工業發酵中的氧傳遞動力學：如何理解與優化推動力？

 推動力是驅動氧氣從氣相溶解到液相的化學勢差，在工程上直接表現為可測量、可調控的飽和濃度與實際濃度之差。

什么是氧氣傳遞的“推動力”？

      我們可以把“推動力”理解為氧氣溶解的“趨勢”或“動力”。它本質上取決于發酵液中氧氣當前的實際濃度與在當前條件下氧氣能達到的最大溶解度（飽和濃度）之間的差值。

      根據氣液傳遞速率方程：

OTR = KLa(C*? CL)

OTR（氧氣傳遞速率）：單位時間內，溶解到發酵液中的氧氣量（比如 mol/(m3·h)）。

KLa是“體積傳氧系數”，它是發酵工程中衡量一個發酵系統供氧能力的核心性能指標。

C* 代表在當前位置和條件下，氧氣在發酵液中的飽和溶解度（即理論上能達到的最大濃度）。

CL 代表發酵液中氧氣當前的實際濃度。

      推動力就是這兩者的差值：(C* - CL)。“推動力（C* - C_L）”這個概念，是經典傳質理論——“雙膜理論”——中的關鍵組成部分。該理論將復雜的氣液界面簡化為兩層靜止的膜（氣膜和液膜），氧氣必須通過擴散穿越它們。在這個模型中，濃度差被明確認定為驅動擴散穿越這兩層膜的唯一天然動力，就像電壓是驅動電流通過電阻的動力一樣。

       簡單來說，如果發酵液中氧氣很少，而理論上還能溶解很多，那么推動力就大，氧氣會快速進入液體；如果發酵液中的氧氣已經接近飽和，推動力就小，氧氣傳遞緩慢。

       因此，推動力不是一個固定的數值，而是一個動態平衡的驅動力，受多種工藝條件共同影響。以下主要分享一下這些因素的具體影響，幫助理解發酵供氧過程：

1. 溫度

       溫度對氧氣的溶解度影響顯著。隨著溫度升高，氧氣在水中的溶解度逐漸下降（如下圖）。這意味著，在高溫發酵條件下，氧氣更難溶解，推動力自然減弱。

       在實際生產中，需在菌體最適生長溫度和氧氣溶解最佳溫度之間找到平衡。例如某些細菌發酵在較高溫度下進行，此時需特別注意強化供氧措施。

2.發酵液成分

      發酵液中通常含有多種成分，主要分為電解質和非電解質：

     在電解質溶液中，由于發生鹽析作用，使氧的溶解度降低，故氧傳遞的推動力隨著發酵液中電解質濃度的增加而下降。如鹽類、離子物質，會通過“鹽析效應”排斥氧氣分子，降低其溶解度；

      在非電解質溶液中，氧的溶解度一般也隨著溶質濃度的增加而下降，其變化規律與在電解質溶液中的變化情況相似。如糖類、有機酸等，同樣會占據溶液空間，減少氧氣溶解量；

       混合體系：實際發酵液往往是電解質與非電解質的混合體，兩者的影響疊加，進一步削弱推動力。

       雖然水是發酵中最常用的溶劑，但氧氣在某些有機溶劑（如醇類、酯類）中的溶解度更高。因此，在某些特殊發酵過程中，通過添加適宜的有機溶劑來調節體系極性，可成為提高溶解氧濃度的有效手段。溶劑是可設計的工藝變量，而不僅僅是反應的介質。

3.氧分壓

       提高氧氣在氣相中的分壓，能直接增強推動力。主要有兩種方式：

1. 提高罐壓

      通過增加發酵罐總壓力，間接提高氧分壓。這種方法操作簡單，廣泛應用于抗生素、氨基酸等發酵過程中。但需注意，過高的壓力也會增加二氧化碳溶解，可能抑制菌體代謝。

2. 富氧通氣

      在進氣中摻入純氧，直接提高氧氣濃度。這種方法推動力提升明顯，但成本較高，常用于高耗氧的發酵類型或關鍵生長階段。

      氧氣傳遞的推動力，是一個為了描述和理解復雜動態過程而構建的科學概念模型，雖是看不見、摸不著的概念，卻實實在在地影響著發酵過程的每一個環節。 

      在工業發酵中，氧氣傳遞的推動力是連接工藝條件與微生物代謝的關鍵紐帶，其大小由溫度、發酵液成分、氧分壓三大因素決定，直接影響發酵效率、過程穩定性與生產成本——推動力不足會限制供氧、減緩微生物代謝，而合理調控它能在不顯著增加能耗的前提下提升氧傳遞效率。

       理解并調控這些影響因素，不僅是解決發酵“缺氧”問題的技術手段，更是推動工藝從粗放經驗走向精細化、智能化控制的核心。掌控推動力，本質是為微生物營造適宜“呼吸”環境，最終賦能高效、穩定、可持續的現代發酵生產。