微生物發酵中，通入發酵罐內的空氣中含有的氧不斷溶解於培養液中，以供菌體細胞代謝之需。氧從氣相傳遞到液相，是氣一液相間氧的傳遞過程，在這一傳遞過程中，氣液界麵的阻力1/KI可以忽略，液體主流中的傳遞阻力1/KLB很小也可忽略，此時主要的傳遞阻力存在於氣膜和液膜中。對於這種傳遞過程的描述，應用最廣的是雙膜理論。
這個理論假定在氣泡和包圍著氣泡的液體之間存在著界麵，在界麵的氣泡一側存在著一層氣膜，在界麵液體一側存在著一層液膜，氣膜內的氣體分子與液膜中的液體分子都處於層流狀態，分子之間無對流運動，因此氧分子隻能以擴散方式，即借助於濃度差而透過雙膜，另外，氣泡內除氣膜以外的氣體分子處於對流狀態，稱為氣流主體，在空氣主流空間的任一點氧分子的濃度相同，液流主體亦如此。
（一）影響氧傳質推動力的因素
要想增加氧傳遞的推動力(C*一CL)，就必須設法提高C*或降低CL。
1、提高飽和溶氧濃度C*的方法
A、溫度：降低溫度
B、溶液的性質：一般來說，發酵液中溶質含量越高，氧的溶解度越小。
C、氧分壓：在係統總壓力小於0.5MPa時，氧在溶液中的溶解度隻與氧的分壓成直線關係。氣相中氧濃度增加，溶液中氧濃度也增加。
想提高C*就得降低培養溫度或降低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)。這幾種方法的實施均有較大的局限性。已知發酵培養基的組成和培養濃度是依據生產菌種的生理特性和生物合成代謝產物的需要而確定的，不可任意改動。但有時分批發酵的中後期，由於發酵液粘度太大，補入部分滅菌水來降低發酵液的表觀粘度，改善通氣效果。采用提高氧分壓的方法，一是提高發酵罐壓力，二是向發酵液通入純氧氣。提高罐壓會減小氣泡體積，減少了氣—液接觸麵積，影響氧的傳遞速率，降低氧的溶解度。影響菌體的呼吸強度，同時增加設備負擔。通人純氧能顯著提高CL，但此利方法既不經濟又不安全，同時易出現微生物的氧中毒現象。
（2）、降低發酵液中的CL
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。但是，發酵過程中發酵液中的CL不能低於C臨界，否則就會影響微生物的呼吸。目前發酵所采用的設備，其供氧能力已成為限製許多產物合成的主要因素之一，故此種方法亦不理想。
（二）、影響液相體積氧傳遞係數KLa的因素
經過長時間的研究和生產實踐證實，影響發酵設備的KLa的主要因素有攪拌效率、空氣流速、發酵液的物理化學性質、泡沫狀態、空氣分布器形狀和發酵罐的結構等。實驗測出的KLa與攪拌效率、通氣速度、發酵液理化性質等的關係可用下述的經驗式表示：
KLa=K〔 (P／V)α 〕．(VS)β(ηapp)-ω)
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——空氣直線速度，m／h；
ηapp——發酵液表觀粘度，(kg·s)／m’；
α、β、ω——指數，與攪拌器和空氣分布器的形式等有關。
K——經驗常數。
1、攪拌效率對KLa的影響
發酵罐內裝配攪拌器的作用有：①使發酵罐內的溫度和營養物質濃度均一，使組成發酵液的三相係統充分混合；②把引入發酵液中的空氣分散成小氣泡，增加了氣—液接觸麵積，提高KLa值；⑧強化發酵液的湍流程度，降低氣泡周圍的液膜厚度和湍流中的流體的阻力，從而提高氧的轉移速率；④減少菌絲結團，降低細胞壁周圍的液膜阻力，有利於菌體對氧的吸收，同時可盡快排除細胞代謝產生的“廢氣”和“廢物”，有利於細胞的代謝活動。應提出的是如果攪拌速度快，由於剪切速度增大，茵絲體會受到損傷，影響菌絲體的正常代謝，同時浪費能源。
2、空氣流速
KLa隨空氣流速的增加而增加，指數β約為0.4～0.72，隨攪拌器形式而異。但當空氣流速過大時，攪拌器就出現“氣泛”現象，KLa不再增加。“氣泛”現象指的是在特定條件下，通人發酵罐內的空氣流速達某一值時，使攪拌功率下降，
當空氣流速再增加時，攪拌功率不再下降，此時的空氣流速稱為“氣泛點”(Floodingpoint)。帶攪拌器的發酵罐的氣泛點，主要與攪拌葉的形式、攪拌器的直徑和轉速、空氣線速度等相關。
