一、发酵与发酵工程
发酵（fermentation）的英文术语最初来自拉丁语“fervere”（发泡、沸涌）这个单词，它的意思是指酵母菌作用于果汁或发芽谷物，产生二氧化碳的现象，如同我们轻轻开启啤酒瓶盖后所看到的现象那样。被称为微生物学之父的法国科学家巴斯德（Louis Pasteur）第一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，是生物获得能量的一种方式。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二氧化碳的过程。目前来看，巴斯德的观念还是正确的，但是，不是很全面，因为，发酵对于不同的对象，具有不同的意义。
对生物化学家来说，发酵是微生物在无氧时的代谢过程；而对工业微生物学家来说，发酵是指借助微生物在有氧或无氧条件下的生物活动，来制备微生物菌体本身或代谢产物。
当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，来大量生产或积累微生物细胞、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一种工程技术系统。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一起，利用生物细胞进行规模化生产，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、实现大规模生产产品的发酵技术和获得合格产品的分离纯化技术。
从图中可以看出，发酵工程的主要内容包括：原料的选择与处理，无菌空气的制备、生物细胞的选育与扩大培养，反应器的选择与生产条件的控制，产品的分离纯化等。
【知识拓展】
巴氏消毒法的由来
在19世纪，法国的啤酒业在欧洲是很有名的，但啤酒常常会变酸，整桶芳香可口的啤酒，变成了酸得让人咧嘴的黏液，只得倒掉，这使酒商叫苦不迭，有的甚至因此而破产。1865年，里尔一家酿酒厂厂主请求巴斯德帮助医治啤酒的病，看看能否加进一种化学药品来阻止啤酒变酸。
巴斯德答应研究这个问题，他在显微镜下观察，发现未变质的陈年葡萄酒和啤酒，其液体中有一种圆球状的酵母细胞，当葡萄酒和啤酒变酸后，酒液里有一根根细棍似的乳酸杆菌，就是这种“坏蛋”在营养丰富的啤酒里繁殖，使啤酒“生病”。他把封闭的酒瓶放在铁丝篮子里，泡在水里加热到不同的温度，试图既杀死乳酸杆菌，而又不把啤酒煮坏。经过反复多次的试验，他终于找到了一个简便有效的方法：只要把酒放在摄氏五六十度的环境里，保持半小时，就可杀死酒里的乳酸杆菌，这就是著名的“巴氏消毒法”。这个方法至今仍在使用，市场上出售的消毒牛奶就是用这种办法消毒的。
二、发酵工程的发展史
（一）天然发酵技术时期
在几千年前，人们开始利用自然发酵现象，从事酿酒、酱、醋、奶酪、豆腐乳等生产。这些产品的生产过程都是凭借历年积累的相关发酵经验，在没有亲眼见到微生物的情况下，利用微生物的生产过程。当时，人们不知道发酵的本质，也就不会人为地控制发酵过程。这种完全凭借经验的天然发酵生产方式一直持续到19世纪。
（二）微生物纯培养技术时期
1680年，荷兰商人、博物学家安东尼·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek），利用自己发明制造的显微镜发现了微生物世界，使人类第一次看到了微生物。但是，在此后的200年内，微生物学的研究基本上停留在形态描述和分门别类的阶段。直到19世纪中叶，巴斯德通过实验，证明了酒精发酵是由活酵母引起的，并指出，发酵现象是微生物进行的化学反应。之后，他连续对当时的乳酸发酵、酒精发酵、葡萄酒酿造、食醋制造等各种发酵现象进行研究，明确了这些不同类型的发酵是各自不同微生物参与的化学反应的结果。他明确指出，“酒精发酵是由酵母作用的结果，葡萄酒的酸败是由酵母以外的微生物参与发酵作用所引起的。”巴斯德不仅证明了发酵是由微生物参与作用的化学反应，而且还发明了著名的巴氏消毒法。目前，巴氏消毒法广泛应用于食品生产领域。巴斯德也由此被后人誉为微生物学鼻祖、发酵学之父。
