微生物是肉眼難以看清，需要借助光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡才能觀察到的一切微小生物的總稱，包括細(xì)菌、真菌、放線菌、支原體和衣原體等。微生物氧化分解有機(jī)物質(zhì)和釋放能量的過程稱為生物氧化，生物氧化分為呼吸和發(fā)酵兩種，發(fā)酵是生物氧化的重要途徑。發(fā)酵是指各類微生物細(xì)胞分解有機(jī)物的過程，或者是指通過微生物技術(shù)和離體的酶分解糖類，產(chǎn)生大量乳酸、乙醇和二氧化碳等代謝反應(yīng)產(chǎn)物的過程。
生物工程又稱生物技術(shù)，是以生物學(xué)（特別是微生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)）為基礎(chǔ)，結(jié)合化學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代工程技術(shù)，利用生物體的特性和功能，運(yùn)用分子生物學(xué)的新技術(shù)，有意識(shí)地操縱遺傳物質(zhì)，對(duì)生物體及其功能進(jìn)行定向修飾，然后通過適當(dāng)?shù)纳锓磻?yīng)器大規(guī)模培養(yǎng)這些工程細(xì)菌或工程細(xì)胞系，產(chǎn)生大量有用的代謝物或發(fā)揮其獨(dú)特生理功能的一個(gè)綜合性技術(shù)體系，是在分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新型綜合性應(yīng)用學(xué)科。它以分子生物學(xué)、仿生學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)為指導(dǎo)，在工程領(lǐng)域應(yīng)用各種生物利用技術(shù)和生物模擬技術(shù)，包括基因工程（基因工程）、細(xì)胞工程、微生物工程（發(fā)酵工程）、酶工程（生化工程）和生物反應(yīng)器工程。
1 .發(fā)酵工程概述
1.1 發(fā)酵工程的概念
微生物工程又稱發(fā)酵工程，是生物工程的一個(gè)重要組成部分，即利用微生物，在適當(dāng)?shù)臈l件下，將原料通過特定的代謝途徑加工成人類所需要的產(chǎn)品。從廣義上講，發(fā)酵系統(tǒng)工程由3個(gè)部分組成：上游工程、中游工程和下游工程。上游工程是理論研究、技術(shù)發(fā)展，包括優(yōu)良菌株的選育、最佳發(fā)酵條件（p H、溫度、溶解氧和營養(yǎng)成分）的確定等。中游工程主要是指在最佳發(fā)酵條件下進(jìn)行細(xì)胞大量培養(yǎng)和發(fā)酵罐中代謝產(chǎn)物生產(chǎn)的技術(shù)。下游工程指從發(fā)酵液中分離和純化進(jìn)行生產(chǎn)的技術(shù)，包括固液分離分析技術(shù)（例如離心分離、過濾分離、沉淀分離等工藝）、細(xì)胞破壁技術(shù)（超聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶等）、蛋白質(zhì)純化技術(shù)（沉淀法、色譜分離法和超濾法等），還有產(chǎn)品的包裝設(shè)計(jì)處理技術(shù)（真空干燥和冰凍干燥等）。從微生物的選擇、營養(yǎng)條件的確定、滅菌、種子罐膨脹培養(yǎng)、接種、發(fā)酵后期產(chǎn)品的分離純化等方面，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用。
發(fā)酵工程技術(shù)發(fā)展歷史悠久，經(jīng)歷了“手工農(nóng)產(chǎn)品加工—近代發(fā)酵工程—現(xiàn)代發(fā)酵工程”3個(gè)階段，可以利用現(xiàn)代生物信息技術(shù)對(duì)微生物進(jìn)行質(zhì)的改造，或構(gòu)建出微生物原來不具有的新性狀的菌株，利用微生物生長速度快、生長環(huán)境條件比較簡單以及代謝過程簡單等特點(diǎn)，在合適的條件下通過現(xiàn)代化建設(shè)工程管理技術(shù)和方法，使傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型微生物產(chǎn)業(yè)向技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，形成眾多生物系統(tǒng)工程新型文化產(chǎn)業(yè)，開發(fā)眾多人類社會(huì)需要的微生物發(fā)酵工程產(chǎn)物。
