雙膜理論：氧是如何進(jìn)入發(fā)酵液的
雙膜理論是將復(fù)雜的氣液傳質(zhì)過程，簡化為溶質(zhì)分子穿越界面兩側(cè)層流薄膜的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，其核心阻力與推動力均可由此模型定量計(jì)算。
雙膜理論是搞清楚“氧怎么從空氣溶進(jìn)發(fā)酵液”的核心理論，直接關(guān)系到發(fā)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(yōu)化發(fā)酵的供氧條件，很可能導(dǎo)致微生物缺氧、發(fā)酵效率低下。可以說，它是調(diào)控有氧發(fā)酵供氧效率的理論基礎(chǔ)。
氣體溶于液體是一個復(fù)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(xué)中，“理論”并不等同于“終極真理”，而是指一個系統(tǒng)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(jīng)典傳質(zhì)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(zhì)傳遞機(jī)制，尤其是在化工、環(huán)境工程和生物發(fā)酵過程中氧氣的傳遞過程。雙膜理論以以下三點(diǎn)假設(shè)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(cè)存在著一層氣膜，在界面的液體一側(cè)存在著一層液膜，故稱為雙膜結(jié)構(gòu)。
其中，氣膜內(nèi)的氣體分子和液膜內(nèi)的液體分子都處于層流狀態(tài)，氧分子以濃度差的方式透過雙膜；而氣泡內(nèi)除氣膜以外的氣體分子則處于對流狀態(tài)，稱為氣體主流，任一點(diǎn)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(tài)，稱為液體主流，任一點(diǎn)的氧濃度、氧分壓相等。
氧氣從高壓（氣泡內(nèi)部）到低壓（液體內(nèi)部）的傳遞，在快速混合的主流區(qū)毫無阻礙，但到了界面附近的層流薄膜時，就進(jìn)入了“慢速通道”，只能靠擴(kuò)散一點(diǎn)點(diǎn)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(zhì)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(guān)系，滿足亨利方程： Pi = HCi ， H 為亨利常數(shù)，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(guān)。 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(wěn)定狀態(tài)時，氧傳遞途徑上各點(diǎn)的氧濃度不隨時間變化。
雙膜理論的三個核心假設(shè)是將復(fù)雜氣液傳質(zhì)過程簡化的關(guān)鍵，它們共同搭建起可量化分析的理論框架。
第一假設(shè)（雙膜結(jié)構(gòu)）明確劃分高阻力的層流膜與低阻力的對流主流區(qū)，將傳質(zhì)阻力聚焦于氣膜和液膜，為數(shù)學(xué)建模奠定物理基礎(chǔ)；
第二假設(shè)（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(zhì)驅(qū)動力可統(tǒng)一計(jì)算，是定量分析的核心；
第三假設(shè)（穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)）將動態(tài)過程簡化為各點(diǎn)濃度不變的穩(wěn)態(tài)，把復(fù)雜微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，大幅降低計(jì)算難度，適配工程實(shí)際場景。
這三個假設(shè)環(huán)環(huán)相扣，從界定物理區(qū)域、提供計(jì)算法則到簡化求解條件，精準(zhǔn)抓住氣液傳質(zhì)的核心矛盾，讓原本難以分析的動態(tài)過程，變成能直接用于工程設(shè)計(jì)的實(shí)用工具，因此至今仍是氣液傳質(zhì)領(lǐng)域的核心理論。
在工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中，雙膜理論是解決供氧瓶頸的技術(shù)指導(dǎo)依據(jù)。它能幫助工程師精準(zhǔn)定位供氧瓶頸——若發(fā)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(fā)酵液黏度大、攪拌不充分），進(jìn)而針對性優(yōu)化設(shè)備與工藝。比如在抗生素、酶制劑等有氧發(fā)酵生產(chǎn)中，依據(jù)雙膜理論調(diào)整攪拌轉(zhuǎn)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(dǎo)致的產(chǎn)物合成受阻，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能提升與能耗降低的雙重目標(biāo)。
