微生物是肉眼難以看清，需要借助光學顯微鏡或電子顯微鏡才能觀察到的一切微小生物的總稱，包括細菌、真菌、放線菌、支原體和衣原體等。微生物氧化分解有機物質和釋放能量的過程稱為生物氧化，生物氧化分為呼吸和發(fā)酵兩種，發(fā)酵是生物氧化的重要途徑。發(fā)酵是指各類微生物細胞分解有機物的過程，或者是指通過微生物技術和離體的酶分解糖類，產生大量乳酸、乙醇和二氧化碳等代謝反應產物的過程。
生物工程又稱生物技術，是以生物學（特別是微生物學、遺傳學、生物化學和細胞生物學）為基礎，結合化學、機械、電子、計算機等現(xiàn)代工程技術，利用生物體的特性和功能，運用分子生物學的新技術，有意識地操縱遺傳物質，對生物體及其功能進行定向修飾，然后通過適當?shù)纳锓磻鞔笠?guī)模培養(yǎng)這些工程細菌或工程細胞系，產生大量有用的代謝物或發(fā)揮其獨特生理功能的一個綜合性技術體系，是在分子生物學和細胞生物學基礎上發(fā)展起來的一門新型綜合性應用學科。它以分子生物學、仿生學等現(xiàn)代科學為指導，在工程領域應用各種生物利用技術和生物模擬技術，包括基因工程（基因工程）、細胞工程、微生物工程（發(fā)酵工程）、酶工程（生化工程）和生物反應器工程。
1 .發(fā)酵工程概述
1.1 發(fā)酵工程的概念
微生物工程又稱發(fā)酵工程，是生物工程的一個重要組成部分，即利用微生物，在適當?shù)臈l件下，將原料通過特定的代謝途徑加工成人類所需要的產品。從廣義上講，發(fā)酵系統(tǒng)工程由3個部分組成：上游工程、中游工程和下游工程。上游工程是理論研究、技術發(fā)展，包括優(yōu)良菌株的選育、最佳發(fā)酵條件（p H、溫度、溶解氧和營養(yǎng)成分）的確定等。中游工程主要是指在最佳發(fā)酵條件下進行細胞大量培養(yǎng)和發(fā)酵罐中代謝產物生產的技術。下游工程指從發(fā)酵液中分離和純化進行生產的技術，包括固液分離分析技術（例如離心分離、過濾分離、沉淀分離等工藝）、細胞破壁技術（超聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶等）、蛋白質純化技術（沉淀法、色譜分離法和超濾法等），還有產品的包裝設計處理技術（真空干燥和冰凍干燥等）。從微生物的選擇、營養(yǎng)條件的確定、滅菌、種子罐膨脹培養(yǎng)、接種、發(fā)酵后期產品的分離純化等方面，對社會經(jīng)濟的發(fā)展起到了很大的促進作用。
發(fā)酵工程技術發(fā)展歷史悠久，經(jīng)歷了“手工農產品加工—近代發(fā)酵工程—現(xiàn)代發(fā)酵工程”3個階段，可以利用現(xiàn)代生物信息技術對微生物進行質的改造，或構建出微生物原來不具有的新性狀的菌株，利用微生物生長速度快、生長環(huán)境條件比較簡單以及代謝過程簡單等特點，在合適的條件下通過現(xiàn)代化建設工程管理技術和方法，使傳統(tǒng)的勞動密集型微生物產業(yè)向技術密集型產業(yè)不斷發(fā)展，形成眾多生物系統(tǒng)工程新型文化產業(yè)，開發(fā)眾多人類社會需要的微生物發(fā)酵工程產物。
1.2 發(fā)酵工程的類型
1.2.1 對氧的需求
按照對氧的需求，發(fā)酵工程分為好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵。好氧發(fā)酵也叫通風發(fā)酵，是指在發(fā)酵過程中必須通風提供氧氣的發(fā)酵過程，一般工業(yè)生產中采用通入一定量無菌空氣的方法實現(xiàn)。厭氧發(fā)酵是指在整個發(fā)酵過程中無需通風提供氧氣的發(fā)酵過程，一般厭氧發(fā)酵過程需要密閉容器。
