一、微生物工业产品的类型
如上所述，微生物工程就是利用有益微生物的生命活动来生产人们所需的产品，微生物过程的总反应式可表示如下。
微生物发酵的应用是多方面的，根据产品与微生物生长代谢的关系，可将微生物发酵工业分成如下四大类。
（一）微生物代谢产物产品
首先，微生物通过分解代谢获得能量（ATP）和组成细胞的基础物质（代谢产物），随后通过合成代谢合成各种细胞组分（蛋白质、核酸、多糖等），进而生长繁殖（合成细胞）。在此生命活动过程中的许多产物都可成为微生物发酵工业的产品，因此微生物代谢产物产品有很多，大体可分为中间代谢产物、代谢终产物和次级代谢产物三大类。
1.中间代谢产物
中间代谢产物即微生物生长代谢过程中所产生的代谢产物，包括分解代谢中间产物和合成代谢中间产物两部分。属于这类产物的微生物工业产品有乙醇、丙酮、丁醇、甘油、氨基酸、核苷酸、有机酸、多糖、维生素等。这类产品的形成伴随着微生物的生长与繁殖，生产过程的控制要点是合成一定量的微生物细胞，产生尽量多的目标产物，并控制副产物的形成。
2.次级代谢产物
微生物在第一次生长代谢过程中（对数生长期）不产生目标产物，目标产物在第二次代谢中（稳定期）形成。次级代谢产物与微生物菌体的生长繁殖无明显的关系，是菌体在生长的稳定期合成的具有特定功能的产物，如各种抗生素、生物碱、生长促进剂等。通常，丝状菌、真菌及产芽孢的细菌都能进行次级代谢，而肠道细菌则不能。在微生物次级代谢产品的生产过程中，菌体生长期与产物形成期的工艺条件有明显不同，应分别控制；此外，控制第一次代谢完成后的最适菌体浓度，有利于获得较高的次级代谢产品。
3.代谢终产物
代谢终产物是微生物代谢的最终产物，如酶制剂、蛋白质、核酸、细胞脂肪等。代谢终产物分胞外产物和胞内产物两大类，对于胞外产物，其生产过程的控制类似于中间代谢产物的生产；对于胞内产物，生产过程的控制要点是合成尽量多的微生物菌体，并使菌体中目标产物的含量尽量高。
（二）微生物菌体产品
这是以具有多种用途的微生物菌体细胞为目标产物的发酵工业，可分成两类。一类是活性微生物试剂，如活性干酵母、活性乳酸菌试剂、活性微生物杀菌剂等；另一类是富含一种或多种有用物质的微生物制品，如饲料酵母（含多种有用物质）、食用营养酵母（含多种有用物质）、富集酵母（含某种微量元素或维生素）、药用真菌（含一种或多种有用物质）等。由于目标产物是整个微生物细胞，因此生产过程的控制要点是合成尽量多的菌体，并控制各种代谢产物的形成。对于第一类菌体的发酵，还应控制收获时期菌体的生理状态，以便在其后的加工过程中获得较高的活细胞率；对于第二类菌体的发酵，则应使收获时菌体细胞积累尽量多的有用物质。
（三）微生物的生物转化
微生物的生物转化作用类似于酶反应过程，它利用微生物细胞中的一种或多种酶，作用于某种化合物的特定部位（基团），使之转变成结构类似但具有更大经济价值的另一种化合物。微生物的生物转化有脱氢、氧化、羟化、缩合、脱羧、氨化、脱氨、同分异构等催化反应。与酶反应比较，优点是省去了酶的分离与纯化过程，缺点是很难避免副产物的形成。
微生物工业中最常见的生物转化产品有甾体、抗生素和前列腺素等。微生物转化过程的特点是第一步生产大量的菌体，第二步催化单一的反应。在生产中，两步过程的培养基组成和反应条件都有明显的区别。生物转化过程的另一种生产方法是，将第一步生产的全细胞或其中有催化作用的酶固定在惰性载体上，这样具有生物转化作用的固定化细胞或酶就可以反复多次使用。
（四）微生物特殊机能的利用
①利用微生物净化环境；
