（一）氧在溶液中的傳遞
1.氧傳遞的阻力
在需氧發酵過程中，氣態氧必須先溶解於培養液中，然後才可能傳至細胞表麵，再經過簡單的擴散作用進入細胞內，參與菌體內的氧化等生物化學反應。氧的這一係列傳遞過程需要克服供氧和需氧方麵的各種阻力才能完成，這些阻力主要有以下幾種:
氧傳遞過程中各種阻力示意圖（引自俞俊棠等，1997年）①氣膜傳遞阻力(1/Kg)：氣體主流及氣液界麵間的氣膜傳遞阻力，與通氣情況有關；
②氣液界麵傳遞阻力（1/KI）:隻有具備高能量的氧分子才能透到液相中去，而其餘的則返回氣相；
③液膜傳遞阻力（1/KL）:從氣液界麵至液體主流間的液膜阻力，與發酵液的成分和濃度有關；
④液相傳遞阻力（1/KLB）:液相傳遞阻力也與發酵液的成分和濃度有關，它通常不作為一項重要的阻力；
⑤細胞或細胞團表麵的液膜阻力（1/KLC）:與發酵液的成分和濃度有關；
⑥固液界麵傳遞阻力（1/KIS）:與發酵液的特性及微生物的生理特性有關；
⑦細胞團內的傳遞阻力（1/KA）:該阻力與微生物的種類、生理特性狀態有關，單細胞的細菌和酵母不存在這種阻力，對於菌絲這種阻力最為突出；
⑧細胞膜和細胞壁阻力（1/KW）:與微生物的生理特性有關；
⑨細胞內反應阻力（1/KR）:是指氧分子與細胞內呼吸酶係反應時的阻力，與微生物的種類和生理特性有關。
在這些阻力中,①～④項是供氧方麵的氧傳遞阻力，⑤～⑨項是需氧方麵的阻力。各種阻力的相對大小取決於流體力學特性、溫度、細胞的活性和濃度、液體的組成、界麵特性等因素。當細胞以遊離狀態存在於液體中時，阻力⑦消失；當細胞吸附在氣液界麵上時，阻力④、⑤、⑥、⑦消失。
氧從空氣泡到達細胞的總傳遞阻力（1/Kt）為上述各個阻力之和，即：
1/Kt=1/Kg+1/KI+1/KL+1/KLB+1/KLC+1/KIS+1/KA＋1/KW＋1/KR（7-28）
氧在傳遞過程中，需要損失推動力以克服上述阻力。傳遞過程的總推動力就是氣相與細胞內的氧分壓差和濃度差。當氧的傳遞達到穩定狀態時，總的傳遞速率與串聯的各步傳遞速率相等，這時通過單位麵積的傳遞速率為:
nO2=推動力阻力=Δpi1/Ki（7-29）
式中nO2——氧的傳遞通量，mol/（m3·s）
Δp—— 各階段的推動力（氧分壓）,Pa
1/Ki—— 各階段的傳遞阻力,N·s /mol
由於氧是難溶於水的氣體，所以在供氧方麵液膜是一個可控製過程，即1/KL是比較顯著的。液相主體和細胞壁上氧的濃度相差很小，也就是說氧通過細胞周圍液膜的阻力是很小的，但此液膜阻力是隨細胞外徑的增加而增大的。在有攪拌的情況下，菌絲體結團的現象很少，液體和菌絲間的相對運動增加，減少了膜厚，因此也減少了阻力。通常，需氧方麵的阻力主要來自菌絲細胞團和細胞壁的阻力，即1/KA和1/KW。攪拌可以減少逆向擴散的梯度，因此也可以降低這方麵的阻力。
綜上所述，氧傳遞過程中的主要阻力存在於氣膜和液膜中，氣液界麵附近的氧分壓或溶解氧濃度變化情況。因此，工業上通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麵和接觸時間，以促進氧的溶解。
2.氧傳遞方程
