这一期我们主要讲搅拌。如果罐体是生物反应器的脸，帅不帅看得见，那搅拌就好比是足球运动员的脚，是用来吃饭的家伙。能有多少钱吃饭得看水平的高低。
搅拌是用来实现传质传热最重要的装置！事实上，良好的搅拌式生物反应器需要解决两个关键问题：流场混合的均匀性和流场剪切力对细胞的影响，在降低流场剪切作用以及满足流场混合效果的前提下，才能保证细胞的健康生长和表达。
我们在研究生物反应器搅拌系统的时候，通常会涉及到三个装置：传动装置、搅拌桨和布气装置。本文将在这三个层面进行探讨。
传动装置
传动装置根据传动原理可以分为机械传动和磁力耦合驱动，即我们熟知的机械搅拌和磁力搅拌。而根据搅拌装置安装的位置又可分为顶置搅拌和底置搅拌。传动装置的最大作用就是将电机的动力转化为搅拌的功率，在满足搅拌功率的前提下，保证经济和安全。对于我们的生物反应器来说，传动装置最大的风险就是密封不严带来的微生物污染。而我们通常能选择的主要有三种：单端面机械搅拌、双端面机械搅拌和磁力搅拌
单端面机械密封
密封依靠动环和静环
动环，顾名思义，跟着轴一起转动的。静环，跟罐体一起是静止的。密封性好坏主要看动环和静环的贴合程度。这么一听感觉很不靠谱的有木有！事实上动、环静环材质主要是碳化硅和石墨，表面那是相当的光滑，所以即使动起来也能很好的密封。
但是我们从失效模式与影响分析（FMEA）学到了风险不能光看概率，还要看影响程度。单端面密封虽然失效的概率低，但是毕竟还是存在这种可能性的，尤其是当超设计寿命使用的时候，一旦泄露，我们能不能接受这种后果，如果能（比如附加值没那么高、或者杂菌干不过我们）那恭喜您，单端面已经能够满足您的使用了，如果不能接受，没关系，咱看下一种密封方式——双端面机械密封。
双端面机械密封
双端面机械密封优点就是安全，只要在设计寿命内使用，泄露的概率极低，但是因为结构复杂，所以缺点就是贵（土豪请忽略）
另外双端面机械密封需要润滑、需要定期SIP，所以在设计上需要能够防止润滑液污染的措施。对于生物反应器来说，如果采用双端面机械密封，通常采用无菌注射用水进行润滑。
磁力搅拌
相比于单/双端面机械搅拌这两兄弟，磁力搅拌可谓另辟蹊径。通过外磁驱+内磁缸+护套的方式完全实现了内外隔绝。此中好处不言而喻，但是相比于机械搅拌，他也有缺点，第一还是贵（土豪依然请移步），第二就是扭矩不够，对于细菌类或者酵母类发酵，他不太适用，但是对于哺乳动物细胞培养来说，他们简直就是天作之合。
搅拌桨
市面上根据培养方式不同，有很多种形式的搅拌桨。有适用于贴壁培养的搅拌桨，如Eppendorf的细胞提升桨和篮式搅拌桨，也有适合于悬浮培养的搅拌桨，如Marine、Ruston等。因为篇幅关系我们这里只讨论用于哺乳动物细胞全悬浮或微载体培养的三斜叶桨。
我们前文说了桨叶实现传质的同时也带来了剪切力，如何兼顾呢？
有种方法
第一种：最简单，拿来主义。别人啥样我啥样。但这也意味着别人没有的你也不会有！否则没有了参考可能就会出问题。
第二种：自己创造，通过CFD (Computational Fluid Dynamics）计算流体动力学来定制！这条路很艰辛，但是一旦成功，就是康庄大道，遍地阳光的那种。下面我们就简单看下如何通过CFD实现生物反应器搅拌桨的设计和优化。
以上是简化的生物反应器罐体内部模型。从这个图片我们会发现搅拌桨设计的影响因素包括了桨叶形式、桨叶的直径、桨叶的角度、距离底部的高度、罐体的高度、封头的半径、挡板宽度和数量等。然后通过桨叶边界条件法IBC、内外迭代法IO、多重参考系法……（此处省略一万字，佰小维偷偷擦了一把汗，腹中就这点墨水了，再列下去可就要穿帮了）最后算出来最适合的参数。
这里分享一个别人计算出来的结果，对比了Marine、Elephant-ear和Ruston的速率剪切率分布表
从表格中可以看出，Elephant Ear相比较另外两种剪切力更低，更利于细胞培养，适宜于哺乳动物细胞规模培养反应器使用。
布气装置
生物反应器通常采用专门的分布器来通入气体。这些气体包含空气、氧气、氮气、二氧化碳等一种或者多种混合气体。气体根据工艺需要按一定的比例进行混合，然后通过分布器最终送入生物反应器中。
气泡分布器的结构形式将直接决定生物反应器内培养液的溶氧效果！！！
常见的气泡分布器的形式可分为以下三种：
（L型）
（环形）
（微孔型）
L型的分布器对于旋转流场来说不对称，所以溶解氧DO势必受到影响，所以通常用到小型和微型生物反应器上
环形分布器作为栋梁之才被应用在各种规格的生物反应器中。但是对于不同工况或工艺、环形分布器上的孔数、孔径会有区别，但是孔径通常会控制在1mm以内。这里佰小维偷偷告诉大家，环形分布器如果设计或安装不合理，会导致积液，会形成微生物膜，要规避。
微孔型分布器可以将气体打成非常细小的小泡泡，这就意味着更大的气液接触面，所以显而易见，它带来的溶解氧DO更优。
温柔的小泡泡可以融化少女的心，但也能炸裂细胞的膜，有研究证明细胞的局部死亡率和气泡的生成频率直接相关，跟反应器的体积也有关系。所以泡泡虽好，可不要贪杯哟。