②利用微生物保持生态平衡；
③利用微生物探矿、冶金、石油脱硫等；
④利用微生物基因工程菌株生产动、植物细胞产品。
二、微生物工业的范围
如前所述，微生物的应用已有数千年的历史。最初，微生物的应用仅限于食品与酿酒工业。随着近代发酵工业的建立与发展，微生物工业的应用领域逐渐扩展到医药、轻工、农业、化工、能源、环境保护和冶金等各个行业。特别是基因工程和细胞工程等现代生物技术的注入，从细胞水平和分子水平改良或创建微生物新种，使微生物发酵的水平大幅度提高，发酵产品的种类和范围不断增加，其中包括许多动、植物细胞产品。目前，微生物工业的产品已达数千种，涉及国民经济各部门。要准确划分微生物工业的范围是非常困难的，根据目前的情况可大致划分为下列16类。
（一）酿酒
酿酒是人类利用微生物发酵最早的领域，是微生物工业的母体工业。目前全世界饮料酒的总产量约2亿t，其商品产量和产值在微生物工业中均占首位。饮料酒以含糖原料（果汁、甘蔗汁、蜂蜜等）和淀粉质原料（米、麦、高粱、玉米、红薯、土豆等）经酿造加工而成，其中起主要作用的是霉菌和酵母，前者将淀粉转变为糖，后者将糖转化为酒精。饮料酒分发酵酒和蒸馏酒两大类，发酵酒包括葡萄酒、啤酒、果酒、黄酒和青酒等，蒸馏酒有白酒、白兰地、威士忌、俄德克、金酒、老姆酒等。
（二）发酵食品
发酵食品是原始人类利用微生物发酵的又一领域。天然食品经微生物（包括细菌、霉菌和酵母）适度发酵后，产生各种风味物质，使之味道更好，并有利于贮存。根据功能的不同，发酵食品可分为发酵主食品、发酵副食品、发酵调味品和发酵乳制品等。
①发酵主食品：面包、馒头、包子、发面饼等；
②发酵副食品：火腿、发酵香肠、豆腐乳、泡菜、咸菜等；
③发酵调味品：酱、酱油、豆豉、食醋、酵母自溶物等；
④发酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等。
（三）有机酸
醋酸和乳酸的生产和利用，在知道它们和微生物的关系以前就开始了。饮料酒在有氧条件下自然放置可制成醋，牛乳酸败可制成酸奶。而有机酸工业，则是随着近代发酵技术的建立而逐渐形成的。
霉菌（特别是曲霉）和细菌都具有生产有机酸的能力，其生产方法可分为两类，一类是以碳水化合物和碳氢化合物为原料的中间代谢产物发酵，另一类是以糖、糖醇、醇、有机酸等为原料的生物转化发酵。目前，采用发酵法生产的有机酸主要有醋酸（乙酸）、丙酸、丙酮酸、乳酸、丁酸、琥珀酸、延胡索酸、苹果酸、酒石酸、衣康酸、α-酮戊二酸、柠檬酸、异柠檬酸、葡萄糖酸、抗坏血酸、曲酸、水杨酸等。
（四）醇及有机溶剂
乙醇的工业化生产始于19世纪初，丙酮、丁醇、异丙醇、甘油等的生产始于20世纪初，可用微生物发酵法生产的其他醇类和溶剂还有丁二醇、二羟丙酮、甘露糖醇、阿拉伯糖醇、木糖醇、赤藓糖醇等。目前全世界酒精年总产量约2500万t，其中60%以上用于燃料酒精，其余用于饮料工业、化学工业和医药工业等。除酒精外，其他醇类及溶剂的产量较少，而丙酮、丁醇和甘油等有机溶剂目前大多采用化学法生产。
（五）酶制剂
酶是一种生物催化剂，它具有作用专一性强、催化效率高等特点，能在常温和低浓度下催化复杂的生化反应。没有酶，就没有生物体的一切生命活动。动物、植物、微生物都有细胞原生质分泌各种特异的酶，借以催化各种生化反应，并呈现各种生命现象。事实上，微生物发酵现象都是在各种各样的酶催化作用下完成的。
