黎興燕，甘 建，陳家俊，劉華宗，李干祿，李 輝，陳可泉

(南京工業(yè)大學生物與制藥工程學院，江蘇 南京 211800)

生物技術(shù)是一種高效、清潔、節(jié)能、安全和經(jīng)濟的現(xiàn)代技術(shù)，助力我國綠色可持續(xù)發(fā)展，其與工程的結(jié)合對人類社會產(chǎn)生了顛覆性影響[1]。自2012年《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》頒布以來，生物技術(shù)更是成為我國現(xiàn)代科技研究和開發(fā)的重點，并推動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。

生物反應器(bioreactor)[2]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[3]；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[4]。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[5]。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[6]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[7]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?；诖耍疚木C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，剖析影響傳質(zhì)的因素，重點介紹傳質(zhì)的強化方法，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。

1 生物反應器氣液傳質(zhì)機制

由于氣液生物反應器中液相以高強度湍流狀態(tài)與氣相接觸，不存在穩(wěn)定的相界面，因此不宜使用雙膜理論描述。西格比(Higbie)在1935年提出的溶質(zhì)滲透模型認為，在高強度湍流狀態(tài)下，氣相和液相之間的傳質(zhì)是由液面的溶質(zhì)單元來回傳遞完成的，但氣液兩相接觸時間極短(0.01～1.0 s)，氣體在液體中的擴散處于不穩(wěn)定的“滲透”狀態(tài)，故應該根據(jù)不穩(wěn)態(tài)擴散模型來處理高強度湍流狀態(tài)的氣液傳質(zhì)[11]。

(1)

式(1)是溶質(zhì)滲透模型的數(shù)學表達式，其定解條件為

用以上條件求解式(1)，得

(2)

(3)

(4)

而

(5)

對式(2)和(3)求導，并代入式(5)，得

(6)

將式(6)代入式(4)，得

(7)

(8)

(9)

(10)

則生物反應器中的平均氣液傳質(zhì)系數(shù)kL為

(11)

(12)

將式(12)代入式(11)，得

(13)

冪率模型適用于描述中等剪切速率的體系，卡森(Casson)模型描述了較寬剪切速率的體系。對于Casson流體有

(14)

對于牛頓流體，n=1，K=μ，μc=μ，τ0=0，式(13)和(14)均簡化為

(15)

而氣液比表面積(a)可用式(16)計算。

(16)

(17)

2 生物反應器的氣液傳質(zhì)系數(shù)測量方法

生物反應器氣液體積傳質(zhì)系數(shù)(kLa)的物理意義表示為單位體積液體所溶解的氣體量(通常指O2)，其值與體系的質(zhì)量傳遞速率正相關(guān)。根據(jù)原理可將kLa的常用測量方法分為[13]①物理法，優(yōu)點是簡單便捷，缺點是僅能測整體kLa；②化學法，優(yōu)點是能保持實驗條件一致并同時獲得傳質(zhì)系數(shù)(kL)與界面面積(a)，缺點是化學反應對氣液傳質(zhì)有影響，測定的kL有誤差。

2.1 物理法

物理法是一種通過記錄液體中溶氧量隨時間的變化關(guān)系來獲得kLa的方法，如動態(tài)溶氧法。Ferreira等[14]使用動態(tài)溶氧法測量了水吸收空氣中O2的過程，并證明了該方法的可行性。研究表明動態(tài)溶氧法測量kLa的實驗重復性較好，且誤差較小(5%)。動態(tài)溶氧法大致步驟如下[15]：首先向液相中通N2使液相溶解氧(DO)接近0，然后開啟攪拌和曝氣，再測量液相內(nèi)DO隨時間的變化。此過程中，DO不斷上升，最終達到飽和。測量過程中表示單位時間內(nèi)的氧濃度[16]可用式(18)表示。

(18)

對式(18)進行積分，則有

(19)

(20)

2.2 化學法

化學法[17]是利用化學反應測量氣液傳質(zhì)系數(shù)的方法，如Na2SO3-O2體系和NaOH-CO2體系[19]。

2.2.1 Na2SO3-O2體系

Na2SO3-O2體系利用CoSO4為催化劑發(fā)生化學反應，如式(21)所示。

O2+2Na2SO3CoSO42Na2SO4

(21)

該體系的質(zhì)量守恒用式(22)和(23)表示

(22)

(23)

在穩(wěn)態(tài)下消去式(22)和(23)中的反應項，得到式(24)。

(24)

因此，根據(jù)實驗情況將式(24)進行簡化，可得kLa的表達式

(25)

2.2.2 NaOH-CO2體系

NaOH水溶液吸收 CO2的傳質(zhì)過程主要液膜控制，kLa可表示為

(26)

對NaOH-CO2體系內(nèi)的單位微元做質(zhì)量衡算

(27)

積分得

(28)

3 生物反應器的氣液傳質(zhì)影響因素

3.1 氣含率(Φ)的影響

(29)

(30)

3.2 氣泡直徑(dB)的影響

(31)

