抗疫应用 | 推动疫苗进行大规模生产

从实验烧杯到生物反应器，扩大疫苗生产对全球人口疫苗的接种至关重要。在大多数情况下，疫苗的研发始于实验室工作台上的小烧杯，然后迅速扩展疫苗的研发工作，最初是为了满足临床试验的要求，后来经批准，是为了使数十亿人都获得免疫力。当然，理想状况是我们可以简单地研制能够混合更多疫苗的“更大烧杯”。但遗憾的是，由于非线性物理定律控制着流体的流动，因此扩大疫苗生产需要的不仅仅是扩大烧杯的尺寸：还需要更多的工业设备和操作参数。扩大疫苗生产是一个高风险的过程：生物反应器设计或操作不当，可能导致长达数月的延误，以及价值数百万美元的原材料浪费。工程师使用经现场测试的Ansys计算流体动力学（CFD）仿真来扩大生物反应器的规模，以用于疫苗生产及其他应用。

成功的疫苗生产需要有效混合。Ansys Fluent和Ansys CFD求解在生物反应器中发生的复杂流动问题。这种仿真功能已在整个行业中得到广泛应用，用来降低风险，提高生物反应器的生产规模。常见的生物反应器产能扩充问题包括：

Ansys Fluent生物反应器的混合时间仿真。酸性物质（蓝绿色）与容器的大部分容积相混合

混合时间仿真是成功混合的通用指标，会对生物反应器的整体性能产生影响。混合时间通常用于确保营养成分的添加不会使细胞培养的pH发生太大的局部变化，也支持非牛顿流体的仿真。对单位体积功耗、湍流、旋流、剪切率、速度和其他基本生物反应器扩大生产因素进行了预测，并可通过混合时间分析来对其进行优化。

混合时间分析的横截面仿真截图。低pH材料流经容器，并在高浓度时颜色变红。从左到右的图片分别在大约

0.5秒、2.5秒和10秒时拍摄。

质量交换系数（kla）预测有助于确定发酵和细胞培养的溶解氧含量。工具支持汽提效应的仿真，生物反应器中所有位置的气泡大小分布和浓度是仿真的其他有用输出。气泡发生器类型、位置与气流的影响通常作为数字生物反应器研究的一部分进行优化。

溶解或粒子悬浮率可能是生物加工的瓶颈。Ansys客户已对耗时的配液准备步骤进行了简化。相同的物理环境也可以用来确保微载体在培养基中保持悬浮，不会聚集，并且不因剪切力受到损害。

此外，所有Ansys仿真工具均考虑了参数设计探索。使用数字“假设”分析、严格的试验设计（DOE ）或单变量求解优化来验证设备，成功地营造了生物反应环境，在数字生物反应器中进行优化能避免产能扩大失败和批次损失问题。

病毒最终会依附在各种物体表面，所以必须通过有力的清洁管控手段来避免其扩散传播。无论是准备让患者入住还是在确认有病毒存在的地方，对房间和相关设施进行消毒有助于遏制病毒的传播并保护易受感染人群的健康。仿真模型同样也对如何有效开展消杀清洁工作具有指导意义，以下，由Ansys合作伙伴InSilicoTrials Technologies开展的仿真分析揭示了如何优化消杀流程，以确保房间洁净安全。

对已感染新冠肺炎患者的治疗，仿真技术针对优化治疗方案也大有可为。例如，医疗设备行业可利用仿真来优化呼吸机的设计，实际上仿真正是加快呼吸机研发的最有效途径，基于物理的仿真是加速产品研发最有效的方法，并确保这些设备能尽快到达需要的人手中。无疑，这有助于为患者提供更多急需的呼吸机。

一旦研究人员找到制造商有能力生产的治疗方案，接下来的问题就是设计给药系统，而这也是仿真能够大显身手的领域。如果采用吸入方式给药，通过对吸入装置如何将药物输送到肺部建模，仿真有助于医疗设备公司改进吸入装置设计，并帮助医生训练患者掌握如何使用吸入装置，以达到最佳效果。正如以下Ansys合作伙伴——位于俄克拉荷马州立大学的生物流体与生物力学实验室的Yu Feng博士所研究的，通过仿真，给药系统在完成制造并用于人体后，将如同在虚拟系统中的表现一样，能够成功将正确的药物剂量送达感染肺部。

利伯缇大学（Liberty University）机械工程学教授Wayne Strasser博士近期应一家专门研发呼吸治疗产品公司的邀请，协助他们研究关于新冠病毒的传播。该团队采用Ansys仿真解决方案研究医院病房内呼吸治疗过程中呼出的唾液和鼻涕的雾化颗粒分布。