項目描述：
發酵工業與人們的生活息息相關，發酵技術的應用已涉及農業生產、輕化工原料生產、醫藥衛生、食品、環境保護、資源和能源的開發等國計民生的多個領域。本項目從發酵的概念入手，詳細介紹發酵工業的發展曆史，發酵工業設計的範圍、特點，發酵工業的現狀和未來等知識，讓學生全麵了解發酵行業，激發學習的興趣。
學習目標：
深刻理解發酵的概念。
掌握發酵的特點和產品類型。
了解發酵工業的曆史進程及典型的事例。
能力目標：
能解釋日常生產生活中的發酵現象。
知道我國發酵行業發展的現狀及發展前景。
發酵技術有著悠久的曆史，早在幾千年前，人們就開始從事釀酒、製醬、製奶酪等生產。作為現代科學概念的微生物發酵工業，是在20世紀40年代隨著抗生素工業的興起而得到迅速發展的，而現代發酵技術又是在傳統發酵技術的基礎上，結合了現代的基因工程、細胞工程、分子修飾和改造等新技術。由於微生物發酵工業具有投資少、見效快、汙染小、外源目的基因易在微生物菌體中高效表達等特點，日益成為全球經濟的重要組成部分。據有關資料統計，在有些發達國家中，發酵工業的產值占GDP的5％。在醫藥產品中，發酵產品占有特別重要的地位，其產值占醫藥工業總產值的20％，通過發酵生產的抗生素品種就達200多個。
隨著基因重組、細胞融合、酶的固定化等技術的發展，發酵工程技術不僅可提供大量廉價的化工原料和產品，而且還有可能改善某些化工產品的傳統工藝，出現少汙染、省能源的新工藝，甚至合成一些性能優異的新型化合物。發酵工程技術的發展將推動生物技術和化工生產技術的變革和進步，在與人們生活密切相關的醫藥、食品、化工、冶金、資源、能源、健康、環境等領域產生巨大的經濟效益和社會效益。
一、認識發酵的概念
（一）發酵與發酵工程
1）發酵
發酵這個詞彙在生活中往往會讓人聯想到發麵製作饅頭、麵包，釀造醋、醬油、酒類，或者聯想到食品黴爛。很早以前人們就在生產實踐活動中廣泛地自覺或不自覺地運用發酵相關的技術，但是人們真正認識發酵的本質卻是近200年的事情。發酵（fermentation）一詞最初來源於拉丁語“發泡、沸湧（fervere）”，是派生詞，是用來描述酵母菌作用於果汁或發芽穀物（麥芽汁）進行酒精發酵時產生氣泡的現象，這種現象實際上是由於酵母菌作用果汁或麥芽汁中的糖，在厭氧條件下代謝產生二氧化碳氣泡引起的。人們就把這種現象稱為“發酵”，傳統的發酵概念隻是對釀酒這類厭氧發酵現象的描述。
生化和生理學意義的發酵，指微生物在無氧條件下，分解各種有機物質產生能量的一種方式，或者更嚴格地說，發酵是以有機物作為電子受體的氧化還原產能反應。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產生酒精並放出CO2。
工業上的發酵，泛指大規模的培養微生物生產某些產品的過程。包括：厭氧培養的生產過程，如酒精，乳酸等；通氣培養的生產過程，如抗生素、氨基酸、酶製劑等。產品有細胞代謝產物，也包括菌體細胞、酶等。
2）發酵工程
發酵工程是指利用微生物的生長繁殖和代謝活動，通過現代工程技術手段，進行工業化生產人們所需產品的理論和工程技術體係，是生物工程與生物技術學科的重要組成部分。發酵工程也稱作微生物工程，該技術體係主要包括菌種選育和保藏、菌種的擴大生產、微生物代謝產物的發酵生產和純化製備，同時也包括微生物生理功能的工業化利用等。它是一門多學科、綜合性的科學技術，既是現代生物技術的重要分支學科，又是食品工程的重要組成部分。
現代生物工程主要包括基因工程、細胞工程、酶工程、蛋白質工程和發酵工程5個部分，基因工程和細胞工程的研究結果，大多需要通過發酵工程和酶工程來實現產業化。基因工程、細胞工程和發酵工程中所需要的酶，往往是通過酶工程來獲得；酶工程中酶的生產，一般要通過微生物發酵的方法來進行。由此可知，生物工程各個分支之間存在著交叉滲透的現象。
