引言

相较于形成大气泡的传统圆柱形气升式生物反应器（CCAB），实验室开发了新型矩形动态膜气升式生物反应器（RDMAB），通过产生微小气泡增强体积氧传质系数（kLa）和气含率，进而改善生物反应过程。在本研究中，南京工业大学李辉研究团队比较了CCAB和RDMAB的传质、气含率，以及发酵合成RNA的分批和连续过程，并建立微生物生长、底物利用和核糖核酸（RNA）合成的非结构化动力学模型。在分批发酵过程中，RDMAB的生物量、RNA产量和底物利用率均高于CCAB，表明动态膜曝气微小气泡形成高的kLa，更利于好氧发酵。RDMAB的连续发酵起始时间比CCAB提前20 h，显著改善了生物过程。在连续发酵过程中，维持相同的溶解氧水平和恒定的稀释率，RDMAB的生物量和RNA浓度分别比CCAB高9.71%和11.15%。在保持相同通气量的情况下，连续发酵RDMAB的稀释率比CCAB高16.7%。总之，RDMAB更适合于连续发酵过程，开发气升式生物反应器的新型曝气和几何结构以提高kLa和气含率，对强化生物反应过程变得越来越重要。

气升式生物反应器因操作简单、能耗低、剪切力低和机械形状简单等独特的特点，常用于生物过程中生产各种化学品、酶和药物。据报道，内循环气升式生物反应器是一种比传统搅拌式生物反应器更适合于黏红酵母生长的发酵设备。传统气升式生物反应器采用多孔板、多孔管、孔口或静态膜作为曝气元件，产生普通大气泡，导致较低的体积氧传质系数（kLa）和气体利用效率，因此，需要高的通气量来满足微生物的需氧量。

在搅拌式和气升式生物反应器中，针对以甘油作为底物生产生物柴油的产油酵母菌株的生物量和脂质产量的研究表明，在不控制pH值的情况下，3.0 L气升式生物反应器可实现较高的生物量和脂质产量。然而，提高通气量仍然无法满足氧气需求，因此将纯氧气通入气升式生物反应器以维持发酵过程。部分研究人员开发了一种新型的用于产生微小气泡的动态膜，以提高生物反应器中的kLa和产品产量。因此，针对气升式生物反应器开发新的曝气结构，以减小气泡尺寸和提高kLa，这对于强化生物过程变得越来越重要。

核糖核酸（RNA）是生物体内基因表达过程中产生的一种非常重要的大分子，可水解产生单核苷酸。RNA及其水解核苷酸具有多种生理功能，如增强免疫功能、改善自我修复、抗衰老和抗病毒活性，常用于食品、饲料、农业、医药和轻工业领域。目前RNA的主要生产菌是子囊菌芽胞酵母、酿酒酵母和热带假丝酵母（Candida tropicalis）。近年来，发酵动力学模型是用于研究微生物生长、底物利用和产物合成的一种重要手段，一直是生物过程的研究重点。有研究报道，非结构化动力学模型可用于描述渗透汽化膜生物反应器连续闭环发酵过程中乙醇发酵的主要动力学，而且模型与实验数据吻合良好。采用微生物生长的Logistic-Monod 模型、产品合成的Luedeking-Piret模型和底物消耗的Luedeking-Piret修正模型，成功构建了50 L气升式生物反应器分批合成RNA的非结构化动力学模型。然而，针对高气-液传质系数的气升式生物反应器中的高耗氧发酵过程的发酵动力学模型的研究少有报道。

在本研究中，南京工业大学李辉研究团队以一株大量生产RNA的热带假丝酵母为出发菌株，以糖蜜和葡萄糖为碳源，建立非结构化动力学模型，对发酵过程进行分析。在分批和连续发酵生产RNA的过程中，对传统圆柱形气升式生物反应器（CCAB）和矩形动态膜气升式生物反应器（RDMAB）的kLa进行了比较。此研究为动态膜气升式生物反应器在工业发酵过程的应用提供了理论依据（图1）。

图1.（a）矩形动态膜气升式生物反应器示意图。（b）动态膜；（c）矩形盖；（d）传统圆柱式气升式生物反应器。（1——罐体；2——导流筒；3——蒸汽入口或冷却水出口；4——取样口；5——空气进口；6——连续发酵进口；7——连续发酵出口；8——下降区温度计、pH值测定计和溶氧（DO）测定仪；9——冷凝水或冷却水进口；10——动态膜叶片；11——接种口；12——尾气出口；13——进料口；14——上升区DO测定仪）。

研究结果表明，研究开发的一种新型RDMAB，通过产生微小气泡，提高了kLa和气含率，并改善了生物反应器中的生物反应过程。此外，本研究建立了热带假丝酵母菌生长、底物利用和RNA合成的非结构化动力学模型。在分批发酵过程中，RDMAB的生物量、RNA产量和底物利用率均高于CCAB所对应的值。研究发现RDMAB的连续发酵起始时间比CCAB的提前20 h，显著改善了生物过程。RDMAB的生物量积累比CCAB的高9.71%，RNA产量比CCAB的高11.15%。最后，RDMAB的稀释率比CCAB的高39.6%。综上所述，RDMAB在分批和连续发酵模式下均优于CCAB，表明改进CCAB的几何结构对生物过程具有重要意义，同时也为其他类型生物反应器的改进提供了参考。

原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.07.025

以上内容来自：Ganlu Li, Kequan Chen, Yanpeng Wei, Jinlei Zeng, Yue Yang, Feng He, Hui Li, Pingkai Ouyang. Mass Transfer, Gas Holdup, and Kinetic Models of Batch and Continuous Fermentation in a Novel Rectangular Dynamic Membrane Airlift Bioreactor [J]. Engineering, 2022, 13(6): 153-163.