一、微生物工程的定义
微生物工程是生物技术的基础和重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节。它将微生物学、生物化学、化学工程的基本原理有机地结合起来，是一门利用微生物的生命活动来生产人们所需的有用物质的工程技术。由于它是在酵母发酵生产饮料酒的基础上发展起来的，所以又称为发酵工程。
“发酵”（fermentation）一词最初来自于拉丁语的“发泡”（fervere），它描述酿酒过程中因产生大量CO2气体而引起的沸腾现象。巴斯德研究了酒精发酵的生理意义，认为发酵是酵母菌在无氧条件下的呼吸过程。生物化学上发酵为生物在无氧条件下的分解代谢，即EMP途径。随着科学技术的发展，微生物的秘密被逐渐揭开，微生物资源的利用逐渐扩大，除酿酒外，目前利用微生物生产的各种生物产品已达数千种，而其中绝大多数是有氧过程。基于历史的原因，人们把利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来生产微生物菌体或代谢产物的过程统称为发酵。
由于“发酵”一词产生于微生物被发现之前，因而它不可能包涵微生物的所有生命活动，也不可能确切反映现代微生物工业。作为现代科学概念上的微生物发酵工业，是20世纪40年代随着抗生素工业的兴起而得以迅速发展的。就目前的发展状况而言，微生物工程是利用微生物的特定性状和机能，通过现代化工程技术，生产有用物质或直接应用于工业化生产的一种技术体系；是将传统的发酵技术与现代的基因工程、细胞工程、代谢工程、生物信息工程和计算机控制等新技术结合并迅速发展的现代发酵技术。
二、微生物工程的特点
微生物工程的一般特点如下：
①生产所用的原料通常以淀粉、糖蜜等碳水化合物为主，辅料包括一定的有机或无机氮源和少量无机盐。只要不含有毒物质，所用原料一般没有精制的必要，微生物本身能有选择地摄取其中所需的有用物质。因此，微生物工程所用原料来源广泛，其中包括各种农副产品及食品、制糖、造纸等工业的废水和废料。
②微生物反应过程以生命体的自动调节方式进行，数十个生化反应过程能通过单一微生物的代谢活动来完成，因而所需产品可在单一发酵设备中一次合成。
③微生物能利用简单的物质合成复杂的高分子化合物。酶制剂、活性蛋白、活性肽和多糖等生物产品的生产是微生物工业最有发展前景的领域。
④由于生命体特有的反应机制，微生物能高度选择性地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团导入等转化反应，从而获得某些具有重大经济价值的物质。
⑤微生物在自然界中分布很广，种类繁多。人们可有目的地从自然界中筛选有用的微生物菌种，并可通过物理和化学诱变、细胞融合和基因重组等育种技术获得高产菌株。从分子生物学的观点看，微生物的基因组相对较小，调控系统相对简单，进行基因操作比动、植物要容易得多。例如最初从微生物生产青霉素时，其产率不到0.01%，经过人们的不断改造，今天已达5%以上，产率提高了500多倍。
与化学工程相比，微生物工程的特点为：
①作为生物化学反应，通常在常温常压下进行，因此没有爆炸之类的危险，各种生产设备一般不必考虑防爆问题。
②微生物发酵过程需防止杂菌污染，生产过程所需的设备、培养基和空气都需进行严格的无菌处理，一旦杂菌入侵就有可能导致发酵生产的失败。
③微生物发酵液成分较复杂，大多为非牛顿流体，其产品分离与纯化过程比化学反应过程产品复杂得多。
④制造发酵产物的微生物菌体也是发酵产物，微生物细胞富含蛋白质、核酸、维生素等有用物质。微生物发酵液一般不含对生物体有害的物质。
与生物工程的其他技术相比，微生物工程的特点为：
①与酶工程相比，微生物工程的特点是微生物的来源广、价格低，而且可以再生，但发酵液中含有一定副产物，给产品提取与纯化带来困难；而酶催化反应专一、无副产物、转化率高，但原酶价格高，有些酶来源受限制，且酶失活后不能再生。
②与动、植物细胞培养比较，微生物培养具有生长速度快、营养要求简单、对环境条件要求较低等特点。正因为如此，利用转基因微生物生产动、植物细胞产品已成为当前生物工程领域的研究热点。有关微生物培养与动、植物细胞培养的差异。
三、微生物工程的组成部分
除某些转化过程外，微生物工程可分为如下六个基本组成部分。
①培养基制备：包括原料的选择，必要的物理、化学方法加工（除杂、粉碎、蒸煮、水解、固液分离等），培养基的配制和灭菌等。
②无菌空气的制备：氧在发酵培养基中的溶解度是很低的，其饱和溶氧浓度一般不超过6～8g/m3，而整个好氧发酵过程中的需氧量达10～100kg/m3，是饱和溶氧浓度的几千倍至上万倍。因此，好氧发酵过程中必须源源不断地通入无菌空气。
③菌种与种子扩大培养：在微生物发酵过程中，首先应采用诱变育种、细胞融合和基因重组等技术对生产菌种进行改造，选择高产、稳产、对培养要求较低的生产菌种。发酵前必须经多级扩大培养获得足够数量和一定质量要求的种子，以满足发酵生产的需要。
④发酵培养：发酵培养操作的基本原则是按照特定微生物发酵的要求，保证和控制各种环境条件，如营养物浓度、温度、pH、压力、溶氧浓度等，以促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。对于不同的发酵生产，所要求的环境条件各不相同。如酒精、丙酮、丁醇、乳酸等的发酵生产为厌氧发酵，氨基酸、抗生素、单细胞蛋白等大多数发酵产品的生产为好氧发酵。因此，必须根据具体微生物的特性、代谢规律和产品特点，来选择合适的发酵设备和发酵条件。
⑤发酵产品下游加工过程：从微生物发酵液中分离、精制生物产品的过程常称为下游加工过程（down stream processing）。一般说来，下游加工过程可分为发酵液预处理、初步纯化（即提取）、高度纯化（精制）和成品加工四部分，所用单元操作包括絮凝、固液分离、细胞破碎、沉淀、吸附、膜分离、萃取、离子交换、电泳、结晶、色层分离、浓缩、干燥、包装等。
⑥微生物过程废弃物的处理：微生物发酵工业的废弃物包括三部分：原料处理过程中剩下的废渣，产品分离与提取过程剩下的细胞、废糟和废母液，以及生产过程中的各种洗涤水、冷却水。发酵废弃物一般不含有毒物质，但BOD和COD含量很高，其中不乏许多有用物质。如果直接排放，不仅会造成严重的环境污染，而且是资源的浪费。综合利用发酵液废弃物，发展高效、低能耗的废水处理技术，以实现发酵过程的清洁生产，是近年来微生物工程研究的重点之一。