1.2 發(fā)酵工程的類型
1.2.1 對(duì)氧的需求
按照對(duì)氧的需求，發(fā)酵工程分為好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵。好氧發(fā)酵也叫通風(fēng)發(fā)酵，是指在發(fā)酵過程中必須通風(fēng)提供氧氣的發(fā)酵過程，一般工業(yè)生產(chǎn)中采用通入一定量無菌空氣的方法實(shí)現(xiàn)。厭氧發(fā)酵是指在整個(gè)發(fā)酵過程中無需通風(fēng)提供氧氣的發(fā)酵過程，一般厭氧發(fā)酵過程需要密閉容器。
1.2.2 培養(yǎng)基的物理狀態(tài)
按照培養(yǎng)基的物理狀態(tài)，發(fā)酵工程分為固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵。固態(tài)發(fā)酵是指微生物接種于固態(tài)培養(yǎng)介質(zhì)中的發(fā)酵過程。液態(tài)發(fā)酵是指微生物接種于液態(tài)培養(yǎng)介質(zhì)中的發(fā)酵過程。
1.2.3 菌種多樣性
按照菌種多樣性，發(fā)酵工程分為純種發(fā)酵和混菌發(fā)酵。純種發(fā)酵是指接種單一純種微生物進(jìn)行培養(yǎng)的發(fā)酵過程?；炀l(fā)酵是指接種多種微生物進(jìn)行培養(yǎng)的發(fā)酵過程。
1.2.4 工藝流程
按照工藝流程，發(fā)酵工程分為分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補(bǔ)料分批發(fā)酵。分批發(fā)酵是一種在特定條件下只完成一個(gè)生長周期的微生物培養(yǎng)方法。連續(xù)發(fā)酵是指以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)連續(xù)輸入一種新鮮培養(yǎng)基料液，同時(shí)以相同速度不斷流出含有產(chǎn)品的發(fā)酵液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定的發(fā)酵生產(chǎn)過程[7]。補(bǔ)料分批發(fā)酵是指在分批培養(yǎng)過程中，間歇或連續(xù)補(bǔ)充新鮮培養(yǎng)液的培養(yǎng)方法。
1.2.5 發(fā)酵規(guī)模
按照發(fā)酵規(guī)模，發(fā)酵工程分為小試發(fā)酵、中試發(fā)酵和大生產(chǎn)發(fā)酵。小試發(fā)酵是指在實(shí)驗(yàn)室小試規(guī)模下進(jìn)行的發(fā)酵過程，一般反應(yīng)器容積在10～100 L。中試發(fā)酵是指規(guī)模介于實(shí)驗(yàn)室小試發(fā)酵和大生產(chǎn)發(fā)酵之間的發(fā)酵過程，一般反應(yīng)器容積在100～3 000 L。大生產(chǎn)發(fā)酵是指在工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模下進(jìn)行的發(fā)酵過程，一般反應(yīng)器容積在3 000 L以上。
1.2.6 發(fā)酵原料
按照發(fā)酵原料，發(fā)酵工程分為糖類發(fā)酵、油類發(fā)酵、廢水發(fā)酵等類型。
1.2.7 發(fā)酵產(chǎn)物
按照發(fā)酵產(chǎn)物，發(fā)酵工程分為氨基酸發(fā)酵、有機(jī)酸發(fā)酵、抗生素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、維生素發(fā)酵等。
1.2.8 代謝產(chǎn)物
