微气泡耦合生物反应器的研究进展

李辉，李干禄，何峰，许旭，田威龙，许晟，陈可泉，欧阳平凯

（1 南京工业大学生物与制药工程学院，材料化学工程国家重点实验室，江苏南京211816；2 江苏集萃工业生物技术研究所有限公司，江苏南京210000）

生物反应器是指利用生物催化剂（酶或生物体）在体外进行生化反应的装置系统，主要分为搅拌式生物反应器和气升式生物反应器，此外还包括自吸式生物反应器、鼓泡式生物反应器、生物膜反应器和固态物料生物反应器等[1-3]。生物反应器在工业生物技术、农林行业、医药、食品和污水处理等领域的应用日益广泛，常用于发酵合成生物基化学品、食品和污水净化等[4-7]。生物发酵过程中，气液传质效率是影响生物发酵过程能耗和成本的重要因素。传统生物反应器的供氧方式以厘米级或毫米级气泡为主，气液传质效率低，导致混合能耗高[8-9]。微气泡是指直径1～1000μm的微米级气泡，具有气液接触面积大、气体溶解速率快、上升速度慢、水中停留时间长、内部压力高、界面zeta电位高和自由基形成能力等理化性质[10-11]。微气泡气液接触面积大和气体溶解速率快等特征非常适合于生物反应器，能提高气液传质效率和增强气体的利用率，降低发酵过程的通气比[12-13]。因此，本文综述了能够耦合生物反应器的微气泡发生装置，并评述空气微气泡和二氧化碳微气泡耦合生物反应器的研究进展。

1 微气泡发生装置

微气泡的形成方式有多种，如文丘里、微孔膜过滤、微通道、超声波和化学反应等。但是生物反应过程要求高气液传质效率、低剪切应力和低能耗等，因此能耦合于生物反应过程的微气泡的形式主要分为两种：一是通过高剪切应力，将大气泡直接粉碎成微气泡，如文丘里式、喷射式和高速旋转切割等[14-16]；二是通过微孔膜分割大气泡形成微气泡[17-18]。

文丘里通过高速水流的强剪切力，将吸入小孔的较大空气泡粉碎成微小气泡，Reynolds 数越高，剪切力越大，从而形成的气泡直径越小，结构如图1 所示。Wang 等[19]和Lee 等[20]研究了进口角度、出口角度、流速和压力降对文丘里式微气泡发生器形成微气泡的影响，发现出口角度是关键的影响因素，微气泡的大小与出口角度密切相关，大的出口角度形成的微气泡直径更小，微气泡的平均直径为75.9μm。文丘里微气泡发生器高的剪切应力难以适合于剪切力敏感的发酵过程，但是生物膜反应器的污水处理过程有一些相关的报道。

图1 文丘里微气泡分散器结构［20］

微气泡分散器（microbubble diffuser，MBD）通过气液流通于高速旋转的圆盘并结合挡板，通过高强度剪切应力将大气泡粉碎成微气泡，结构如图2 所示。微气泡分散器通过旋转板装置形成微气泡，其转速超过4000r/min，并结合表面活性剂维持微气泡的稳定，形成的微气泡直径为20～1000μm，能用于耐高剪切力的菌株，如酿酒酵母和毕赤酵母等[21]，难以用于剪切敏感的菌株。

图2 微气泡分散器结构［21］

微孔膜形成微气泡主要依赖于微孔膜的孔径和膜两侧的跨膜压差，能形成微气泡的微孔膜主要包括陶瓷膜、金属膜和玻璃膜等，其中微孔膜的孔径一般在5nm～200μm[22-24]。静态微孔膜形成的气泡直径较大，Kazakis 等[25]研究发现静态金属膜，膜孔孔径40μm，形成的气泡大小为3～6mm，气泡大小与气体流速、微孔孔径和流体性质密切相关。为了降低微孔膜过滤形成微气泡直径，科研工作者采用流体振荡器改变气体的流体状态、增加膜表面的液体相对速度、改善膜表面的亲水特征和改变流体的性质等技术手段降低微气泡的直径。

Tesař[26-28]开发了流体振荡器（图3），流体振荡器通过负反馈环赋予气体周期振荡的特征，周期振荡导致膜上的微孔周期性吸入和排出水分，从而抑制微气泡形成过程交联周边微气泡，避免形成大气泡，从而控制微气泡的直径和增加了微气泡的密度。

