Bilfinger的Amin Razavieh解释了CFD分析如何帮助为洁净室中发生的关键过程创造最佳的环境条件
比尔芬格的机械工程师Amin Razavieh
制药和生物制药行业的许多工作流程都是在洁净室的受控条件下进行的。但是这些设施总是以最好的方式设计的吗?
特别是，具有关键工艺的洁净室内的温度分布通常提出了一个挑战:例如，过低或过高的温度会干扰细胞的生长。多亏了计算流体力学，也就是著名的CFD分析，这些困难在设计阶段就可以避免。这种分析为洁净室的工程设计提供了许多优点。
与洁净室相关的各种技术在世界范围内需求量很大。在生物制药领域，洁净室是生产救命药物的地方:例如，治疗癌症或自身免疫性疾病的药物。
根据市场与市场研究机构的预测，洁净室技术的市场规模预计在2019年将达到57亿美元左右。到2024年，这一数字预计将增长至79亿美元。据Markets and Markets称，未来几年将增加对洁净室的投资。
当涉及到设计新房间，甚至是对现有房间进行现代化改造时，CFD分析有助于创造最好的条件，进而优化洁净室环境中生物制剂的生产。
在洁净室建设的预期热潮之后，CFD分析可以用于从地面上最优地规划和设计新的洁净室。此外，它可以促进现有洁净室的现代化。
CFD是流体力学领域的一种技术，它使用基于计算机的模拟来计算和可视化流体的温度和速度分布或任何其他特征
计算流体力学是流体力学领域的一种技术，它使用基于计算机的模拟来计算和可视化流体的温度和速度分布或任何其他特征。
CFD分析的一些常见应用是在飞机、汽车和船舶的设计过程中。在这里，计算机模拟被用来测试盛行的空气或水的阻力，并利用这来改进设计，以降低燃料成本。这使得CFD分析比在风洞或水洞中进行实验更加灵活、快速和经济。该方法在其他领域也有很大的价值，即在洁净室的概念。
生物制药行业CFD分析的典型应用场景是设计具有B级洁净室等级的“热室”的过程。这是一个必须符合严格参数的设施的完美例子。
热室用于处理和储存只能在狭窄温度范围内存活的病毒、细胞和其他培养物。因此，最关键的因素是洁净室所有区域的温度都要保持较高的温度，并尽可能保持稳定，以理想地刺激微生物的生长。无论外界天气如何，温度都必须保持不变。
在生物制药行业，恒温37℃oC通常被认为是最佳微生物生长所需的基准。
生长的最大允许温度范围通常被称为“危险区”，它在很大程度上取决于在房间中生长的微生物。任何偏离这些最佳值的较大偏差都将降低洁净室的有效性。因此，洁净室的气候控制系统将被期望确保恒定的温度分布。但是如何规划洁净室的气候系统，CFD分析在这个过程中究竟能提供什么帮助?
CFD分析显著提高了洁净室的设计、验证和效率。这是因为对洁净室的流动特性建模可以模拟需要在室内同时执行的多个过程。
流动特性包括由传导和对流现象引起的温度分布，以及由暖通空调进出口条件(即速度、温度和位置)引起的流动模式。
为了准确地模拟这些模式，控制这些过程的数学方程被作为CFD分析的一部分来求解。CFD分析产生有用的技术数据，可以集成到洁净室的规划或现代化，从而帮助实现并持续保持房间所有区域的目标温度。
CFD分析产生有用的技术数据，可以集成到洁净室的规划或现代化
CFD分析不应被视为一个单独的过程，而是洁净室概念广泛方法的一部分，通常由多学科团队实施。
例如，在比尔芬格，CFD分析专家与土木工程师、暖通空调工程师、机械工程师和工艺工程师一起合作，得出一个整体的解决方案。作为一个团队，他们都追求同一个目标:为洁净室创造完美的设计。
洁净室的发展需要几个明确定义的步骤。在设计阶段，第一项业务是编写URS(用户需求规范)，确定洁净室必须满足的工作参数以及客户可能有的任何附加要求。在此基础上，将制定符合特定工业和设备相关标准的功能规格书和详细设计。一旦这样的详细设计准备好了，洁净室的建造就可以开始了。
V型可确保洁净室的设计符合预期用途，并能满足要求
所有相关的良好实践(GxP)需求
项目的测试也以系统的、逐步的方式展开。在制药和生物制药行业，设计工作的所有方面通常都基于著名的V模型，如图1所示，该模型用于设计鉴定(DQ)。V模型确保洁净室正确设计用于预期用途，并满足所有相关的良好实践(GxP)要求，包括欧盟和美国联邦药物管理局(FDA)的要求。
计算机分析方便和改进了V模型的工作流程。在设计阶段并不总是能够预测完成的洁净室的实际情况。这意味着没有绝对的确定性是否洁净室最终将交付客户所期望的一切。
通过CFD分析，所有相关细节都可以在设计阶段提前模拟。为此，将创建计划洁净室的精确3D模型。
输入模型的数据包括房间的尺寸、设备的预定位置、气候控制系统的位置和其他边界条件。这些计算可以模拟洁净室内空气的流动模式和流速。因此，该模型模拟了来自暖通空调系统的气流，任何不期望的湍流，以及空气再循环的区域和流速较低的区域。
反过来，模拟也可以使温度和速度分布可视化。图2显示了洁净室中心垂直平面的平均速度场和流型。
CFD分析可以可视化模拟温度和速度分布
流速较低的区域往往具有低于目标温度的特征，这对微生物的生长产生了负面影响。这样的区域通常在靠近墙壁和房间角落的地方。但由于这些区域在规划阶段就可以通过CFD分析确定，因此仍有足够的时间对洁净室进行调整，以确保更好的温度分布。此外，CFD分析过程中产生的数据可以作为未来进一步工艺验证的指南。
模拟是CFD分析的一部分，需要特殊的硬件和软件。在比尔芬格，团队使用Autodesk CFD软件。所需的计算机处理能力取决于模拟的预期规模。这个规模还将决定计算是在本地计算机上执行，还是在云环境中可用的CPU集群上执行。
由于在施工开始之前，设计已经在模拟中进行了预测试和预优化，因此可以在设计阶段消除错误或设计缺陷，并且不必在洁净室已经完成后花费巨大的费用进行纠正。这种方法导致了项目的顺利执行，也降低了在确认阶段任何潜在变更的风险。此外，一旦投入使用，实现的最佳温度分布也将提高洁净室的最终效率。
CFD分析可以确定整个洁净室的温度分布，以便根据需要调整设计。这使得该技术比其他方法更加精确和详细。
CFD分析的成功取决于几个因素。它的关键先决条件是正确的流动流体的物理知识，定义良好的边界条件，验证计算模型，并验证模拟结果，以确保它们符合现实生活。
一般来说，CFD分析比测试洁净室普遍条件的实验更有可能提供成功的结果。它的成本效益更高，耗时更少，提供更多的信息，使用起来更安全可靠。
与实验测试相比，CFD分析也可以随意放大，并且可以毫无困难地重复。因此，投资于洁净室的制药和生物制药企业一定会在未来利用CFD分析，并牢记一个不变的目标:设计完美的洁净室。
注意:本文刊登在2020年1月号的《纽约时报》上洁净室技术．现在订阅并获得你的打印副本!
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