气升式生物反应器是利用空气的射流作用和流体密度的差异使反应液产生循环，从而达到液体的搅拌、混合和氧传递。即不用机械搅拌，完全依靠气体使液体产生循环和产生湍流，从而达到气液混合和传递的目的。
与传统搅拌釜式反应器相比，气升式生物反应器在气液传质过程中具有更优的性能和效果，优势明显，在SCP、丝状真菌生产、废水处理等领域得到广泛应用。
气升式生物反应器结构相对简单，不需要搅拌，清洗维护方便，不易污染，能耗低，溶氧效率高，运行及建设成本较低。
气升式生物反应器的类型很多，最常见的有气升式循环型、鼓泡型、空气喷射型等。目前在生物工业中得到广泛应用的气升式生物反应器有气升式内循环发酵罐、气液双喷射气升式循环发酵罐、多层分布板塔式气升式生物反应器等。鼓泡罐是最原始的曝气发酵罐。当然，鼓泡反应器中没有导流管，因此液体的主要方向流动不受控制。
气升式生物反应器相较于搅拌槽式反应器有几个显著的优势，首先，气升式生物反应器可以提供更大的气液接触面积，提高气液传质效率，有利于充分满足细胞对氧气的需求；其次，气升式生物反应器内气泡运动产生的液流促进了细胞的混合，减少了局部液体环境的差异。
这对于细胞的均匀生长和产物的均匀分布十分重要，另外气升式生物反应器减少了细胞所受的剪切力和机械应力，有利于细胞的生长和生物反应的稳定性。
然而，气升式生物反应器也存在一些挑战与局限性。首先，其结构相对复杂，涉及气体分布、压力控制等关键技术。其次，气升式发酵罐中气泡尺寸的选择对气液传质效率和细胞生长状况有重要影响，需要系统优化。此外，气升式发酵罐在具体操作中还需要考虑悬浮细胞密度、气体进气量、搅拌速度等参数的影响。
尽管气升式生物反应器还存在一些技术挑战，但它仍然是一种广泛应用的悬浮细胞培养生物反应器。气升式反应器通过优化气液传质过程来提高细胞生长和生物反应效率，为生物制药、生物燃料和其他生物过程的发展提供强有力的支持。在未来的研究中，我们可以进一步改进气升式生物反应器的设计和操作，以满足不同类型细胞的培养需求，并促进其在工业生产中的广泛应用。
结构 气升式生物反应器 （ALR）
气升式生物反应器是在罐外安装升管形成的循环系统，其两端分别与罐的底部和顶部相连。由于气升式发酵罐没有搅拌装置，因此更容易长时间维持无菌状态。
气升式生物反应器通过上升液与下降液的静压差实现气体循环，保证良好的传质效果，同时使得剪切力分布更加均匀，在更短的混合时间内促使培养基和细胞发生周期性运动。
目前内循环气升式发酵罐已广泛应用于生物工程领域的有氧发酵，如动植物细胞培养、单细胞蛋白培养、某些微生物细胞培养、污水处理等，所生产的产品包括单细胞蛋白、酒精、抗生素、生物表面活性剂等。
我国已大量利用生物反应器生产生物制剂，其中大部分采用气升式细胞培养生物反应器。气升式细胞培养生物反应器是气升式生物反应器的简称。
气升式生物反应器根据所采用的液体循环方式不同，可分为内循环气升式生物反应器和外循环气升式发酵罐。内循环气升式生物反应器是在同一发酵罐内部的循环过程中设置上升管和下降管；外循环气升式生物反应器是分别设置上升管和下降管。
气升式生物反应器主要采用内循环，但也有采用外循环的。内循环气升式生物反应器内部有四个组成部分：
（1）提升流体在气升式发酵罐的中心，导流管内部。若在导流管底部注入空气，由于管内外流体的静压差，气液混合流体沿管内上升，在气升式生物反应器上部分离出部分气体，再沿下降管下降，形成循环流。若在下降管底部注入空气，流体循环方向则刚好相反。
（2）下降管区：导流管与反应器壁之间的环形间隙。流体沿下降管区上升或下降，取决于注入空气的位置。
（3）底部：提升区与降液区下部相连的区域，对气升式生物反应器特性影响较小。
