所以搅拌和通气是工艺成功运行的关键因素。此外，反应器中培养细胞的剪切力还受到细胞株类别、关键营养物质、抑制细胞代谢的物料浓度和培养周期（例如细胞在停滞期和平台期对剪切力更敏感）的共同影响。

大规模生物反应器的搅拌混合随着规模的增大，罐体中流体体积的增加，整体均匀性混合所需的时间也将变得更长^[1]。对于细胞培养工艺过程，搅拌混合是一个大的挑战，剧烈的搅拌混合虽然时间短，但细胞会受到严重的物理剪切损伤；若搅拌混合不充分，会造成罐体中料液的不均一性（例如营养物质、pH和DO的浓度梯度）。所以罐体的混合搅拌转速和剪切损伤、料液均一性等都需要做到平衡。

氧气是需氧生物的关键介质，需要连续供应才能维持细胞的正常培养。与微生物发酵不同，动物细胞的呼吸速率远低于微生物，且不耐剪切。所以动物细胞的剪切敏感性对氧气介质的高传递效率增加了操作限制。另外随着培养规模的变大，氧传递会变得越来越困难，因为所有的搅拌式反应器的传质效率通常会随着规模的增加而降低。此外，大规模反应器中去除细胞呼吸产生的二氧化碳分压的能力也会受到影响^[2]。

如果不考虑气泡对细胞的剪切损伤，就不能充分理解大规模细胞培养中的传质问题。气泡剪切效应被广泛认为是哺乳类动物细胞在无血清培养基培养时，引起细胞损伤的主要因素。据推测，当气泡在罐体中上升时，细胞会聚集在气泡的气液界面，当气泡在液体表面破裂时，细胞将会暴露于破坏性效应中^[3]。一些研究还认为，当细胞被底通气泡捕获并被隔离在表面的泡沫层中时，细胞也会受到剪切损伤。在达到0.05 vvm的气体速率下，会检测观察到气泡的物理剪切损伤。对喷雾气泡影响的研究表明，气体流量比 (VVM) 与细胞死亡率之间存在线性关系^[4]。细胞损伤的程度取决于生物反应器的设计和操作，以及细胞株特性、培养基配方和细胞的营养状态。解决气泡损伤的常规方法是添加0.5到3 g/L PF-68，这是一种聚氧乙烯和聚氧丙烯的非离子表面活性剂共聚物。它覆盖在细胞表面，形成保护层，减小气泡的不利影响。因为具有起泡性，PF-68表面活性剂的使用会受到限制，对下游工艺料液处理和氧传质（损失）会有较大挑战。

大规模细胞培养另一个与介质传递相关的问题是随着工艺的运行，CO₂分压会持续性上升。高浓度CO₂分压会抑制细胞增长，并增加H₂CO³的浓度，从而造成更酸性的pH环境。所以大规模比较常见的方法就是在罐体内部或顶通增加空气流速，从而降低CO₂分压。Cytiva XDR生物反应器袋子依据客户实际工艺需求配备”T-sparger”，从而降低CO₂分压（T-sparger结构示意图1）。

搅拌除了可以实现预期的介质有效混合外，还会引起细胞的损伤。主要原理是：搅拌会引起局部湍流作用，称为漩涡长度 (Kolmogorov) 。漩涡长度公式为：λ⁴=ν³/ε（λ表示漩涡长度，ν表示流体粘度，ε表示每单位质量的局部消散功率）。当流体中的漩涡长度是细胞直径的1/2-2/3倍情况时，会有明显的剪切损伤作用^[5] 。常见的搅拌产生的漩涡长度远大于哺乳类动物细胞直径（动物细胞直径通常是10-30微米之间），而微载体直径是是100-200微米之间，因此，对于微载体贴壁悬浮培养，尤其需要注意搅拌混合产生的漩涡长度。

依据搅拌桨叶设计特征和漩涡长度，我们可知，搅拌混合是一个关键工艺参数的平衡，太剧烈，会有剪切损伤，但搅拌不充足，会造成混合时间延长和物料不均一现象。依据工艺放大公式P/V=N_pN³D_i⁵ρ/V (Np=impeller power number, N=agitation speed, Di=impeller diameter, ρ=medium density and V=medium volume) 可以看到，料液的混合能对搅拌转速和桨叶尺寸非常敏感，Np是表征漩涡长度的参数，也可以表征PV值，当流体是湍流情况时，Np是常数，但PV越小（搅拌柔和），流体剪切力也就变小，PV越大（搅拌剧烈），剪切损伤越大。

细胞培养工艺放大除了几何相似性等比例放大外，还会依据VVM（通气流速）和叶尖速度（搅拌转速）进行工艺放大。

对于特定细胞密度的氧气利用效率，会有匹配的最小K_L a值，对应的也有氧气转移阈值 (OTT：oxygen transfer threshold) 。如图6所示，当K_L a是常数时，通气流速和搅拌转速会对OTT呈现出弧线反比关系 。OTT可以表征每个反应器的设计特征和参数设置，例如通气流速、搅拌转速和K_L a之间的指数关系，见图7所示。

常见的底部通气有点分散（大泡或微泡：point sparger）、环分散（大泡：ring sparger）和熔块烧结（微泡：frit sparger）等多种结构设计类别。每个通气结构具有不同的设计理念和工艺表现，但实际的工艺需求是在满足最小介质传递需求的条件下，底部通气可均匀有效分散开，避免气泡在上升过程中聚集，并尽可能的延长气泡的滞留时间，提高溶氧传递效率。

此外，底部通气设计还需要注意气体喷射造成的非搅拌湍流效应，该效应会造成细胞剪切损伤。一个很好的经验是在预期的通气范围内，通气的压力范围维持在0.5-2.5 psi之间。避免压力的急剧变化而产生喷射湍流。Cytiva XDR反应器的通气设计见图9所示，采用通气和搅拌同轴同向设计，确保气泡均匀分散在罐体中，实现高效均一的混合和传质，提高K_L a，并减少泡沫的产生。通气底盘具有4种孔径，分别是2微米、20微米、0.5毫米和1.0毫米。灵活多样，可满足多种工艺实际需求和应用。