對一定設備而言，空氣流速與空氣流量之間呈正相關性。空氣流量的改變必然引起空氣流速的變化。已知空氣流速的變化會引起體積氧傳遞係數KLa的改變，當空氣流速達氣泛點時，KLa不再增加。這樣，空氣流量的變化也會改變KLa，當空氣流量達某一值時，KLa也不再增加，如圖7-5所示。所以，在發酵過程中應控製空氣流速(或流量)，使攪拌軸附近的液麵處沒有大氣泡逸出。
攪拌功率和空氣流速對KLa的影響，實驗測出攪拌功率對抗生素產率的影響遠大於空氣流速。高攪拌轉速，不僅使通人罐內的空氣得以充分的分散，增加氣—液接觸麵積，而且還可以延長空氣在罐內的停留時間。空流速過大，不利於空氣在罐內的分散與停留，同時導致發酵液濃縮，影響氧的傳遞。但空氣流速過低，因代謝產生的廢氣不能及時排除等原因，也會影響氧的傳遞。因此，要提高發酵罐的供氧能力，采用提高攪拌功率，適當降低空氣流速，是一種有效的方法。
3、發酵液理化性質的影響
KLa與發酵液的表觀粘度ηapp呈反比。說明發酵液的流變學性質是影響KLa的主要因素之一。發酵液是由營養物質、生長的菌體細胞和代謝產物組成的。由於微生物的生長和多種代謝作用使發酵液的組成不斷地發生變化，營養物質的消耗、菌體濃度、菌絲形態和某些代謝產物的合成都能引起發酵液粘度的變化，致使發酵過程中的發酵液呈現多種流變學性質。
以澱粉作碳源的培養基屬於非牛頓型流體，在發酵過程中，隨著微生物的生長和代謝作用，其流變學性質不斷變化。如生產金黴素時，以澱粉作碳源，接種時，培養基呈平漢塑性流體性質，發酵至22小時，由於微生物的代謝作用，發酵液粘度降至很低(低於18Pa·s)，呈現牛頓型流體性質。22小時起由於菌絲體濃度不斷增加，則發酵液粘度逐漸增大，直至粘度達90Pa·s、表現為漲塑性流體的性質。
發酵過程中菌體濃度和形態在氧的傳遞速率方麵顯示一定影響。許多細菌和酵母菌發酵時，發酵液粘度低，呈現牛頓型流體性質，對氧的轉移沒有什麽影響。黴菌和放線菌發酵液多數時間屬於非牛頓型流體，粘度較大，對氧的轉移有較大影響。在單細胞和絲狀菌發酵中，對數生長期兩者的氧吸收速率是相同的，但在溶解氧濃度受到限製的條件下，達到平衡期，單細胞發酵液的氧吸收速率無變化，而絲狀菌發酵液的氧吸收速率卻顯著下降，其原因是絲狀菌發酵液的菌體濃度增加，使發酵液粘度不斷增大，致使KLa值降低，進而導致菌體的氧吸收速率下降。在青黴素發酵中，由於菌絲體濃度的不斷增加，使發酵液粘度不斷增大，KLa卻隨之下降。
在沉沒培養過程中，由於攪拌的作用，有的菌體(尤其是黴菌)形成不連續的球狀體，有的形成交替的絲狀體。一般說，球狀體發酵液粘度低，呈現牛頓型流體性質，而絲狀體會大大增加發酵液的粘度，呈現非牛頓型流體性質。攪拌強度影響菌體形態，高剪切速率可減少菌絲團的形成，如青黴素發酵中，高攪拌速度易使菌體產生分枝菌絲，低攪拌速度易使菌體形成菌絲團或長成長菌絲。
一般說，微生物生物合成的代謝產物對發酵液的流變學性質的影響相對說是較小的。
4、泡沫的影響
在發酵過程中，由於通氣和攪拌而引起發酵液出現泡沫。如果在較稠厚的發酵液中形成流態性泡沫時，是難以消除的，其中的氣體就很難得到及時的更新，直接影響微生物的呼吸。如果攪拌葉輪處於泡沫的包圍之中，就會影咆氣液體的充分混合，降低氧的傳遞速率。用消沫劑可以消除泡沫，改善氣液體混合效果，提高氧的傳遞速率。但過多的消沫劑會聚集於細胞表麵上，阻礙菌體對氧和營養物質的吸收。因此，消沫劑的用量應控製。
5、空氣分布器形式和發酵罐結構的影響
在需氧發酵中，除用攪拌將空氣分散成小氣泡外，還可用鼓泡器來分散空氣，提高通氣效率。研究指出，大型環狀鼓泡器的直徑大於攪拌器直徑時，大量的空氣未經攪拌器的分散而沿罐壁逸出液麵，其空氣分散效果很差。所以環型鼓泡器的直徑一定要小於攪拌器的直徑。關於多孔環狀鼓泡器和單孔式鼓泡器的通氣效果，有的試驗表明，當空氣流量達到一定值時，單孔式鼓泡器的效果不比多孔環狀鼓泡器的效果差。因為在裝配有攪拌器的發酵罐中，空氣的分散主要依靠攪拌的作用。所以當空氣流量增大時，單孔式鼓泡器能增強發酵液的湍流程度。當前的生產實踐，發酵罐內空氣分布器絕大多數采用多孔環型鼓泡器5。
為了彌補一般空氣攪拌罐的通氣效率的不足，有人在設備上做些相應的改進，當增加發酵罐的高度，以求增加氣—液接觸時間，提高氧的溶解度。
