微氣泡耦合生物反應(yīng)器的研究進(jìn)展

李輝，李干祿，何峰，許旭，田威龍，許晟，陳可泉，歐陽(yáng)平凱

（1 南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京211816；2 江蘇集萃工業(yè)生物技術(shù)研究所有限公司，江蘇南京210000）

生物反應(yīng)器是指利用生物催化劑（酶或生物體）在體外進(jìn)行生化反應(yīng)的裝置系統(tǒng)，主要分為攪拌式生物反應(yīng)器和氣升式生物反應(yīng)器，此外還包括自吸式生物反應(yīng)器、鼓泡式生物反應(yīng)器、生物膜反應(yīng)器和固態(tài)物料生物反應(yīng)器等[1-3]。生物反應(yīng)器在工業(yè)生物技術(shù)、農(nóng)林行業(yè)、醫(yī)藥、食品和污水處理等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，常用于發(fā)酵合成生物基化學(xué)品、食品和污水凈化等[4-7]。生物發(fā)酵過(guò)程中，氣液傳質(zhì)效率是影響生物發(fā)酵過(guò)程能耗和成本的重要因素。傳統(tǒng)生物反應(yīng)器的供氧方式以厘米級(jí)或毫米級(jí)氣泡為主，氣液傳質(zhì)效率低，導(dǎo)致混合能耗高[8-9]。微氣泡是指直徑1～1000μm的微米級(jí)氣泡，具有氣液接觸面積大、氣體溶解速率快、上升速度慢、水中停留時(shí)間長(zhǎng)、內(nèi)部壓力高、界面zeta電位高和自由基形成能力等理化性質(zhì)[10-11]。微氣泡氣液接觸面積大和氣體溶解速率快等特征非常適合于生物反應(yīng)器，能提高氣液傳質(zhì)效率和增強(qiáng)氣體的利用率，降低發(fā)酵過(guò)程的通氣比[12-13]。因此，本文綜述了能夠耦合生物反應(yīng)器的微氣泡發(fā)生裝置，并評(píng)述空氣微氣泡和二氧化碳微氣泡耦合生物反應(yīng)器的研究進(jìn)展。

1 微氣泡發(fā)生裝置

微氣泡的形成方式有多種，如文丘里、微孔膜過(guò)濾、微通道、超聲波和化學(xué)反應(yīng)等。但是生物反應(yīng)過(guò)程要求高氣液傳質(zhì)效率、低剪切應(yīng)力和低能耗等，因此能耦合于生物反應(yīng)過(guò)程的微氣泡的形式主要分為兩種：一是通過(guò)高剪切應(yīng)力，將大氣泡直接粉碎成微氣泡，如文丘里式、噴射式和高速旋轉(zhuǎn)切割等[14-16]；二是通過(guò)微孔膜分割大氣泡形成微氣泡[17-18]。

文丘里通過(guò)高速水流的強(qiáng)剪切力，將吸入小孔的較大空氣泡粉碎成微小氣泡，Reynolds 數(shù)越高，剪切力越大，從而形成的氣泡直徑越小，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。Wang 等[19]和Lee 等[20]研究了進(jìn)口角度、出口角度、流速和壓力降對(duì)文丘里式微氣泡發(fā)生器形成微氣泡的影響，發(fā)現(xiàn)出口角度是關(guān)鍵的影響因素，微氣泡的大小與出口角度密切相關(guān)，大的出口角度形成的微氣泡直徑更小，微氣泡的平均直徑為75.9μm。文丘里微氣泡發(fā)生器高的剪切應(yīng)力難以適合于剪切力敏感的發(fā)酵過(guò)程，但是生物膜反應(yīng)器的污水處理過(guò)程有一些相關(guān)的報(bào)道。

圖1 文丘里微氣泡分散器結(jié)構(gòu)［20］

微氣泡分散器（microbubble diffuser，MBD）通過(guò)氣液流通于高速旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)并結(jié)合擋板，通過(guò)高強(qiáng)度剪切應(yīng)力將大氣泡粉碎成微氣泡，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。微氣泡分散器通過(guò)旋轉(zhuǎn)板裝置形成微氣泡，其轉(zhuǎn)速超過(guò)4000r/min，并結(jié)合表面活性劑維持微氣泡的穩(wěn)定，形成的微氣泡直徑為20～1000μm，能用于耐高剪切力的菌株，如釀酒酵母和畢赤酵母等[21]，難以用于剪切敏感的菌株。

