发酵过程(卷名：化工)
fermentation process
指在活细胞催化剂(主要是微生物细胞)作用下，所进行的系列串联生物反应过程，以生产生物化工产品。包括菌体生长和产物形成两个阶段，历时较长，鉴于微生物易变异及易受杂菌污染等原因，因此一般都采用分批操作的方式。
沿革 发酵一词最早来自拉丁语“fervere”，意即“冒泡”，指的是酿酒时的冒泡（产生二氧化碳）现象。1857年法国化学家L.巴斯德证实酒精（乙醇）是由活的酵母引起发酵生成的，以后一些利用微生物对糖类等物质转化的工业即不断出现(见生物化工产品)。这使原始的发酵定义（仅限于通过微生物或其酶的作用，将有机化合物进行嫌气代谢的过程，产物的分子结构要比原料更为简单，如糖发酵形成乙醇或乳酸等）有了新的发展，它包括任何在人工控制下通过微生物作用生产特定产物的过程。因此好气代谢过程的产品如某些抗生素、有机酸、维生素等也都属于发酵产品。目前，发酵过程的产品已不下百种，有的产品如乙醇、丙酮－丁醇、柠檬酸等也同时是农林化工产品。但有的产品，如大多数的抗生素和某些维生素因其结构复杂，从技术及经济角度讲，化学合成方法进行工业生产是不合算的，只能用发酵方法来生产。因此，发酵过程在各国工业生产中，特别是化学、轻工、医药、食品工业都占有一定的地位。酶反应过程近年来亦有一定的发展，但酶的来源主要是微生物，还是要通过发酵的手段才能获得。至于动植物细胞大量培养技术也是在发酵技术基础上发展起来的。由上可见，发酵过程是生物反应过程的一个基本过程。
过程分类 按发酵产品分为四个主要类型：①以获得微生物细胞为产品的过程；②以获得微生物酶为产品的过程；③以获得微生物代谢产物的过程，代谢产物包括分解代谢产物和合成代谢产物，分解代谢产物是指菌体利用基质，如淀粉或葡萄糖，分解成小分子物质的过程，而合成代谢产物又可分为初级代谢产物和次级代谢产物，其中初级代谢产物是指与微生物生长、繁殖有关的一类产物，而次级代谢产物是以初级代谢物为母体衍生而得的，结构类型多样、复杂；④以微生物进行生物转化的过程，即利用微生物细胞内专一性酶将一种化合物转化为结构上与之相关的另一种产物的过程（表1）。
按过程的操作分为分批培养、连续培养和半连续培养法。按培养基的性质、还可分固体培养和液体培养，后者又可分表面培养和深层培养。大多数发酵产品，目前是采用分批深层培养法。嫌气性微生物分解代谢产物，如丙酮-丁醇、乙醇等发酵生产，可采用连续培养法。
典型流程 可分成六个基本组成部分（图1）：①供菌体生长和产物形成所用培养基的制备；②培养基、发酵罐和附属设备的灭菌；③供发酵生产用的种子制备；④在发酵罐中提供最佳条件，以使菌体生长和产物形成；⑤产品的提炼和纯化；⑥生产中所产生的废物的处理。
典型机理 微生物利用基质进行分解代谢或合成代谢的途径随不同产品而异。对代谢途径的了解不仅能阐明代谢机理，更重要的是有利于人们进行发酵控制，使之沿生成产品的方向进行。典型的代谢途径是：
① 细菌发酵生成丙酮酸 葡萄糖可被多种细菌分解代谢形成丙酮酸，进一步由某些菌株以特定的代谢途径（图2）进行嫌气发酵，在此过程中起催化作用的微生物有四种，它们分别生成不同产物（表2）。过程中所有的氢均是由NADH2(还原型辅酶I)转化为NAD+时释出的。
② 氨基酸生物合成 以葡萄糖为碳源、NH嬃为氮源、SO厈为硫源的氨基酸合成代谢途径（图3）中，不同微生物虽产生不同类型的氨基酸，但其共性是代谢产物对自身的生物合成途径的第一个酶起反馈抑制作用，从而调节控制这些初级代谢物过量地合成。因此，为使产物合成，必须设法解除终产物的反馈抑制作用，或增加细胞膜的透性。这种代谢控制技术在氨基酸发酵中广为应用。
发酵过程的控制 为了能使细菌的生长和产物的形成能沿着人们所要求的方向进行，必须对发酵过程中的生物、化学和物理变量（表3），即有关发酵参数进行检测和控制。参数检测尽可能采用能置于发酵罐内、可耐蒸汽灭菌的传感器，或与罐连通的测量装置通过在线分析仪表显示或记录。有的参数无适当的传感器可供使用，则只能取样后进行离线测定。有时可把一些原始的参数加以综合处理而获得二次参数，以便更深入地对过程作出估计。对过程的控制可以通过手控、常规控制仪表或计算机控制来进行，若要进行在线动态优化控制，则必须要有能正确描述过程变化的数学模型，以及环境对一些主要参数的关系式。
一些有用的二次参数有发酵液中菌体的摄氧率、发酵罐的体积氧传递系数、氧利用率、呼吸商、菌体得率系数、产物形成得率、菌体比生长速率、限制性基质利用率、产物形成速率等。
参考书目
P.F.Stanbury and A. Whitaker，Principles of Fermentation Technology，Pergamon Press，Oxford，1984.