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发酵与发酵工程 采用新的发酵工艺和新的控制程序
随着技术水平的提高，人们逐渐采用了新的生物反应器和传感器，将生产水平越来越定量化。例如新的生物反应器对微生物的溶氧参数、热参数、酸碱度（PH值）、氧化还原电位等各个重要参数控制严格，获取这些重要参数的手段——传感器也日益灵敏，形式也更多样，形成了包括氧电极、耐热PH电极、菌浓检测器、底物和代谢产物检测器等在内的发酵工程传感器系列。
发酵与发酵工程 发酵工程的主角微生物
说起发酵工程，其实它的产品时时刻刻都在你身边：面包、啤酒、威士忌、豆瓣酱、酸奶、酱油、醋。。发酵工程的主角微生物是一种通称，它包括了所有形体微孝结构简单的低等生物。从不具有细胞结构的病毒，单细胞的立克次氏体、细菌、放线菌，到结构略为复杂一点的酵母菌、霉菌，以及单细胞藻类（它们是植物）和原生动物（它们是动物）等，都可以归入微生物。与发酵工程有关的，主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌。
一提到微生物，有些人就会皱起眉头，感到憎恶。因为他们想到的是微生物带来了人类的疾病，带来了植物的病害和食物的变质。其实，这种感情是不太公正的。对人类而言，大多数微生物有益无害，会造成损害的微生物只是少数。就总体来说，微生物肯定是功大于过，而且是功远远大于过。近年来迅速崛起的发酵工程，更是为许多微生物彻底改变了形象。因为在发酵工程里，正是这些微生物在忙忙碌碌，工作不息，甚至不惜粉身碎骨，才使得五光十色的产品能一一面世。从“乐百氏奶”等乳酸菌饮料，到比黄金还贵的干扰素等药品，都是微生物对人类的无私奉献。
微生物在发酵工程里充当着生产者的角色，这与它的特性是分不开的。
微生物的特性可以用三句话来概括，那就是：孙悟空式的生存本领，猪八戒式的好胃口，首屈一指的超生游击队。
发酵与发酵工程 孙悟空式的生存本领
孙悟空在神话里是个怎么也折腾不死的英雄。微生物的生存本领有点像孙悟空。对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件，微生物有极大的适应能力。拿温度来说，有些微生物80～90℃的环境中仍能繁衍不息，另一些微生物则能在…30℃的环境中过得逍遥自在，甚至在…250℃的低温下仍不会死去，只是进入“冬眠”状态而已。拿压强来说，在10千米深的海底，压强高达1。18×108帕，但有一种嗜压菌照样很活跃，而人在那儿会被压成一张纸。拿渗透压来说，举世闻名的死海里，湖水含盐量高达25％，可是仍有许多细菌生活着。正因为微生物有那么强盛的生命力，所以地球上到处都有它们的踪迹。
就像孙悟空会七十二变一样，微生物的强盛生命力还表现在善于变化上。外界环境的改变，或是内部的某个因素，都可能使某种微生物一下子变得面目全非，而且以后就以新的面目繁殖后代，遗传下去。这种变化往往使它更能适应环境，或者更适应人类的某种需要。微生物的这个特性在发酵工程里得到了很好的利用。
发酵与发酵工程 猪八戒式的好胃口
猪八戒是个饕餮成性的馋鬼。微生物吃起东西来，那风卷残云的气势活像猪八戒。和高等动物相比，微生物的消化能力要强上数万倍。在发酵罐里，一克酒精酵母一天能吃下数千克糖类，把它们分解成酒精；在人体里成千成万地盘踞着的大肠杆菌，如果能彻底满足它们的话，一个小时里能吃掉比自己重2000倍的糖。可不要以为这些小东西都像小孩子一样贪吃糖，微生物几乎什么都能吃。石油、塑料、纤维素、金属氧化物，都在微生物的食谱里；连形形色色的工业垃圾，残留在土壤里的农药DDT，甚至那剧毒的砒霜，也是某些微生物竟相吞吃的美味。这一点大概连贪吃的猪八戒也自愧弗如。
首屈一指的超生游击队
微生物的繁殖速度简直令人咋舌。大多数微生物是以“分”来计算繁殖周期的。也就是说，每隔数十分钟，一个微生物就会变成两个；再过一个周期，两个就会变成四个。只要条件合适，微生物的数量就会不停地成倍成倍地增长。