微生物發酵過程中，通入發酵罐內的氧不斷溶解於培養液中，以供菌體細胞代謝之用。這種由氣態氧轉變成溶解態氧的過程與液體吸收氣體的過程相同，所以可用描述氣體溶解於液體的雙膜理論的傳質公式表示：
比表麵積（單位體積溶液中所含有的氣液接觸麵積，m2/m3；因為很難測定，所以將KLa當成一項，稱為液相體積氧傳遞係數，s-1
KGa——以分壓差為推動力的體積溶氧係數，mol/（m3·s·Pa）
（二）影響供氧的因素
在氧的傳遞過程中，主要阻力在於氣液間的傳遞過程。根據氣液傳遞速率方程(7-32):
N＝KLa·（C*-CL）（7-32）
可知，凡影響推動力C*-CL、比表麵積和傳遞係數（或統稱KLa）的因素都會影響氧傳遞速率，從而影響到供氧。
1.影響氧傳遞推動力的因素
（1）提高C*由於氧在溶液中的飽和濃度受到溫度、培養基組成以及氧分壓的影響，因此要想提高C*就得降低培養溫度或培養基中營養物質的含量，或提高發酵罐內的氧分壓（即提高罐壓），但這幾種方法的實施均有較大的局限性。因為培養基的組成和溫度是依據生產菌株的生理特性和生物合成代謝產物的需要確定的，不可任意改變。采用提高分壓的方法，一是提高發酵罐壓力，二是向發酵罐中通入純氧。提高罐壓會減小氣泡體積，減少氣液接觸麵積，影響氧的傳遞速率。但是增加罐壓雖然提高了氧分壓，但其他氣體成分，如二氧化碳的分壓也將同時增加，由於二氧化碳的溶解度比氧大得多，因此，增加罐壓不利於液相中溶解的二氧化碳排出，所以增加罐壓有一定的限度。通入純氧能顯著提高發酵液中的溶氧濃度，但此種方法既不經濟也不安全，同時易出現微生物氧中毒的現象。
（2）降低發酵液中的CL可采取減少通氣量或降低攪拌轉速等方式來降低KLa，使發酵液中的CL降低。但發酵液中的CL不能低於C臨界，否則就會影響微生物的呼吸。
2.影響KLa的因素
研究表明，影響發酵設備KLa的因素有攪拌效率、空氣流速、發酵液的物理化學性質、泡沫狀態、空氣分布器和發酵罐結構等。各種關係可用式(7-33)表示：
KLa＝K［（P/V）α·（νs）β·（ηαpp）-ω］（7-33）
式中P/V——單位體積發酵液實際消耗的功率（指通氣情況下)，kW/m3
vs—— 罐體垂直方向的空氣線速度，m/h3
ηαpp——發酵液表觀黏度，Pa·s
α，β，ω——指數，與攪拌器和空氣分布器的形式有關，一般通過試驗測定
K——經驗常數
（1）攪拌對KLa的影響好氧發酵罐中攪拌的作用是把引入發酵液的空氣分散成小氣泡，增加氣液接觸麵積，強化流體的湍流程度，使空氣與發酵液充分混合，氣、液、固三相更好地接觸，一方麵增加溶氧速率，另一方麵使微生物懸浮液混合一致，促進代謝產物的傳質速率。采用機械攪拌是提高溶氧係數的行之有效的方法，它能從以下幾個方麵改善溶氧速率：①攪拌能把大的空氣泡打碎成為微小氣泡，增加了氧與液體的接觸麵積，而且小氣泡的上升速度要比大氣泡慢，相應地，氧與液體的接觸時間也就延長；②攪拌使液體做渦旋運動，使氣泡不是直線上升而是螺旋運動上升，延長了氣泡的運動路線，增加了氣液的接觸時間；③攪拌使發酵液呈湍流運動，從而減少氣泡周圍液膜的厚度，減少液膜阻力，因而增大了KLa值；④攪拌使菌體分散，避免結團，有利於固液傳遞中接觸麵積的增加，使推動力均一，同時也減少了菌體表麵液膜的厚度，有利於氧的傳遞。