中国酒曲是世界上最早的微生物粗酶制剂，其中含有淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和酒化酶等。1897年德国人毕希纳（E。B□chner）证明发酵是由于微生物酶的作用，为近代酶学打下了基础。1898年，日本人高峰让吉从米曲霉中提取到高峰淀粉酶，此为利用微生物生产酶制剂产品的开端。
目前，生物界已发现的酶有数千种，用微生物发酵法生产的酶有上百种。按照酶催化反应的类型，将其分为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶和连接酶（合成酶）六类。而工业化生产的酶制剂，按用途不同可分为工业用酶和医药用酶两大类，前者一般不需纯制品，而后者要求的纯度较高，其价格是前者的数千倍至数百万倍。由微生物生产的工业用酶制剂主要有糖化酶、α-淀粉酶、异淀粉酶、转化酶、异构酶、半乳糖酶、纤维素酶、蛋白酶、果胶酶、脂肪酶、凝乳酶、氨基酰化酶、甘露聚糖酶、过氧化氢酶等，医药用酶主要有蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、核酸酶、脂肪酶、尿激酶、链激酶、天冬酰胺酶、超氧化物歧化酶、溶菌酶、血溶栓酶等等。
（六）氨基酸
众所周知，氨基酸是构成蛋白质的基本化合物，也是营养学中极为重要的物质。自1955年日本人木下祝郎成功地用发酵法获得谷氨酸以来，现在几乎所有的氨基酸均可用发酵法生产。目前全世界氨基酸的年总产量约100万t，其中产量最大的是谷氨酸（味精），其余的产量较少，主要有赖氨酸、精氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、天冬氨酸等。
（七）核酸类物质
核酸（nucleic acid）的单体是核苷酸（nucleotides），由含氮碱基（嘌呤或嘧啶）、戊糖（核糖或脱氧核糖）与磷酸三部分组成，若仅由前两部分组成则称为核苷（nucleosides）。核苷酸发酵始于20世纪60年代，最早的产品是鲜味剂肌苷酸（IMP）和鸟苷酸（GMP）。此后，发现许多核酸类物质如肌苷、腺苷、三磷酸腺苷（ATP）、烟酰胺腺苷嘌呤二核苷酸（NAD，辅酶Ⅰ）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、单磷酸尿嘧啶（UMP）等具有特殊的疗效，且用途正在日益扩大，从而促进了核酸类物质的生产。
目前，工业上生产核酸类物质的方法有三种：
①RNA分解法：首先从培养的酵母菌中提取RNA，再经酶解和分离可制得GMP、AMP、CMP和UMP。
②直接发酵法：核苷发酵多用枯草杆菌的变异株，肌苷、鸟苷、腺苷等均可用直接发酵法生成；核苷酸发酵多用产氨短杆菌或谷氨酸生产菌的变异株，已实现工业化生产的有5'-肌苷酸、5'-鸟苷酸等。
③发酵与合成结合法：先经微生物发酵得前体物质，然后用酶法或化学法合成目标产物。如IMP可由肌苷磷酸化获得，而GMP可由鸟苷磷酸化获得等。
（八）抗生素
抗生素是由微生物产生的具有生理活性的物质，它不但可以抑制其他微生物的生长与代谢，有的还可抑制癌细胞的生长，还具有抗血纤维蛋白溶酶（plasmin）作用。
自1928年弗莱明（A。Fleming）发现青霉素以来至今已发现的抗生素有6000余种，其中绝大多数来自于微生物，目前由微生物生产的医用和兽用抗生素已达上千种。按照抗菌特性的不同，抗生素可分成如下几类。
