生物反應器(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。生物反應器是生物過程工程的核心設備，具有廣闊的應用前景。生物反應器根據(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，生物反應器的生物轉(zhuǎn)化過程普遍屬于多相反應過程。

目前，生物反應器正朝著高效、節(jié)能和綠色化的方向發(fā)展，但多相體系中的轉(zhuǎn)化過程極其復雜，普遍存在非均勻性、非線性和非平衡性，導致工業(yè)型生物反應器內(nèi)的流動、傳質(zhì)和混合效應與實驗室反應器內(nèi)的相差較大。因此，生物反應器的研究要解決反應器的設計、放大和過程強化等問題。在生物反應器中，由于存在氣液傳質(zhì)限制，微生物的生長代謝受到抑制，導致生物轉(zhuǎn)化過程受到嚴重影響。如，Lebrero等發(fā)現(xiàn)，微生物的代謝率受傳質(zhì)效果影響很大，當傳質(zhì)被限制時，微生物代謝變慢，導致產(chǎn)生許多不利反應。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，研究生物反應器中的氣液傳質(zhì)機制并強化其傳質(zhì)效應一直是研究熱點，更是生物反應器放大的關(guān)鍵所在。

基于此，本文綜述生物反應器中基于溶質(zhì)滲透模型的傳質(zhì)機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，從而突破生物反應器的傳質(zhì)限制。Kraakman等開展了利用非水相(有機溶劑或抗生素)來強化生物反應器傳質(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，當添加0.1 mg/L的CTC后，該反應器中的N2O排放因子提高41.4%。Wang等開發(fā)了一種生物反應器高效去除揮發(fā)性有機物去除方法，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)影響機制。現(xiàn)有研究表明，生物反應器的氣液傳質(zhì)影響機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)影響機制進一步研究將有助于更好地控制操作條件和設計生物反應器結(jié)構(gòu)。