自从对发酵的生理学意义有了认识之后，1872年布雷菲尔德（Brefeld）创建了霉菌的纯粹培养法，科赫（Koch R）完成细菌纯粹培养技术，从而确立了单种微生物的纯培养技术，使发酵技术从先前的凭借经验的天然发酵转变为可以靠人类控制和调节的纯培养发酵。
从19世纪末到20世纪，人们开始了乙醇、甘油、丙酮、丁醇、乳酸、柠檬酸、淀粉酶和蛋白酶等的微生物纯种发酵生产。这些产品主要是一些厌氧发酵和表面固体发酵产品的初级代谢产物。在发酵生产中，人们为防止杂菌侵入，设计了便于灭除其他杂菌的密闭式发酵罐以及其他灭菌设备。此阶段的发酵工程，与之前的自然发酵是两个迥然不同的概念，具体表现出以微生物的纯种培养技术为主要特征的发酵技术。
（三）深层发酵技术时期
1928年，弗莱明（Fleming）发现青霉菌能抑制其菌落周围的细菌生长的现象，并证明了青霉素的存在。但是，由于当时青霉素的产量非常低，导致这一发现没有受到广泛重视。
一直到20世纪40年代，第二次世界大战爆发，由于前线对抗生素的需求量非常大，从而推动了青霉素的研究进度。科学家们利用化学合成、固态发酵、液态发酵的方式进行青霉素生产，结果，实践表明，液态发酵最为理想，产量最高。由于青霉素生产是个需氧发酵，与以往的厌氧发酵区别很大，很容易受到杂菌污染，人们借鉴丙酮丁醇的发酵经验，成功创立了液态深层发酵技术。该技术包括向发酵罐内通无菌空气，发酵罐内安装提高发酵罐溶氧能力的搅拌器，培养基的灭菌和无菌接种技术，发酵过程中温度、pH、通风量的控制等。青霉素发酵从最初的浅盘培养到深层培养，同时配合发酵条件的改善和下游分离技术的成熟，使青霉素的生产水平有了很大提高，其中发酵水平从液体浅盘发酵的40U/ml效价提高到200U/ml。青霉素的迅速发展，推动了抗生素工业乃至整个发酵工业的快速发展。1944年，人们发现了用于治疗结核杆菌引起的感染的链霉素，随后，又陆续发现金霉素、土霉素等抗生素。此阶段的发酵工程表现出的主要特征是微生物液态深层发酵技术的应用。
（四）微生物酶转化及代谢调控技术的应用
1950-1960年，随着基础生物科学，如生物化学、酶学、微生物遗传学等学科的飞速发展，再加上新型分析方法和分离方法的发展，发酵工程领域有了两个显著进步。其一是采用微生物进行甾体化合物的转化技术，其二是以谷氨酸等发酵生产成功为代表的代谢控制发酵技术的出现。前者以美国为中心，采用微生物的生化反应，将甾体转化成副肾上腺皮质激素、性激素等技术，进行了广泛研究，成功将几个甾体化合物系列的激素投入工业化生产。
后者是1956年由日本的木下祝郎弄清楚了生物素对细胞膜通透性的影响，在培养基中限量提供生物素影响了膜磷脂的合成，从而使细胞膜的通透性增加。1957年，日本将这一技术应用到谷氨酸发酵生产中，从而首先实现了L-谷氨酸的工业化生产。谷氨酸工业化发酵生产的成功促进了代谢调控理论的研究，采用营养缺陷型及类似物抗性突变株实现了L-赖氨酸、L-苏氨酸等的工业化生产。此阶段称为发酵工程的第三个里程碑——以微生物酶转化及代谢调控技术为主要特征。
（五）微生物发酵原料的拓宽
1960-1970年这段时期，微生物代谢调控技术在发酵工程中得到了广泛的应用，几乎所有的氨基酸和核苷酸物质都可以采用发酵法生产。同时，石油微生物的发现，发酵原料多样化开发研究的开展，促进了单细胞蛋白发酵工业的兴起，使发酵原料由过去单一性碳水化合物向非碳水化合物过渡。从过去仅仅依靠农产品的状况，过渡到从工厂、矿业资源中寻找原料，开辟了非粮食（如甲醇、甲烷、氢气等）发酵技术，拓宽了原料来源的途径。此时期称为发酵工程的第四个里程碑——以发酵原料的转变或拓宽为主要特征。