按照代謝產(chǎn)物，發(fā)酵工程分為初級(jí)代謝產(chǎn)物發(fā)酵（酒精發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵、有機(jī)酸發(fā)酵等）、次級(jí)代謝產(chǎn)物發(fā)酵（抗生素發(fā)酵、色素發(fā)酵等）。初級(jí)代謝產(chǎn)物是指微生物通過代謝活動(dòng)產(chǎn)生的初級(jí)代謝物，是生長和繁殖必需的物質(zhì)；次級(jí)代謝產(chǎn)物是指生物生長到一定階段，通過次級(jí)代謝合成的分子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的次級(jí)代謝物，沒有明顯或沒有必要的生物小分子的生長和繁殖。
1.3 發(fā)酵工程發(fā)展史
發(fā)酵→釀造食品工業(yè)→非食品工業(yè)→青霉素→抗生素發(fā)酵工業(yè)→氨基酸、核酸發(fā)酵（代謝控制發(fā)酵）→基因工程菌→動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)→植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)→藻類細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)→轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。
1.3.1 發(fā)酵現(xiàn)象的早期認(rèn)識(shí)
1857年，巴斯德證明了酒精是由活的酵母發(fā)酵形成的。
1897年，畢希納發(fā)現(xiàn)磨碎的酵母仍能使糖發(fā)酵形成酒精酶。
1.3.2 發(fā)酵工程的早期階段
人們對(duì)發(fā)酵工程技術(shù)的認(rèn)識(shí)始于19世紀(jì)末期，主要來自厭氧發(fā)酵，如利用酵母菌、乳酸菌生產(chǎn)食用酒精、乳酸和各種不同發(fā)酵過程的食品。
1916年，英國用梭狀芽孢桿菌生產(chǎn)丙酮丁醇；第一次世界大戰(zhàn)期間，德國用亞硫酸鹽法生產(chǎn)甘油，標(biāo)志著發(fā)酵工程從食品工業(yè)拓展到非食品工業(yè)。
1.3.3 發(fā)酵工程的重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)
1940年初，二戰(zhàn)爆發(fā)，青霉素被發(fā)現(xiàn)，工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)迅速形成。隨著抗生素工業(yè)的發(fā)展，形成了一套系統(tǒng)完整的好氧發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)，推動(dòng)了全世界發(fā)酵工業(yè)的深入發(fā)展，為現(xiàn)代發(fā)酵工程建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。
1970年初，細(xì)胞融合技術(shù)、基因技術(shù)等生物技術(shù)的發(fā)展，打破了生物物種之間的障礙，引導(dǎo)了新的有用微生物的生產(chǎn)，增加了控制微生物代謝物的基因拷貝，可以大大增加目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)量。將動(dòng)物、植物或某些微生物的控制基因植入細(xì)胞，可以快速、經(jīng)濟(jì)地大量生產(chǎn)這些產(chǎn)物。將具有不同工作性能的多種質(zhì)粒植入微生物體內(nèi)，使新菌株在清除污染、以非食品物質(zhì)為原料進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)或環(huán)境信息保護(hù)方面發(fā)揮作用。
1.3.4 發(fā)酵工程產(chǎn)業(yè)化發(fā)展
目前，全球發(fā)酵產(chǎn)品的年銷售額在400億美元左右，并以每年7%～8%的速率增長。我國發(fā)酵行業(yè)生產(chǎn)企業(yè)有5 000多家，主要發(fā)酵產(chǎn)品的年產(chǎn)值高達(dá)1 300億元。發(fā)酵工程技術(shù)為社會(huì)生產(chǎn)力的提高帶來了巨大的動(dòng)力，關(guān)系到解決食品與營養(yǎng)、健康與環(huán)境、資源與能源等重大問題。