图3 流体振荡器耦合微孔膜形成微气泡［28］

增加膜表面的液体流速，能够缩短微气泡的形成时间，减少微气泡形成过程交联周边微气泡，从而降低气泡的直径。Liu 等[29]研究发现控制通过陶瓷膜表面的流体流速能控制形成的微气泡大小，膜表面液体的流速越大其形成的微气泡直径越小，同时发现微气泡的大小与流体的性质如黏度密切相关，黏度增加气泡粒径先降低后增加。Kukizaki等[30]研究了在Shirasu多孔玻璃（SPG）膜表面形成微气泡的特征，发现膜孔孔径3.07μm，跨膜压差是泡点压力的1.1 倍，形成的微气泡直径为27.8～64.8μm，微气泡的形成与流体表面势有关，流体黏度增加微气泡的直径也随之增加。

通过控制流体特征，静态微孔膜能形成大量均一的微气泡，但是，静态微孔膜在生物发酵过程，由于生成有机絮凝物如蛋白质和细胞碎片等，易于堵塞微孔膜孔径，导致通气量不断下降。为了解决这个难题，南京工业大学陈可泉课题组[31]通过金属膜耦合搅拌桨，设计和制造了微气泡曝气搅拌桨，如图4所示，通过搅拌桨不断旋转，增加膜表面的流体相对速度，进而形成大量的微气泡，并避免发酵过程形成的蛋白质和细胞碎片造成的膜孔堵塞。

图4 微气泡曝气搅拌桨

总之，耦合生物反应器的微气泡形成过程，以生物反应过程为出发点，在提高气液传质效率的同时，尽量避免微气泡形成的高剪切力对微生物反应过程的影响。表1比较了不同微气泡发生装置的特征，表明不同微气泡发生装置具有不同的应用场合和适应范围，微气泡曝气搅拌桨具有最广泛的应用前景。综上所述，以上方法形成的微气泡直径在一般在20～1000μm，但是随着气泡粒径的不断变小，微气泡表面的界面zeta电位越高，其形成的活性氧自由基能力越强，越容易造成微生物损伤；并且由于气泡直径很小时，伴随着气泡上升速率降低，将会导致气液两相的速率差很低，从而使液膜传质系数kL显著下降。另一方面随着微气泡直径的不断增加，其气液接触面积不断变小，气液传质效率不断降低，因此适用于微生物发酵的微气泡直径在50～500μm最佳。

表1 不同微气泡发生装置的比较

2 空气微气泡耦合搅拌式生物反应器的应用

搅拌式生物反应器依靠搅拌桨的旋转提供液相搅拌的动力，进而混合培养基、微生物和空气，其具有较大的操作范围、良好的混合性和浓度均匀性，因此在生物反应中被广泛使用。微气泡分散器能形成大量均一的微气泡，耦合生物反应器能显著增加氧气的传质效率。Kaster 等[32]采用表面活性剂辅助的微气泡分散器耦合搅拌式生物反应器用于酵母的发酵，其氧气传质系数达到190h-1，酵母的比生长速率快于其他的曝气方式。Zhang 等[21]采用MBD 耦合搅拌式生物反应器用于重组毕赤酵母（Pichia pastoris）高密度发酵生产人血清白蛋白，研究发现MBD的氧气传质系数为268.6h-1，是同等条件下传统曝气方式的3.53 倍，细胞浓度达到137.7g/L，人血清白蛋白表达量为301.2mg/L，分别是同等条件下传统曝气方式的2.82 倍和4.44 倍。Weber 等[33]采用MBD 用于剪切敏感的里氏木霉（Trichoderma reesei）RUT C30 发酵产纤维素酶的研究，相对于普通曝气的生物反应器，发现其气液传质效率（kLa）增加了5倍以上，细胞生长率增加了2倍以上，但是纤维素酶活性没有显著增加，可能是由于高剪切应力造成细胞损伤。Hensirisak 等[34]比较研究了1L规模的MBD耦合1L和50L搅拌式生物反应器对酿酒酵母的发酵效果，发现MBD 能降低生物反应器的转速，从而降低搅拌能耗，在保持相似kLa条件下，MBD耦合生物反应器的整体能耗低于传统曝气的生物反应器的能耗，具有一定的放大价值，但是没有进一步研究放大规律。Inan等[35]采用MBD 耦合搅拌式生物反应器好氧发酵大肠杆菌（Escherichia coli）生产聚羟基丁酸酯（PHB），结果发现MBD 发酵增加了气液传质，其PHB 得率达到了43%，是传统生物反应器的1.87倍。Ju等[36]采用MBD耦合5L搅拌式生物反应器用于发酵裂殖壶菌（Schizochytrium sp.）SH103 生产脂质，结果发现微气泡发酵的生物量达到100.6g/L，脂质含量达到48.6g/L，比合成速率为1.0g/(L·h)，显著优于传统曝气的搅拌式生物反应器，发酵体系放大到50L 生物反应器，其产量基本保持不变。Li 等[37]研究了MBD耦合搅拌式生物反应器的气液传质特征，微气泡平均直径在50～60μm，发现搅拌能耗和表观气速是影响气液传质效率的关键因素，搅拌能耗和表观气速增加，气液传质效率随之增加。微气泡分散器不仅应用于微生物发酵，还应用于植物组织培养，Zhao 等[38]采用MBD 用于增强烟草毛状根的生长和代谢，发现非离子表面活性剂Triton X-100在50mg/L 以下水平，稳定的微气泡不抑制烟草毛状根的生长和代谢，微气泡显著增加了气液传质效率，溶解氧水平由60%增加到85%，经过连续30天的培养尼古丁产量达到146mg/L。综上所述，微气泡分散器（MBD）通过圆盘的高速旋转并结合挡板形成高强度剪切应力将大气泡粉碎成均一的微气泡，之后通过发酵培养基循环的方式耦合生物反应器，虽然形成的大量微气泡能提高气液传质效率和促进生物量提高，但其高的剪切应力难以适用于剪切敏感的微生物发酵。