圖2 微氣泡分散器結(jié)構(gòu)［21］

微孔膜形成微氣泡主要依賴(lài)于微孔膜的孔徑和膜兩側(cè)的跨膜壓差，能形成微氣泡的微孔膜主要包括陶瓷膜、金屬膜和玻璃膜等，其中微孔膜的孔徑一般在5nm～200μm[22-24]。靜態(tài)微孔膜形成的氣泡直徑較大，Kazakis 等[25]研究發(fā)現(xiàn)靜態(tài)金屬膜，膜孔孔徑40μm，形成的氣泡大小為3～6mm，氣泡大小與氣體流速、微孔孔徑和流體性質(zhì)密切相關(guān)。為了降低微孔膜過(guò)濾形成微氣泡直徑，科研工作者采用流體振蕩器改變氣體的流體狀態(tài)、增加膜表面的液體相對(duì)速度、改善膜表面的親水特征和改變流體的性質(zhì)等技術(shù)手段降低微氣泡的直徑。

Tesa?[26-28]開(kāi)發(fā)了流體振蕩器（圖3），流體振蕩器通過(guò)負(fù)反饋環(huán)賦予氣體周期振蕩的特征，周期振蕩導(dǎo)致膜上的微孔周期性吸入和排出水分，從而抑制微氣泡形成過(guò)程交聯(lián)周邊微氣泡，避免形成大氣泡，從而控制微氣泡的直徑和增加了微氣泡的密度。

圖3 流體振蕩器耦合微孔膜形成微氣泡［28］

增加膜表面的液體流速，能夠縮短微氣泡的形成時(shí)間，減少微氣泡形成過(guò)程交聯(lián)周邊微氣泡，從而降低氣泡的直徑。Liu 等[29]研究發(fā)現(xiàn)控制通過(guò)陶瓷膜表面的流體流速能控制形成的微氣泡大小，膜表面液體的流速越大其形成的微氣泡直徑越小，同時(shí)發(fā)現(xiàn)微氣泡的大小與流體的性質(zhì)如黏度密切相關(guān)，黏度增加氣泡粒徑先降低后增加。Kukizaki等[30]研究了在Shirasu多孔玻璃（SPG）膜表面形成微氣泡的特征，發(fā)現(xiàn)膜孔孔徑3.07μm，跨膜壓差是泡點(diǎn)壓力的1.1 倍，形成的微氣泡直徑為27.8～64.8μm，微氣泡的形成與流體表面勢(shì)有關(guān)，流體黏度增加微氣泡的直徑也隨之增加。

通過(guò)控制流體特征，靜態(tài)微孔膜能形成大量均一的微氣泡，但是，靜態(tài)微孔膜在生物發(fā)酵過(guò)程，由于生成有機(jī)絮凝物如蛋白質(zhì)和細(xì)胞碎片等，易于堵塞微孔膜孔徑，導(dǎo)致通氣量不斷下降。為了解決這個(gè)難題，南京工業(yè)大學(xué)陳可泉課題組[31]通過(guò)金屬膜耦合攪拌槳，設(shè)計(jì)和制造了微氣泡曝氣攪拌槳，如圖4所示，通過(guò)攪拌槳不斷旋轉(zhuǎn)，增加膜表面的流體相對(duì)速度，進(jìn)而形成大量的微氣泡，并避免發(fā)酵過(guò)程形成的蛋白質(zhì)和細(xì)胞碎片造成的膜孔堵塞。

圖4 微氣泡曝氣攪拌槳

總之，耦合生物反應(yīng)器的微氣泡形成過(guò)程，以生物反應(yīng)過(guò)程為出發(fā)點(diǎn)，在提高氣液傳質(zhì)效率的同時(shí)，盡量避免微氣泡形成的高剪切力對(duì)微生物反應(yīng)過(guò)程的影響。表1比較了不同微氣泡發(fā)生裝置的特征，表明不同微氣泡發(fā)生裝置具有不同的應(yīng)用場(chǎng)合和適應(yīng)范圍，微氣泡曝氣攪拌槳具有最廣泛的應(yīng)用前景。綜上所述，以上方法形成的微氣泡直徑在一般在20～1000μm，但是隨著氣泡粒徑的不斷變小，微氣泡表面的界面zeta電位越高，其形成的活性氧自由基能力越強(qiáng)，越容易造成微生物損傷；并且由于氣泡直徑很小時(shí)，伴隨著氣泡上升速率降低，將會(huì)導(dǎo)致氣液兩相的速率差很低，從而使液膜傳質(zhì)系數(shù)kL顯著下降。另一方面隨著微氣泡直徑的不斷增加，其氣液接觸面積不斷變小，氣液傳質(zhì)效率不斷降低，因此適用于微生物發(fā)酵的微氣泡直徑在50～500μm最佳。

