来，ABEC 一直为全球生物制药行业提供工程、设备和服务。ABEC 由 Jack Wilson 创立，为生命科学行业提供定制工程解决方案，支持他们创造改变生命的疗法的努力。该公司为制造疗法提供一系列工程解决方案。

　　自成立以来，随着技术进步的出现，ABEC 增强了其能力。起初，客户系统是手动操作的。ABEC 最初帮助其客户实现流程自动化以实现可重现的性能。今天，它提供收获、回收和浓缩能力，通过支持整个生物过程使其客户受益。公司提供广泛的售后服务和支持、流程咨询、设备升级、维护服务和客户培训。

　　ABEC 与世界上许多制药和生物技术公司合作，公司的 3,000 多个系统在全球范围内使用。

　　生物反应器建模中的技术挑战

　　ABEC 客户面临的主要技术挑战之一是准确预测和修改各种规模和平台的生物反应器性能。每个客户的需求和挑战决定了需要重现预测的规模范围。

　　根据 ABEC 工艺技术副总裁 Paul Kubera 的说法，“一个典型的场景可能涉及一个项目，该项目已经从数十升规模的实验室工作台转移到工艺开发，该项目可能以数百升的规模运行。 - 升规模。另一家即将投产的公司可能需要在多个单元中增加数千升。”

　　平台不兼容是另一个潜在障碍。一家公司在一个地点运营的硬件可能与在其他地方的制造地点使用的硬件不同。为了解决这个问题，ABEC 协助生物制药客户连接从小到大的不同平台，以确保实现相同的结果。面临的挑战是创建一个统一的环境，该环境对于跨平台的每个规模的容器中的每个生物体都是一致的。

　　据 Kubera 说，“为了满足项目的要求，必须支持生物体的生长——它需要食物、碳源以及吸收氧气和释放二氧化碳。

　　“能够在给定的时间范围内输送已知量的氧气并为容器中的所有生物去除二氧化碳至关重要。根据客户的目标，根据他们在流程和这些流程的验证方面需要多紧地约束该解决方案，定制解决方案以满足他们的特定需求。

　　“例如，客户可能非常关注几何相似性，并希望在设备从小规模到大规模运行时保持一致。通常的做法使用两个基本规则：保持每单位体积相同的功率并保持几何形状相同。

　　通过这种方法，性能参数会随着容器尺寸的增加而变化——例如，混合时间增加、运行速度变化和混合力变大。所有这些不断变化的参数必须由培养生物体的客户负责。通过 ABEC 使用预测性桌面计算和模拟，客户可以深入了解整个过程。

　　小规模验证，大规模执行

　　ABEC 采用多种途径和方法来解决这些问题。其中包括计算、实验室模型、生产设备测试和计算流体动力学 (CFD) 建模。

　　ABEC 发现最有效的流程包括桌面计算、用于生成数据和验证 CFD 的小规模测试、全面的 CFD 建模和全面的确认测试。ABEC 依靠 Siemens Simcenter STAR-CCM+ 软件来执行 CFD 模拟。

　　桌面练习将各种规模的信息制成表格，包括容器和搅拌器详细信息和尺寸的参数以及客户操作信息。Kubera 观察到，“我们将着眼于单位体积功率的一致性，并了解氧气传输或剪切率等各种参数如何变化。这是通过计算和模拟得出的。

　　“借助 Simcenter STAR-CCM+，我们可以运行实验室配置的计算模拟并确认相同的结果。然后我们可以运行大规模模拟，并确信交付设备的测量性能将符合预期。例如，我们展示了通过使用实验室测试来筛选选项并使用 Simcenter STAR-CCM+ 模拟来扩展结果，我们可以将混合时间缩短 50%。”

　　图 1. 用于叶轮配置的小规模模型测试的实验装置。

　　图 2. 显示的是三重低剪切叶轮搅拌机的 Simcenter STAR-CCM+ 模拟，用于模拟全尺寸生物反应器单元的运行。

　　展示成功

　　ABEC 的专业知识包括理解工艺系统和支持反应器设计的模拟工具。它使用有限元分析 (FEA) 进行结构模拟，使用 CFD 进行流体流动和过程模拟。ABEC 在工艺基准测试和模拟工具方面的投资已经产生了高回报，使他们能够减少对全面实验的依赖，确保跨站点和平台的工艺稳定性，增加提高产量和缩短上市时间的潜力。

　　CFD 在生物反应器中的一个典型应用是评估叶轮叶片设计以改进混合时间。如图 1 和图 2 所示，ABEC 的方法是使用不同叶轮设计的小规模实验结果来验证 Simcenter STAR-CCM+ CFD 模型，然后使用经过验证的 CFD 模型将结果外推到全尺寸。

　　另一个典型应用涉及评估用于细胞培养和细菌发酵的生物反应器生产平台——这是生物制品生产中关键的第一步。目标是评估每个平台是否适合为每个生物体提供与规模无关的相同环境。如图 3 和 4 所示，ABEC 使用 Simcenter STAR-CCM+ 仿真来指导选择，并确定最适合客户的体积、几何形状、环境、生产、进度和经济约束的产品。

　　另一个应用涉及浓缩容器几何形状的详细评估——由于产品在过滤应用中被浓缩，阶梯容积配置（如图 5 所示）通常用于管理批次几何形状。当新产品或工艺建议使用较小的集水槽容积时，就会出现是否应该修改集水槽容积而不是更换整个水箱的问题。换成更小的水槽会导致更小的混合器，这会影响混合时间、涡流形成和短路（指的是再循环流很快离开水槽并且没有与水槽内容物充分混合的情况）。

　　ABEC 使用 Simcenter STAR-CCM+ 仿真来详细了解几何形状和混合器选项对这些行为的影响。如图 6 和图 7 所示，模拟揭示了速度矢量、流动流线、粒子轨迹甚至空气-水界面的细节，从而深入了解由任何给定的集水池体积和搅拌机组合。

　　在上述每一种情况下，强大的高保真 CFD 模拟都使 ABEC 能够完善其理解、解决问题并大规模验证预期行为，这在实验不切实际的情况下尤为重要。通过允许在任何给定生物反应器配置的数字双胞胎上进行详细的数值实验以确定过程改进的机会，模拟还增加了提高产量的潜力。

　　像 Simcenter STAR-CCM+ 这样的工具对于 ABEC 来说非常有价值，他们意识到它的功能甚至更多：“我们没有执行足够的 CFD 来充分利用它可以为我们做的一切，”Kubera 说。“西门子为我们提供了所需的支持，向我们的客户展示该设备可以在启动后立即以非常可预测的方式运行，从而缩短了他们的上市时间。我们与 Siemens Digital Industries Software 的关系帮助我们非常有能力地提供该服务。

　　ABEC 不断创新，最近推出了 4,000 升 Custom Single Run™ 生物反应器，有效地将一次性生物反应器的行业标准容量提高了一倍。

　　图 3. 生物反应器性能评估的平台选项。