雙膜理論：氧是如何進入發酵液的

  雙膜理論是將復雜的氣液傳質過程，簡化為溶質分子穿越界面兩側層流薄膜的穩態擴散，其核心阻力與推動力均可由此模型定量計算。

      雙膜理論是搞清楚“氧怎么從空氣溶進發酵液”的核心理論，直接關系到發酵中“微生物能不能夠到足夠氧氣”——要是不理解這個溶解過程，就無法有效優化發酵的供氧條件，很可能導致微生物缺氧、發酵效率低下。可以說，它是調控有氧發酵供氧效率的理論基礎。

       氣體溶于液體是一個復雜過程，至今還未能從理論上完全揭示，最早提出并沿用至今的是雙膜理論，在科學中，“理論”并不等同于“終極真理”，而是指一個系統化的解釋框架。

       雙膜理論是描述氣體在液體中溶解過程的一個經典傳質模型，最早由惠特曼（W. G. Whitman）于1923年提出，主要用于解釋氣液兩相間的物質傳遞機制，尤其是在化工、環境工程和生物發酵過程中氧氣的傳遞過程。雙膜理論以以下三點假設為前提。

雙膜理論的概念圖

氧在空氣中的分壓： P 、 Pi;

氧溶解于液相的濃度： Ci 、 CL;

① 氣泡與包圍著氣泡的液體之間存在著界面，在界面的氣泡一側存在著一層氣膜，在界面的液體一側存在著一層液膜，故稱為雙膜結構。

      其中，氣膜內的氣體分子和液膜內的液體分子都處于層流狀態，氧分子以濃度差的方式透過雙膜；而氣泡內除氣膜以外的氣體分子則處于對流狀態，稱為氣體主流，任一點的氧濃度、氧分壓相等；液膜以外的液體分子亦處于對流狀態，稱為液體主流，任一點的氧濃度、氧分壓相等。

       氧氣從高壓（氣泡內部）到低壓（液體內部）的傳遞，在快速混合的主流區毫無阻礙，但到了界面附近的層流薄膜時，就進入了“慢速通道”，只能靠擴散一點點擠過去。因此，整個溶解過程的快慢，就取決于穿過這兩層“慢速膜”的難易程度。這就是雙膜理論解釋氣液傳質阻力的核心思路。

② 在雙膜之間氣液接觸面上，氧分壓與溶于液體中氧濃度處于平衡關系，滿足亨利方程： Pi = HCi ， H 為亨利常數，表示氣體溶解于液體的難易程度，與氣體、溶劑種類及溫度有關。 H 值越大，反映該氣體越難溶。其中P ：氣體在氣相中的平衡分壓（單位：Pa, atm, bar等）。 C ：氣體在液相中的平衡溶解度（單位：mol/m3, mol/L等）。

③ 氧傳遞過程處于穩定狀態時，氧傳遞途徑上各點的氧濃度不隨時間變化。

       雙膜理論的三個核心假設是將復雜氣液傳質過程簡化的關鍵，它們共同搭建起可量化分析的理論框架。

       第一假設（雙膜結構）明確劃分高阻力的層流膜與低阻力的對流主流區，將傳質阻力聚焦于氣膜和液膜，為數學建模奠定物理基礎；

       第二假設（界面平衡）通過亨利定律連接氣液兩相的分壓與濃度，讓氣相和液相的傳質驅動力可統一計算，是定量分析的核心；

       第三假設（穩態傳質）將動態過程簡化為各點濃度不變的穩態，把復雜微分方程轉化為代數方程，大幅降低計算難度，適配工程實際場景。

       這三個假設環環相扣，從界定物理區域、提供計算法則到簡化求解條件，精準抓住氣液傳質的核心矛盾，讓原本難以分析的動態過程，變成能直接用于工程設計的實用工具，因此至今仍是氣液傳質領域的核心理論。

      在工業發酵生產中，雙膜理論是解決供氧瓶頸的技術指導依據。它能幫助工程師精準定位供氧瓶頸——若發酵液中氧濃度不足，可通過理論判斷是氣膜阻力過大，還是液膜阻力突出（如發酵液黏度大、攪拌不充分），進而針對性優化設備與工藝。比如在抗生素、酶制劑等有氧發酵生產中，依據雙膜理論調整攪拌轉速、通氣量或添加消泡劑降低液膜阻力，能顯著提升氧溶解效率，避免微生物因缺氧導致的產物合成受阻，最終實現產能提升與能耗降低的雙重目標。