生物工程主要操作對象工程目的與其他工程的關係基因工程基因及動物細胞、植物細胞、微生物改造物種通過細胞工程、發酵工程使目的基因得以表達細胞工程動物細胞、植物細胞、微生物細胞改造物種可以為發酵工程提供菌種、使基因工程得以實現發酵工程微生物獲得菌體及各種代謝產物為酶工程提供酶的來源酶工程微生物獲得酶製劑或固定化酶為其他生物工程提供酶製劑蛋白質工程蛋白質空間結構合成具有特定功能的新蛋白質是基因工程的延續。
（二）發酵工業的發展史
發酵工業的曆史大致可分為自然發酵階段、純培養發酵階段、深層通氣發酵階段、代謝調控發酵階段、開拓發酵原料階段、基因工程階段等6個階段。
1）自然發酵階段
幾千年前，人們在長期的日常生產生活中發現一些糧食經過一段時間的儲存後，經過自然界一些因素的作用，會產生一些像酸、辣等奇怪的現象，這些奇怪的味道逐漸被人們所接受並喜歡，同時慢慢地去積累經驗利用自然界的這種現象來生產人們喜歡的味道，從事釀酒、醬、醋、奶酪等生產，改善人們的生活。但是，人們對這種現象的本質一無所知，直到19世紀的時候仍然是一知半解。當時人們釀酒、醬、醋、奶酪等產品完全憑經驗，當周圍的環境變化了，自然會導致產品口味的變化，甚至會浪費糧食，現在很容易解釋這些現象，但對於我們的先人這是不可能的事情。
19世紀以前的很長時間，發酵一直處於天然發酵階段。憑經驗傳授技術，靠自然，人為不可控製，產品質量不穩定。
1900年以前利用自然發酵製曲釀酒、製醋、栽培食用菌、釀製醬油、醬品、泡菜、幹酪、麵包以及漚肥等。
特點：憑經驗生產，主要是食品，混菌發酵純培養發酵。
1900—1940年利用微生物純培養技術發酵生產麵包酵母、甘油、酒精、乳酸、丙酮、丁醇等厭氧發酵產品和檸檬酸、澱粉酶、蛋白酶等好氧發酵產品。
特點：生產過程簡單，對發酵設備要求不高，生產規模不大，發酵產品的結構比原料簡單，屬於初級代謝產物深層通氣發酵。
1940年以後利用液體深層通氣培養技術大規模發酵生產抗生素以及各種有機酸、酶製劑、維生素、激素等產品。
特點：微生物發酵的代謝從分解代謝轉變為合成代謝；真正無雜菌發酵的機械攪拌液體深層發酵罐誕生；微生物學、生物化學、生化工程3大學科形成了完整的體係代謝調控發酵。
1957年以後利用誘變育種和代謝調控技術發酵生產氨基酸、核苷酸等多種產品。
特點：發酵罐達50～200m3；發酵產品從初級代謝產物到次級代謝產物；發展了氣升式發酵罐（可降低能耗、提高供氧）；多種膜分離介質問世開拓發酵原料。
1960年以後利用石油化工原料（碳氫化合物）發酵生產單細胞蛋白；發展了循環式、噴射式等多種發酵罐；利用生物合成與化學合成相結合的工程技術生產維生素、新型抗生素；發酵生產向大型化、多樣化、連續化、自動化方向發展。
特點：用工業原料代替糧食進行發酵基因工程育種。
1979年以後利用DNA重組技術構建的生物細胞發酵生產人們所希望的各種產品，如胰島素、幹擾素等基因工程產品。
特點：按照人們的意願改造物種、發酵生產人們所希望的各種產品；生物反應器也不再是傳統意義上的鋼鐵設備，昆蟲軀體、動物細胞乳腺、植物細胞的根莖果實都可以看做是一種生物反應器；基因工程技術使發酵工業發生了革命性變化。
2）純培養技術的建立
自然發酵階段，人們不清楚發酵的本質，更不知道有微生物的存在並起作用。1680年，荷蘭商人、博物學家列文虎克發明了顯微鏡，人類借助顯微鏡首次發現了微生物世界，此後的200年間微生物學的研究基本上停留在形態描述和分門別類的階段。直到1857年，法國微生物學家巴斯德在幫助釀造者解決葡萄酒釀造過程中總是變酸的問題時，證明了酒精是由活的酵母發酵引起的，指出發酵現象是微小生命體進行的化學反應，闡述了發酵的本質，葡萄酒的酸敗是由於酵母以外的另一種更小的微生物（醋酸菌）發酵作用引起的。隨後發明了巴氏消毒法，使法國葡萄酒釀造業免受酸敗之苦。巴斯德也因此被人們譽為“發酵之父”。