Nie 等[39]对比研究了在搅拌式生物反应器内不同气体分布器类型对高山被孢霉（Mortierella alpina）产花生四烯酸（ARA）的影响，发现微孔陶瓷膜气体分布器能形成直径为280μm的微气泡，其细胞干重、油脂和ARA 含量分别达到29.67g/L、16.74g/L和8.29g/L，相对于多孔环式气体分布器的搅拌式生物反应器，其ARA 产量增加了4.17 倍，但是长期使用，菌体蛋白或破碎菌体会导致膜孔堵塞。Fujikawa 等[40]为了减少静态微孔膜曝气过程中的微气泡聚并现象，采用水平高速旋转多孔金属膜，发现旋转频率和气体流量是形成微气泡的关键因素，转速增加微气泡直径持续减小并且微气泡密度持续增加，气体流量增加，微气泡直径和密度也持续增加，最终优化后微气泡的平均直径维持在10～20μm。南京工业大学陈可泉课题组[41]将设计的微气泡曝气搅拌桨耦合搅拌式生物反应器，将微气泡搅拌式生物反应器与普通搅拌式生物反应器相比较，发现微气泡生物反应器的气液传质效率增加1倍以上，在保持相似混合效率下，单位混合能耗降低了30%，对花生四烯酸（ARA）的发酵对比发现，ARA 产量增加了2.8 倍，丝状真菌M.alpine 的细胞损伤低于传统搅拌式生物反应器。Guo 等[42]采用微气泡生物反应器对二十二碳六烯酸（DHA）的好氧发酵，发现DHA的产量提高了50%以上。

综上所述，微气泡分散器和微气泡曝气搅拌桨能耦合搅拌式生物反应器，提高气体传质效率，促进微生物菌体增殖和产物浓度提高。但是目前其研究仍处于实验室规模阶段，放大效应和放大规律仍处于研究空白，并且MBD 具有高的剪切应力，难以适用于剪切敏感的微生物培养过程，如丝状真菌等。而微气泡曝气搅拌桨将微气泡形成与搅拌式生物反应器融合为一体，避免了单独配置微气泡发生装置，并具有低的混合能耗和剪切应力，具有更广泛的应用前景，但是长时间应用可能会导致无机盐离子结垢，从而导致膜孔堵塞，并且其放大规律和能耗的研究未见报道。

