微生物发酵中，通入发酵罐内的空气中含有的氧不断溶解于培养液中，以供菌体细胞代谢之需。氧从气相传递到液相，是气一液相间氧的传递过程，在这一传递过程中，气液界面的阻力1/KI可以忽略，液体主流中的传递阻力1/KLB很小也可忽略，此时主要的传递阻力存在于气膜和液膜中。对于这种传递过程的描述，应用最广的是双膜理论。
这个理论假定在气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜，气膜内的气体分子与液膜中的液体分子都处于层流状态，分子之间无对流运动，因此氧分子只能以扩散方式，即借助于浓度差而透过双膜，另外，气泡内除气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气流主体，在空气主流空间的任一点氧分子的浓度相同，液流主体亦如此。
（一）影响氧传质推动力的因素
要想增加氧传递的推动力(C*一CL)，就必须设法提高C*或降低CL。
1、提高饱和溶氧浓度C*的方法
A、温度：降低温度
B、溶液的性质：一般来说，发酵液中溶质含量越高，氧的溶解度越小。
C、氧分压：在系统总压力小于0.5MPa时，氧在溶液中的溶解度只与氧的分压成直线关系。气相中氧浓度增加，溶液中氧浓度也增加。
想提高C*就得降低培养温度或降低培养基中营养物质的含量，或提高发酵罐内的氧分压(即提高罐压)。这几种方法的实施均有较大的局限性。已知发酵培养基的组成和培养浓度是依据生产菌种的生理特性和生物合成代谢产物的需要而确定的，不可任意改动。但有时分批发酵的中后期，由于发酵液粘度太大，补入部分灭菌水来降低发酵液的表观粘度，改善通气效果。采用提高氧分压的方法，一是提高发酵罐压力，二是向发酵液通入纯氧气。提高罐压会减小气泡体积，减少了气—液接触面积，影响氧的传递速率，降低氧的溶解度。影响菌体的呼吸强度，同时增加设备负担。通人纯氧能显著提高CL，但此利方法既不经济又不安全，同时易出现微生物的氧中毒现象。
（2）、降低发酵液中的CL
降低发酵液中的CL，可采取减少通气量或降低搅拌转速等方式来降低KLa，使发酵液中的CL降低。但是，发酵过程中发酵液中的CL不能低于C临界，否则就会影响微生物的呼吸。目前发酵所采用的设备，其供氧能力已成为限制许多产物合成的主要因素之一，故此种方法亦不理想。
（二）、影响液相体积氧传递系数KLa的因素
经过长时间的研究和生产实践证实，影响发酵设备的KLa的主要因素有搅拌效率、空气流速、发酵液的物理化学性质、泡沫状态、空气分布器形状和发酵罐的结构等。实验测出的KLa与搅拌效率、通气速度、发酵液理化性质等的关系可用下述的经验式表示：
KLa=K〔 (P／V)α 〕．(VS)β(ηapp)-ω)
式中 P／V——单位体积发酵液实际消耗的功率(指通气情况下，kW／m3)；
VS——空气直线速度，m／h；
ηapp——发酵液表观粘度，(kg·s)／m’；
α、β、ω——指数，与搅拌器和空气分布器的形式等有关。
K——经验常数。
1、搅拌效率对KLa的影响
发酵罐内装配搅拌器的作用有：①使发酵罐内的温度和营养物质浓度均一，使组成发酵液的三相系统充分混合；②把引入发酵液中的空气分散成小气泡，增加了气—液接触面积，提高KLa值；⑧强化发酵液的湍流程度，降低气泡周围的液膜厚度和湍流中的流体的阻力，从而提高氧的转移速率；④减少菌丝结团，降低细胞壁周围的液膜阻力，有利于菌体对氧的吸收，同时可尽快排除细胞代谢产生的“废气”和“废物”，有利于细胞的代谢活动。应提出的是如果搅拌速度快，由于剪切速度增大，茵丝体会受到损伤，影响菌丝体的正常代谢，同时浪费能源。
2、空气流速
KLa随空气流速的增加而增加，指数β约为0.4～0.72，随搅拌器形式而异。但当空气流速过大时，搅拌器就出现“气泛”现象，KLa不再增加。“气泛”现象指的是在特定条件下，通人发酵罐内的空气流速达某一值时，使搅拌功率下降，
当空气流速再增加时，搅拌功率不再下降，此时的空气流速称为“气泛点”(Floodingpoint)。带搅拌器的发酵罐的气泛点，主要与搅拌叶的形式、搅拌器的直径和转速、空气线速度等相关。
