在微生物发酵制备产品、生物湿法冶金和生物处理污水等通气发酵过程中，微生物需要吸收充足的气体以满足其生长代谢需要。青岛能源所绿色反应分离与过程强化技术中心开发出十多种高效的微气泡技术（气泡直径10~1000 μm），凭借其气液接触面积大、内压高、停留时间长和分布均匀等优势，可有效提高气液传质效率和气体利用率。针对结垢情况、是否可清洗、微生物的耐剪切性、含固量的高低及温度限制等不同应用场景，研究团队利用所开发的多种微气泡发酵技术与应用体系相适配的曝气控制策略（包括界面调控等），在微生物发酵应用方面取得了一系列突破性进展。

针对非结垢或结垢较弱的微生物发酵体系，目前最高效的微气泡技术为可自动开关的微孔膜纯曝气分布器，该技术适用于固体累积量较少（一般<10 g/L）的微生物发酵过程，不易堵塞曝气孔，在生物法处理含污废水的应用中表现突出。研究团队开发的生物膜强化A2O污水处理一体化技术（图1），通过高效低能耗的曝气技术、科学的控制和化学清垢策略，可将污水处理成本降低至0.1元/吨，特别适合农村和城镇污水、养殖污水、垃圾渗滤液及船舶污水等点源式污水处理。

图1 点源式污水一体化处理示范系统

然而，在易结垢的微生物发酵体系中（如生物湿法冶金），培养基结垢、固体底物粘附和细胞死亡碎片等易导致曝气孔堵塞，影响系统正常运行。为解决此难题，工程上通常设计非常大的曝气孔（≥50 mm）并采用直接曝气的方式，但会导致生成的气泡过大、溶氧浓度和发酵水平较低，曝气能耗高等问题。依靠流体强剪切产生微气泡的技术，通常需要较高的流速，其与曝气孔壁面的摩擦能够防止因基质溶出等原因导致的结垢堵塞。然而，由于流体强剪切，产生的Kolmogorov能量耗散涡尺度较小，对大于该尺度的微生物细胞会造成损伤，不适于较大微生物的生长代谢。因此亟需开发可防堵塞、Kolmogorov尺度较大的微气泡技术，以提高此类生物发酵过程的曝气效率并保证其长周期运行。

为此，研究团队开发了可抗堵塞、低剪切的旋流式微气泡技术，并将其与节能、高效、剪切力小、特别适合微生物发酵的气升式环流反应器（ALR）耦合集成。在以秸秆为底物中试发酵（50 L）生产酵母单细胞蛋白的实验中，该技术生成的微气泡平均直径350~670 μm（最小直径小于150 μm），采用适当的出口流速，有效解决了微气泡发生器常见的堵塞问题；在正常生产条件下（单个微气泡发生器浆液流量0.8 m³/h，曝气量0.2 vvm），其最大流速仅4.4 m/s，在最强剪切区域产生的Kolmogorov尺度可达20 μm，大于本研究大部分产朊假丝酵母尺度（直径约2~6 μm，长度约5~30 μm）且远大于其他剪切式微气泡技术，有效降低了对微生物细胞施加的剪切力，为易结垢的工业微生物发酵提供了新的技术解决方案，具有广阔的工业应用前景。

研究团队还对耦合微气泡技术的过程强化生物反应器的流体力学、传质及微生物发酵性能进行了深入探究。研究结果表明，与直接曝气的传统反应器相比，采用该微气泡技术，其传质系数可增加11.5倍；在微生物发酵中后期优势突出，能更高效地利用碳源，产朊假丝酵母活菌数可提高40.8%，实现了更高生物量的积累。微气泡生物发酵技术结合本团队开发的细胞无损伤灌流技术（一种欧美对中国禁运的连续流培养技术），在微生物发酵方面取得的突破性研究进展，可为我国高端生物发酵装备的快速发展提供有力支撑，助推生物发酵和合成生物学技术的跨越式发展。

图2 微气泡技术在秸秆发酵制备酵母单细胞蛋白中的中试应用验证

上述工作发表在Bioresource Technology上，青岛能源所绿色反应分离与过程强化技术中心博士研究生卜一凡为论文第一作者，黄青山研究员和陈阿强副研究员为论文共同通讯作者，该项工作得到国家自然科学基金和山东省自然科学基金等支持。（文/图 肖航）

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2025.132251

Yifan Bu, Hang Xiao, Haidong Zhang, Aqiang Chen, Qingshan Huang. A pilot airlift reactor integrated a low-shear swirl microbubble generator for yeast production using straw as substrate. Bioresource Technology, 2025: 132251.