表1 不同微氣泡發(fā)生裝置的比較

2 空氣微氣泡耦合攪拌式生物反應(yīng)器的應(yīng)用

攪拌式生物反應(yīng)器依靠攪拌槳的旋轉(zhuǎn)提供液相攪拌的動(dòng)力，進(jìn)而混合培養(yǎng)基、微生物和空氣，其具有較大的操作范圍、良好的混合性和濃度均勻性，因此在生物反應(yīng)中被廣泛使用。微氣泡分散器能形成大量均一的微氣泡，耦合生物反應(yīng)器能顯著增加氧氣的傳質(zhì)效率。Kaster 等[32]采用表面活性劑輔助的微氣泡分散器耦合攪拌式生物反應(yīng)器用于酵母的發(fā)酵，其氧氣傳質(zhì)系數(shù)達(dá)到190h-1，酵母的比生長(zhǎng)速率快于其他的曝氣方式。Zhang 等[21]采用MBD 耦合攪拌式生物反應(yīng)器用于重組畢赤酵母（Pichia pastoris）高密度發(fā)酵生產(chǎn)人血清白蛋白，研究發(fā)現(xiàn)MBD的氧氣傳質(zhì)系數(shù)為268.6h-1，是同等條件下傳統(tǒng)曝氣方式的3.53 倍，細(xì)胞濃度達(dá)到137.7g/L，人血清白蛋白表達(dá)量為301.2mg/L，分別是同等條件下傳統(tǒng)曝氣方式的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 發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶的研究，相對(duì)于普通曝氣的生物反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)其氣液傳質(zhì)效率（kLa）增加了5倍以上，細(xì)胞生長(zhǎng)率增加了2倍以上，但是纖維素酶活性沒(méi)有顯著增加，可能是由于高剪切應(yīng)力造成細(xì)胞損傷。Hensirisak 等[34]比較研究了1L規(guī)模的MBD耦合1L和50L攪拌式生物反應(yīng)器對(duì)釀酒酵母的發(fā)酵效果，發(fā)現(xiàn)MBD 能降低生物反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速，從而降低攪拌能耗，在保持相似kLa條件下，MBD耦合生物反應(yīng)器的整體能耗低于傳統(tǒng)曝氣的生物反應(yīng)器的能耗，具有一定的放大價(jià)值，但是沒(méi)有進(jìn)一步研究放大規(guī)律。Inan等[35]采用MBD 耦合攪拌式生物反應(yīng)器好氧發(fā)酵大腸桿菌（Escherichia coli）生產(chǎn)聚羥基丁酸酯（PHB），結(jié)果發(fā)現(xiàn)MBD 發(fā)酵增加了氣液傳質(zhì)，其PHB 得率達(dá)到了43%，是傳統(tǒng)生物反應(yīng)器的1.87倍。Ju等[36]采用MBD耦合5L攪拌式生物反應(yīng)器用于發(fā)酵裂殖壺菌（Schizochytrium sp.）SH103 生產(chǎn)脂質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微氣泡發(fā)酵的生物量達(dá)到100.6g/L，脂質(zhì)含量達(dá)到48.6g/L，比合成速率為1.0g/(L·h)，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)曝氣的攪拌式生物反應(yīng)器，發(fā)酵體系放大到50L 生物反應(yīng)器，其產(chǎn)量基本保持不變。Li 等[37]研究了MBD耦合攪拌式生物反應(yīng)器的氣液傳質(zhì)特征，微氣泡平均直徑在50～60μm，發(fā)現(xiàn)攪拌能耗和表觀氣速是影響氣液傳質(zhì)效率的關(guān)鍵因素，攪拌能耗和表觀氣速增加，氣液傳質(zhì)效率隨之增加。微氣泡分散器不僅應(yīng)用于微生物發(fā)酵，還應(yīng)用于植物組織培養(yǎng)，Zhao 等[38]采用MBD 用于增強(qiáng)煙草毛狀根的生長(zhǎng)和代謝，發(fā)現(xiàn)非離子表面活性劑Triton X-100在50mg/L 以下水平，穩(wěn)定的微氣泡不抑制煙草毛狀根的生長(zhǎng)和代謝，微氣泡顯著增加了氣液傳質(zhì)效率，溶解氧水平由60%增加到85%，經(jīng)過(guò)連續(xù)30天的培養(yǎng)尼古丁產(chǎn)量達(dá)到146mg/L。綜上所述，微氣泡分散器（MBD）通過(guò)圓盤(pán)的高速旋轉(zhuǎn)并結(jié)合擋板形成高強(qiáng)度剪切應(yīng)力將大氣泡粉碎成均一的微氣泡，之后通過(guò)發(fā)酵培養(yǎng)基循環(huán)的方式耦合生物反應(yīng)器，雖然形成的大量微氣泡能提高氣液傳質(zhì)效率和促進(jìn)生物量提高，但其高的剪切應(yīng)力難以適用于剪切敏感的微生物發(fā)酵。