3 空气微气泡耦合气升式生物反应器的应用

气升式生物反应器的流动性较其他生物反应器更为均匀，而且其结构简单，具有较少的泄漏点和死角等，广泛应用于生物发酵过程。Zhao等[43]开发了采用5μm 金属多孔膜气体分布器形成微气泡的光生物气升式反应器，用于培养小球藻，结果表明形成的500μm 微气泡显著增加氧气传质和光生物反应，提高了小球藻的生长效率。静态微孔膜虽然能形成大量的微气泡，但是随着气体流量的增加，微气泡直径显著增大，并且生物发酵过程形成的蛋白质或细胞碎片能堵塞膜孔，造成效率下降和能耗增高。Zimmerman课题组将流体振荡器耦合微孔膜气体分布器形成微气泡过程应用于生物发酵等相关过程，取得了明显的成效。Brittle 等[44]比较研究了超声波振荡结合多孔膜、流体振荡耦合单孔膜和流体振荡耦合陶瓷膜分布器形成微气泡的大小和密度，结果发现流体振荡耦合陶瓷膜分布器形成最小的微气泡和最大的微气泡密度。Hanotu等[45]对流体振荡器耦合多孔膜曝气的曝气过程进行了深入研究，分析了不同的膜孔径和流体振荡频率对形成的微气泡的影响，发现在扩散室中引入流量分布板能改善气体在多孔膜的分布，从而形成大量的单一气泡，形成的气泡粒径为膜孔直径的2～3 倍。Rehman 等[46]采用流体振荡形成微气泡应用于污水处理过程，形成了高密度单分散的直径100μm 的微气泡，显著增加了污水处理过程的氧气传质系数、混合效率和能量效率，并减少了碳足迹。Zimmerman 等[47]采用流体振荡器耦合微孔膜设计了气升式生物反应器，发现形成的微气泡平均直径为700μm，相对于普通气泡，显示出明显增高的气液传质效率。Al-Mashhadani 等[48]采用CFD 模拟优化了流体振荡器耦合微孔膜设计的气升式生物反应器，发现微气泡直径大于200μm，不仅增加了气液接触面积，还增加了液速从而改善了混合效率。Hanotu等[49]将流体振荡器耦合微孔膜的气升式生物反应器用于酵母的培养，发现相对于普通气泡的气升式生物反应器，微气泡气升式生物反应器提供更高的气液传质效率，酵母细胞平均生长速率提高了41%。

流体振荡器耦合微孔膜形成微气泡也用于生物预处理过程。Mulakhudair等[50]开发了空气微气泡耦合恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）预处理木制纤维素生成葡萄糖的策略，微气泡平均直径小于100μm，能产生高强度的自由基，降低木质纤维素的强度并形成空洞，之后恶臭假单胞菌进一步降解木质纤维素生成葡萄糖，最终葡萄糖产量为2.7g/L，显著高于微气泡或恶臭假单胞菌单独预处理的结果。流体振荡器耦合微孔膜形成微气泡过程主要用于气升式生物反应器，存在着混合效率偏低和较大的溶氧死区，并且放大过程有可能会导致流体振荡器振荡的振幅发生衰减，从而降低微气泡曝气效率，并联多个流体振荡器可以避免振幅衰减，但会增加设备成本。

4 空气微气泡耦合生物膜反应器的应用

生物膜反应器是在反应器中添加各种填料使微生物附着生长在填料上形成了一层生物构成的类似于膜的结构，生物膜能够发挥微生物的群体效应，从而提高产物的产量，并能实现发酵过程的连续化。生物膜固定于填料上，不会参与微气泡形成过程，避免高剪切力损伤微生物，因此，微气泡耦合生物膜反应器具有广泛的应用前景。

Liu 等[51]采用SPG 膜曝气微气泡耦合生物膜反应器用于污水处理，显示出高的氧传质效率，同时发现疏水膜更适合于好氧污水处理的微气泡曝气。同时，Liu 等[52]发现污水处理过程，污水中的有机和无机污染物能够堵塞SPG 膜的膜孔，造成通气量下降，而离线清洁污染物后，膜的微孔基本没有变化，微气泡形成和氧气传质效率几乎完全恢复。进一步，Liu 等[53]采用SPG 膜曝气微气泡耦合生物膜反应器用于合成废水的处理，其形成的微气泡能显著提高溶氧水平，有效地去除COD和铵。Zhang 等[54]采用SPG 膜曝气微气泡耦合固定床生物膜反应器用于好氧废水处理，其溶氧浓度和氧气利用效率显著提高，并有效去除COD 和氮。刘春等[55]比较了微气泡曝气（MB）与传统气泡曝气（CB）的流化床生物膜反应器运行性能以及生物膜形成过程与组成特性，结果表明运行中的MB 生物膜反应器的COD 和铵等污染物去除性能优于CB 反应器。同时，MB 生物膜反应器的氧利用率高达94.3%，显著高于CB 生物膜反应器。MB 反应器中生物膜形成速率和稳定生物膜生物量均高于CB 反应器。因此，微气泡曝气能够加速生物膜形成并获得更高的活性生物量，从而提高生物膜反应器的启动运行性能。综上所述，耦合微气泡曝气过程能够增强生物膜反应器的气液传质效率，但是生物膜反应器耦合微气泡曝气多用于好氧废水处理，应用于生物发酵过程的研究未见报道，因此具有很高的开发潜力。