1.2.2 培養(yǎng)基的物理狀態(tài)
按照培養(yǎng)基的物理狀態(tài)，發(fā)酵工程分為固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵。固態(tài)發(fā)酵是指微生物接種于固態(tài)培養(yǎng)介質中的發(fā)酵過程。液態(tài)發(fā)酵是指微生物接種于液態(tài)培養(yǎng)介質中的發(fā)酵過程。
1.2.3 菌種多樣性
按照菌種多樣性，發(fā)酵工程分為純種發(fā)酵和混菌發(fā)酵。純種發(fā)酵是指接種單一純種微生物進行培養(yǎng)的發(fā)酵過程?；炀l(fā)酵是指接種多種微生物進行培養(yǎng)的發(fā)酵過程。
1.2.4 工藝流程
按照工藝流程，發(fā)酵工程分為分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補料分批發(fā)酵。分批發(fā)酵是一種在特定條件下只完成一個生長周期的微生物培養(yǎng)方法。連續(xù)發(fā)酵是指以一定的速度向發(fā)酵罐內連續(xù)輸入一種新鮮培養(yǎng)基料液，同時以相同速度不斷流出含有產品的發(fā)酵液，從而使發(fā)酵罐內的液量維持恒定的發(fā)酵生產過程[7]。補料分批發(fā)酵是指在分批培養(yǎng)過程中，間歇或連續(xù)補充新鮮培養(yǎng)液的培養(yǎng)方法。
1.2.5 發(fā)酵規(guī)模
按照發(fā)酵規(guī)模，發(fā)酵工程分為小試發(fā)酵、中試發(fā)酵和大生產發(fā)酵。小試發(fā)酵是指在實驗室小試規(guī)模下進行的發(fā)酵過程，一般反應器容積在10～100 L。中試發(fā)酵是指規(guī)模介于實驗室小試發(fā)酵和大生產發(fā)酵之間的發(fā)酵過程，一般反應器容積在100～3 000 L。大生產發(fā)酵是指在工業(yè)生產規(guī)模下進行的發(fā)酵過程，一般反應器容積在3 000 L以上。
1.2.6 發(fā)酵原料
按照發(fā)酵原料，發(fā)酵工程分為糖類發(fā)酵、油類發(fā)酵、廢水發(fā)酵等類型。
1.2.7 發(fā)酵產物
按照發(fā)酵產物，發(fā)酵工程分為氨基酸發(fā)酵、有機酸發(fā)酵、抗生素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、維生素發(fā)酵等。
1.2.8 代謝產物
按照代謝產物，發(fā)酵工程分為初級代謝產物發(fā)酵（酒精發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵、有機酸發(fā)酵等）、次級代謝產物發(fā)酵（抗生素發(fā)酵、色素發(fā)酵等）。初級代謝產物是指微生物通過代謝活動產生的初級代謝物，是生長和繁殖必需的物質；次級代謝產物是指生物生長到一定階段，通過次級代謝合成的分子結構非常復雜的次級代謝物，沒有明顯或沒有必要的生物小分子的生長和繁殖。
1.3 發(fā)酵工程發(fā)展史