大肠杆菌的繁殖周期大约是12～17分钟，就算20分钟吧，一个大肠杆菌一天就能繁殖72代。有人算过，如果这72代都活下来，数目就是4，722，366，482，869，645，213，696个。按每10亿个大肠杆菌重1毫克计算，这些大肠杆菌大约重4722吨。照这样推算下去，要不了两天，繁殖出来的大肠杆菌重量就会超过地球。
这样一说可能你会担心，明天早上醒来时地球上已经积了厚厚一层细菌，人类要没有立足之地了。请放心吧，这种事是不会发生的，因为有许多条件在约束着微生物的繁殖。在现实生活中，微生物的数量不会无限制地增长，而总是保持在相对稳定的水平上。但是，那种惊人的繁殖能力，微生物是确实具备的。如果人们在某个局部环境里能充分满足微生物所需的条件，这种繁殖能力就会得到充分的发挥。
微生物的特性还可以举出一些，但是，最突出的，与发酵工程关系最密切的，就数这三条了。
发酵工程生产蛋白质
蛋白质是构成人体组织的主要材料，每个人在一生中要吃下约1。6吨蛋白质。然而，蛋白质是地球上最为缺乏的食品，按全世界人口的实际需要来计算，每年缺少蛋白质的数量达3000～4000万吨。可见，发酵工程生产单细胞蛋白的意义，它对全人类，对全世界有着不可估量的作用。
60年代，英国率先实现了单细胞蛋白的工业化生产。此后，日本、美国、法国、前苏联、德国相继建立了生产单细胞蛋白的工厂。步入90年代，全世界单细胞蛋白的产量已经超过2000万吨，质量也有了重大突破，从主要用作饲料发展到走上人们的餐桌。
发生在欧洲的一项进展是颇为有趣的。那里的科学家发现了一种新的生产单细胞蛋白的细菌——一种极为能干的氢细菌。这种氢细菌只吃氢气和空气就能合成蛋白质，并排出纯净的水。不过，要获得廉价的氢气，只有用电来分解水才行。于是，科学家们就计划在阳光充沛的荒漠上建造新颖的太阳风电站，用太阳来生产电，然后制取氢气，通过发酵工程生产单细胞蛋白。
这样，“荒漠变良田”的美好愿望就有可能用一种崭新的方式来实现了。
在大米、玉米、小麦中添加少量赖氨酸，就能极大地提高营养价值，接近动物蛋白的水平。联合国粮农组织和世界卫生组织确认，用添加赖氨酸来强化植物蛋白的营养，是解决不发达国家人口膨胀、营养缺乏的最经济、最有效的手段。
令人高兴的是，发酵工程已经能大量生产赖氨酸了。
最早用发酵法生产赖氨酸是在60年代初。那时的原料是葡萄糖水，生产效率也很低下。随着发酵工程的飞速发展，科学家们不仅通过筛选找到了一种又一种高产的菌种，还通过物理、化学方法的诱导和基因工程的协助，造就了一种又一种性能优异的菌株，使得赖氨酸的产率大大提高，而且原料也改而使用价格低廉的化学工业品，如生产尼龙的一种副产品等。目前，国际市场上1千克赖氨酸的价格仅合人民币5元左右。而在1吨粮食里添加2～4千克赖氨酸，就相当于增产了100千克鸡蛋，或是50千克猪肉。换句话说，10元钱的赖氨酸，就等于是50千克猪肉。算算这笔帐，你能不赞叹发酵工程的神通广大吗？
今天的发酸工程已经能生产所有的20多种氨基酸，所以这一部分的发酵工程被称为“氨基酸工业”。这20多种氨基酸，有的被用作食品添加剂、调味品，有的是药品，有的则充任饲料添加剂，间接地为人类服务。
氨基酸工业的产品，早已进入了家家户户。你家里不是常使用味精吗，那就是一种。味精的学名叫谷氨酸钠，它的主要成分就是一种氨基酸——谷氨酸。在本世纪30、40年代，味精还是用小麦、大豆等粮食作原料，用盐酸水解法来生产的。每30吨小麦只能生产1吨味精。60年代开始用发酵法生产，原料改为淀粉、葡萄糖。后来又逐步改为使用醋酸，既节约了粮食，又降低了成本。80年代末全世界味精的产量已达到40万吨，光日本就要生产七八万吨。
全世界的氨基酸产量每年都稳定增长，幅度在10％左右。
