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物的裝置，能夠為生物體提供必需的繁殖和代謝環境。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和代謝都依賴於O2，因此，生物反應器的生物轉化過程普遍屬於多相反應過程。

目前，生物反應器正朝著高效、節能和綠色化的方向發展，但多相體係中的轉化過程極其複雜，普遍存在非均勻性、非線性和非平衡性，導致工業型生物反應器內的流動、傳質和混合效應與實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、放大和過程強化等問題。在生物反應器中，由於存在氣液傳質限製，微生物的生長代謝受到抑製，導致生物轉化過程受到嚴重影響。如，Lebrero等發現，微生物的代謝率受傳質效果影響很大，當傳質被限製時，微生物代謝變慢，導致產生許多不利反應。Zhang等在培養微藻時發現，較高的傳質係數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機製並強化其傳質效應一直是研究熱點，更是生物反應器放大的關鍵所在。

基於此，本文綜述生物反應器中基於溶質滲透模型的傳質機製及常用的體積傳質係數(kLa)測量方法，剖析表麵張力帶來的影響，以期為相關研究人員梳理傳質強化研究進展提供研究思路。

表麵張力(σ)的影響

表麵張力是使液體表麵收縮的一種力，是表層分子之間相互吸引所產生的。在氣液界麵上，表麵張力是液體分子相互吸引所產生的淨吸引力的總和，空氣分子對液體的吸引可以忽略，即氣液體係的表麵張力可以表示為恒溫恒壓下，增加單位液體表麵積所引起的吉布斯自由能的變化。表麵張力由物質本性、溫度和氣相壓力共同決定，主要通過影響氣泡的行為(直徑、聚並和破碎等)影響著氣液兩相之間的傳質。

表麵張力強化氣液傳質

流體的物理化學性質(如密度、黏度和表麵張力)，對氣液傳質有著很大影響。表麵張力在強化傳質方麵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麵張力，從而突破生物反應器的傳質限製。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的研究，基於強化氣液傳質的基本原理，證實了非水相強化傳質的可行性。Chen等研究了金黴素(CTC)對厭氧/好氧/缺氧序批式生物反應器中N2O排放的影響，結果發現，在生物脫氮過程中，向液相中添加金黴素(CTC)能夠使傳質通道發生改變，當添加0.1 mg/L的CTC後，該反應器中的N2O排放因子提高41.4%。Wang等開發了一種生物反應器高效去除揮發性有機物去除方法，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

深度研究傳質影響機製。現有研究表明，生物反應器的氣液傳質影響機製還存在一些模糊的方麵，如鮮有表麵張力與體積傳質係數的關聯式等方麵研究成果。通過對表麵張力以及其他因素(如微生物活動、液體表麵張力和係統壓力等)的傳質影響機製進一步研究將有助於更好地控製操作條件和設計生物反應器結構。