5 二氧化碳微气泡生物反应器的应用

二氧化碳微气泡能够增强二氧化碳的传质效率，非常适合于厌氧生物发酵过程。微藻Dunaliella salina能利用二氧化碳生成氧气，二氧化碳的传质限制不利于微藻生成氧气。Zimmerman等[56]采用流体振荡器结合微孔板曝气形成CO2微气泡的气升式光生物反应器，微气泡平均直径为656μm，提高了叶绿素的含量，CO2微气泡解除了氧气抑制，增加了比生长速率和生物质产量。Cheng 等[57]开发了一种二氧化碳微气泡溶解器，显著增加了二氧化碳的在光生物反应器中的溶解度和传质，微藻生物质相对于普通曝气的光生物反应器增加了30%。Cheng 等[58]又开发了一种射流曝气切向旋流平板光生物反应器，二氧化碳微气泡的平均直径370μm，传质系数达到48.9h-1，最终微藻生物质含量增加了49.4%。Al-Mashhadani等[59]采用流体振荡器结合微孔板曝气形成CO2微气泡的气升式反应器，气泡平均直径为550μm，以有机废弃物为原料，厌氧发酵合成生物甲烷，发现CO2微气泡曝气增加了甲烷的产量。总之，二氧化碳微气泡在以二氧化碳为原料的生物发酵过程和厌氧发酵过程具有广泛的应用前景。

除了以上报道的耦合微气泡的生物反应器，虽然微通道形成微气泡过程难以应用于大规模生物发酵过程，但微通道技术能耦合于微型生物反应器，用于微生物的筛选过程。Peterat等[60]采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制备微气泡微型生物反应器，其反应容积70μL，微气泡直径150～450μm，气含率达到30%，氧气的气液传质效率为0.14s-1，以酿酒酵母为模式微生物，酵母的比生长速率为0.37h-1，生物质含量达到3.2g CDW/L，氧气利用效率（OUR）为1.3～1.5mmol O2/(g CDW·h)。但是，微气泡耦合其他类型的生物反应器的研究罕有报道。

6 结语与展望

微气泡耦合生物反应器能显著提高气液传质效率，提高气体的利用效率，促进微生物增殖和产物产量提高。但是，微气泡耦合生物反应器的研究仍有几个问题需要解决。

（1）微气泡耦合生物反应器的研究仍处于实验室规模阶段，其放大效应和放大规律仍然不明确。

（2）膜在生物发酵过程中的长时间运行，无机离子易在孔中结垢，长期运行后会导致堵塞，膜曝气的微气泡耦合生物反应器的长期运行的稳定性需要进一步明确。

（3）流体振荡器放大过程有可能会导致流体振荡器振荡振幅发生衰减，从而降低微气泡曝气效率，需要进一步考察流体振荡器的放大效应和放大方式。

（4）微气泡耦合生物反应器的灭菌操作区别于普通的生物反应器，其灭菌和卫生过程可能存在死角，需要对灭菌和卫生过程进行考察分析。

（5）微气泡耦合生物反应器的能耗和设备成本缺乏明确的数据，应从微气泡曝气设备和通气比等方面分析大规模制备微气泡生物发酵过程的设备和成本。

（6）气泡直径减少有利于气液两相传质，但是当气泡直径很小时，同时伴随着气泡上升速率降低，将会导致气液两相的速率差很低，从而使液膜传质系数kL显著下降，导致体积传质系数kLa 未必提升，因此微气泡尺寸在生物发酵过程的仍缺乏明确的临界值。

微气泡形成过程的高剪切力限制了微气泡生物反应器的应用范围，膜曝气搅拌桨的低剪切应力使其在生物发酵过程具有更广的应用范围。此外耦合微气泡的微型生物反应器和光生物反应器等研究仍然处于起步阶段，并且微气泡耦合自吸式生物反应器、鼓泡式生物反应器和固态物料生物反应器等反应器的研究罕有报道。总之，微气泡耦合生物反应器不仅可以应用于生物发酵过程，也可以应用于其他化工过程，微气泡耦合生物反应器的持续进步对生物发酵、工业生物技术、石油化工、污水处理和资源再利用等行业的发展具有重要的意义。