除了有些氨基酸用作药品外，还有许多药品生产是发酵工程的“势力范围”，而且这一“势力范围”在逐年扩大。例如抗菌素，这个人们很熟悉的药品大家族，几乎无一不是发酵工程的产品。其他如比黄金还贵的干扰素，治糖尿病的特效药胰岛素等，也都一样。
发酵工程与环保
事实上，在环境保护方面，发酵工程所发挥的作用及其拥有的潜力都是无与伦比的。
近百年来，环境恶化的问题给人类带来了极大的麻烦。随着工业的高度发展，废物、废气、废液泛滥成灾。光是美国，一年便要产生有害物质6000万吨。欧洲产生的有害物质也大致相当。其他各国便不必一一列举了，即使是第三世界国家，“三废”的排放量也是相当可观的。全世界的“三废”不仅数量惊人，而且还在以惊人的速度增长。拿污水来说，70年代全世界污水年排放量为4600亿立方米，到本世纪末将增长14倍，达到近70000亿立方米，在整个地球上，“三废”的产生和排放远远超过了大自然本身的净化能力。如果再不抓紧治理“三废”，再不采取有力措施保护环境，人类在地球上很快将没有立足之地了。
发酵工程的巨大威力使人们看到了彻底治理环境的曙光。
微生物治理环境这件事。可说是源远流长。多少年来，人类的生活中何曾少过废物、废水。不过，由于工业不怎么发达，城市人口也不怎么密集，这些废物、废水被伟大的自然界悄悄地消化掉了，不曾构成人类生存、发展的威胁。大自然拥有神奇的净化力量，而微生物则是净化力量的主力军。这些不起眼的小不点无声无息地战斗在环境保护的第一线，吃掉了废物、废水，把它们转化成可供动植物再次利用的无害物质，使地球保持着生态平衡。只有在进入工业社会以后，由于“三废”排放量剧增，那些自生自灭、各自为战的微生物已无法应付，回天乏力，生态平衡才被打破，人类才面临环境恶化的威胁。
最终，解决环境问题还得靠微生物，处理废物、废气、废水还得靠微生物。不过不是那些各自为战的微生物“游击队”，而是融合着人类智慧的、经过改造的微生物，是发酵工程的微生物“正规部队”。
现代发酵工程
现代发酵工程可以说是从传统的酿造业脱胎而来，然而，现代发酵工程与传统的酿造业已经是不可同日而语的两回事了。
可以举一个简单的例子来说明两者之间的天壤之别。
人类在几千年前就掌握了制酱技术。作为人们餐桌上重要调味品之一的酱油，世界上不少地方至今仍用传统的酿造工艺进行生产。那可是一个很繁琐、很费时的过程，从发酵、晒酱，直到取得成品酱油，需要半年到一年的时间。在80年代，日本的一家公司用现代的发酵工程取而代之。他们的做法是将一种耐乳酸细菌和一种酵母菌一起固定在海藻酸钙凝胶上，再装入制造酱油的发酵罐。各种营养物和水慢慢地从罐顶注入，产品酱油则不停地从罐底流出来，形成了一个连续生产的过程，从原料到成品的周期还不满3天！
另一个例子也许更能说明现代发酵工程的巨大优越性。
青霉素是大家所熟知的药品。它是最早问世的抗生素，至今仍是对付许多感染症的首选药物，仍在造福人类。青霉毒是一种叫产黄青霉的真菌的发酵产物。40年代，美国一家生产青霉素的工厂，由于生产手段落后，使用的发酵容器——培养瓶多达75万只。这在今天看来有点可笑，因为现在生产青霉素都是在大型发酵罐里进行的。荷兰有一家制药厂，用14个发酵罐生产青霉素，每个发酵罐的容积都达到10万升，产品和效率当然是那些培养瓶无法相比的。从事发酵工程的科学工作者还对产黄青霉菌株进行反复的选育和改良，使得用于生产的菌株性能一代更比一代强。最初，一升发酵液只能取得60毫克青霉素，而现在已经超过了20克。
发酵罐的作用
前面提到了发酵罐。发酵罐可以说是现代发酵工程的标志。目前世界上最大的发酵罐高度超过100米，容量达到4000立方米。
发酵罐是微生物在发酵过程中生长、繁殖和形成产品的外部环境装置，它取代了传统的发酵容器——形形色色的培养瓶、酱缸和酒窖。跟这些传统的容器相比，发酵罐具有一些明显的优点，例如：能进行严格的灭菌，通入空气，提供良好的发酵环境；能实施搅拌、震荡等促进微生物生长的措施；能对温度、压力、空气流量实行自动控制；能通过各种生物传感器测定发酵罐内的菌体浓度、营养成分、产品浓度，用电脑随时调节发酵进程。
