发酵工程
发酵工程是在微生物纯培养技术日益成熟、密闭式发酵罐设计成功的基础上，采用现代工程技术手段，利用某些微生物的特定生理功能，在人工控制的环境下生产有用的化学产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。
发酵工程的过程包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。
（一）发酵工程的工艺流程
1、菌种的选育
找到合适的菌种是发酵工程的前提。
人们最初是从自然界寻找所需要的菌种，如谷氨酸发酵时常用菌有谷氨酸棒状杆菌等。但这种方法得到的菌种，产量一般都比较低。20世纪40年代，微生物学家开始用紫外线、激光、化学诱变剂等处理菌种，使菌种产生突变，以筛选出符合要求的优良菌种，这种人工诱变育种选择菌种的方法已在氨基酸、核苷酸、某些抗生素等的发酵生产中获得成功。例如，不能合成高丝氨酸脱氢酶的黄色短杆菌就是用人工诱变的方法获得的，再有在1943年刚开始生产青霉素时，青霉素的含量只有20μg/mL左右，经过长期的诱变育种如今青霉素的含量已达到85000μg/mL以上。
随着细胞工程、基因工程等技术的日益成熟，科学家开始构建工程细胞或工程菌，用它们进行发酵，甚至能生产出一般微生物所不能生产的产品。例如，将大肠杆菌的质粒取出，整合上人生长激素的基因以后，重新植入大肠杆菌细胞内，利用带有人生长激素基因的工程菌进行发酵，可生产出大量的人生长激素。
2、菌种培养基的配制
培养基是选择出的菌种生活的环境，对菌种有多方面的影响，所以至关重要。一般来说，培养基的配方要经过反复的实验才能确定。
另外，发酵工程中所用的菌种多要求是纯培养的，即整个发酵过程不能混有杂菌，否则将导致产量大大下降，甚至得不到产品。例如，如果青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，将形成的青霉素分解掉。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
例如，谷氨酸发酵时常用菌有谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌等菌种，其培养液通常用豆饼(或马铃薯等)的水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素（为生长因子，是维生素的一种，在肝、肾、酵母和牛乳中含量较多）等配制而成。培养液配制完成以后，投放到发酵罐中，通入98kPa的蒸汽进行灭菌，冷却后，在无菌条件下才能接种。
3、扩大培养和接种
在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩大培养，让它们达到一定数量以后，再进行接种。
4、发酵过程
发酵过程一般是在发酵罐内进行的，发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升，罐上除有通气、搅拌、接种、加料、冷却等装置外，还有对温度、pH、通气量与转速等发酵条件进行检测和控制的装置。
发酵过程中环境条件的变化，不仅会影响菌种的生长繁殖，而且会影响菌种代谢产物的形成。为了使发酵过程能顺利进行，要随时取样检测培养液中的细菌数目、产物浓度，同时还要及时为发酵菌提供必需的营养，并严格控制温度、pH、溶氧量、通气量与转速等发酵条件。
味精的主要成分是谷氨酸的双钠盐，而谷氨酸以前通过植物蛋白质水解法生产。1957年，日本率先用微生物发酵法生产成功。下面以味精的发酵生产简单介绍一下谷氨酸的发酵过程。谷氨酸发酵用的菌种为谷氨酸棒状杆菌，它是好氧菌，所以发酵时要不断地通人无菌空气，并通过搅拌使空气形成细小的气泡，以增加培养基的溶氧量，当溶氧量不足时，生成的代谢产物就会是乳酸或琥珀酸而不是谷氨酸；搅拌的另一个作用是使菌种与培养液充分接触，提高原料的利用率；发酵温度控制在30~37℃、pH控制在7~8.0左右，当pH呈酸性时，谷氨酸棒状杆菌就会生成乙酰谷氨酰胺。经28~32小时，培养液中就会生成大量的谷氨酸，然后将谷氨酸从培养液中分离提取出来，通常每升培养液中能得到谷氨酸50~100g。提取出来的谷氨酸用适量的NaCO3溶液中和后，再经过过滤、浓缩、离心分离等步骤、最终制成味精。
