发酵与发酵工程的定义
发酵（fermentation）的英文术语初来自拉丁语“fervere”（发泡、沸涌）这个单词。它是指酵母菌作用于果汁或发芽谷物，产生二氧化碳的现象。被称为微生物学之父的法科学巴斯德（Louis pasteur）个探讨了酵母菌酒精发酵的生理意义，将发酵现象与微生物生命活动联系起来考虑，并指出发酵是酵母菌在无氧状态下的呼吸过程，即无氧呼吸，是生物获得能量的种方式。也就是说，发酵是在厌氧条件下，原料经过酵母等生物细胞的作用，菌体获得能量，同时将原料分解为酒精和CO2的过程。从目前来看，巴斯德的观念还是正确的，但也不是很全面，因为发酵对于不同的对象具有不同的意义。
对生物化学来说，发酵是微生物在无氧时的代谢过程。而对工业微生物学来说，发酵是指借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动，来制备微生物菌体本身或代谢产物的过程。
如今，人们把利用生物细胞（指微生物细胞、动物细胞、植物细胞、微藻）在有氧或无氧条件下的生命活动来大量生产或积累生物细胞、酶类和代谢产物的过程统称为发酵。
发酵工程是指利用生物细胞的特定性状，通过现代工程技术手段，在反应器中生产各种特定有用物质，或者把生物细胞直接用于工业化生产的种工程技术系统。发酵工程涉及微生物学、生物化学、化学工程技术、机械工程、计算机工程等基本原理和技术，并将它们有机地结合在起，利用生物细胞进行规模化生产。发酵工程是生物加工与生物制造实现产业化的核心技术。
发酵工程技术主要包括提供优质生产菌种的菌种技术、实现产品大规模生产的发酵技术和获得合格产品的分离纯化技术。发酵工程主要内容包括：发酵原料的选择及预处理，微生物菌种的选育及扩大培养，发酵设备选择及工艺条件控制，发酵产物的分离提取，废弃物的回收和利用等。

发酵工程的内容、发酵方式和特点

发酵工程是生物反应过程，其本质是以生物细胞为催化剂的化学反应工程。但长期以来，发酵工程仍然是微生物工程的代名词。因此，发酵工程的内容和特点也就是微生物工程的内容和特点。
1.发酵工程的内容
发酵工程主要包括菌种的选育和培养，发酵条件的优化，发酵反应器的设计和自动控制，产品的分离纯化和精制等。发酵工程涉及食品工业、化工、医药、冶金、能源开发、污水处理等域。发酵工程的产品可大致分为以下几大类：
（1）传统发酵产品
①发酵食品：面包、馒头、包子、发面饼、火腿、发酵香肠、豆腐乳、泡菜、咸菜等；②酒类：葡萄酒、啤酒、果酒、黄酒、青酒、白酒、白兰地等；③发酵调味品：酱、酱油、豆豉、食醋、酵母自溶物等；④发酵乳制品：马奶酒、干酪、酸奶等。
（2）微生物菌体细胞
①饲料用单细胞蛋白：酵母、细菌、藻类、丝状真菌和放线菌等；
②活性益生菌类：活性乳酸菌、双歧杆菌、食用和药用酵母菌等；③大型真菌：食用菌和药用真菌；④微生物杀虫剂：苏云金芽孢杆菌、虫霉菌、白僵菌等；⑤生物增产剂：固氨菌、钾细菌、磷细菌等。
（3）微生物酶类
包括各种酶类、酶制剂和各种曲类的生产。目前，由微生物生产的工业用酶制剂主要有糖化酶、a、异、转化酶、异构酶、乳糖酶、纤维素酶、蛋白酶、果胶酶、脂肪酶、凝乳酶、氨基酰化酶、甘露聚糖酶、过氧化氢酶等。
（4）微生物代谢产物
①初代谢产物：氨基酸、有机酸、有机溶剂、核苷酸、蛋白质、核酸和维生素等；②次代谢产物：抗生素、生物碱和植物激素等。
（5）微生物的转化产物
微生物的产物转化是指利用微生物代谢过程中的某种酶或酶系将种化合物转化成含有特殊功能基团产物的生物化学反应。这种转化般是通过脱氢、氧化、羟基化、脱水、缩合、脱羧、氨基化、脱氨、异构化等的酶促反应。例如，利用微生物转化技术将甘油转化为二羟基丙酮，将葡萄糖转化为葡萄糖酸，将转化为L山梨糖等；利用微生物细胞将甾体、薯皂甙转化成副肾上腺皮质激素、等。
（6）工程菌发酵产物
生物工程菌的发酵，是指对利用生物技术方法所获得的“工程菌”以及细胞融合等技术获得的“杂交细胞”等进行培养。这是种新型发酵，其产物多种多样，如用基因工程菌生产的胰岛素、生长激素、干扰素、疫苗、血纤维蛋白溶解剂、红细胞生成素等，用杂交细胞生产的用于诊断和治疗的各种单克隆抗体等。
（7）动物、植物细胞大规模培养的产物如利用木瓜细胞大规模培养生产木瓜蛋白酶，利用紫草单细胞培养技术生产天然食用色素等。
2.发酵方式
