发酵

历史

法国化学家巴斯德是首位发酵学者。早在1857年，他将酵母与发酵联系了起来。巴斯德最初将发酵定义为“无需空气的呼吸”。他说“一切发酵过程都是微生物作用的结果”。巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒变质。 同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品。
德国人毕希纳确定了引起发酵的原因在于酵母分泌了一种他定义为“酿酶”的物质，他于1907年获得诺贝尔化学奖，其之后的研究则为丹麦嘉士伯的科学家所推动。
在获取了足够的关于酵母和发酵的知识后，如今发酵的研究达到了分子生物学水平。

培养

在工业上，发酵过程的发生处于严格的控制之下，这种控制称为培养，即分批培养、补料分批培养、半连续培养和连续培养。

分批培养

分批发酵是最为简单的发酵过程，培养基中接入菌种以后，没有物料的加入和取出，除了空气的通入和排气。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。
微生物生长分为：迟滞期、对数生长期、稳定期和死亡期。在迟滞期，菌体没有分裂只有生长，因为当菌种接种入一个新的环境，细胞内的核酸、酶等稀释，这时细胞不能分裂。当细胞内的与细胞分裂相关的物质浓度达到一定程度，细胞开始分裂，这时细胞生长很快，比生长速率几近常数。这个时期称为对数生长期。随着细胞生长，培养液中的营养物减少，废物积累，导致细胞生长速率下降，进入减速期和稳定期。最后当细胞死亡速率大于生成速率，进入死亡期。对于初级代谢产物，在对数生长期初期就开始合成并积累，而次级代谢产物则在对数生长期后期和稳定期大量合成。
分批培养的操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质量容易掌握；然而产率低，不适于测定动力学数据。

补料分批培养

补料分批培养是指在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所增加。在工厂的实际生产中采用这种方法很多。
在这样一种系统中可以维持低的基质浓度，避免快速利用碳源的阻遏效应；可以通过补料控制达到最佳的生长和产物合成条件；还可以利用计算机控制合理的补料速率，稳定最佳生产工艺。同时，由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降。由于有物料的加入增加了染菌机会。

半连续培养

在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为半连续培养。某些品种采取这种方式，如四环素发酵。放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量。然而这样做也导致代谢产生的前体物被稀释，提取的总体积增大。

连续培养

发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度都是恒定的。
在连续培养中控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周期长，可以得到高的产量。然而假如菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌种退化，降低产量。长时间补料染菌机会也大大增加。所以这样发酵方式在实际生产中并不常用。

应用

食品工业中经常应用发酵过程，应用到淀粉，可以使淀粉分解为较小的片段，同时放出二氧化碳，是制造面包的必须过程；应用到酿酒过程，使糖类分解成酒精同时放出二氧化碳；应用到制茶工艺，使茶叶中的没食子茶素分解再合成为茶黄素，使茶叶成为红茶；此外像制作丹贝、腐乳、奶酪、酸奶等都需要发酵过程。当发酵被应用于面食时，多称其为发面。
在制药工业上，现代发酵工程借由生物反应器-发酵罐，来进行胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物;天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料等的生产。现在，利用植物细胞之植物发酵，真菌细胞等发酵生物技术，生产高价之生物性医药产品，例如灵芝发酵，也成为追捧的热点。
化学工业上则用于生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。

发酵工程

发酵已经从过去纯粹经验化的自然过程，发展成为一个包含微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程等在内的多学科工程，即发酵工程。
发酵工程是生物工程的一个极其重要的分支，主要研究如何在最适发酵条件下，使发酵罐得以大量培养细胞和高效生产代谢产物的工艺技术。
从广义上讲，发酵工程由三部分组成：上游工程、发酵工程、下游工程。
发酵工程设计的一般过程主要包括：菌种选育、分子育种；发酵培养基的优化与设计；种子扩大培养；发酵过程动力学的设计；反应器中氧传递的控制；发酵过程的工艺控制；发酵工程优化放大