①抗细菌抗生素：杆菌肽（bacitracin）、头孢菌素（cephalosporin）、氯霉素（choramphen-icol）、金霉素（chlortetracycline）、环丝氨酸（cycloserine）、红霉素（erythromycin）、庆大霉素（gentamycin）、卡拉霉素（kanamycin）、青紫霉素（lividomycin）、柱晶白霉素（leucomycin）、林可霉素（lincomycin）、麦迪霉素（mydecamycin）、新霉素（neomycin）、新生霉素（novomycin）、竹桃霉素（oleandomycin）、土霉素（oxytetracycline）、巴龙霉素（paramomycin）、青霉素（penicilline）、磷霉素（phosphonomycin）、多黏菌素（polymyxin）、核糖霉素（ribosta-mycin）、利福霉素（rifomycin）、紫苏霉素（sisomycin）、螺旋霉素（spiramycin）、链霉素（streptomycin）、四环素（tetracycin）、万古霉素（vancomycin）、托普霉素（tobramycin）、紫霉素（viomycin）、短杆菌肽（tyrothricin）等。
②抗真菌抗生素：两性霉素B（amphotericin B）、杀假丝菌素（candicidin）、灰黄霉素（griseofulvin）、制霉菌素（nystatin）等。
③抗原虫抗生素：烟古霉素（fumagillin）、古曲霉素（trichomycin）等。
④抗肿瘤抗生素：放线菌素（actinomycin）、阿德里亚霉素（adriamycin）、博来霉素（bleomycin）、光神霉素（mithramycin）、丝裂霉素（mitomycin）、内瘤霉素（sarkomycin）等。
⑤起免疫抑制作用的抗生素：环孢菌素A等。
此外，某些天然抗生素在长期的使用中，会诱使一些病原菌产生抗药性。为了解除抗药性，同时也为了扩大抗菌谱，采用半合成的方法，将天然抗生素的侧链去掉，再用化学法加上新的侧链，如此生产的抗生素被称为半合成抗生素。研究最多的是青霉素型（如甲氧苯青霉素、氨苄青霉素、苯唑青霉素、磺苄青霉素等）和头孢菌素型（如头孢Ⅰ号、头孢Ⅱ号、头孢Ⅲ号、头孢Ⅳ号、头孢Ⅴ号、头孢Ⅵ号等）半合成抗生素，其他半合成抗生素有丁胺卡那霉素、甲烯土霉素、强力霉素、二甲胺四环素、四氢吡咯甲基四环素、去甲基金霉素、利福平、氯林肯霉素、去甲林肯霉素、乙酰螺旋霉素等。
（九）生理活性物质
生理活性物质是指能促进或抑制某些生化反应，使生物维持其正常的生命活动的一类物质。如前所述抗生素和某些核酸类物质（如AMP、ATP、NAD等）都应归为生理活性物质，除此之外，其他生理活性物质还有维生素、激素、酶抑制剂和杀菌剂等。
①维生素：维生素是指一类在生物生长和代谢过程中所必需的微量物质，其种类繁多。过去除鱼肝油外，大多采用化学合成法生产。最早用发酵法生产的维生素是维生素B2，它是在20世纪20年代生产丙酮-丁醇时作为一种副产物获得的。目前，用发酵法生产的维生素还有维生素B12、维生素C、β-胡萝卜素（维生素A原）和麦角甾醇（维生素D2原）等。
②激素：包括植物生长激素和甾体激素等。赤霉素是最早用微生物方法生产的植物生长激素，其余还有长蠕菌素等。甾体激素则大多用微生物生物转化方法生产，如醋酸可的松、氢化可的松等。
③酶抑制剂：为抑制生物体内特定酶活性的物质，如亮肽菌素（leupeptin）、抑菌素（ablastin）、小奥德蘑酮（oudenone）、抑胃蛋白酶素（pepstatin）、多巴素（dopastin）、胆固醇抑制剂、抑氨肽酶素等。