（4）顶部提升区与下降管区上部连接的区域。顶部可安装气液分离器，以除去废气中夹带的液体。
此外该装置还配备有环形管气体喷射器等。
气升式生物反应器在生物技术领域的应用主要是发酵、废水处理和生物细胞培养等，由于发酵液和生物细胞培养液粘度较大，为了提高传质速率，常采用机械搅拌罐。
事实上，只要在培养基中添加适当的聚合物，采用气升式生物反应器不仅能够强化传质、提高产量，而且还能降低能耗。
除了以上提到的优点和挑战之外，气升式生物反应器还有一些其他的特点和注意事项值得补充。
（1）控制气泡大小及产生速率： 气泡的大小和产生速率对气液传质和细胞生长有重要影响，气泡越大，细胞受到的剪切力越大，气泡越小，气液传质不充分。因此，在气升式生物反应器中，需要合理控制气泡的大小和产生速率，以平衡传质效果和细胞受到的剪切力。
（2）控制泡点高度： 泡点高度是指气液混合簇射层中气泡上升的终点。泡点高度的控制对气液传质和细胞生长有重要影响。泡点高度过高，细胞不能充分接触气泡，传质效果差；泡点高度过低，细胞所受剪切力增大。因此，在实际操作中，需要根据具体的细胞类型和培养要求合理控制气升式生物反应器的泡点高度。
（3）减少液位波动： 在气升式生物反应器中，气泡上升过程中液面会发生波动，过大的波动可能造成气液界面处细胞脱落、损伤，因此需要采取相应措施减小液面波动，例如通过增加反应器高度、调节气流速度、采用反馈控制系统等措施减小液面波动。
（4）优化反应器结构： 针对气升式生物反应器的特点和需求，研究人员不断优化反应器结构设计，如设计气升式生物反应器内部结构和形状，以促进液流均匀分布和气泡向上运动，提高气液传质效率和混合效果。同时，还可以通过流体力学模拟、实验等手段对气升式生物反应器的运行进行优化调整。
（5）多级气升式生物反应器： 为了进一步提高反应器的传质效率和细胞生长，有时也采用多级气升式生物反应器的组合。多级气升式生物反应器通常由多个气升式反应器串联组成，每个反应器负责特定的培养阶段。这样可以达到更高的细胞密度和产品产量。
气升式生物反应器在生物工程领域有着广泛的应用，特别是在生物制药、生物燃料和废水处理等领域。下面就气升式生物反应器在这些领域的一些具体应用进行补充：
（1）生物制药： 气升式生物反应器广泛应用于生物制药领域的细胞培养和重组蛋白生产。其中重组蛋白的生产对细胞密度和产品质量要求较高。气升式生物反应器可以提供良好的气液传质和细胞混合效果，在提高产量的同时保持良好的细胞生长。
（2）生物燃料： 气升式生物反应器可用于藻类生物质能源生产。藻类生长速度快，含油量高，通过光合作用，二氧化碳可转化为脂肪酸。气升式反应器的培养和处理可实现藻类的高效生长和油脂的提取，可用于生产生物柴油或沼气等。
（3）废水处理： 气升式生物反应器可用于废水处理工艺中的生物处理单元，处理含有有机物、氮、磷等污染物的废水。气升式生物反应器提供更大的气液接触界面，促进废水中微生物的代谢和生化反应，通过微生物对污染物的降解和转化，达到废水净化和资源化利用的目的。
（4）生物陶瓷： 气升式生物反应器也用于生物陶瓷的制备。生物陶瓷是利用生物体的活性和材料合成能力，通过生物干预制备的一类具有特定性能和结构的陶瓷材料。通过适当调节反应器内的气氛和培养条件，可以控制细菌的代谢途径，促进陶瓷材料的生物合成和沉积。
气升式生物反应器提供了良好的气液传质条件和混合效果，有利于细菌在培养过程中合成和沉积陶瓷材料，从而获得具有良好性能和结构的生物陶瓷。
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