气升式内环流生物反应器是一种基于气体驱动流体循环、无需机械搅拌的高效生物反应器系统。它在传统的鼓泡塔基础上增设导流筒，利用气液密度差形成有组织的循环流动，从而在低剪切力条件下实现良好的混合与传质性能。与机械搅拌式发酵罐相比，该系统可节约能耗约百分之三十，设备制造成本降低约百分之三十，适用于剪切力敏感的微生物、植物细胞及动物细胞培养等场景。
一、设备组成
主要包括罐体、导流筒、气体分布器、控温装置、传感器系统及自动化控制系统。罐体多采用不锈钢材质，配有夹套用于温度控制。导流筒为同心圆筒结构，通过上下固定条安装于罐体中心，将反应器内部空间划分为升液区与降液区，导流筒下端距气体分布器通常为十至三十厘米。气体分布器安装于导流筒底部，用于将无菌空气以微小气泡形式喷入升液区。此外，系统还配备温度探头、pH电极、溶解氧电极等在线监测传感器，以及供气系统、进料系统、排气排液系统等辅助设施。
二、工作原理
基于气液两相密度差驱动的自然循环。无菌空气经气体分布器高速喷入导流筒内，使导流筒内形成气液混合物，密度显著降低；而导流筒外部区域气含率较低、密度较大。在静压差与气体动量的共同作用下，导流筒内液体携带气泡向上运动，到达液面后部分气体逸出，脱气后的液体从导流筒顶部向外溢流，沿导流筒外环隙下降，最终重新进入导流筒底部，形成连续的内循环流动。这一循环过程既实现了气液充分接触以传递溶解氧，又保证了发酵液的均匀混合。
三、设计方法
需综合考量流体力学与传质性能的优化。核心结构参数包括罐体高径比、升液区与降液区截面积之比、导流筒高度及底隙高度等。以微藻培养为例，研究表明最适设计参数为表观气速零点三vvm、降流区与升流区面积比三比一、高径比六比一。近年来，计算流体力学技术在气升式内环流反应器的结构优化中得到了广泛应用，可对速度场、浓度场等进行精确模拟，为反应器的设计放大提供理论依据。
四、操作流程
涵盖灭菌、接种、培养与收料四个阶段。首先对罐体及管路进行空消，再加入培养基进行实消，均在约一百二十一摄氏度下保持二十至三十分钟。灭菌结束后通入无菌空气保压降温，待罐温降至适宜范围后校正pH和溶氧电极，在火焰保护下接入种子液。培养过程中通过调节通气量控制溶氧水平，通过夹套控温系统维持设定温度，并按需进行补料操作。发酵结束后放料，对系统进行彻底清洗以备下次使用。
五、维护保养
核心在于保持气体分布器的通畅性及传感器的精度。每次使用后应立即用清水冲洗罐体内部及导流筒表面，防止物料残留干结；气体分布器的小孔需定期检查，防止因菌体附着或盐类结晶造成堵塞。pH电极与溶氧电极须按规定进行定期校准和保养，溶氧电极的电解液应及时补充或更换。夹套循环管路、阀门及密封件应定期检查，防止泄漏。长期停用时需将罐体内部排空并保持干燥，以避免微生物滋生和腐蚀。