④其他生理活性物质：由微生物生产的其他生理活性物质还有葡聚糖、麻黄碱、L-多巴、高分子核酸和生物杀虫剂（在微生物农药中介绍）等。
（十）微生物菌体产品
按用途不同，微生物菌体产品可分为如下几类：
①活性干酵母（ADY）：包括面包活性干酵母和各种酿酒活性干酵母。
②活性乳酸菌制剂：直接食用可用于改善人体肠道微生物环境；此外，由各种乳酸菌制成的干剂用做直投型酸奶发酵剂。
③食用和药用酵母：包括作为营养强化剂或添加剂用的普通食用酵母，用于协助消化的普通药用酵母，以及具有特殊功效或治疗作用的富集酵母，如富锌酵母、富铁酵母、富铬酵母、富硒酵母和富维生素酵母等。
④饲用单细胞蛋白（SCP）：作为饲料蛋白质，其粗蛋白含量高达40%～80%。生产SCP的原料非常广泛，包括糖质、淀粉质、纤维质以及工农业生产废弃物等再生资源，也可利用甲烷、甲醇、乙醇、乙酸和正烷烃等石油化工产品。根据原料的不同，可选用的微生物有藻类、酵母、细菌、丝状真菌和放线菌等。
⑤其他：其他菌体产品有食用菌、药用真菌、某些工业用粗酶制剂（胞内酶）和生物防治剂等。
（十一）生物农药与生物增产剂
①微生物杀虫剂：包括病毒杀虫剂，如核型多角体病毒、质型多角体病毒、颗粒体病毒、重组杆状病毒；细菌杀虫剂，如苏云金杆菌、重组苏云金杆菌；真菌杀虫剂，如虫霉菌杀虫剂、白僵菌杀虫剂；动物杀虫剂，如原生动物孢子虫杀虫剂、新线虫杀虫剂、索线虫杀虫剂等。
②防治植物病害微生物：如细菌（假单胞菌属、土壤杆菌属等）、放线菌（细黄链菌）、真菌（木霉）、各种弱病毒和农用抗生素（如杀稻瘟菌素、灭瘟素S、春日霉素、庆丰霉素）等。
③生物除草剂：如环己酰胺、双丙磷A、谷氨酰胺合成酶等。
④生物增产剂：有固氮菌、钾细菌、磷细菌、抗生菌制剂等，作为农业生产的辅助肥料及抗菌增产剂。
（十二）生物能
乙醇是替代石油的可再生能源，目前世界上60%以上的酒精用于汽油醇。甲烷是微生物利用有机废弃物厌气发酵的产物。其他有微生物产氢、微生物燃料电池，此外还有藻类产油等。
（十三）环境净化
自然界本身就存在着碳和氮的循环，而微生物对生物物质的排泄物及尸体的分解起着重要作用。利用生物技术手段处理生产和生活中的有机废弃物，加速了这一分解过程的进行，且可对环境卫生作出很大的贡献。
①厌气处理：在厌氧条件下，微生物利用分解废弃物中的碳水化合物、蛋白质和脂肪等有机物质产生沼气，在治理环境的同时，又可获得一定量的能源，此外，经厌气发酵后的残渣还可用做肥料，可谓一举三得。
②好气处理：利用好气性微生物使有机物氧化，最终将BOD成分分解成二氧化碳和水。目前广泛应用的有活性污泥法、散布滤床法和旋转圆盘法等。
③特殊处理：利用特殊微生物降解某些有害物质，如酚、有机氮、有机磷、氰、腈、汞及某些金属离子等。
（十四）微生物冶炼
在金属浸取中，应用最广的微生物是氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans），它能将亚铁氧化成高铁，把硫和低价的硫化物氧化成硫酸，将含硫金属矿石（主要是尾矿、贫矿）中的金属离子形成硫酸盐而释放出来。可用此法浸出的金属有铜、钴、铅、铀、锌、金等。
（十五）转基因产品
可利用基因重组技术将动、植物细胞的基因转入微生物，通过微生物发酵生产动、植物细胞产品。常用的受体菌有大肠杆菌、枯草杆菌、啤酒酵母、毕赤氏酵母等。产品有胰岛素、生长激素、干扰素、疫苗、血纤维蛋白溶解剂、红细胞生成素、单克隆抗体等。
（十六）其他
其他微生物发酵产品有多糖（黄原胶、右旋糖酐、葡聚糖、茁霉多糖等）、高果糖浆、甜味肽等。