2 發(fā)酵工程原理與技術(shù)
2.1 微生物菌種的選育
一般工業(yè)微生物可以通過以下方式獲得：從菌種保存機(jī)構(gòu)獲得相關(guān)菌株、篩選所需菌株、從自然樣品中分離和篩選菌株、從一些發(fā)酵制品中分離目的菌株。
2.1.1 自然選育
自然選育的一般程序是將菌種制成菌懸液，用稀釋法在固體平板上分離單菌落，再分別測(cè)定單菌落的生產(chǎn)能力，從中選出高水平菌種。
根據(jù)研究目的，從自然界中分離、篩選不同菌株的一般方法步驟：樣本數(shù)據(jù)采集→標(biāo)本材料的預(yù)處理→富集能力培養(yǎng)→菌種初篩→菌種復(fù)篩→性能鑒定→菌種保藏。
2.1.2 誘變育種
誘變育種是利用物理誘變劑和化學(xué)誘變劑改變微生物DNA的堿基，使錯(cuò)誤的DNA模板形成異常的遺傳信息，使某些蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，改變細(xì)胞功能。
2.1.3 雜交育種
雜交育種一般是指人工利用真核微生物的有性或準(zhǔn)有性生殖，或原核微生物的接合、F因子轉(zhuǎn)導(dǎo)等，誘導(dǎo)兩個(gè)具有不同遺傳性狀的菌株進(jìn)行基因重組，以獲得性能優(yōu)良的生產(chǎn)菌株。
2.1.4 代謝調(diào)控育種
代謝調(diào)控育種的研究內(nèi)容主要包括改變代謝通路的育種、改變自我代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)的育種。
2.1.5 原生質(zhì)體融合技術(shù)
原生質(zhì)體融合技術(shù)是將具有不同遺傳特性的兩個(gè)細(xì)胞的原生質(zhì)體融合產(chǎn)生重組的一種人工方法，也稱為“細(xì)胞融合”。原生質(zhì)體融合技術(shù)在細(xì)菌、放線菌、霉菌和酵母菌的育種中得到了廣泛的應(yīng)用。原生質(zhì)體融合技術(shù)研究的主要工作步驟包括選擇優(yōu)秀菌株、制備原生質(zhì)體、融合原生質(zhì)體、融合體再生、篩選優(yōu)良性狀的融合重組子基因。
2.1.6 基因工程育種
某些物質(zhì)在微生物體內(nèi)是不能合成的，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈铣蛇@些物質(zhì)的基因或酶。隨著基因工程的發(fā)展，某種基因可以人工合成，也可以從動(dòng)物身上提取、加工、拼接，然后通過載體轉(zhuǎn)移到微生物中表達(dá)，微生物可以合成人工胰島素等物質(zhì)，這些微生物被稱為工程菌株?；蚬こ碳夹g(shù)育種主要可以通過學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)染、雜交等手段，有目的地不斷增加、增強(qiáng)、取消、減弱某個(gè)或某些基因，得到發(fā)展需要的工程菌株。
2.2 微生物種子擴(kuò)大培養(yǎng)
2.2.1 種子擴(kuò)大培養(yǎng)
種子擴(kuò)大培養(yǎng)是將沙管、休眠狀態(tài)的冷凍干燥管等貯藏細(xì)菌活化后接入試管的傾斜面，然后通過錐形瓶和種子罐，經(jīng)連續(xù)擴(kuò)增后進(jìn)行一定數(shù)量和質(zhì)量的純種培養(yǎng)過程。
種子制備包括實(shí)驗(yàn)室種子制備和生產(chǎn)車間種子制備兩個(gè)階段。
2.2.2 影響質(zhì)量的主要因素
影響質(zhì)量的主要因素有培養(yǎng)基、接種齡和接種量、溫度、p H、通氣與攪拌、泡沫等。
2.2.3 種子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
種子質(zhì)量的評(píng)價(jià)通常從細(xì)胞或菌體的形態(tài)、發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)原料可選擇化指標(biāo)、產(chǎn)物生成量、酶活力等方面進(jìn)行。