Nie 等[39]對(duì)比研究了在攪拌式生物反應(yīng)器內(nèi)不同氣體分布器類(lèi)型對(duì)高山被孢霉（Mortierella alpina）產(chǎn)花生四烯酸（ARA）的影響，發(fā)現(xiàn)微孔陶瓷膜氣體分布器能形成直徑為280μm的微氣泡，其細(xì)胞干重、油脂和ARA 含量分別達(dá)到29.67g/L、16.74g/L和8.29g/L，相對(duì)于多孔環(huán)式氣體分布器的攪拌式生物反應(yīng)器，其ARA 產(chǎn)量增加了4.17 倍，但是長(zhǎng)期使用，菌體蛋白或破碎菌體會(huì)導(dǎo)致膜孔堵塞。Fujikawa 等[40]為了減少靜態(tài)微孔膜曝氣過(guò)程中的微氣泡聚并現(xiàn)象，采用水平高速旋轉(zhuǎn)多孔金屬膜，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)頻率和氣體流量是形成微氣泡的關(guān)鍵因素，轉(zhuǎn)速增加微氣泡直徑持續(xù)減小并且微氣泡密度持續(xù)增加，氣體流量增加，微氣泡直徑和密度也持續(xù)增加，最終優(yōu)化后微氣泡的平均直徑維持在10～20μm。南京工業(yè)大學(xué)陳可泉課題組[41]將設(shè)計(jì)的微氣泡曝氣攪拌槳耦合攪拌式生物反應(yīng)器，將微氣泡攪拌式生物反應(yīng)器與普通攪拌式生物反應(yīng)器相比較，發(fā)現(xiàn)微氣泡生物反應(yīng)器的氣液傳質(zhì)效率增加1倍以上，在保持相似混合效率下，單位混合能耗降低了30%，對(duì)花生四烯酸（ARA）的發(fā)酵對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ARA 產(chǎn)量增加了2.8 倍，絲狀真菌M.alpine 的細(xì)胞損傷低于傳統(tǒng)攪拌式生物反應(yīng)器。Guo 等[42]采用微氣泡生物反應(yīng)器對(duì)二十二碳六烯酸（DHA）的好氧發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)DHA的產(chǎn)量提高了50%以上。

綜上所述，微氣泡分散器和微氣泡曝氣攪拌槳能耦合攪拌式生物反應(yīng)器，提高氣體傳質(zhì)效率，促進(jìn)微生物菌體增殖和產(chǎn)物濃度提高。但是目前其研究仍處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模階段，放大效應(yīng)和放大規(guī)律仍處于研究空白，并且MBD 具有高的剪切應(yīng)力，難以適用于剪切敏感的微生物培養(yǎng)過(guò)程，如絲狀真菌等。而微氣泡曝氣攪拌槳將微氣泡形成與攪拌式生物反應(yīng)器融合為一體，避免了單獨(dú)配置微氣泡發(fā)生裝置，并具有低的混合能耗和剪切應(yīng)力，具有更廣泛的應(yīng)用前景，但是長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)機(jī)鹽離子結(jié)垢，從而導(dǎo)致膜孔堵塞，并且其放大規(guī)律和能耗的研究未見(jiàn)報(bào)道。