（六）微生物基因工程育种
1953年，华特逊（Watson JD）与克里克（Crick FHC）提出了DNA的双螺旋结构，为基因重组奠定了基础。20世纪70年代成功地实现了基因的重组和转移。随着重组DNA技术的发展，人们可以按预定方案把外源目的基因克隆到容易大规模培养的微生物（如大肠杆菌、酵母菌）细胞中，通过微生物的大规模发酵生产，即可得到原先只有动物或植物才能生产的物质，如胰岛素、干扰素、白细胞介素和多种细胞生长因子等。从过去烦琐的随机选育生产菌株朝着定向育种转变，这给发酵工程带来了划时代的变革，被称为发酵工程的第五个里程碑——以引入基因工程，达到微生物定向育种为主要特征。
【知识拓展】
青霉素的发现
提到青霉素，人们都认为是弗莱明发现的。其实，在当时，弗莱明只是发现了有这个物质的存在，真正使之成为药物的是另两位科学家——霍华德·弗洛里和厄恩斯特·钱恩，是他们证明了青霉素的功效，并把这项技术奉献给人类，从此开创了抗生素时代。
1928年，弗莱明外出休假回来，发现一只未经刷洗的废弃的培养皿中长出了一种神奇的霉菌。他发现这种霉菌有抗菌作用——细菌覆盖了器皿中没有沾染这种霉菌的所有部位。当时，他发现感染的细菌是葡萄球菌，它是一种严重的、有时是致命的感染源。进一步研究发现，这种霉菌液还能够阻碍其他多种病毒性细菌的生长。青霉素（弗莱明在确认这种霉菌是一种青霉菌之后选定了这个名字）是否就是他长期以来一直在寻找的天然抗菌素？
它是可敷在伤口上的有效杀菌剂吗？进一步的试验表明，这种抗菌素作用缓慢，且很难大量生产。他当时的热情也随之降了下来。在他转向其他研究项目之前，他在1929年发表的一篇论文中介绍了自己的上述发现，但当时这篇论文并未引起人们的重视。
弗莱明在论文中提到青霉素可能是一种抗菌素，仅此而已。他没有开展观察青霉素治疗效果的系统试验。他给健康的兔子和老鼠都注射过细菌培养液的过滤液——进行青霉素的毒性试验，但从未给患病的动物注射过。如果当时他做了这方面的试验，这种“神奇药物”很可能会提早10年问世。
当时，英美两国媒体都报道了，关于弗莱明为创造一项医学奇迹而坚持不懈奋斗的传奇故事。它们把弗莱明描述成发现青霉素的天才。而事实上，在弗莱明自己的演讲中，他总把青霉素的诞生归功于弗洛里、钱恩和他的同事所作的研究，是他们挽救了青霉素。
1945年，诺贝尔奖评奖委员会将诺贝尔医学奖授予了弗莱明、弗洛里和钱恩。
三、发酵工程的内容、发酵方式和特点
严格地说，发酵工程是以生物细胞为催化剂的化学反应工程。但实际发酵工程长期以来，到目前仍然是微生物工程的代名词。因此，发酵工程的内容和特点谈的也是微生物工程的内容和特点。
（一）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、污水处理等领域。目前已知具有生产价值的发酵类型有以下五种：
1.微生物菌体发酵
这是以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵。传统的菌体发酵工业：有用于面包制作的酵母发酵及用于人类或动物食品的微生物菌体蛋白发酵两种类型。新的菌体发酵可用来生产一些药用真菌，如香菇类、天麻共生的密环菌以及从多孔菌科的茯苓菌和担子菌的灵芝等药用菌。这些药用真菌可以通过发酵培养的手段来生产出与天然产品具有同等疗效的产物。例如，目前市场上的百灵胶囊，它采用冬虫夏草菌丝发酵生产虫草产品，其发酵所得菌丝体内含的氨基酸、微量元素及药用成分与天然虫草非常相近。有的菌体发酵还可以用来生产生物防治剂，如苏云金杆菌、白僵菌等。人们可以将这些微生物制成的杀虫剂用于农业生产，如苏云金杆菌可毒杀鳞翅目、双翅目的害虫，已普遍用于生产实践。