發(fā)酵→釀造食品工業(yè)→非食品工業(yè)→青霉素→抗生素發(fā)酵工業(yè)→氨基酸、核酸發(fā)酵（代謝控制發(fā)酵）→基因工程菌→動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)→植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)→藻類細胞大規(guī)模培養(yǎng)→轉基因動物。
1.3.1 發(fā)酵現(xiàn)象的早期認識
1857年，巴斯德證明了酒精是由活的酵母發(fā)酵形成的。
1897年，畢希納發(fā)現(xiàn)磨碎的酵母仍能使糖發(fā)酵形成酒精酶。
1.3.2 發(fā)酵工程的早期階段
人們對發(fā)酵工程技術的認識始于19世紀末期，主要來自厭氧發(fā)酵，如利用酵母菌、乳酸菌生產食用酒精、乳酸和各種不同發(fā)酵過程的食品。
1916年，英國用梭狀芽孢桿菌生產丙酮丁醇；第一次世界大戰(zhàn)期間，德國用亞硫酸鹽法生產甘油，標志著發(fā)酵工程從食品工業(yè)拓展到非食品工業(yè)。
1.3.3 發(fā)酵工程的重大轉折點
1940年初，二戰(zhàn)爆發(fā)，青霉素被發(fā)現(xiàn)，工業(yè)化大規(guī)模生產迅速形成。隨著抗生素工業(yè)的發(fā)展，形成了一套系統(tǒng)完整的好氧發(fā)酵生產技術，推動了全世界發(fā)酵工業(yè)的深入發(fā)展，為現(xiàn)代發(fā)酵工程建設奠定了基礎。
1970年初，細胞融合技術、基因技術等生物技術的發(fā)展，打破了生物物種之間的障礙，引導了新的有用微生物的生產，增加了控制微生物代謝物的基因拷貝，可以大大增加目標產品的產量。將動物、植物或某些微生物的控制基因植入細胞，可以快速、經(jīng)濟地大量生產這些產物。將具有不同工作性能的多種質粒植入微生物體內，使新菌株在清除污染、以非食品物質為原料進行發(fā)酵生產或環(huán)境信息保護方面發(fā)揮作用。
1.3.4 發(fā)酵工程產業(yè)化發(fā)展
目前，全球發(fā)酵產品的年銷售額在400億美元左右，并以每年7%～8%的速率增長。我國發(fā)酵行業(yè)生產企業(yè)有5 000多家，主要發(fā)酵產品的年產值高達1 300億元。發(fā)酵工程技術為社會生產力的提高帶來了巨大的動力，關系到解決食品與營養(yǎng)、健康與環(huán)境、資源與能源等重大問題。
2 發(fā)酵工程原理與技術
2.1 微生物菌種的選育
一般工業(yè)微生物可以通過以下方式獲得：從菌種保存機構獲得相關菌株、篩選所需菌株、從自然樣品中分離和篩選菌株、從一些發(fā)酵制品中分離目的菌株。
2.1.1 自然選育
自然選育的一般程序是將菌種制成菌懸液，用稀釋法在固體平板上分離單菌落，再分別測定單菌落的生產能力，從中選出高水平菌種。
根據(jù)研究目的，從自然界中分離、篩選不同菌株的一般方法步驟：樣本數(shù)據(jù)采集→標本材料的預處理→富集能力培養(yǎng)→菌種初篩→菌種復篩→性能鑒定→菌種保藏。
2.1.2 誘變育種
誘變育種是利用物理誘變劑和化學誘變劑改變微生物DNA的堿基，使錯誤的DNA模板形成異常的遺傳信息，使某些蛋白質的結構發(fā)生改變，改變細胞功能。
2.1.3 雜交育種
雜交育種一般是指人工利用真核微生物的有性或準有性生殖，或原核微生物的接合、F因子轉導等，誘導兩個具有不同遺傳性狀的菌株進行基因重組，以獲得性能優(yōu)良的生產菌株。
2.1.4 代謝調控育種
代謝調控育種的研究內容主要包括改變代謝通路的育種、改變自我代謝調節(jié)系統(tǒng)的育種。
