發(fā)酵與發(fā)酵工程的定義
發(fā)酵（fermentation）的英文術語初來自拉丁語“fervere”（發(fā)泡、沸涌）這個單詞。它是指酵母菌作用于果汁或發(fā)芽谷物，產生二氧化碳的現(xiàn)象。被稱為微生物學之父的法科學巴斯德（louis pasteur）個探討了酵母菌酒精發(fā)酵的生理意義，將發(fā)酵現(xiàn)象與微生物生命活動聯(lián)系起來考慮，并指出發(fā)酵是酵母菌在無氧狀態(tài)下的呼吸過程，即無氧呼吸，是生物獲得能量的種方式。也就是說，發(fā)酵是在厭氧條件下，原料經過酵母等生物細胞的作用，菌體獲得能量，同時將原料分解為酒精和co2的過程。從目前來看，巴斯德的觀念還是正確的，但也不是很全面，因為發(fā)酵對于不同的對象具有不同的意義。
對生物化學來說，發(fā)酵是微生物在無氧時的代謝過程。而對工業(yè)微生物學來說，發(fā)酵是指借助微生物在有氧或無氧條件下的生命活動，來制備微生物菌體本身或代謝產物的過程。
如今，人們把利用生物細胞（指微生物細胞、動物細胞、植物細胞、微藻）在有氧或無氧條件下的生命活動來大量生產或積累生物細胞、酶類和代謝產物的過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。
發(fā)酵工程是指利用生物細胞的特定性狀，通過現(xiàn)代工程技術手段，在反應器中生產各種特定有用物質，或者把生物細胞直接用于工業(yè)化生產的種工程技術系統(tǒng)。發(fā)酵工程涉及微生物學、生物化學、化學工程技術、機械工程、計算機工程等基本原理和技術，并將它們有機地結合在起，利用生物細胞進行規(guī)?；a。發(fā)酵工程是生物加工與生物制造實現(xiàn)產業(yè)化的核心技術。
發(fā)酵工程技術主要包括提供優(yōu)質生產菌種的菌種技術、實現(xiàn)產品大規(guī)模生產的發(fā)酵技術和獲得合格產品的分離純化技術。發(fā)酵工程主要內容包括：發(fā)酵原料的選擇及預處理，微生物菌種的選育及擴大培養(yǎng)，發(fā)酵設備選擇及工藝條件控制，發(fā)酵產物的分離提取，廢棄物的回收和利用等。
發(fā)酵工程的內容、發(fā)酵方式和特點
發(fā)酵工程是生物反應過程，其本質是以生物細胞為催化劑的化學反應工程。但長期以來，發(fā)酵工程仍然是微生物工程的代名詞。因此，發(fā)酵工程的內容和特點也就是微生物工程的內容和特點。
1.發(fā)酵工程的內容
發(fā)酵工程主要包括菌種的選育和培養(yǎng)，發(fā)酵條件的優(yōu)化，發(fā)酵反應器的設計和自動控制，產品的分離純化和精制等。發(fā)酵工程涉及食品工業(yè)、化工、醫(yī)藥、冶金、能源開發(fā)、污水處理等域。發(fā)酵工程的產品可大致分為以下幾大類：
（1）傳統(tǒng)發(fā)酵產品
①發(fā)酵食品：面包、饅頭、包子、發(fā)面餅、火腿、發(fā)酵香腸、豆腐乳、泡菜、咸菜等；②酒類：葡萄酒、啤酒、果酒、黃酒、青酒、白酒、白蘭地等；③發(fā)酵調味品：醬、醬油、豆豉、食醋、酵母自溶物等；④發(fā)酵乳制品：馬奶酒、干酪、酸奶等。
（2）微生物菌體細胞
①飼料用單細胞蛋白：酵母、細菌、藻類、絲狀真菌和放線菌等；
②活性益生菌類：活性乳酸菌、雙歧桿菌、食用和藥用酵母菌等；③大型真菌：食用菌和藥用真菌；④微生物殺蟲劑：蘇云金芽孢桿菌、蟲霉菌、白僵菌等；⑤生物增產劑：固氨菌、鉀細菌、磷細菌等。
（3）微生物酶類
包括各種酶類、酶制劑和各種曲類的生產。目前，由微生物生產的工業(yè)用酶制劑主要有糖化酶、a、異、轉化酶、異構酶、乳糖酶、纖維素酶、蛋白酶、果膠酶、脂肪酶、凝乳酶、氨基酰化酶、甘露聚糖酶、過氧化氫酶等。