现在，生物学家已可以通过计算机对发酵罐上的各种装置进行自动记录和自动控制。例如，对溶氧量的控制，可以通过通气和搅拌速度来调节；对温度控制，可以通过发酵罐上的温度自动测试、控制装置进行检测和调整；对pH的控制，可以通过加料装置，添加酸或碱进行调节，也可以在培养基中添加PH缓冲液等。
5、分离提纯
对发酵产品的要求不同，分离提纯的方法也相应有些区别，而且发酵产品要经过质量检查合格后，才能成为正式产品。利用发酵工程生产的产品有菌种代谢产物和菌种本身（如酵母菌和细菌）两大类。如果产品是菌种，分离方法一般是通过滤、沉淀其从培养液中分离出；如果产品是代谢产物，则采用蒸馏、萃取、离子交换等方法提取。分离提纯后的产品，还要经过质量检查合格后方可投入市场。
（二）发酵工程的应用
发酵工程优点原料来源丰富经济，产物专一，废弃物对环境的污染小或容易处理，因此在医药工业、食品工业、农业、冶金工业、环境保护等方面得到快速的发展，在一些发达国家，发酵工业的总产值占到国民生产总值的5%左右。我国也在20世纪80年代以后，大力地发展了发酵工业。
1、在食品工业上的应用
（1）通过发酵工程使一些传统的发酵产品，如啤酒、果酒、食醋等，使产品在产量和质量得到明显的提高。
（2）通过发酵工程生产的食品添加剂，改善了食品店品的品质及色、香、味。
例如，用发酵方法制得的L-苹果酸是国际食品界公认的安全型酸味剂，广泛用于果酱、果汁、饮料、罐头、糖果、人造奶油等的生产中。
（3）发酵工程有望为解决人类的粮食短缺问题开辟一条新的途径。
微生物含有丰富的蛋白质，如细菌的蛋白质含量占细胞干重的60%~80%，酵母菌的占45%~65%，而且它们的生长繁殖速度很快。因此，许多国家利用淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液、石化产品等为原料，通过发酵获得大量的微生物菌体，这种做生物菌体就叫做单细胞蛋白。20世纪80年代中期，全世界生产的单细胞蛋白已达2×106吨。用酵母菌等生产的单细胞蛋白可作为食品添加剂，甚至制成“人造肉”供人们直接食用。最近国外市场上出现的一种真菌蛋白食品，就以其高蛋白、低脂肪的特点受到了消费者的欢迎。单细胞蛋白用做饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。
2、在医药工业上的应用
发酵工程已广泛应用于医药工业上，很多抗生素、维生素、动物激素、药用氨基酸、核苷酸等都可通过发酵工程得到，其中，抗生素的生产占主要的地位。20世纪80年代，世界各地的抗生素年产量达2.5 x 104吨，产值超过40亿美元。目前，常用的抗生素已达一百多种，如青霉素类、头孢菌素类、红霉素类和四环素类。
有些药物如人生长激素、胰岛素，过去主要是靠从生物体器官、组织、细胞或尿液中提取，发酵工程为这些药物的生产量大大提高，已可满足普通人的需要。
随着基因工程和发酵工程结合应用，人们已可大批量生产人生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆抗体、白细胞介素-2、抗血友病因子、生长激素释放抑制因子等重要的药物。例如，生长激素释放抑制因子是一种人脑激素，能够抑制生长激素的不适宜分泌，用于治疗肢端肥大症。最初，生产生长激素释放抑制因子的方法是从羊脑中提取，50万个羊脑才能提取5mg，远远不能满足需要。而利用整合了生长激素释放抑制因子的基因的工程菌进行发酵生产，7.5L培养液就能得到5mg的生长激素释放抑制因子，而价格只有原来的几百分之一。
