發酵工程（ fermentation engineering ）就是利用微生物的特定性狀和功能，通過現代化工程技術和設備來生產有用物質或將微生物直接用於工業化生產獲得目的產物的技術體係。包括發酵和提純兩個工序。
一、發酵
將微生物接種到合適的培養基中，通過控製其生長和代謝環境，來使微生物發揮起獨特功能的過程。其主要內容包括菌種的選育，種子的擴大培養，培養基的配製與滅菌，接種及發酵控製等。其基本過程見圖 7-11 。
從不同的角度可將發酵分成不同的類型。根據是否需要氧氣可分為厭氧發酵（靜置發酵）和好氧發酵（通氣發酵）；根據發酵培養基的性質可分為固態發酵和液態發酵；根據發酵方式的不同可分為分批發酵、補料分批發酵及連續發酵等。
1 、厭氧發酵
適用於厭氧或兼性厭氧微生物的發酵，如丙酮丁醇發酵、酵母菌的酒精發酵、乳酸發酵等。產生丙酮、丁醇的梭狀芽孢杆菌（ Clostridium ）是一種專性厭氧微生物，它的菌體發酵和發酵應在無氧條件下進行。酵母菌是一類兼性厭氧微生物，根據其生理特點，在種子製備時應在攪拌通風的條件下進行以促使其生長繁殖，而酒精發酵則在缺氧條件下進行。乳酸菌大多屬耐氣性厭氧菌，它們的生長和代謝產物合成與氧的有無關係不大，但為了防止雜菌汙染，還是以缺氧環境中發酵為宜。
2 、好氧發酵
適用於好氧微生物的發酵，如鏈黴素、穀氨酸、檸檬酸等的發酵。生產鏈黴素的是一類放線菌，生產檸檬酸的是一類黴菌，都是好氧性微生物，在厭氧條件下很難生長和代謝。雖然生產穀氨酸的棒杆菌也可在厭氧下發酵，但因穀氨酸是由 TCA 循環中的 a - 酮戊二酸為前體合成的，因此必需在有氧條件下才能生成。
3 、固態發酵
指發酵培養基的狀態是固體。如大曲酒發酵及紅曲發酵等。大曲酒發酵一般在窖池中進行，發酵原料經蒸煮後放入窖池，接種酒曲後覆膜發酵，起初由黴菌進行糖化，氧氣用淨後由酵母菌進行酒精發酵。紅曲需要在有氧條件下發酵，一般在曲盤上進行。為了使紅曲黴在固體培養基中生長良好，發酵過程中要經常灑水及翻曲。
4 、液態發酵
指發酵培養基的狀態為液體。絕大多數純種發酵都為液態發酵，如青黴素發酵。 早期的青黴素發酵在液體淺盤上進行，由於該法存在產量低、易汙染且勞動強度大等缺點，現已被深層液體通風發酵法取代。
深層液體通風發酵在密閉通風發酵罐中進行，將種子接入滅菌的發酵培養基中，然後在適宜的溫度、溶氧下發酵，發酵罐中有蛇管或夾套可以控溫，溶解氧的濃度可以通過調節攪拌機轉速或通入的無菌空氣的風量來控製。
5 、分批發酵
指在發酵過程中，除了不斷進行通氣（好氧發酵）和為調節發酵液的 pH 而加入酸堿溶液外，與外界沒有其它物料交換的一種發酵方式。培養基的量一次性加入，產品一次性收獲，是目前廣泛采用的一種發酵方式。其優點是： ① 對溫度的要求低，工藝操作簡單； ② 比較容易解決雜菌汙染和菌種退化等問題； ③ 對營養物的利用效率較高，產物濃度也比連續發酵要高。缺點是： ① 人力、物力、動力消耗較大； ② 生產周期較長，由於分批發酵時菌體有一定的生長規律，都要經曆延滯期、對數生長期、穩定期和衰亡期，而且每批發酵都要經菌種擴大發酵、設備衝洗、滅菌等階段； ③ 生產效率低，生產上常以體積生產率（以每小時每升發酵物中代謝產物的 g 數來表示）來計算效率，在分批發酵過程中，必須計算全過程的生產率，即時間不僅包括發酵時間，而且也包括放料、洗罐、加料、滅菌等時間。
6 、連續發酵
指 連續不斷地向反應器（發酵罐）中流加新鮮發酵液，同時又連續不斷地排出發酵液，從而使 pH 、養分、溶解氧等保持恒定，使微生物的生長和代謝活動保持旺盛穩定狀態的一種發酵方式。連續發酵可分為單罐連續發酵和多罐串聯連續發酵等方式。在單罐連續發酵中，由於發酵液在不斷攪拌，一部分剛流入的發酵基將隨發酵液一起流出（見圖 7-12 ）。其優點是： ① 設備的體積可以減小； ② 操作時間短，總的操作管理方便，便於自動化控製； ③ 產物穩定，人力物力節省，生產費用低。缺點是： ① 對設備的合理性和加料設備的精確性要求甚高； ② 營養成分的利用較分批發酵差，產物濃度比分批發酵低； ③ 雜菌汙染的機會較多，菌種易因變異而發生退化。
7 、補料分批發酵
補料分批發酵 是指在微生物分批發酵過程中，以某種方式向發酵係統中補加一定物料，但並不連續地向外放出發酵液的發酵技術，是介於分批發酵和連續發酵之間的一種發酵技術。
假設物料流入發酵罐的速率為 F in ，流出發酵罐的速率為 F ex ，則分批發酵時 F in ＝ F ex ＝ 0 ；連續發酵時 F in ＝ F ex 1 0 ；而補料分批發酵時 F in 與 F ex 不恒定，是可變的，有時為 0 ，有時不為 0 。通常 F ex ＝ 0 的單純補料工藝是增體積操作，不斷分次加入發酵基質或連續流加發酵基質，至發酵罐的體積不再適宜補料為止。所以發酵時間隻是有限地延長。另一種 F ex 1 0 ，即定期從發酵罐中排出一定量的發酵液以便能進一步補加物料的補料分批發酵，稱為重複循環工藝。該法具有如下優點： ① 可以解除底物的抑製、產物的反饋抑製和分解代謝物阻遏作用。當代謝產物收率或其生產速率明顯地受某種底物組分濃度影響（如用醋酸、甲醇、苯酚等作為發酵基組分而存在底物濃度的抑製）時，采用補料分批技術比分批發酵有利； ② 可以減少菌體生長量，提高有用產物的轉化率； ③ 菌種的變異及雜菌汙染問題易控製； ④ 便於自動化控製。
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