3 空氣微氣泡耦合氣升式生物反應(yīng)器的應(yīng)用

氣升式生物反應(yīng)器的流動(dòng)性較其他生物反應(yīng)器更為均勻，而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較少的泄漏點(diǎn)和死角等，廣泛應(yīng)用于生物發(fā)酵過(guò)程。Zhao等[43]開(kāi)發(fā)了采用5μm 金屬多孔膜氣體分布器形成微氣泡的光生物氣升式反應(yīng)器，用于培養(yǎng)小球藻，結(jié)果表明形成的500μm 微氣泡顯著增加氧氣傳質(zhì)和光生物反應(yīng)，提高了小球藻的生長(zhǎng)效率。靜態(tài)微孔膜雖然能形成大量的微氣泡，但是隨著氣體流量的增加，微氣泡直徑顯著增大，并且生物發(fā)酵過(guò)程形成的蛋白質(zhì)或細(xì)胞碎片能堵塞膜孔，造成效率下降和能耗增高。Zimmerman課題組將流體振蕩器耦合微孔膜氣體分布器形成微氣泡過(guò)程應(yīng)用于生物發(fā)酵等相關(guān)過(guò)程，取得了明顯的成效。Brittle 等[44]比較研究了超聲波振蕩結(jié)合多孔膜、流體振蕩耦合單孔膜和流體振蕩耦合陶瓷膜分布器形成微氣泡的大小和密度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)流體振蕩耦合陶瓷膜分布器形成最小的微氣泡和最大的微氣泡密度。Hanotu等[45]對(duì)流體振蕩器耦合多孔膜曝氣的曝氣過(guò)程進(jìn)行了深入研究，分析了不同的膜孔徑和流體振蕩頻率對(duì)形成的微氣泡的影響，發(fā)現(xiàn)在擴(kuò)散室中引入流量分布板能改善氣體在多孔膜的分布，從而形成大量的單一氣泡，形成的氣泡粒徑為膜孔直徑的2～3 倍。Rehman 等[46]采用流體振蕩形成微氣泡應(yīng)用于污水處理過(guò)程，形成了高密度單分散的直徑100μm 的微氣泡，顯著增加了污水處理過(guò)程的氧氣傳質(zhì)系數(shù)、混合效率和能量效率，并減少了碳足跡。Zimmerman 等[47]采用流體振蕩器耦合微孔膜設(shè)計(jì)了氣升式生物反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)形成的微氣泡平均直徑為700μm，相對(duì)于普通氣泡，顯示出明顯增高的氣液傳質(zhì)效率。Al-Mashhadani 等[48]采用CFD 模擬優(yōu)化了流體振蕩器耦合微孔膜設(shè)計(jì)的氣升式生物反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)微氣泡直徑大于200μm，不僅增加了氣液接觸面積，還增加了液速?gòu)亩纳屏嘶旌闲?。Hanotu等[49]將流體振蕩器耦合微孔膜的氣升式生物反應(yīng)器用于酵母的培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于普通氣泡的氣升式生物反應(yīng)器，微氣泡氣升式生物反應(yīng)器提供更高的氣液傳質(zhì)效率，酵母細(xì)胞平均生長(zhǎng)速率提高了41%。

流體振蕩器耦合微孔膜形成微氣泡也用于生物預(yù)處理過(guò)程。Mulakhudair等[50]開(kāi)發(fā)了空氣微氣泡耦合惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）預(yù)處理木制纖維素生成葡萄糖的策略，微氣泡平均直徑小于100μm，能產(chǎn)生高強(qiáng)度的自由基，降低木質(zhì)纖維素的強(qiáng)度并形成空洞，之后惡臭假單胞菌進(jìn)一步降解木質(zhì)纖維素生成葡萄糖，最終葡萄糖產(chǎn)量為2.7g/L，顯著高于微氣泡或惡臭假單胞菌單獨(dú)預(yù)處理的結(jié)果。流體振蕩器耦合微孔膜形成微氣泡過(guò)程主要用于氣升式生物反應(yīng)器，存在著混合效率偏低和較大的溶氧死區(qū)，并且放大過(guò)程有可能會(huì)導(dǎo)致流體振蕩器振蕩的振幅發(fā)生衰減，從而降低微氣泡曝氣效率，并聯(lián)多個(gè)流體振蕩器可以避免振幅衰減，但會(huì)增加設(shè)備成本。