（4）微生物代謝產物
①初代謝產物：氨基酸、有機酸、有機溶劑、核苷酸、蛋白質、核酸和維生素等；②次代謝產物：抗生素、生物堿和植物激素等。
（5）微生物的轉化產物
微生物的產物轉化是指利用微生物代謝過程中的某種酶或酶系將種化合物轉化成含有特殊功能基團產物的生物化學反應。這種轉化般是通過脫氫、氧化、羥基化、脫水、縮合、脫羧、氨基化、脫氨、異構化等的酶促反應。例如，利用微生物轉化技術將甘油轉化為二羥基丙酮，將葡萄糖轉化為葡萄糖酸，將轉化為l山梨糖等；利用微生物細胞將甾體、薯皂甙轉化成副腎上腺皮質激素、等。
（6）工程菌發(fā)酵產物
生物工程菌的發(fā)酵，是指對利用生物技術方法所獲得的“工程菌”以及細胞融合等技術獲得的“雜交細胞”等進行培養(yǎng)。這是種新型發(fā)酵，其產物多種多樣，如用基因工程菌生產的胰島素、生長激素、干擾素、疫苗、血纖維蛋白溶解劑、紅細胞生成素等，用雜交細胞生產的用于診斷和治療的各種單克隆抗體等。
（7）動物、植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)的產物如利用木瓜細胞大規(guī)模培養(yǎng)生產木瓜蛋白酶，利用紫草單細胞培養(yǎng)技術生產天然食用色素等。
2.發(fā)酵方式
發(fā)酵是個錯綜復雜的過程，尤其是大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵，需要采用各式各樣的發(fā)酵技術，發(fā)酵的方式就是其中重要的發(fā)酵技術中的員。發(fā)酵方式可從多個角度進行分類：根據發(fā)酵過程對氧的需求分，發(fā)酵分為好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵；按發(fā)酵培養(yǎng)基的相態(tài)分，發(fā)酵可分為液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵；按發(fā)酵培養(yǎng)基的深度或厚度分，發(fā)酵分為表面發(fā)酵和深層發(fā)酵；按發(fā)酵過程的連續(xù)性分，發(fā)酵可分為分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵；按菌種生活的方式分，發(fā)酵分為游離發(fā)酵和固定化發(fā)酵；按菌種的種類分，發(fā)酵分為單純種發(fā)酵和多菌種混合發(fā)酵。在實際工業(yè)生產中，大都是將各種發(fā)酵方式結合進行的。目前應用多的是需氧、液體、深層、分批、游離、單純種相結合的發(fā)酵方式。
下面是幾種常見的發(fā)酵操作方式：
（1）分批發(fā)酵
分批發(fā)酵也叫間歇式發(fā)酵，是指在滅菌后的培養(yǎng)基中按比例接入相應的菌種進行發(fā)酵，發(fā)酵過程不再添加新的培養(yǎng)基或新的菌種，直至發(fā)酵結束的發(fā)酵方式。其特點是每次發(fā)酵過程都要經過裝料、滅菌、接種、發(fā)酵、放料等系列過程，非生產時間長，生產效率低，成本較高。
（2）補料分批發(fā)酵
補料分批發(fā)酵即半連續(xù)發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過程中間歇或連續(xù)地補加新鮮培養(yǎng)基或某些營養(yǎng)物質的發(fā)酵方式。目前，它的應用范圍非常廣泛，幾乎遍及整個發(fā)酵行業(yè)。補料分批發(fā)酵的理論研究在20世紀70年代以前幾乎是，在早期的工業(yè)生產中，補料的方式非常簡單，采用的方式就僅僅局限于間歇流加和恒速流加，控制發(fā)酵也是以經驗為主。直到1973年日本學者yoshida等人提出了
