發酵過程
沿革發酵一詞最早來自拉丁語“fervere”,意即“冒泡”，指的是釀酒時的冒泡（產生二氧化碳）現象。1857年法國化學家L.巴斯德證實酒精（乙醇）是由活的酵母引起發酵生成的，以後一些利用微生物對糖類等物質轉化的工業即不斷出現(見生物化工產品)。這使原始的發酵定義（僅限於通過微生物或其酶的作用，將有機化合物進行嫌氣代謝的過程，產物的分子結構要比原料更為簡單，如糖發酵形成乙醇或乳酸等）有了新的發展，它包括任何在人工控制下通過微生物作用生產特定產物的過程。因此好氣代謝過程的產品如某些抗生素、有機酸、維生素等也都屬於發酵產品。目前，發酵過程的產品已不下百種，有的產品如乙醇、丙酮－丁醇、檸檬酸等也同時是農林化工產品。但有的產品，如大多數的抗生素和某些維生素因其結構複雜，從技術及經濟角度講，化學合成方法進行工業生產是不合算的，只能用發酵方法來生產。因此，發酵過程在各國工業生產中，特別是化學、輕工、醫藥、食品工業都占有一定的地位。酶反應過程近年來亦有一定的發展，但酶的來源主要是微生物，還是要通過發酵的手段才能獲得。至於動植物細胞大量培養技術也是在發酵技術基礎上發展起來的。由上可見，發酵過程是生物反應過程的一個基本過程。
發酵過程過程分類按發酵產品分為四個主要類型：①以獲得微生物細胞為產品的過程；②以獲得微生物酶為產品的過程；③以獲得微生物代謝產物的過程，代謝產物包括分解代謝產物和合成代謝產物，分解代謝產物是指菌體利用基質，如澱粉或葡萄糖，分解成小分子物質的過程，而合成代謝產物又可分為初級代謝產物和次級代謝產物，其中初級代謝產物是指與微生物生長、繁殖有關的一類產物，而次級代謝產物是以初級代謝物為母體衍生而得的，結構類型多樣、複雜；④以微生物進行生物轉化的過程，即利用微生物細胞內專一性酶將一種化合物轉化為結構上與之相關的另一種產物的過程（表1）。
按過程的操作分為分批培養、連續培養和半連續培養法。按培養基的性質、還可分固體培養和液體培養，後者又可分表面培養和深層培養。大多數發酵產品，目前是採用分批深層培養法。嫌氣性微生物分解代謝產物，如丙酮-丁醇、乙醇等發酵生產，可採用連續培養法。
發酵過程典型流程可分成六個基本組成部分（圖1）：①供菌體生長和產物形成所用培養基的製備；②培養基、發酵罐和附屬設備的滅菌；③供發酵生產用的種子製備；④在發酵罐中提供最佳條件，以使菌體生長和產物形成；⑤產品的提煉和純化；⑥生產中所產生的廢物的處理。
典型機理微生物利用基質進行分解代謝或合成代謝的途徑隨不同產品而異。對代謝途徑的了解不僅能闡明代謝機理，更重要的是有利於人們進行發酵控制，使之沿生成產品的方向進行。典型的代謝途徑是：
發酵過程①細菌發酵生成丙酮酸葡萄糖可被多種細菌分解代謝形成丙酮酸，進一步由某些菌株以特定的代謝途徑（圖2）進行嫌氣發酵,在此過程中起催化作用的微生物有四種，它們分別生成不同產物（表2）。過程中所有的氫均是由NADH2(還原型輔酶I)轉化為NAD時釋出的。
發酵過程
發酵過程②胺基酸生物合成以葡萄糖為碳源、NH嬃為氮源、SO厈為硫源的胺基酸合成代謝途徑（圖3）中，不同微生物雖產生不同類型的胺基酸，但其共性是代謝產物對自身的生物合成途徑的第一個酶起反饋抑制作用，從而調節控制這些初級代謝物過量地合成。因此，為使產物合成，必須設法解除終產物的反饋抑制作用，或增加細胞膜的透性。這種代謝控制技術在胺基酸發酵中廣為套用。
發酵過程發酵過程的控制為了能使細菌的生長和產物的形成能沿著人們所要求的方向進行，必須對發酵過程中的生物、化學和物理變數（表3），即有關發酵參數進行檢測和控制。參數檢測儘可能採用能置於發酵罐內、可耐蒸汽滅菌的感測器，或與罐連通的測量裝置通過線上分析儀表顯示或記錄。有的參數無適當的感測器可供使用，則只能取樣後進行離線測定。有時可把一些原始的參數加以綜合處理而獲得二次參數，以便更深入地對過程作出估計。對過程的控制可以通過手控、常規控制儀表或計算機控制來進行，若要進行線上動態最佳化控制，則必須要有能正確描述過程變化的數學模型，以及環境對一些主要參數的關係式。
一些有用的二次參數有發酵液中菌體的攝氧率、發酵罐的體積氧傳遞係數、氧利用率、呼吸商、菌體得率係數、產物形成得率、菌體比生長速率、限制性基質利用率、產物形成速率等。
參考書目
P.F.Stanbury and A. Whitaker,Principles of Fermentation Technology，Pergamon Press，Oxford，1984.