4 空氣微氣泡耦合生物膜反應(yīng)器的應(yīng)用

生物膜反應(yīng)器是在反應(yīng)器中添加各種填料使微生物附著生長(zhǎng)在填料上形成了一層生物構(gòu)成的類(lèi)似于膜的結(jié)構(gòu)，生物膜能夠發(fā)揮微生物的群體效應(yīng)，從而提高產(chǎn)物的產(chǎn)量，并能實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程的連續(xù)化。生物膜固定于填料上，不會(huì)參與微氣泡形成過(guò)程，避免高剪切力損傷微生物，因此，微氣泡耦合生物膜反應(yīng)器具有廣泛的應(yīng)用前景。

Liu 等[51]采用SPG 膜曝氣微氣泡耦合生物膜反應(yīng)器用于污水處理，顯示出高的氧傳質(zhì)效率，同時(shí)發(fā)現(xiàn)疏水膜更適合于好氧污水處理的微氣泡曝氣。同時(shí)，Liu 等[52]發(fā)現(xiàn)污水處理過(guò)程，污水中的有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物能夠堵塞SPG 膜的膜孔，造成通氣量下降，而離線清潔污染物后，膜的微孔基本沒(méi)有變化，微氣泡形成和氧氣傳質(zhì)效率幾乎完全恢復(fù)。進(jìn)一步，Liu 等[53]采用SPG 膜曝氣微氣泡耦合生物膜反應(yīng)器用于合成廢水的處理，其形成的微氣泡能顯著提高溶氧水平，有效地去除COD和銨。Zhang 等[54]采用SPG 膜曝氣微氣泡耦合固定床生物膜反應(yīng)器用于好氧廢水處理，其溶氧濃度和氧氣利用效率顯著提高，并有效去除COD 和氮。劉春等[55]比較了微氣泡曝氣（MB）與傳統(tǒng)氣泡曝氣（CB）的流化床生物膜反應(yīng)器運(yùn)行性能以及生物膜形成過(guò)程與組成特性，結(jié)果表明運(yùn)行中的MB 生物膜反應(yīng)器的COD 和銨等污染物去除性能優(yōu)于CB 反應(yīng)器。同時(shí)，MB 生物膜反應(yīng)器的氧利用率高達(dá)94.3%，顯著高于CB 生物膜反應(yīng)器。MB 反應(yīng)器中生物膜形成速率和穩(wěn)定生物膜生物量均高于CB 反應(yīng)器。因此，微氣泡曝氣能夠加速生物膜形成并獲得更高的活性生物量，從而提高生物膜反應(yīng)器的啟動(dòng)運(yùn)行性能。綜上所述，耦合微氣泡曝氣過(guò)程能夠增強(qiáng)生物膜反應(yīng)器的氣液傳質(zhì)效率，但是生物膜反應(yīng)器耦合微氣泡曝氣多用于好氧廢水處理，應(yīng)用于生物發(fā)酵過(guò)程的研究未見(jiàn)報(bào)道，因此具有很高的開(kāi)發(fā)潛力。

5 二氧化碳微氣泡生物反應(yīng)器的應(yīng)用

二氧化碳微氣泡能夠增強(qiáng)二氧化碳的傳質(zhì)效率，非常適合于厭氧生物發(fā)酵過(guò)程。微藻Dunaliella salina能利用二氧化碳生成氧氣，二氧化碳的傳質(zhì)限制不利于微藻生成氧氣。Zimmerman等[56]采用流體振蕩器結(jié)合微孔板曝氣形成CO2微氣泡的氣升式光生物反應(yīng)器，微氣泡平均直徑為656μm，提高了葉綠素的含量，CO2微氣泡解除了氧氣抑制，增加了比生長(zhǎng)速率和生物質(zhì)產(chǎn)量。Cheng 等[57]開(kāi)發(fā)了一種二氧化碳微氣泡溶解器，顯著增加了二氧化碳的在光生物反應(yīng)器中的溶解度和傳質(zhì)，微藻生物質(zhì)相對(duì)于普通曝氣的光生物反應(yīng)器增加了30%。Cheng 等[58]又開(kāi)發(fā)了一種射流曝氣切向旋流平板光生物反應(yīng)器，二氧化碳微氣泡的平均直徑370μm，傳質(zhì)系數(shù)達(dá)到48.9h-1，最終微藻生物質(zhì)含量增加了49.4%。Al-Mashhadani等[59]采用流體振蕩器結(jié)合微孔板曝氣形成CO2微氣泡的氣升式反應(yīng)器，氣泡平均直徑為550μm，以有機(jī)廢棄物為原料，厭氧發(fā)酵合成生物甲烷，發(fā)現(xiàn)CO2微氣泡曝氣增加了甲烷的產(chǎn)量。總之，二氧化碳微氣泡在以二氧化碳為原料的生物發(fā)酵過(guò)程和厭氧發(fā)酵過(guò)程具有廣泛的應(yīng)用前景。