“fedl圖batch fermentation這個術語，并從理論上建立了個數(shù)學模型，補料分批發(fā)酵的研究才進入理論研究階段。近年來，隨著理論研究和應用的不斷深入，補料分批發(fā)酵的內容大大豐富了。
和傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，補料分批發(fā)酵可以有效地減少發(fā)酵過程中培養(yǎng)基黏度升高引起的傳質效率降低，解除降解物的阻遏和底物的反饋抑制，很好地控制代謝方向，延長產物合成期和增加代謝積累。
（3）連續(xù)發(fā)酵
連續(xù)發(fā)酵是指以定的速度向發(fā)酵罐內添加新鮮培養(yǎng)基，同時以相同速度流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內的液量維持恒定的發(fā)酵過程。
連續(xù)發(fā)酵可分為單罐連續(xù)發(fā)酵和多罐串聯(lián)連續(xù)發(fā)酵等方式。其優(yōu)點有：簡化了菌種的擴大培養(yǎng)，縮短了發(fā)酵周期，提高了設備利用率，操作管理方便，便于自動化控制，同時，產物穩(wěn)定，人力物力節(jié)省，生產費用低，使產品更具商業(yè)競爭力。缺點有：①對設備的合理性和加料的精確性要求甚高；②營養(yǎng)成分的利用較分批發(fā)酵差，產物濃度比分批發(fā)酵低，產物提取成本較高；③雜菌污染的機會較多，菌種易因變異而發(fā)生衰退。
（4）固定化酶和固定化細胞發(fā)酵
固定化酶和固定化細胞發(fā)酵是酶工程中固定化酶技術在發(fā)酵工程中的應用。其優(yōu)勢在于固定化酶和固定化細胞可以重復使用，酶活力穩(wěn)定，反應速率快，生產周期短，產品的分離和提純也比較容易，易于機械化和自動化。
（5）多菌種混合發(fā)酵
多菌種混合發(fā)酵與傳統(tǒng)的混合菌發(fā)酵不同。它是指利用兩種以上的純菌種按定比例，同時或按順序接種到同培養(yǎng)基中進行發(fā)酵的過程。它的主要特點是可以形成多菌共生、酶系互補，不但可以提高發(fā)酵效率和產品數(shù)量、質量，甚至還可以獲得新的發(fā)酵產品。它是種不需要進行體外dna重組也能獲得類似效果的新型發(fā)酵方式。
3.發(fā)酵工程的特點
微生物具有種類繁多、繁殖速度快、代謝能力強的特點，而且往往可以通過人工誘變獲得有益的突變株。微生物酶的種類也很多，能催化各種生物化學反應。此外，微生物能夠利用有機物、無機物等多種營養(yǎng)源，般可以不受氣候、季節(jié)等自然條件的限制，通過室內反應器來生產多種多樣的產品。因此，從傳統(tǒng)的釀酒、釀醬、釀醋等技術上發(fā)展起來的發(fā)酵工程技術發(fā)展非常迅速，而且形成了與其他學科不同的特點：
①發(fā)酵過程以生物體的自身調節(jié)方式進行，多個反應就像單反應樣，在單發(fā)酵設備中完成。
②反應通常在常溫常壓下進行，條件溫和，能耗少，設備比較簡單，對場地要求不高。
③微生物本身能有選擇性地攝取所需物質，因此，其發(fā)酵原料往往比較廣泛。原料通常是以糖蜜、淀粉等碳水化合物為主的農副產品，也可以是工業(yè)廢水或可再生資源，如植物秸稈、木屑等。
④容易合成復雜的化合物，能高度選擇性地在復雜化合物的特定部位進行氧化、還原、官能團引入等反應。
⑤發(fā)酵過程中需要防止雜菌污染。生產設備及其附件需要進行嚴格的沖洗、滅菌，空氣需要過濾除菌等。
發(fā)酵過程的這些特征體現(xiàn)了發(fā)酵工程的種種優(yōu)點。在目前能源、資源緊張，人口、糧食及污染問題日益嚴重的情況下，發(fā)酵工程作為現(xiàn)代生物技術的重要組成部分中的員，得到越來越廣泛的應用。