生物反应器(bioreactor)是利用酶或生物体(如微生物)的生理功能将原料转化成产物的装置，能够为生物体提供必需的繁殖和代谢环境。生物反应器是生物过程工程的核心设备，具有广阔的应用前景。生物反应器根据结构可分为管式、塔式、釜式、固定床和流化床等，根据含氧情况分为厌氧型、准好氧型和好氧型；根据物料可分为单相和多相。其中，根据物料的单相和多相可进一步分为气相、液相、液-液、气-液、气-固、液-固和气-液-固三相。大多数微生物的生长和代谢都依赖于O2，因此，生物反应器的生物转化过程普遍属于多相反应过程。

目前，生物反应器正朝着高效、节能和绿色化的方向发展，但多相体系中的转化过程极其复杂，普遍存在非均匀性、非线性和非平衡性，导致工业型生物反应器内的流动、传质和混合效应与实验室反应器内的相差较大。因此，生物反应器的研究要解决反应器的设计、放大和过程强化等问题。在生物反应器中，由于存在气液传质限制，微生物的生长代谢受到抑制，导致生物转化过程受到严重影响。如，Lebrero等发现，微生物的代谢率受传质效果影响很大，当传质被限制时，微生物代谢变慢，导致产生许多不利反应。Zhang等在培养微藻时发现，较高的传质系数可使微藻的生物量显著提升。因此，研究生物反应器中的气液传质机制并强化其传质效应一直是研究热点，更是生物反应器放大的关键所在。

基于此，本文综述生物反应器中基于溶质渗透模型的传质机制及常用的体积传质系数(kLa)测量方法，剖析表面张力带来的影响，以期为相关研究人员梳理传质强化研究进展提供研究思路。

表面张力(σ)的影响

表面张力是使液体表面收缩的一种力，是表层分子之间相互吸引所产生的。在气液界面上，表面张力是液体分子相互吸引所产生的净吸引力的总和，空气分子对液体的吸引可以忽略，即气液体系的表面张力可以表示为恒温恒压下，增加单位液体表面积所引起的吉布斯自由能的变化。表面张力由物质本性、温度和气相压力共同决定，主要通过影响气泡的行为(直径、聚并和破碎等)影响着气液两相之间的传质。

表面张力强化气液传质

流体的物理化学性质(如密度、黏度和表面张力)，对气液传质有着很大影响。表面张力在强化传质方面的可操作性比密度与黏度强，因此，可以通过添加非水相降低表面张力，从而突破生物反应器的传质限制。Kraakman等开展了利用非水相(有机溶剂或抗生素)来强化生物反应器传质的研究，基于强化气液传质的基本原理，证实了非水相强化传质的可行性。Chen等研究了金霉素(CTC)对厌氧/好氧/缺氧序批式生物反应器中N2O排放的影响，结果发现，在生物脱氮过程中，向液相中添加金霉素(CTC)能够使传质通道发生改变，当添加0.1 mg/L的CTC后，该反应器中的N2O排放因子提高41.4%。Wang等开发了一种生物反应器高效去除挥发性有机物去除方法，通过添加鼠李糖脂(rhamnolipids,RLs)、镧(lanthanum,La3+)或钕(neodymium,Nd3+)，来改善生物反应器的传质特征和微生物的活性，以此去除间二氯苯。

结论与展望

深度研究传质影响机制。现有研究表明，生物反应器的气液传质影响机制还存在一些模糊的方面，如鲜有表面张力与体积传质系数的关联式等方面研究成果。通过对表面张力以及其他因素(如微生物活动、液体表面张力和系统压力等)的传质影响机制进一步研究将有助于更好地控制操作条件和设计生物反应器结构。