3 發(fā)酵工程常用發(fā)酵設(shè)備
生物反應(yīng)器是用于生化反應(yīng)的核心設(shè)備，為生化反應(yīng)提供合適的場(chǎng)所和反應(yīng)條件。生物反應(yīng)器的選擇、先進(jìn)程度、運(yùn)行操作和管理水平直接影響產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和工業(yè)效益。
微生物按需氧量可分為好氧微生物和厭氧微生物，生物反應(yīng)器也可分為通風(fēng)生物反應(yīng)器（好氧生物反應(yīng)器）和厭氧生物反應(yīng)器。
3.1 通風(fēng)液體發(fā)酵設(shè)備
通風(fēng)攪拌通常是為了提高通風(fēng)發(fā)酵罐中氧氣的溶解率，以滿足不同微生物代謝和產(chǎn)物不斷積累的需要。發(fā)酵罐有機(jī)械攪拌發(fā)酵罐、自吸式發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐、噴射自吸式發(fā)酵罐、溢流噴射自吸式發(fā)酵罐等。
3.2 通風(fēng)固體發(fā)酵設(shè)備
通風(fēng)固體發(fā)酵是一種設(shè)備簡單、投資少的傳統(tǒng)發(fā)酵工藝，廣泛應(yīng)用于醬油和葡萄酒釀造、農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)飼料蛋白等。通風(fēng)固體發(fā)酵設(shè)備分為自然通風(fēng)固體發(fā)酵技術(shù)設(shè)備和工程機(jī)械通風(fēng)固體發(fā)酵設(shè)備。
3.3 厭氧發(fā)酵設(shè)備
厭氧發(fā)酵不需要供氧，設(shè)備結(jié)構(gòu)一般比通風(fēng)發(fā)酵簡單，發(fā)酵設(shè)備分為乙醇發(fā)酵設(shè)備和啤酒發(fā)酵設(shè)備等。
4 發(fā)酵過程參數(shù)
發(fā)酵工程技術(shù)研究的本質(zhì)是通過內(nèi)部控制發(fā)酵罐的操作參數(shù)，為微生物的生產(chǎn)和積累提供最有利的培養(yǎng)環(huán)境。
4.1 物理參數(shù)
4.1.1 溫度
溫度與酶的反應(yīng)速率、氧在培養(yǎng)基中的溶解度和轉(zhuǎn)移速率、細(xì)胞生長速率與產(chǎn)物合成反應(yīng)速率密切相關(guān)。
4.1.2 壓力
罐內(nèi)的正壓可以防止外界空氣中的細(xì)菌入侵，避免污染，保證純凈的培養(yǎng)環(huán)境。
4.1.3 空氣流量
空氣流量是指每分鐘內(nèi)每單位體積發(fā)酵液通入空氣的體積，也稱通風(fēng)比，是通風(fēng)發(fā)酵的控制參數(shù)。
4.1.4 攪拌轉(zhuǎn)速
對(duì)于通風(fēng)發(fā)酵，通過控制發(fā)酵過程不同時(shí)期的轉(zhuǎn)速，可以調(diào)節(jié)培養(yǎng)基中的溶解氧含量。
4.1.5 攪拌功率
攪拌功率指攪拌儀器在攪拌時(shí)所消耗的功率，通常指混合發(fā)酵液每立方米所消耗的功率。
4.1.6 黏度
黏度可作為細(xì)胞生長或細(xì)胞結(jié)構(gòu)形態(tài)的一項(xiàng)重要標(biāo)志，也能反映不同發(fā)酵罐中菌絲分裂過程的條件。
4.1.7 料液流量
料液流量是控制流體進(jìn)料的參數(shù)。
4.2 化學(xué)參數(shù)
4.2.1 p H
發(fā)酵液的p H是發(fā)酵生產(chǎn)過程中各種反應(yīng)的綜合反映，是發(fā)酵工程的重要特征參數(shù)。p H與細(xì)菌的生長和產(chǎn)物的合成有重要關(guān)系。
4.2.2 溶解氧濃度
溶解氧濃度是發(fā)酵工程的必要條件之一。
4.2.3 基質(zhì)含量
基質(zhì)含量是指發(fā)酵液中糖、氮、磷等重要營養(yǎng)物質(zhì)的濃度。
4.2.4 濁度
濁度是能及時(shí)反映一個(gè)單細(xì)胞生物生長發(fā)展?fàn)顩r的參數(shù)，對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)極其重要。