对一定设备而言，空气流速与空气流量之间呈正相关性。空气流量的改变必然引起空气流速的变化。已知空气流速的变化会引起体积氧传递系数KLa的改变，当空气流速达气泛点时，KLa不再增加。这样，空气流量的变化也会改变KLa，当空气流量达某一值时，KLa也不再增加，如图7-5所示。所以，在发酵过程中应控制空气流速(或流量)，使搅拌轴附近的液面处没有大气泡逸出。
搅拌功率和空气流速对KLa的影响，实验测出搅拌功率对抗生素产率的影响远大于空气流速。高搅拌转速，不仅使通人罐内的空气得以充分的分散，增加气—液接触面积，而且还可以延长空气在罐内的停留时间。空流速过大，不利于空气在罐内的分散与停留，同时导致发酵液浓缩，影响氧的传递。但空气流速过低，因代谢产生的废气不能及时排除等原因，也会影响氧的传递。因此，要提高发酵罐的供氧能力，采用提高搅拌功率，适当降低空气流速，是一种有效的方法。
3、发酵液理化性质的影响
KLa与发酵液的表观粘度ηapp呈反比。说明发酵液的流变学性质是影响KLa的主要因素之一。发酵液是由营养物质、生长的菌体细胞和代谢产物组成的。由于微生物的生长和多种代谢作用使发酵液的组成不断地发生变化，营养物质的消耗、菌体浓度、菌丝形态和某些代谢产物的合成都能引起发酵液粘度的变化，致使发酵过程中的发酵液呈现多种流变学性质。
以淀粉作碳源的培养基属于非牛顿型流体，在发酵过程中，随着微生物的生长和代谢作用，其流变学性质不断变化。如生产金霉素时，以淀粉作碳源，接种时，培养基呈平汉塑性流体性质，发酵至22小时，由于微生物的代谢作用，发酵液粘度降至很低(低于18Pa·s)，呈现牛顿型流体性质。22小时起由于菌丝体浓度不断增加，则发酵液粘度逐渐增大，直至粘度达90Pa·s、表现为涨塑性流体的性质。
发酵过程中菌体浓度和形态在氧的传递速率方面显示一定影响。许多细菌和酵母菌发酵时，发酵液粘度低，呈现牛顿型流体性质，对氧的转移没有什么影响。霉菌和放线菌发酵液多数时间属于非牛顿型流体，粘度较大，对氧的转移有较大影响。在单细胞和丝状菌发酵中，对数生长期两者的氧吸收速率是相同的，但在溶解氧浓度受到限制的条件下，达到平衡期，单细胞发酵液的氧吸收速率无变化，而丝状菌发酵液的氧吸收速率却显著下降，其原因是丝状菌发酵液的菌体浓度增加，使发酵液粘度不断增大，致使KLa值降低，进而导致菌体的氧吸收速率下降。在青霉素发酵中，由于菌丝体浓度的不断增加，使发酵液粘度不断增大，KLa却随之下降。
在沉没培养过程中，由于搅拌的作用，有的菌体(尤其是霉菌)形成不连续的球状体，有的形成交替的丝状体。一般说，球状体发酵液粘度低，呈现牛顿型流体性质，而丝状体会大大增加发酵液的粘度，呈现非牛顿型流体性质。搅拌强度影响菌体形态，高剪切速率可减少菌丝团的形成，如青霉素发酵中，高搅拌速度易使菌体产生分枝菌丝，低搅拌速度易使菌体形成菌丝团或长成长菌丝。
一般说，微生物生物合成的代谢产物对发酵液的流变学性质的影响相对说是较小的。
4、泡沫的影响
在发酵过程中，由于通气和搅拌而引起发酵液出现泡沫。如果在较稠厚的发酵液中形成流态性泡沫时，是难以消除的，其中的气体就很难得到及时的更新，直接影响微生物的呼吸。如果搅拌叶轮处于泡沫的包围之中，就会影咆气液体的充分混合，降低氧的传递速率。用消沫剂可以消除泡沫，改善气液体混合效果，提高氧的传递速率。但过多的消沫剂会聚集于细胞表面上，阻碍菌体对氧和营养物质的吸收。因此，消沫剂的用量应控制。
5、空气分布器形式和发酵罐结构的影响
在需氧发酵中，除用搅拌将空气分散成小气泡外，还可用鼓泡器来分散空气，提高通气效率。研究指出，大型环状鼓泡器的直径大于搅拌器直径时，大量的空气未经搅拌器的分散而沿罐壁逸出液面，其空气分散效果很差。所以环型鼓泡器的直径一定要小于搅拌器的直径。关于多孔环状鼓泡器和单孔式鼓泡器的通气效果，有的试验表明，当空气流量达到一定值时，单孔式鼓泡器的效果不比多孔环状鼓泡器的效果差。因为在装配有搅拌器的发酵罐中，空气的分散主要依靠搅拌的作用。所以当空气流量增大时，单孔式鼓泡器能增强发酵液的湍流程度。当前的生产实践，发酵罐内空气分布器绝大多数采用多孔环型鼓泡器5。
为了弥补一般空气搅拌罐的通气效率的不足，有人在设备上做些相应的改进，当增加发酵罐的高度，以求增加气—液接触时间，提高氧的溶解度。