2.1.5 原生質體融合技術
原生質體融合技術是將具有不同遺傳特性的兩個細胞的原生質體融合產生重組的一種人工方法，也稱為“細胞融合”。原生質體融合技術在細菌、放線菌、霉菌和酵母菌的育種中得到了廣泛的應用。原生質體融合技術研究的主要工作步驟包括選擇優(yōu)秀菌株、制備原生質體、融合原生質體、融合體再生、篩選優(yōu)良性狀的融合重組子基因。
2.1.6 基因工程育種
某些物質在微生物體內是不能合成的，因為它們缺乏合成這些物質的基因或酶。隨著基因工程的發(fā)展，某種基因可以人工合成，也可以從動物身上提取、加工、拼接，然后通過載體轉移到微生物中表達，微生物可以合成人工胰島素等物質，這些微生物被稱為工程菌株?；蚬こ碳夹g育種主要可以通過學習轉化、轉導、轉染、雜交等手段，有目的地不斷增加、增強、取消、減弱某個或某些基因，得到發(fā)展需要的工程菌株。
2.2 微生物種子擴大培養(yǎng)
2.2.1 種子擴大培養(yǎng)
種子擴大培養(yǎng)是將沙管、休眠狀態(tài)的冷凍干燥管等貯藏細菌活化后接入試管的傾斜面，然后通過錐形瓶和種子罐，經(jīng)連續(xù)擴增后進行一定數(shù)量和質量的純種培養(yǎng)過程。
種子制備包括實驗室種子制備和生產車間種子制備兩個階段。
2.2.2 影響質量的主要因素
影響質量的主要因素有培養(yǎng)基、接種齡和接種量、溫度、p H、通氣與攪拌、泡沫等。
2.2.3 種子質量標準
種子質量的評價通常從細胞或菌體的形態(tài)、發(fā)酵工業(yè)生產原料可選擇化指標、產物生成量、酶活力等方面進行。
3 發(fā)酵工程常用發(fā)酵設備
生物反應器是用于生化反應的核心設備，為生化反應提供合適的場所和反應條件。生物反應器的選擇、先進程度、運行操作和管理水平直接影響產品的產量、質量和工業(yè)效益。
微生物按需氧量可分為好氧微生物和厭氧微生物，生物反應器也可分為通風生物反應器（好氧生物反應器）和厭氧生物反應器。
3.1 通風液體發(fā)酵設備
通風攪拌通常是為了提高通風發(fā)酵罐中氧氣的溶解率，以滿足不同微生物代謝和產物不斷積累的需要。發(fā)酵罐有機械攪拌發(fā)酵罐、自吸式發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐、噴射自吸式發(fā)酵罐、溢流噴射自吸式發(fā)酵罐等。
3.2 通風固體發(fā)酵設備
通風固體發(fā)酵是一種設備簡單、投資少的傳統(tǒng)發(fā)酵工藝，廣泛應用于醬油和葡萄酒釀造、農副產品生產飼料蛋白等。通風固體發(fā)酵設備分為自然通風固體發(fā)酵技術設備和工程機械通風固體發(fā)酵設備。
3.3 厭氧發(fā)酵設備
厭氧發(fā)酵不需要供氧，設備結構一般比通風發(fā)酵簡單，發(fā)酵設備分為乙醇發(fā)酵設備和啤酒發(fā)酵設備等。
4 發(fā)酵過程參數(shù)
發(fā)酵工程技術研究的本質是通過內部控制發(fā)酵罐的操作參數(shù)，為微生物的生產和積累提供最有利的培養(yǎng)環(huán)境。
4.1 物理參數(shù)
4.1.1 溫度
溫度與酶的反應速率、氧在培養(yǎng)基中的溶解度和轉移速率、細胞生長速率與產物合成反應速率密切相關。
4.1.2 壓力
罐內的正壓可以防止外界空氣中的細菌入侵，避免污染，保證純凈的培養(yǎng)環(huán)境。
4.1.3 空氣流量