1872年，微生物發展史上又一奠基人德國人柯赫首先發明了固體培養基，建立了細菌純培養技術，1905年因肺結核菌研究獲得諾貝爾獎；1872年，布雷菲爾德創建了黴菌的純粹培養法；1878年，漢遜建立了啤酒酵母的純粹培養法，微生物的分離和純粹培養技術，使發酵技術從天然發酵轉變為純粹培養發酵。並且，人們設計了便於滅除其他雜菌的密閉式發酵罐以及其他滅菌設備。微生物的純種培養技術，是發酵工業的轉折點。
3）液體深層通氣攪拌發酵技術的建立
1929年，英國人弗萊明（Fleming）發現了青黴素（弗萊明在汙染了黴菌的細菌培養平板上觀察到了黴菌菌落的周圍有一個細菌抑製圈，由於這種黴菌是青黴菌，因此弗萊明把這種抑製細菌生長的黴菌分泌物稱為青黴素）。1940年，美國和英國合作對青黴素進行生產研究，精製出了青黴素，並確認青黴素對傷口感染症比當時的磺胺藥劑更具有療效。恰逢第二次世界大戰爆發，對作為醫療戰傷感染的藥物的青黴素需求量大量增加，這些都大力推進了青黴素的工業化生產和研究。
最初青黴素是液體淺盤發酵，發酵單位（效價）隻有40U/mL，1943年發展到液體深層發酵，效價增加到200U/mL，如今發到5萬～7萬U/mL。隨後，鏈黴素、金黴素、新黴素、紅黴素等抗生素相繼問世，抗生素工業迅速崛起。抗生素工業的發展建立了一套完整的好氧發酵技術，大型攪拌發酵罐培養方法推動了整個發酵工業的深入發展，為現代發酵工程奠定了基礎。
4）微生物酶轉化及代謝調控技術的應用
1950—1960年，隨著生物化學、酶化學、微生物遺傳學等基礎生物科學迅速發展，人類開始用代謝控製技術進行微生物的育種和發酵條件的優化控製，大大提高了發酵工業的進程。1956年由日本的木下祝郎弄清楚了生物素對細胞膜通透性的影響，在培養基中限量提供生物素體影響了膜磷脂的合成，從而使細胞膜的通透性增加，穀氨酸得以排出細胞外並大量積累。1957年，日本將這一技術應用到穀氨酸發酵生產中，從而首先實現了L穀氨酸的工業生產。穀氨酸工業化發酵生產的成功促進了代謝調控理論的研究，采用營養缺陷型及類似物抗性突變株實現了L賴氨酸、L蘇氨酸等的工業化生產。
5）開拓發酵原料時期
1960—1970年這段時期，由於糧食緊張以及飼料的需求日益增多，為了解決人畜爭糧這一突出問題，許多生物公司開始研究生產微生物細胞作為飼料蛋白的來源，甚至研究以石油副產品為發酵原料，發酵原料多樣化開發研究的開展，促進了單細胞蛋白（SCP）發酵工業的興起，使發酵原料由過去單一性碳水化合物向非碳水化合物過渡。從過去僅僅依靠農產品的狀況，過渡到從工廠、礦業資源中尋找原料，開辟了非糧食（如甲醇、甲烷、氫氣等）發酵技術，拓寬了原料來源。
6）微生物基因工程育種
20世紀70年代以後，由於基因重組的成功實現，人們可以按預定方案把外源目的基因克隆到容易大規模培養的微生物（如大腸杆菌、酵母菌）細胞中，通過微生物的大規模發酵生產，可得到原先隻有動物或植物才能生產的物質，如胰島素、幹擾素、白細胞介素和多種細胞生長因子等。例如發酵法生產胰島素，傳統的胰島素生產方法是從牛或豬的胰髒中提取，每454kg牛胰髒，才能得到10g胰島素。這種傳統的胰島素生產方法很難滿足要求。現在通過基因工程育種，人們可以把編碼胰島素的基因導入大腸杆菌細胞中，創造出能夠生產胰島素的基因工程菌。再將帶有人胰島素基因的工程菌放到大型的發酵罐中，生產出大量的人胰島素。人們把這種大腸杆菌稱為生產胰島素的活工廠，用這種方法每200L發酵液就可得到10g胰島素，同時還大大縮短了生產周期。這給發酵工程帶來了劃時代的變革，使生物技術進入了一個新的階段——現代生物技術階段。