好氧發酵的“供氧密碼”：阻力如何決定工業系統的設計邏輯？

氧傳遞阻力是氧分子從氣相到細胞內反應位點所必須穿越的一系列多相界面擴散障礙，其中氣液界面（特別是液膜）的擴散限制是工業發酵中需要著力攻克的核心瓶頸。

       在好氧發酵中，給微生物通氣供氧過程是氣相中的氧分子首先溶解在發酵液中，然后再傳遞到細胞內的呼吸酶位置而被利用。這一系列的氧傳遞過程，又可分為供氧與需氧兩個方面。

       供氧是指空氣中的氧氣從空氣泡里通過氣膜、氣 - 液界面和液膜擴散到液體主流中。

       需氧是指溶解于液體主流中的氧分子自液體主流通過液膜、液 - 固界面、菌絲叢或細胞團，再由單個細胞膜擴散到細胞內需氧反應的位置。可見，氧在傳遞過程中必須克服一系列的阻力，才能到達反應部位，被微生物細胞所利用。這些阻力主要包括如下幾種（如圖）。

氧從氣泡到細胞的傳遞過程示意圖

（1）氣膜傳遞阻力 1/kLc

      指氣體主流及氣 - 液界面以內的氣膜傳遞阻力，與通氣狀況有關，通常相對較小。氣膜傳遞阻力的影響因素主要有像通氣速率、氣泡大小、氣流分布等。通氣越充分、氣泡越小、氣流越湍動，氣膜越薄，阻力越小。

       工業上常通過提高通氣速率；使用高效氣體分布裝置；通過攪拌使氣泡更小、更分散，增強氣液接觸。來降低氣膜阻力。

（2）氣 - 液界面傳遞阻力 1/kI

       只有具備高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的則返回氣相。其不是物理膜，而是分子能量壁壘。只有動能足夠高的氧分子才能“擠”進液相。它與物質本身性質有關，工程上難以直接干預。

（3）液膜傳遞阻力 1/kL

     指從氣 - 液界面至液體主流間的液膜阻力，與發酵液成分及其濃度有關。是緊貼氣-液界面的一層液體薄膜產生的阻力，是供氧過程中最關鍵、最主要的阻力之一。

     其特點是受發酵液成分（粘度、表面活性劑）影響很大。強化攪拌是降低此阻力的核心手段，它能打碎氣泡、減小液膜厚度。

（4）液相主體傳遞阻力 1/kLB 

       該阻力也與發酵液成分及其濃度有關，一般認為，在有適當攪拌存在的情況下，液體主流中溶解氧濃度分布均勻、保持不變，表明溶解氧在液體主體中擴散很快，因而該阻力很小。在正常工業發酵過程中常可忽略。 

（5）細胞或細胞團表面的液膜阻力 1/kLC

       指從液相至液 - 固界面間的液膜阻力，該阻力也主要與發酵液成分及其濃度有關。包圍在細胞或細胞團外圍的一層液體邊界層。也與發酵液粘度和細胞表面特性有關。提高攪拌速率可以減薄此層，促進傳遞。 

（6）液 - 固界面傳遞阻力 1/ks

       液 - 固界面的固相是指細胞團表面，該阻力與發酵液的特性以及微生物的生理特性有關。 

（7）細胞團內的傳遞阻力 1/kA

       氧氣在菌絲團或細胞聚集體內部擴散的阻力。對細菌、酵母等單細胞不存在；對絲狀菌（如霉菌、放線菌） 是主要限制之一。該阻力與微生物的種類及其細胞生理特性有關，屬于單細胞的細菌和酵母不存在這種阻力，對于菌絲來講，這種阻力最為突出。 

       菌絲團越大、越密實，內部細胞越容易缺氧。通過優化菌種（選擇疏松菌絲形態）和培養條件來緩解。

（8）細胞膜和細胞壁的阻力 1/kw

       氧氣穿過細胞外結構（壁、膜）進入細胞質的阻力。該阻力與微生物的生理特性有關，通常較小。

（9）細胞內反應阻力 1/kR

       是指氧分子參與細胞內呼吸酶系反應時所遇到的阻力，與微生物的種類及生理特性有關。本質是酶反應動力學限制，取決于微生物的代謝活性和酶濃度。

       從氧的溶解和利用過程可知，供氧方面的主要阻力來自氣膜和液膜阻力，所以，工業上常將通入培養液的空氣分散成細小的泡沫，盡可能增大氣液兩相的接觸界面和接觸時間，以促進氧的溶解；同時，通過攪拌等措施盡可能減小液膜厚度來降低供氧方面的阻力。

      微生物耗氧方面的阻力主要來自細胞團內與細胞膜的阻力，采用攪拌也可以減少逆向擴散的梯度，因此，也可以降低這方面的耗氧阻力。發酵工業實踐過程中，更多的是考慮如何最大限度降低供氧阻力，從而提高供氧能力。

       這些阻力從設備設計、工藝調控到菌種選擇等維度，深度塑造了工業發酵系統的構建邏輯：供氧側的液膜阻力是核心瓶頸，直接推動了發酵罐的高效化配置——比如配備強剪切攪拌槳以破碎氣泡、減小液膜厚度，搭配高徑比優化的罐體與高效空氣分布器，來最大化氣液接觸面積；氣膜阻力則要求系統設計精準的通氣策略，通過控制空氣流量、采用小孔徑分布器生成微氣泡來降低阻礙。

      而耗氧側的細胞團內阻力對絲狀菌發酵影響突出，既需要在菌種選育時優先選擇分散性好的菌株，也需要配套工藝調控手段，比如通過攪拌剪切強度、補料節奏來控制菌絲長度與結團程度；發酵液的粘度變化等性質還會影響多環節阻力，因此系統需配備流加裝置、消泡劑添加模塊，同時采用耐高粘度的攪拌設計，確保全程溶氧穩定。

        工業好氧發酵系統的構建，是圍繞“高效攻破氧傳遞阻力”搭建的工程平臺：供氧側依賴攪拌與通氣系統的強化組合，從硬件層面直接削弱液膜、氣膜的阻礙；耗氧側則通過菌種特性與工藝參數的協同適配，軟性緩解細胞團、發酵液性質帶來的限制。

       對氧傳遞途徑與多層阻力的認知，是串聯起發酵罐結構設計、核心設備選型、動態工藝調控（如溶氧聯動攪拌/通氣）的根本理論錨點——這些環節的協同優化，不僅決定了發酵過程中溶氧的供應效率，更直接關聯著生產能耗成本的控制、菌體生長的穩定性，最終影響產物的產量與生產的經濟效益。