发酵是个错综复杂的过程，尤其是大规模工业发酵，需要采用各式各样的发酵技术，发酵的方式就是其中重要的发酵技术中的员。发酵方式可从多个角度进行分类：根据发酵过程对氧的需求分，发酵分为好氧发酵和厌氧发酵；按发酵培养基的相态分，发酵可分为液态发酵和固态发酵；按发酵培养基的深度或厚度分，发酵分为表面发酵和深层发酵；按发酵过程的连续性分，发酵可分为分批发酵、补料分批发酵和连续发酵；按菌种生活的方式分，发酵分为游离发酵和固定化发酵；按菌种的种类分，发酵分为单纯种发酵和多菌种混合发酵。在实际工业生产中，大都是将各种发酵方式结合进行的。目前应用多的是需氧、液体、深层、分批、游离、单纯种相结合的发酵方式。
下面是几种常见的发酵操作方式：
（1）分批发酵
分批发酵也叫间歇式发酵，是指在灭菌后的培养基中按比例接入相应的菌种进行发酵，发酵过程不再添加新的培养基或新的菌种，直至发酵结束的发酵方式。其特点是每次发酵过程都要经过装料、灭菌、接种、发酵、放料等系列过程，非生产时间长，生产效率低，成本较高。
（2）补料分批发酵
补料分批发酵即半连续发酵，是指在分批发酵过程中间歇或连续地补加新鲜培养基或某些营养物质的发酵方式。目前，它的应用范围非常广泛，几乎遍及整个发酵行业。补料分批发酵的理论研究在20世纪70年代以前几乎是，在早期的工业生产中，补料的方式非常简单，采用的方式就仅仅局限于间歇流加和恒速流加，控制发酵也是以经验为主。直到1973年日本学者Yoshida等人提出了
“fedl图batch fermentation"这个术语，并从理论上建立了个数学模型，补料分批发酵的研究才进入理论研究阶段。近年来，随着理论研究和应用的不断深入，补料分批发酵的内容大大丰富了。
和传统的分批发酵相比，补料分批发酵可以有效地减少发酵过程中培养基黏度升高引起的传质效率降低，解除降解物的阻遏和底物的反馈抑制，很好地控制代谢方向，延长产物合成期和增加代谢积累。
（3）连续发酵
连续发酵是指以定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。
连续发酵可分为单罐连续发酵和多罐串联连续发酵等方式。其优点有：简化了菌种的扩大培养，缩短了发酵周期，提高了设备利用率，操作管理方便，便于自动化控制，同时，产物稳定，人力物力节省，生产费用低，使产品更具商业竞争力。缺点有：①对设备的合理性和加料的精确性要求甚高；②营养成分的利用较分批发酵差，产物浓度比分批发酵低，产物提取成本较高；③杂菌污染的机会较多，菌种易因变异而发生衰退。
（4）固定化酶和固定化细胞发酵
固定化酶和固定化细胞发酵是酶工程中固定化酶技术在发酵工程中的应用。其优势在于固定化酶和固定化细胞可以重复使用，酶活力稳定，反应速率快，生产周期短，产品的分离和提纯也比较容易，易于机械化和自动化。
（5）多菌种混合发酵
多菌种混合发酵与传统的混合菌发酵不同。它是指利用两种以上的纯菌种按定比例，同时或按顺序接种到同培养基中进行发酵的过程。它的主要特点是可以形成多菌共生、酶系互补，不但可以提高发酵效率和产品数量、质量，甚至还可以获得新的发酵产品。它是种不需要进行体外DNA重组也能获得类似效果的新型发酵方式。
3.发酵工程的特点
微生物具有种类繁多、繁殖速度快、代谢能力强的特点，而且往往可以通过人工诱变获得有益的突变株。微生物酶的种类也很多，能催化各种生物化学反应。此外，微生物能够利用有机物、无机物等多种营养源，般可以不受气候、季节等自然条件的限制，通过室内反应器来生产多种多样的产品。因此，从传统的酿酒、酿酱、酿醋等技术上发展起来的发酵工程技术发展非常迅速，而且形成了与其他学科不同的特点：
①发酵过程以生物体的自身调节方式进行，多个反应就像单反应样，在单发酵设备中完成。
②反应通常在常温常压下进行，条件温和，能耗少，设备比较简单，对场地要求不高。
③微生物本身能有选择性地摄取所需物质，因此，其发酵原料往往比较广泛。原料通常是以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主的农副产品，也可以是工业废水或可再生资源，如植物秸秆、木屑等。
④容易合成复杂的化合物，能高度选择性地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团引入等反应。
⑤发酵过程中需要防止杂菌污染。生产设备及其附件需要进行严格的冲洗、灭菌，空气需要过滤除菌等。
发酵过程的这些特征体现了发酵工程的种种优点。在目前能源、资源紧张，人口、粮食及污染问题日益严重的情况下，发酵工程作为现代生物技术的重要组成部分中的员，得到越来越广泛的应用。