空氣流量是指每分鐘內每單位體積發(fā)酵液通入空氣的體積，也稱通風比，是通風發(fā)酵的控制參數(shù)。
4.1.4 攪拌轉速
對于通風發(fā)酵，通過控制發(fā)酵過程不同時期的轉速，可以調節(jié)培養(yǎng)基中的溶解氧含量。
4.1.5 攪拌功率
攪拌功率指攪拌儀器在攪拌時所消耗的功率，通常指混合發(fā)酵液每立方米所消耗的功率。
4.1.6 黏度
黏度可作為細胞生長或細胞結構形態(tài)的一項重要標志，也能反映不同發(fā)酵罐中菌絲分裂過程的條件。
4.1.7 料液流量
料液流量是控制流體進料的參數(shù)。
4.2 化學參數(shù)
4.2.1 p H
發(fā)酵液的p H是發(fā)酵生產過程中各種反應的綜合反映，是發(fā)酵工程的重要特征參數(shù)。p H與細菌的生長和產物的合成有重要關系。
4.2.2 溶解氧濃度
溶解氧濃度是發(fā)酵工程的必要條件之一。
4.2.3 基質含量
基質含量是指發(fā)酵液中糖、氮、磷等重要營養(yǎng)物質的濃度。
4.2.4 濁度
濁度是能及時反映一個單細胞生物生長發(fā)展狀況的參數(shù)，對產品的生產極其重要。
4.2.5 產物濃度
產物濃度是確定發(fā)酵產品產率或正常合成代謝的重要參數(shù)，也是確定發(fā)酵時間長短的依據(jù)。
4.2.6 氧化還原電位
氧化還原電位是發(fā)酵工程重要參數(shù)之一。
4.2.7 廢氣中的氧和CO2含量
測定廢氣中的氧和CO2含量可以算出生產菌的呼吸熵，得到生產菌的呼吸代謝規(guī)律。
4.3 生物參數(shù)
4.3.1 菌絲形態(tài)
菌絲形態(tài)是評價種子質量、區(qū)分發(fā)酵階段、控制發(fā)酵代謝變化和確定發(fā)酵周期的基礎。
4.3.2 菌體濃度
菌體濃度是控制微生物發(fā)酵的重要參數(shù)之一，特別是對抗生素次級代謝產物的發(fā)酵。
5 微生物發(fā)酵工程的應用
現(xiàn)代發(fā)酵工程技術已被用于工業(yè)、農業(yè)、制藥、食品、能源、環(huán)保等多個行業(yè)生產，可以作為一種新興工業(yè)經(jīng)濟體系建設發(fā)展，在各個行業(yè)創(chuàng)新中發(fā)揮重要作用。
5.1 醫(yī)藥工業(yè)
微生物發(fā)酵技術是生物轉化的主要方法之一，現(xiàn)代微生物發(fā)酵技術與醫(yī)藥研究結合，在醫(yī)藥學領域用于生產抗生素、維生素等常用藥物。
5.1.1 抗生素的微生物合成
抗生素是由微生物（包括真菌、放線菌、支原體和衣原體等）或高等動植物在生活過程中產生的具有抗病原體或其他活性的一類次級代謝產物，能干擾其他生物細胞生長發(fā)育功能的化學物質。
隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，抗生素的來源不僅限于微生物，已擴大到動植物，不僅可以用于治療細菌感染，還可以用于治療由原生動物、病毒和立克次體引起的腫瘤等疾病，有些抗生素能促進動植物的生長。
5.1.2 維生素類藥物的生產
維生素是一系列有機化合物的統(tǒng)稱，是生物體需要的微量營養(yǎng)成分，一般無法由生物體自己生產，需要通過飲食等手段獲得。作為六大生命要素之一，維生素在生命活動中必不可少。
5.2 資源開發(fā)
通過生物發(fā)酵，可以將綠色植物的秸稈、木屑以及工農業(yè)生產中的維生素、半纖維素和木質素等廢棄物轉化為液體或氣體燃料（酒精或沼氣）；可以利用微生物采油、產氫以及制成微生物電池；可以用于發(fā)展新型生物基化工產品，如水楊酸、烏頭酸、丙烯酸、己二酸、丙烯酰胺、長鏈二元酸、聚乳酸（PLA）和聚羥丁酸（PHB）等。
