一次性生物反应器全新进化！从设计到制造的全链路工程能力

但当不同体积的反应器在几何比例、叶轮型式、探头位置上存在差异时，放大往往需要依靠反复的湿实验逐步验证，既消耗时间与物料，也会影响项目的整体进度。

Xcellerex X-platform正是针对这一问题而设计。平台覆盖10 L至2000 L，各规格之间共用同一套水力学设计。2023年我们在国内先行推出X-50与X-200两个规格，今年X-500与X-2000也已完成开发，整个产品矩阵即将补齐。本文希望与长期关注我们的工艺开发同行，系统梳理该平台的设计思路、实测数据与工程细节。

机柜内部集成四个子系统——电源、流体/气体管理、I/O 与自动化——并可按工艺需求配置不同的气液流量范围。

• 液体管理方面，最多可加装5个内置蠕动泵（Watson-Marlow 114DV / 313D / 520R2泵头可选），每个泵配有独立预充按钮，泵组采用模块化设计，可在工艺变更时现场更换；流量需求更高时亦兼容外置泵（530EnN / 630EnN / 730EnN）。
• 气体侧配置4个质量流量控制器（MFC），单个MFC调节比达250:1，可覆盖较宽的通气范围。
• 系统内部采用Ethernet/IP通讯，提供5 m与10 m两种线缆长度，便于设备布置。

• 统一的1.5:1高径比、统一的5:1体积调节比（turndown）、统一的6B-R50叶轮（叶轮与罐体直径比固定为0.4），驱动单元均安装于罐体底部中心。
• 底置驱动带来若干实际收益：搅拌轴不再贯穿整个袋体，使装袋、包装与运输得以简化；
• 大规格机型（X-500/X-2000）采用直驱配合机械密封，可在大体积下提供足够的功率输入，无需顾虑磁力驱动在大尺度下的脱耦风险（X-50/X-200仍采用磁力驱动）。
• 驱动单元与袋体叶轮底板之间设有卡扣机构，进一步保证装袋时的对位准确。

叶轮的最终构型经过了较长的筛选过程：从Rushton、3叶、6叶等9个基础构型扩展至10个设计变体，最终收敛为一款6B-R50。筛选过程中权衡的并非单一指标，而需在kLa、Kolmogorov涡流强度、混合时间、扭矩与气体分布之间取得平衡。

气体分布同样采用了模块化设计。Sparger为pod式结构，包含三个主元件（用于氧传递）与一个可选单元件（用于去除代谢产生的CO₂），主、副两路相互独立，最终选型阶段共测试了6种孔径。影响kLa的若干因素——sparger至叶轮的距离、孔数、气体入口流速（GEV）与孔径——在上行与下行泵送两种模式下分别进行了评估。

开发过程分阶段推进：

• 先建立单相（液-液）模型用于叶轮筛选，再迭代出两相（气-液）模型以确认最终性能。早期气-液模型采用19组DoE工况（覆盖不同体积、通气速率、sparger选项与搅拌转速）进行校验，输出结果与经验值偏差在±30%以内；
• 其后通过湍流模型选择、气泡尺寸标定（高速相机取样、每张图像不少于30个气泡、四轴取平均直径）等手段逐步收敛，最终将气-液模型的kLa预测收紧至±20%、扭矩收紧至±10%~20%，并完成了网格无关性验证。

这一方法的价值，在跨规模验证数据中得到了充分体现。

• 功率准数（Power number）：在上行与下行泵送两种模式下，X-50至X-2000的平均功率准数均稳定在1.5–2.6区间，CFD预测与实验结果吻合良好。功率准数在各规模间保持一致，反映出几何相似与水力学行为的一致性。

• 混合时间（T95）：CFD对X-50、X-200的T95预测平均精度达86%~91%，覆盖10–200 W/m³的P/V区间与20%~100%的装液量。从各规模来看，在低搅拌（10 W/m³）条件下，混合时间约为30–75秒，可支撑细胞培养所需的快速本体均一化。
• 氧传递系数(kLa)：CFD对kLa的预测精度同样在89%~91%。从工艺角度而言更具意义的一点是：在适宜的功率输入与通气条件下，kLa在全系列均可稳定达到约45 h⁻¹，即便高细胞密度灌流亦能在各规模满足氧供需求。验证所用为37 ℃模拟培养基（WFI+1 g/L Pluronic F68+50 ppm消泡剂+6 g/L NaCl）。

• 剪切与湍流（Kolmogorov涡流）：这是关系细胞安全的底线指标。在最严苛工况下（100%装液、150 W/m³、最大通气），全平台仍有超过95%的反应器体积内Kolmogorov涡流尺度大于62.5 µm这一保守阈值；白皮书中200 L与2000 L的高剪切区域（剪切速率 >2000 s⁻¹）体积占比更低于0.001%。换言之，在提升氧传递的同时，剪切环境依然保持温和。

在重复性研究中，采用表达Herceptin的mAb8 CHO细胞系，配以相同的培养基与补料（HyClone ActiPRO+Cell Boost 7a/7b），在X-50上由不同地点、不同操作者完成的多批补料分批培养，活细胞密度在第9天前后稳定至约50×10⁶ cells/mL，滴度曲线亦基本重合。放大研究贯通了WAVE 25（25 L）→ X-200（75 L）→ X-500（360 L）→ X-2000（1440 L）的完整链路，各规模的生长、活率、滴度与代谢谱保持一致；X-50/X-200 灌流以及HEK293三转法生产AAV9同样取得了符合预期的结果。

• 过程检测方面，平台集成了电化学pH、极谱式与光学溶氧（DO）、溶解CO₂、活细胞密度（VCD，电容法）、压力与温度等传感器；多层、可调高度的探头支架可按袋型容纳4–8支探头及一支温度传感器，过程数据经Modbus采集，校准通过HMI端原生软件配合无线连接完成。
• 排气管理方面，当顶空压力达到阈值时，系统会通过夹管阀自动切换至新滤器，最多可配置3组排气滤器与加热器，对长周期灌流或存在滤器堵塞风险的工艺尤为适用。

自动化采用Figurate（基于 Rockwell PlantPAx DCS），控制环境由过程自动化服务器(PASS)、交互式图形界面（HMI，21.5 in触控、IP55）与 ControlLogix控制器构成，软件包含FactoryTalk View（监控）、Batch（配方与批次执行）、Historian（数据采集与分析），DeltaV选项计划于2027 1H提供。

配套的Bioreactor Scaler在线工具可直接输入既有工艺参数，无论是小试放大，还是从Xcellerex XDR转移至X-platform，均可计算出相应的操作条件。

一次性袋提供Fed-batch I/II、Perfusion I/II等标准设计，均配有固定料号，采用经行业验证的袋膜，连同包装、标签与专用说明书一并发运。这种标准化预定义的方式既缩短了交付周期，也有助于供应安全。

随着X-500与X-2000即将补齐矩阵，从工艺开发到中试，再到生产规模，X-platform将能够在国内提供完整的”同一平台、无缝放大”路径。更详尽的大规格数据与应用资料将陆续发布。

若您手中正有需要放大或平台转移的项目，欢迎与我们沟通工艺需求，Cytiva可提供在线建模软件Bioreactor Scaler协助预估相应的操作条件。