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(guò)程工程的核心設備，具有廣闊的應用前景。生物反應器根據結構可分為管式、塔式、釜式、固定床和流化床等，根據含氧情況分為厭氧型、準好氧型和好氧型；根據物料可分為單相和多相。其中，根據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。大多數微生物的生長(cháng)和代謝都依賴(lài)于O2，因此，生物反應器的生物轉化過(guò)程普遍屬于多相反應過(guò)程。

目前，生物反應器正朝著(zhù)高效、節能和綠色化的方向發(fā)展，但多相體系中的轉化過(guò)程極其復雜，普遍存在非均勻性、非線(xiàn)性和非平衡性，導致工業(yè)型生物反應器內的流動(dòng)、傳質(zhì)和混合效應與實(shí)驗室反應器內的相差較大。因此，生物反應器的研究要解決反應器的設計、放大和過(guò)程強化等問(wèn)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(cháng)代謝受到抑制，導致生物轉化過(guò)程受到嚴重影響。如，Lebrero等發(fā)現，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(shí)，微生物代謝變慢，導致產(chǎn)生許多不利反應。Zhang等在培養微藻時(shí)發(fā)現，較高的傳質(zhì)系數可使微藻的生物量顯著(zhù)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(diǎn)，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(kLa)測量方法，剖析表面張力帶來(lái)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(guò)影響氣泡的行為(直徑、聚并和破碎等)影響著(zhù)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(zhù)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(guò)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(kāi)展了利用非水相(有機溶劑或抗生素)來(lái)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(shí)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，結果發(fā)現，在生物脫氮過(guò)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(kāi)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(guò)添加鼠李糖脂(rhamnolipids,RLs)、鑭(lanthanum,La3+)或釹(neodymium,Nd3+)，來(lái)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。

結論與展望

深度研究傳質(zhì)影響機制?，F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)系數的關(guān)聯(lián)式等方面研究成果。通過(guò)對表面張力以及其他因素(如微生物活動(dòng)、液體表面張力和系統壓力等)的傳質(zhì)影響機制進(jìn)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構。