生物反應(yīng)器(bioreactor)是利用酶或生物體(如微生物)的生理功能將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物的裝置，能夠為生物體提供必需的繁殖和代謝環(huán)境。生物反應(yīng)器是生物過程工程的核心設(shè)備，具有廣闊的應(yīng)用前景。生物反應(yīng)器根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為管式、塔式、釜式、固定床和流化床等，根據(jù)含氧情況分為厭氧型、準(zhǔn)好氧型和好氧型；根據(jù)物料可分為單相和多相。其中，根據(jù)物料的單相和多相可進(jìn)一步分為氣相、液相、液-液、氣-液、氣-固、液-固和氣-液-固三相。大多數(shù)微生物的生長和代謝都依賴于O2，因此，生物反應(yīng)器的生物轉(zhuǎn)化過程普遍屬于多相反應(yīng)過程。

目前，生物反應(yīng)器正朝著高效、節(jié)能和綠色化的方向發(fā)展，但多相體系中的轉(zhuǎn)化過程極其復(fù)雜，普遍存在非均勻性、非線性和非平衡性，導(dǎo)致工業(yè)型生物反應(yīng)器內(nèi)的流動、傳質(zhì)和混合效應(yīng)與實驗室反應(yīng)器內(nèi)的相差較大。因此，生物反應(yīng)器的研究要解決反應(yīng)器的設(shè)計、放大和過程強化等問題。在生物反應(yīng)器中，由于存在氣液傳質(zhì)限制，微生物的生長代謝受到抑制，導(dǎo)致生物轉(zhuǎn)化過程受到嚴(yán)重影響。如，Lebrero等發(fā)現(xiàn)，微生物的代謝率受傳質(zhì)效果影響很大，當(dāng)傳質(zhì)被限制時，微生物代謝變慢，導(dǎo)致產(chǎn)生許多不利反應(yīng)。Zhang等在培養(yǎng)微藻時發(fā)現(xiàn)，較高的傳質(zhì)系數(shù)可使微藻的生物量顯著提升。因此，研究生物反應(yīng)器中的氣液傳質(zhì)機(jī)制并強化其傳質(zhì)效應(yīng)一直是研究熱點，更是生物反應(yīng)器放大的關(guān)鍵所在。

基于此，本文綜述生物反應(yīng)器中基于溶質(zhì)滲透模型的傳質(zhì)機(jī)制及常用的體積傳質(zhì)系數(shù)(kLa)測量方法，剖析表面張力帶來的影響，以期為相關(guān)研究人員梳理傳質(zhì)強化研究進(jìn)展提供研究思路。

表面張力(σ)的影響

表面張力是使液體表面收縮的一種力，是表層分子之間相互吸引所產(chǎn)生的。在氣液界面上，表面張力是液體分子相互吸引所產(chǎn)生的凈吸引力的總和，空氣分子對液體的吸引可以忽略，即氣液體系的表面張力可以表示為恒溫恒壓下，增加單位液體表面積所引起的吉布斯自由能的變化。表面張力由物質(zhì)本性、溫度和氣相壓力共同決定，主要通過影響氣泡的行為(直徑、聚并和破碎等)影響著氣液兩相之間的傳質(zhì)。

表面張力強化氣液傳質(zhì)

流體的物理化學(xué)性質(zhì)(如密度、黏度和表面張力)，對氣液傳質(zhì)有著很大影響。表面張力在強化傳質(zhì)方面的可操作性比密度與黏度強，因此，可以通過添加非水相降低表面張力，從而突破生物反應(yīng)器的傳質(zhì)限制。Kraakman等開展了利用非水相(有機(jī)溶劑或抗生素)來強化生物反應(yīng)器傳質(zhì)的研究，基于強化氣液傳質(zhì)的基本原理，證實了非水相強化傳質(zhì)的可行性。Chen等研究了金霉素(CTC)對厭氧/好氧/缺氧序批式生物反應(yīng)器中N2O排放的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在生物脫氮過程中，向液相中添加金霉素(CTC)能夠使傳質(zhì)通道發(fā)生改變，當(dāng)添加0.1 mg/L的CTC后，該反應(yīng)器中的N2O排放因子提高41.4%。Wang等開發(fā)了一種生物反應(yīng)器高效去除揮發(fā)性有機(jī)物去除方法，通過添加鼠李糖脂(rhamnolipids,RLs)、鑭(lanthanum,La3+)或釹(neodymium,Nd3+)，來改善生物反應(yīng)器的傳質(zhì)特征和微生物的活性，以此去除間二氯苯。

結(jié)論與展望

深度研究傳質(zhì)影響機(jī)制。現(xiàn)有研究表明，生物反應(yīng)器的氣液傳質(zhì)影響機(jī)制還存在一些模糊的方面，如鮮有表面張力與體積傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式等方面研究成果。通過對表面張力以及其他因素(如微生物活動、液體表面張力和系統(tǒng)壓力等)的傳質(zhì)影響機(jī)制進(jìn)一步研究將有助于更好地控制操作條件和設(shè)計生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。