所以，发酵罐能实现大规模的连续生产，最大限度地利用原料和设备，获得高产量、高效率。
不要以为发酵罐操作是发酵工程的“专利”。发酵罐在基因工程、细胞工程、酶工程中也占有重要的位置，是这些生物工程分支获得最终产品的基本设备。所以有人说，发酵罐是连接发酵工程与基因工程、细胞工程、酶工程的纽带，是生物工程整体的标志。
发酵工程的优越性当然并不局限于发酵罐。由于科学家们对发酵微生物进行精心筛癣诱导和改良，现代发酵工程的原料已从农林产品发展到醋酸、甲醇、天然气、纤维素等工业品或矿产品，这就为大规模生产提供了可能。
发酵工程的产品也远远超出了食品这一范围。从生产润滑剂、化妆品、炸药、塑料、激素、蛋白质，到冶炼金属，开采石油，处理污水，改良土壤，发酵工程几乎无所不能。
细菌的克星——噬菌体
以细菌作为宿主的这类病毒，我们称之为噬菌体，如果把它的名字通俗化，可以称为“吃细菌的生物体”。噬菌体可以说是细菌的克星。我们在读《西游记》时，常被孙悟空与二郎神斗法的精彩场面所吸引，俗话说“一物降一物”，细菌虽然神通广大，一旦碰上噬菌体，它也只能败下阵来。
噬菌体和发酵行业有着很密切的关系。
在微生物发酵生产过程中，要严格防止杂菌的污染，因为一旦染上了杂菌，不仅会造成产量的降低，而且由于产物变得复杂，会使发酵后产品的纯化处理遇上很大的困难。但最使工程技术人员感到头痛的是噬菌体入侵发酵罐后造成的污染。
一旦噬菌体遇上了细菌，它就会在细菌的细胞膜上找到一个适当的位置，紧靠上去，在细胞膜上“钻”一个洞，把体内的核酸注射入细胞内，这些核酸就可以利用细菌体内的各种养分，繁殖新的噬菌体，这种繁殖复制过程的速度相当快，其危害也是很大的。
让我们来看这样的一幕：当一个工厂正在发酵罐中生产味精时，噬菌体侵入了发酵罐。于是，几十吨甚至上百吨的原料变成了噬菌体和它的分解产物，而不是人们所期望的味精。在这种情况下，所有的产品只能排放入污水处理系统。这不仅造成了巨大的经济损失，而且还得花力气对污水进行处理，必要时整个工厂得停工数日，对发酵系统进行全面消毒，以免造成噬菌体的再次污染。
当然，对于人类来说，噬菌体并不完全是起坏作用的，由于它们的结构简单，繁殖速度快，已在生物工程的研究和生产中成为一种应用广泛的生物材料。
细菌也是自然财富
已经发现的细菌有成千上万种，尚未发现的有多少种呢？这将是一个永远无法解答的谜，因为人类将不断地发现新的菌种。为什么要将各种菌种加以保存呢？因为细菌也是自然财富。
在现代的发酵工业中，生产菌种的优劣是决定生产效益的重要因素，让我们以味精的发酵生产为例来说明。味精的商业名称，按科学上的命名，它应称为谷氨酸单钠盐，是一种有鲜味的调味品，在厨房中我们常可以见到。
本来，味精是用水解蛋白的方法来生产的，后来，人们找到了能产生谷氨酸的菌种，于是，就改用发酵法来进行生产。在发酵过程中，生产味精的细菌以糖类、蛋白质、无机盐等原材料为“食品”，经过发酵转化后产生了谷氨酸。好的菌种，它的产酸度（将原材料转化为谷氨酸的比例）较高；差的菌种，它的产酸率就低。在现代化的生产中，容量达几十吨乃至上百吨的发酵罐被广泛使用，如果去味精厂参观，我们可以见到这种有几层楼高的大圆桶状的装置，每次发酵的产酸率只要增加1％，其经济效益的增长就非常可观。
一个优良的生产菌种，往往是价值很高的宝贝。我国科学工作者和医药工作者共同完成的两步发酵法生产维生素C的工艺技术连同菌种，以数百万美元的高价转让给外国药厂就是一个很好的例子。由于优良生产菌种的重要性，各个企业都制订了严格的菌种保密措施。在国际上，偷窃优良生产菌种的事件也屡见不鲜。
不仅是有益菌对于人类特别重要，就是那些致病菌，对于人类也同样很重要。科学工作者和医务工作者要了解致病菌的特点，才能设计和制造出能够杀死这些菌种的药物。某些严重危害人类健康的菌种，也可能成为战争罪犯发动细菌战的“武器”，对此我们不能掉以轻心。
对于一个国