近年来，青岛能源所绿色反应分离与过程强化技术中心提出的高效节能生物发酵技术，不仅获得了国家工业和信息化部2025年未来产业创新任务揭榜挂帅项目-高性能生物反应器创新任务支持，而且在多家单位完成了技术应用验证，如辽宁某企业700m³黄金生物浸出反应器的升级改造、福建某企业3m³工业尾气发酵产工业蛋白示范、济南某集团500 L中试纤维素酶发酵、北京某企业在西安研发中心5 L小试甲烷发酵产蛋白及威远百吨级示范线一次发酵罐等装置的系列升级改造、中石化某研究院长链二元酸的小试发酵、中国科学院某研究所10 L甲醇合成人工淀粉的C3和C6中间体发酵、青岛能源所点源式污水一体化处理示范等（如图1）。系列应用结果表明，研究团队开发的高效节能生物发酵技术，发酵产率可提高15%以上，综合发酵能耗可降低50%以上。

图1 高效节能生物发酵技术的应用示例：（a-b）升级改造的700m³黄金生物浸出反应器及气体分布器；（c）小试黄金生物浸出热模实验；（d-e）3m³工业尾气蛋白发酵；（f-g）甲烷发酵产蛋白；（h-i）点源式污水生物膜处理示范

上述生物发酵过程原本采用传统的搅拌发酵技术，均选取大孔气体分布器进行曝气（曝气孔直径≥1 mm，尤其在黄金矿的生物浸出等易结垢易堵塞体系，其曝气孔直径甚至≥50 mm），生成的气泡直径往往是其曝气孔直径的3倍以上，甚至相差一个数量级，生成的大气泡在发酵罐内搅拌桨的强剪切作用下被破碎至3~10 mm。由于气泡直径较大，气泡上升速度较快，其在发酵液中的停留时间极短，再加上气泡沿轴向不断聚并，不仅导致较大气泡在液面上的快速破裂，进而引起浆液飞溅和细胞凋亡，还造成参与生物发酵反应的气体单程转化率较低。此外，强搅拌导致流体剪切力大，对剪切敏感的动物细胞（如杂交瘤细胞和CHO细胞等）、耐拉不耐扭的植物细胞（如烟草细胞、人参细胞和长春花细胞等）及少数微生物细胞（如丝状真菌和放线菌等）会造成较大甚至致命伤害。因此，尽量减小气泡尺寸，强化气液相间热质传递和混合，进而提高生物发酵产率、降低生产能耗，尤其是降低无效传质的曝气和无效搅拌的能耗，是提高生物发酵产业经济性亟待解决的瓶颈问题。

针对上述难题，研究团队率先提出了切实可行的工程化解决方案。首先，成功研制出系列适合生物发酵的微气泡技术，包括直接曝气的多孔膜以及低流体剪切的微气泡发生器（包括旋流式和文丘里式等），尤其是开发出多款商业化的多孔金属膜、多孔陶瓷膜和多孔有机膜等低压（≤50 kPa）曝气产品（如图2所示），可显著提高生物发酵反应器内的混合和传质，将曝气量降低至原来的1/2甚至1/8以下，实现显著节能减排。其次，鉴于传统发酵罐内搅拌桨“转得猛”导致“暴虎冯河，池鱼之祸”，而气升式反应器虽可“以柔克刚、借力打力”，凭借“混得巧”可显著节能和提高发酵产率，但其“柔心弱骨”导致混合弱，在产业上亦鲜见成功案例，研究团队提出在定向循环流动区域加限域微搅拌/强制节能循环，可提升浆液循环流量并大幅降低搅拌能耗和流体剪切对生物发酵的负面影响。最后，为提升传统发酵罐改造升级的工程实施可行性，尤其是大型反应器面临的传统导流内构件加工、安装和承重等问题，研究团队开发出了系列结构巧妙、轻量型、模块化的特殊导流内构件，可有效防止反应器内典型位置“死区”的形成并促进反应器内流体的定向流动循环。上述微气泡+限域微搅拌/强制节能循环组合技术，可提高细胞产率10%~30%、降低1/2以上生物发酵的曝气和搅拌能耗。

图2 多种用于生物发酵的商业化微气泡技术：（a-b）316L不锈钢曝气膜；（c）陶瓷多孔膜；（d）钛曝气膜；（e）有机膜曝气；（f）旋流式微气泡发生器（上）和文丘里式微气泡发生器（下）

此外，针对发酵过程中多孔膜分布器普遍存在的生成气泡较大（纳米级孔隙生成的气泡直径常常大于1 mm）、膜表面气泡分布不均、易聚并、易堵塞和易附着生物细胞等难题，研发团队针对性地对多孔膜分布器进行结构尺寸优化、表界面化学重构和微纳双尺度协同仿生等，大幅降低了多孔膜表面的气泡生成直径，有效抑制了发酵液因毛细管浸润导致的结垢堵塞，显著提升了曝气的均匀性并抑制了细胞附着（如图3所示），具有良好的规模化工业应用前景。

图3 新型多孔膜气体分布器的研制：(a)常规多孔膜透水引起硅胶变色；(b)新型多孔膜在发酵液中长时间浸泡无水浸入；（c）常规多孔膜用于碳酸氢钠反应结晶曝气不超过5 min即堵塞失效；（d）新型多孔膜长时间（≥26 h）用于碳酸氢钠反应结晶曝气未堵塞；（e）常规多孔膜易生物附着并导致堵塞；（f）新型多孔膜在高浓度单细胞蛋白发酵液（OD=760）中长时间（>7 d）发酵无细胞附着和堵塞

众所周知，连续生物发酵灌流技术不仅可更新培养基、及时满足生物细胞对营养物质的需求和防止反应物浓度过高导致细胞中毒等，还可移除发酵液中有害/有毒代谢产物，提供优良和稳定的生长环境，进而提高细胞密度和活率、延长细胞培养时间和提高目标产物产率等，被称为“微生物永动机”。但传统灌流技术难以避免隔膜泵对生物细胞的伤害问题，研究团队对此提出了细胞无损伤连续原位负压膜分离-自动返回灌流新技术，可大幅提高生物细胞产率（如图4所示）。

图4 连续灌流发酵技术：（a）培养方法对细胞的影响；（b-d）新型无剪切灌流及其在生物发酵中的应用

研究团队将围绕国家在高端生物发酵装备方面的迫切需求，针对一些典型发酵体系，继续发挥我们在传递过程强化和节能减排方面的技术优势，进一步提高生物发酵产业的经济性，引领行业向高端化、绿色化和智能化的快速升级。(文/图 肖航)