5.3 農業(yè)生產
5.3.1 生產食用菌
秸稈是水稻、小麥等農作物成熟脫粒后剩余的莖葉部分，其中，水稻的秸稈常被稱為稻草、稻藁，小麥的秸稈則被稱為麥稈。在適宜的環(huán)境下，將秸稈切碎轉化為一種良好的食用菌基質，能生產出營養(yǎng)豐富的食用菌。
5.3.2 菌糠代替有機肥
食用菌生長后的菌類物質稱為菌糠。在纖維素酶的協(xié)同作用下，秸稈中的纖維素和半纖維素可以降解為葡萄糖和果糖，動物可以直接利用。特別是飼料中普遍缺乏的必需氨基酸和Ca、Fe、Zn、Mg等元素的含量也相對較高，營養(yǎng)價值很高?？煞鬯槭秤镁罚苯佑米黠暳巷曫B(yǎng)家畜。
隨著全世界人口總數(shù)的不斷增加，人均耕地面積日益減少，糧食及其他食品的需求越來越大，而微生物工程是為人類提供食品、補充營養(yǎng)的重要途徑之一，用于微生物蛋白、氨基酸、新糖源、飲料、酒類和一些食品添加劑（如檸檬酸、乳酸、天然色素等）的生產。微生物肥料是一種純天然、無毒、無害、無殘留、無污染的高科技生物，生命力極強，適應社會各類工程地質、各類土壤，使用范圍極廣，可促進水稻、小麥等作物的生長。
生物有機肥是以動植物殘體為主要原料（如食草動物糞便、農作物秸稈等），由特殊功能微生物和有機物組成的肥料。生物有機肥雖然有微生物肥料、微生物菌劑、活性有機肥料等不同的叫法，但都是遵循土壤微生態(tài)學和作物營養(yǎng)學的原理，通過固態(tài)發(fā)酵方法生產的給作物提供營養(yǎng)物質、促進我國經(jīng)濟作物生長的一種復合肥。
6 發(fā)酵工程發(fā)展趨勢
6.1 發(fā)酵原料的開發(fā)和利用
糧食和能源緊張問題是當前和未來世界各國面臨的挑戰(zhàn)。地球上的石油、煤炭、天然氣等化石燃料終將枯竭，因此，發(fā)酵工業(yè)在發(fā)酵原料開發(fā)和利用方面的發(fā)展要求應該是：（1）實現(xiàn)原料到產品的高轉化率。（2）開發(fā)和利用非糧食農業(yè)生物質發(fā)酵原料，如纖維素、非糧淀粉、非糧脂肪酸等。（3）加強發(fā)酵產業(yè)向能源、化工以及材料等領域的延伸，實現(xiàn)部分代替石油，生產大宗材料、能源、化工產品等，逐漸減少對石油的依賴。
6.2 提高菌種效率
我國的發(fā)酵產業(yè)在硬件方面已經(jīng)達到很高的水平，提高菌種的效率是發(fā)展發(fā)酵產業(yè)的關鍵。
6.3 研發(fā)先進的發(fā)酵工藝技術
發(fā)酵工業(yè)具有高耗能、高耗水、不連續(xù)、易染菌的缺點，導致發(fā)酵產業(yè)成本增加，降低了競爭力。未來，發(fā)酵產業(yè)應該朝著無害高溫滅菌、低耗水和連續(xù)發(fā)酵方向發(fā)展，最終達到節(jié)能減排的目的。
6.4 新型發(fā)酵設備的研制
新型發(fā)酵設備的研制為發(fā)酵工程提供了先進工具，如固定化反應器是利用細胞或酶的固定化技術來生產發(fā)酵產品，提高了產率。
6.5 大型化、連續(xù)化、自動化控制技術的應用
現(xiàn)代生物技術的成功取決于高效率、低能耗的生物反應過程，其高效率又取決于自動化。發(fā)酵設備正逐步朝著容積大型化、結構多樣化、操作控制自動化的高效生物反應器方向發(fā)展，目的在于節(jié)省能源、原材料和勞動力，降低發(fā)酵產品的生產成本。