4.2.5 產(chǎn)物濃度
產(chǎn)物濃度是確定發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)率或正常合成代謝的重要參數(shù)，也是確定發(fā)酵時(shí)間長短的依據(jù)。
4.2.6 氧化還原電位
氧化還原電位是發(fā)酵工程重要參數(shù)之一。
4.2.7 廢氣中的氧和CO2含量
測(cè)定廢氣中的氧和CO2含量可以算出生產(chǎn)菌的呼吸熵，得到生產(chǎn)菌的呼吸代謝規(guī)律。
4.3 生物參數(shù)
4.3.1 菌絲形態(tài)
菌絲形態(tài)是評(píng)價(jià)種子質(zhì)量、區(qū)分發(fā)酵階段、控制發(fā)酵代謝變化和確定發(fā)酵周期的基礎(chǔ)。
4.3.2 菌體濃度
菌體濃度是控制微生物發(fā)酵的重要參數(shù)之一，特別是對(duì)抗生素次級(jí)代謝產(chǎn)物的發(fā)酵。
5 微生物發(fā)酵工程的應(yīng)用
現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)已被用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制藥、食品、能源、環(huán)保等多個(gè)行業(yè)生產(chǎn)，可以作為一種新興工業(yè)經(jīng)濟(jì)體系建設(shè)發(fā)展，在各個(gè)行業(yè)創(chuàng)新中發(fā)揮重要作用。
5.1 醫(yī)藥工業(yè)
微生物發(fā)酵技術(shù)是生物轉(zhuǎn)化的主要方法之一，現(xiàn)代微生物發(fā)酵技術(shù)與醫(yī)藥研究結(jié)合，在醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域用于生產(chǎn)抗生素、維生素等常用藥物。
5.1.1 抗生素的微生物合成
抗生素是由微生物（包括真菌、放線菌、支原體和衣原體等）或高等動(dòng)植物在生活過程中產(chǎn)生的具有抗病原體或其他活性的一類次級(jí)代謝產(chǎn)物，能干擾其他生物細(xì)胞生長發(fā)育功能的化學(xué)物質(zhì)。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，抗生素的來源不僅限于微生物，已擴(kuò)大到動(dòng)植物，不僅可以用于治療細(xì)菌感染，還可以用于治療由原生動(dòng)物、病毒和立克次體引起的腫瘤等疾病，有些抗生素能促進(jìn)動(dòng)植物的生長。
5.1.2 維生素類藥物的生產(chǎn)
維生素是一系列有機(jī)化合物的統(tǒng)稱，是生物體需要的微量營養(yǎng)成分，一般無法由生物體自己生產(chǎn)，需要通過飲食等手段獲得。作為六大生命要素之一，維生素在生命活動(dòng)中必不可少。
5.2 資源開發(fā)
通過生物發(fā)酵，可以將綠色植物的秸稈、木屑以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的維生素、半纖維素和木質(zhì)素等廢棄物轉(zhuǎn)化為液體或氣體燃料（酒精或沼氣）；可以利用微生物采油、產(chǎn)氫以及制成微生物電池；可以用于發(fā)展新型生物基化工產(chǎn)品，如水楊酸、烏頭酸、丙烯酸、己二酸、丙烯酰胺、長鏈二元酸、聚乳酸（PLA）和聚羥丁酸（PHB）等。
5.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)
5.3.1 生產(chǎn)食用菌
秸稈是水稻、小麥等農(nóng)作物成熟脫粒后剩余的莖葉部分，其中，水稻的秸稈常被稱為稻草、稻藁，小麥的秸稈則被稱為麥稈。在適宜的環(huán)境下，將秸稈切碎轉(zhuǎn)化為一種良好的食用菌基質(zhì)，能生產(chǎn)出營養(yǎng)豐富的食用菌。
5.3.2 菌糠代替有機(jī)肥