3.3 擴散系數(shù)(DL)的影響

(32)

3.4 湍動能耗散率(ε)的影響

(33)

(34)

(35)

(36)

3.5 密度(ρ)的影響

(37)

3.6 液相黏度(μ)的影響

(38)

黏度大小直接影響著流體的流動特征，黏度越大，流體抵抗流動的力越大，流體流動性越差。在氣液攪拌式生物反應器中，低黏度流體通常呈湍流特征而高黏度流體通常導致層流特征。因此，黏度對傳質(zhì)效果有著非常顯著的影響。如，在水相添加一些聚合物(如羧甲基纖維素)會導致液相黏度增加，從而使氣液傳質(zhì)變差。需要根據(jù)體系的黏度來設計傳質(zhì)強化策略，通常，對于高黏體系，傳質(zhì)主要依賴于分子擴散效應。因此，增加氣體停留時間，可以作為加強傳質(zhì)的常用手段之一。

3.7 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[28]。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[29]。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)[30]。

4 生物反應器的氣液傳質(zhì)強化及應用

4.1 湍動能耗散率(ε) 強化氣液傳質(zhì)

4.1.1 葉輪設計強化氣液傳質(zhì)

機械攪拌式反應器在許多領域都有著廣泛的應用，其核心部件——葉輪，直接影響著反應器中氣液兩相流動。因此，葉輪結(jié)構(gòu)的設計成為強化生物反應器傳質(zhì)效率的首要對象。如，針對于標準Rushton渦輪(圖1(a))在應用時存在的缺陷，許多研究者提出了結(jié)構(gòu)改進策略。Gu等[31]基于非線性理論的自相似特性，設計了一種新型的自相似葉輪來強化氣液分散過程(圖1(b))，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該葉輪通過破壞氣穴，減少負壓區(qū)提高了相對功率需求(RPD)，增強了氣含率分布的均勻性。Yang等[32]基于標準Rushton渦輪發(fā)明了一種柵盤式葉輪，(圖1(c))，該柵盤式葉輪將標準Rushton渦輪的實盤替換成了網(wǎng)格盤，增強了反應器的氣體分散和軸向泵送能力并降低了能量需求。Zheng等[33]開發(fā)了一種由拋物環(huán)扇形凹面葉片組成的新型扇形葉輪(圖1(d))，該型葉輪在相同的操作條件下功耗相對較低且表現(xiàn)出了高效氧傳質(zhì)特性(氧傳遞效率比標準Rushton渦輪高35%～66%)。Gu等[34]設計了一種打孔直-彎葉輪(圖1(e))，該葉輪與不打孔葉輪相比，可改善氣液混合，降低功率損失，進而提高相對功率需求(RPD)。改變?nèi)~輪數(shù)量和組合也是增強氣液傳質(zhì)的有效策略。如，Chen等[35]采用了雙槳葉輪在光生物反應器中實現(xiàn)傳質(zhì)和混合效果的強化，使氣泡形成時間、氣泡直徑和溶液混合時間分別減少了24.4%、27.4%和31.3%，而傳質(zhì)系數(shù)和藻的生物量分別提高了41.2%和127.1%。

圖1 基于標準Rushton渦輪的葉輪改進Fig.1 Impeller improvement based on the standard Rushton turbine

4.1.2 罐體和擋板設計強化氣液傳質(zhì)

除了用葉輪設計和組合策略強化氣液傳質(zhì)外，還可通過對反應器罐體結(jié)構(gòu)和擋板進行合理設計實現(xiàn)氣液傳質(zhì)過程強化。反應器罐體結(jié)構(gòu)和擋板分布直接通過影響生物反應器內(nèi)的流型而影響氣液傳質(zhì)。Pan等[36]開發(fā)了一種罐體自動旋轉(zhuǎn)的新型固態(tài)發(fā)酵生物反應器，達到降低反應器總剪切力和提高固體間的傳質(zhì)效率的目的。除此之外，該反應器還打破了通常濕法厭氧發(fā)酵固體降解率高于干法厭氧發(fā)酵的規(guī)律[37]，使得總固體降解率達68.74%，比濕法高18%。Lu等[38]在搖床錐底生物反應器(圖2)中比較了安裝擋板前后的混合特性和傳質(zhì)特性后發(fā)現(xiàn)，3種不同的擋板分布(垂直、傾斜和水平)均打破了無擋板時的準穩(wěn)態(tài)流態(tài)，傳質(zhì)系數(shù)(kLa)分別提高了38.1%、40.0%和33.6%。

圖2 錐底生物反應器內(nèi)3種不同的擋板設計[38]Fig.2 Three different baffle designs in cone-bottom bioreactor[38]