除了以上報(bào)道的耦合微氣泡的生物反應(yīng)器，雖然微通道形成微氣泡過(guò)程難以應(yīng)用于大規(guī)模生物發(fā)酵過(guò)程，但微通道技術(shù)能耦合于微型生物反應(yīng)器，用于微生物的篩選過(guò)程。Peterat等[60]采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制備微氣泡微型生物反應(yīng)器，其反應(yīng)容積70μL，微氣泡直徑150～450μm，氣含率達(dá)到30%，氧氣的氣液傳質(zhì)效率為0.14s-1，以釀酒酵母為模式微生物，酵母的比生長(zhǎng)速率為0.37h-1，生物質(zhì)含量達(dá)到3.2g CDW/L，氧氣利用效率（OUR）為1.3～1.5mmol O2/(g CDW·h)。但是，微氣泡耦合其他類(lèi)型的生物反應(yīng)器的研究罕有報(bào)道。

6 結(jié)語(yǔ)與展望

微氣泡耦合生物反應(yīng)器能顯著提高氣液傳質(zhì)效率，提高氣體的利用效率，促進(jìn)微生物增殖和產(chǎn)物產(chǎn)量提高。但是，微氣泡耦合生物反應(yīng)器的研究仍有幾個(gè)問(wèn)題需要解決。

（1）微氣泡耦合生物反應(yīng)器的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模階段，其放大效應(yīng)和放大規(guī)律仍然不明確。

（2）膜在生物發(fā)酵過(guò)程中的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，無(wú)機(jī)離子易在孔中結(jié)垢，長(zhǎng)期運(yùn)行后會(huì)導(dǎo)致堵塞，膜曝氣的微氣泡耦合生物反應(yīng)器的長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步明確。

（3）流體振蕩器放大過(guò)程有可能會(huì)導(dǎo)致流體振蕩器振蕩振幅發(fā)生衰減，從而降低微氣泡曝氣效率，需要進(jìn)一步考察流體振蕩器的放大效應(yīng)和放大方式。

（4）微氣泡耦合生物反應(yīng)器的滅菌操作區(qū)別于普通的生物反應(yīng)器，其滅菌和衛(wèi)生過(guò)程可能存在死角，需要對(duì)滅菌和衛(wèi)生過(guò)程進(jìn)行考察分析。

（5）微氣泡耦合生物反應(yīng)器的能耗和設(shè)備成本缺乏明確的數(shù)據(jù)，應(yīng)從微氣泡曝氣設(shè)備和通氣比等方面分析大規(guī)模制備微氣泡生物發(fā)酵過(guò)程的設(shè)備和成本。

（6）氣泡直徑減少有利于氣液兩相傳質(zhì)，但是當(dāng)氣泡直徑很小時(shí)，同時(shí)伴隨著氣泡上升速率降低，將會(huì)導(dǎo)致氣液兩相的速率差很低，從而使液膜傳質(zhì)系數(shù)kL顯著下降，導(dǎo)致體積傳質(zhì)系數(shù)kLa 未必提升，因此微氣泡尺寸在生物發(fā)酵過(guò)程的仍缺乏明確的臨界值。

微氣泡形成過(guò)程的高剪切力限制了微氣泡生物反應(yīng)器的應(yīng)用范圍，膜曝氣攪拌槳的低剪切應(yīng)力使其在生物發(fā)酵過(guò)程具有更廣的應(yīng)用范圍。此外耦合微氣泡的微型生物反應(yīng)器和光生物反應(yīng)器等研究仍然處于起步階段，并且微氣泡耦合自吸式生物反應(yīng)器、鼓泡式生物反應(yīng)器和固態(tài)物料生物反應(yīng)器等反應(yīng)器的研究罕有報(bào)道?？傊馀蓠詈仙锓磻?yīng)器不僅可以應(yīng)用于生物發(fā)酵過(guò)程，也可以應(yīng)用于其他化工過(guò)程，微氣泡耦合生物反應(yīng)器的持續(xù)進(jìn)步對(duì)生物發(fā)酵、工業(yè)生物技術(shù)、石油化工、污水處理和資源再利用等行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。