南京工业大学研究团队：新型矩形动态膜气升式生物反应器的传质、气含率及分批和连续发酵动力学模型丨Engineering

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（ k _L a ）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 k _L a 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 k _L a ，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 k _L a 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）。

关键词：气升式反应器；动态膜；动力学模型；分批发酵；连续发酵

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.