食用菌生長后的菌類物質(zhì)稱為菌糠。在纖維素酶的協(xié)同作用下，秸稈中的纖維素和半纖維素可以降解為葡萄糖和果糖，動(dòng)物可以直接利用。特別是飼料中普遍缺乏的必需氨基酸和Ca、Fe、Zn、Mg等元素的含量也相對(duì)較高，營養(yǎng)價(jià)值很高。可粉碎食用菌糠，直接用作飼料飼養(yǎng)家畜。
隨著全世界人口總數(shù)的不斷增加，人均耕地面積日益減少，糧食及其他食品的需求越來越大，而微生物工程是為人類提供食品、補(bǔ)充營養(yǎng)的重要途徑之一，用于微生物蛋白、氨基酸、新糖源、飲料、酒類和一些食品添加劑（如檸檬酸、乳酸、天然色素等）的生產(chǎn)。微生物肥料是一種純天然、無毒、無害、無殘留、無污染的高科技生物，生命力極強(qiáng)，適應(yīng)社會(huì)各類工程地質(zhì)、各類土壤，使用范圍極廣，可促進(jìn)水稻、小麥等作物的生長。
生物有機(jī)肥是以動(dòng)植物殘?bào)w為主要原料（如食草動(dòng)物糞便、農(nóng)作物秸稈等），由特殊功能微生物和有機(jī)物組成的肥料。生物有機(jī)肥雖然有微生物肥料、微生物菌劑、活性有機(jī)肥料等不同的叫法，但都是遵循土壤微生態(tài)學(xué)和作物營養(yǎng)學(xué)的原理，通過固態(tài)發(fā)酵方法生產(chǎn)的給作物提供營養(yǎng)物質(zhì)、促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)作物生長的一種復(fù)合肥。
6 發(fā)酵工程發(fā)展趨勢(shì)
6.1 發(fā)酵原料的開發(fā)和利用
糧食和能源緊張問題是當(dāng)前和未來世界各國面臨的挑戰(zhàn)。地球上的石油、煤炭、天然氣等化石燃料終將枯竭，因此，發(fā)酵工業(yè)在發(fā)酵原料開發(fā)和利用方面的發(fā)展要求應(yīng)該是：（1）實(shí)現(xiàn)原料到產(chǎn)品的高轉(zhuǎn)化率。（2）開發(fā)和利用非糧食農(nóng)業(yè)生物質(zhì)發(fā)酵原料，如纖維素、非糧淀粉、非糧脂肪酸等。（3）加強(qiáng)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)向能源、化工以及材料等領(lǐng)域的延伸，實(shí)現(xiàn)部分代替石油，生產(chǎn)大宗材料、能源、化工產(chǎn)品等，逐漸減少對(duì)石油的依賴。
6.2 提高菌種效率
我國的發(fā)酵產(chǎn)業(yè)在硬件方面已經(jīng)達(dá)到很高的水平，提高菌種的效率是發(fā)展發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。
6.3 研發(fā)先進(jìn)的發(fā)酵工藝技術(shù)
發(fā)酵工業(yè)具有高耗能、高耗水、不連續(xù)、易染菌的缺點(diǎn)，導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)業(yè)成本增加，降低了競(jìng)爭力。未來，發(fā)酵產(chǎn)業(yè)應(yīng)該朝著無害高溫滅菌、低耗水和連續(xù)發(fā)酵方向發(fā)展，最終達(dá)到節(jié)能減排的目的。
6.4 新型發(fā)酵設(shè)備的研制
新型發(fā)酵設(shè)備的研制為發(fā)酵工程提供了先進(jìn)工具，如固定化反應(yīng)器是利用細(xì)胞或酶的固定化技術(shù)來生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品，提高了產(chǎn)率。
6.5 大型化、連續(xù)化、自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用
現(xiàn)代生物技術(shù)的成功取決于高效率、低能耗的生物反應(yīng)過程，其高效率又取決于自動(dòng)化。發(fā)酵設(shè)備正逐步朝著容積大型化、結(jié)構(gòu)多樣化、操作控制自動(dòng)化的高效生物反應(yīng)器方向發(fā)展，目的在于節(jié)省能源、原材料和勞動(dòng)力，降低發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。