光生物反應器是微藻類培養(yǎng)的關(guān)鍵設備，常用于生物固碳過程。Kumar等[39]在雙柱光生物反應器(DC-PBR)中安裝了蝶形擋板(圖3)并對其尺寸和翼間夾角進行了優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該蝶形擋板使反應器內(nèi)產(chǎn)生了垂直流動的旋渦，加強了光/暗循環(huán)，最終使得混合時間縮短了20%、傳質(zhì)系數(shù)提高了32%、光化學效率和電子傳遞速率提高了20%以及生物量增長速度提高了33%。Cheng等[40]開發(fā)了一種上下組合擋板，流體依次通過上提擋板和下壓擋板流動產(chǎn)生順、逆時針渦流來強化流體的上下混合，改善了微藻的生長。付雙成等[41]開發(fā)了一種連續(xù)交錯擋板用于促進光生物反應器中藻類光合作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當添加擋板后，湍動能提升了10%，渦量提升了60%，強化了微藻細胞的光合作用。

圖3 蝶型擋板雙柱式光生物反應器[39]Fig.3 Two-column photobioreactor with a butterfly baffle[39]

4.2 氣泡直徑(dB) 和氣含率(Φ) 強化氣液傳質(zhì)

生物反應器中關(guān)于氣泡直徑的研究已經(jīng)達到納米-微米尺度。當氣泡直徑小至納米-微米尺度時，可表現(xiàn)出不同于宏觀的微觀尺度傳質(zhì)特性。納-微氣泡由于直徑降低了成百上千倍，大大增加了傳質(zhì)面積。此外，又可通過納-微跨尺度下的介觀效應進一步使傳質(zhì)系數(shù)倍增，從而使相際傳質(zhì)大大加強。

對于氣液生物反應器而言，納-微界面的獲得依賴于微分散相制備。與常規(guī)分散相相比，微分散相(微氣泡或微液滴)具有比表面積更大、相界面更穩(wěn)定和停留時間更長等優(yōu)點[42]。通常，微分散相的直徑與流道特征[43]有著直接關(guān)系，因此合理設計氣體分布器能夠有效提高反應器的氣含率，降低曝氣壓力和提升相間傳遞及反應過程[44]。南京工業(yè)大學陳可泉教授課題組在歐陽平凱院士的指導下對生物反應器的納-微氣泡氣液傳質(zhì)強化開展了大量研究工作[45-51]。如，該課題組設計了一種能產(chǎn)生微氣泡的新型矩形動態(tài)膜氣升式生物反應器(RDMAB)[45]，如圖4所示。該新型氣升式生物反應器使用500 nm孔徑的動態(tài)膜作為曝氣元件并使其高速旋轉(zhuǎn)，以此增加膜表面的相對液速從而產(chǎn)生大量均勻的微米級氣泡。在連續(xù)生產(chǎn)應用中，RDMAB的連續(xù)發(fā)酵開始時間比傳統(tǒng)氣升式生物反應器(CCAB)提前20 h，生物量、產(chǎn)物產(chǎn)量和稀釋率分別提高9.71%、11.15%和39.6%?？梢姡琑DMAB在很大程度上加強了傳質(zhì)，改善了生物過程。

圖4 新型矩形動態(tài)膜生物反應器[45]Fig.4 New rectangular dynamic membrane bioreactor[45]

李干祿等[46]發(fā)明了一種多級進料微界面強化傳質(zhì)反應器。該反應器利用動態(tài)旋轉(zhuǎn)膜分布器產(chǎn)生微尺度分散相(微氣泡或微液滴)并將其快速均勻地分散到連續(xù)相中，大大提高了相間接觸面積；同時連續(xù)相分布器可實現(xiàn)多級進料，在反應過程中可根據(jù)反應需求靈活控制反應物投入量，制造理想反應條件，提高產(chǎn)品收率。除此之外，該發(fā)明還有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、產(chǎn)品物耗和能耗低等優(yōu)勢。除此之外，針對高黏工況，Li等[41]開發(fā)了一種可用于高黏度介質(zhì)的產(chǎn)生微氣泡的新型攪拌生物反應器(MSTBR)并將其用于剪切敏感需氧微生物的發(fā)酵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：使用多孔金屬燒結(jié)板產(chǎn)生微氣泡，不僅提高了氣含率，還降低了混合能耗并避免了高剪切應力的產(chǎn)生，從而降低了菌體損傷率，提高產(chǎn)物產(chǎn)量。

圖5 新型密封攪拌式生物反應器[52]Fig.5 New sealed stirred bioreactor[52]

4.3 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[53]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[54]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[55]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。

5 結(jié)論與展望

1)開發(fā)精度更高的傳質(zhì)測量方法。傳統(tǒng)的化學法由于可能會對流體性質(zhì)產(chǎn)生影響而誤差較大，而物理法只能測量平均的kLa。目前，已有利用光學法測量傳質(zhì)的研究，但測量儀器昂貴且未成體系，但對于傳質(zhì)測量方法的開發(fā)具有重要意義。

2)深度研究傳質(zhì)影響機制?，F(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)。

3)探索新的傳質(zhì)強化手段。目前針對剪切敏感的生物，已有利用非介入式攪拌技術(shù)(如旋轉(zhuǎn)磁場)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械攪拌強化傳質(zhì)的研究，但僅僅使用于液-液體系中，值得進一步研究。