發酵工程是傳統發酵技術與現代生物工程相結合而發展起來的現代生物技術，是基因工程、酶工程、細胞工程等生物技術實現產業化的橋梁和關鍵技術。從傳統的發酵技術到現代生物技術，其發展的時間跨度越來越短。它記載著古代文明的足跡，又反映出近代生物技術發展的軌跡。它與人類生活密切相關，其應用範圍遍及醫藥衛生、農林牧漁、輕工食品、化工能源、環境保護和冶金采礦等各個領域，為解決人類當今所麵臨的食物、健康、環境和能源等諸多重大問題提供了科學的手段並開辟了新的途徑。
5.1發酵工業簡史
發酵技術是人類最早通過實踐所掌握的生產技術之一，產品也很多，就以傳統的食品和飲料來說，在西方有啤酒、葡萄酒、麵包、幹酪；在東方有醬、醬油、醋、清酒；在中東和近東有乳酸等發酵產品。這些產品都是數千年來，憑借人類的智慧和經驗，在沒有親眼見到微生物的情況下，巧妙地利用微生物所獲得的。3000年前，中國已有用長黴的豆腐治療皮膚病的記載，這很可能就是豆腐上長的黴菌中有能產生抗生素的微生物。
作為發酵工業卻是近百年才發展起來的。
5.2發酵工業的特征
發酵和其他化學工業的最大區別在於它是在生物體中所進行的、由酶所催化的化學反應。其主要特征如下：
1）反應條件溫和。作為生物化學反應，發酵過程通常都是在常溫常壓下進行，反應安全，因此沒有爆炸的危險，各種發酵設備都不必考慮防爆問題。還有可能使一種設備具有多種用途。
2）生產原材料來源廣、價格廉。發酵所用的原料通常以澱粉、糖蜜或其他農副產品等碳水化合物為主，一般不需要精製，隻要加入少量的有機和無機氮源就可進行反應。微生物因不同的類別可以有選擇地去利用它所需要的營養。基於這一特性，可以利用廢水和廢物等作為發酵的原料進行生物資源的改造和更新。
3）反應能自動調節。反應是以生物體的自動調節方式來進行的，因此，數十個反應過程能夠像單一反應一樣，在被稱為發酵罐的單一設備內很容易地進行。
4）高度的專一性和選擇性。由於生物體本身所具有的反應機製（酶類生產），能夠專一性地和高度選擇性地對某些較為複雜的化合物進行特定部位的氧化、還原、官能團導入等反應，可以很容易地生產出複雜的高分子化合物。
5）全過程的無菌生產。雜菌和噬菌體汙染是發酵工業的致命傷，因而維持無菌條件是發酵成功的關鍵。
6）在不增加設備的情況下增加產量。微生物菌種是進行發酵的根本因素，通過菌種的改良，可使產量飛躍上升。
7）對環境汙染較小。一般情況下，發酵的“三廢”物質對環境汙染小，對生物體無害（抗癌抗生素生產等除外）。
8）工業發酵與其他工業相比，投資少、見效快，並可以取得較顯著的經濟效益。
基於以上特點，發酵工業日益引起人們重視。和傳統的發酵工藝相比，現代發酵工程除了上述的發酵一般特征之外更有其優越性。除了使用微生物外，還可以用動、植物細胞和酶，也可以用人工構建的“工程菌”來進行反應；而反應設備也不隻是常規的發酵罐，而以各種各樣的生物反應器代之，自動化連續化程度高，使發酵水平在原有基礎上有所提高和創新。
5.3發酵工業的應用範疇
發酵工業應用範圍很廣，區分的方法也多種多樣。尤其是現代發酵工程，已使發酵工業的範疇突破了利用天然微生物的傳統發酵，逐步建立起新型的發酵，生產天然菌體所不能產生或產量很少的特殊產物。所以，按其重要性來區分可以分為以下幾個方麵：
5.3.1微生物菌體發酵
這是以微生物菌體細胞為產品的發酵工業，包括酵母，各種單細胞蛋白，用於生物防治的蘇雲金杆菌以及各種人、畜疾病防治用的疫苗等。細胞物質的發酵生產特點是細胞的生長與產物積累成平行關係，生長速率最大時期也是產物合成速率最高階段，生長穩定期細胞物質濃度最大，同時也是產量最高的收獲時期。麵包酵母是最古老的發酵工業之一，早在19世紀末已形成大規模工業生產。以酵母菌生產人類食物蛋白早在第一次世界大戰時期已經開始，但是直到20世紀60年代後，由於作為飼料蛋白的微生物細胞需求量急劇增長，單細胞蛋白的生產才有了長足的進展。目前，已可利用包括烴類等各種不同的碳源進行大規模連續發酵來生產菌體蛋白，建立起了單細胞蛋白的發酵工業。
5.3.2微生物酶發酵
動物、植物以及微生物細胞中都存在各種各樣的酶。最早，人們都是從動、植物組織中提取酶。例如從動物胰髒和植物麥芽中提取澱粉酶，從動物胃膜、菠蘿中提取蛋白酶等。但隨著酶製劑的應用日益廣泛，目前工業應用的酶大都來自微生物發酵。因為微生物具有種類多、產酶品種多、生產容易和成本低等特點，所以現在已有生產各種酶的發酵工業。
微生物酶製劑有廣泛的用途，多用於食品和輕工業。如微生物生產的澱粉酶和糖化酶用於生產葡萄糖，氨基酰化酶用於拆分DL-氨基酸等。酶也用於醫藥生產和醫療檢測中，如青黴素酰化酶用來生產半合成青黴素所用的中間體6-氨基青黴烷酸，膽固醇氧化酶用於檢測血清中膽固醇的含量，葡萄糖氧化酶用於檢測血中葡萄糖的含量，等等。
5.3.3微生物代謝產物發酵
以微生物代謝產物為產品的發酵生產是發酵工業中數量最多、產量最大，也是最重要的部分。它們包括初級代謝產物、中間代謝產物和次級代謝產物。要嚴格區分各類代謝產物的性質並非易事。在對數生長期所產生的產物，如氨基酸、核苷酸、蛋白質、核酸、類脂、糖類等，是菌體生長繁殖所必需的。這些產物叫作初級代謝產物。許多初級代謝產物在經濟上具有相當的重要性，因而形成了各種不同的發酵工業。如：微生物酶、有機酸、維生素、多糖、氨基酸和核酸類等物質的發酵。由於初級代謝產物是供菌體生長繁殖使用的，所以野生菌株合成產物的產量在滿足自身的需要之後，就受到許多調節機製的控製而停止合成。因此應不斷改良菌種性能和改善發酵條件，提高產率，才能適應工業生產需要。在微生物生長緩慢或停止生長時期即穩定期，某些菌體能合成在對數生長期不能合成的、具有一些特性的產物，叫作次級代謝產物。它們有較大的經濟價值。這些化合物對細胞代謝自身並不顯示出什麼太大作用，即這些產物與菌體生長繁殖無明顯關係。如抗生素、生物堿、細菌毒素、植物生長因子等。
初級代謝產物的產生菌是非常廣泛的，而次級代謝產物的產生菌僅僅有少數幾個類群，其中放線菌特別是鏈黴菌產生的次級代謝產物為最多。次級代謝產物中最重要的就是抗生素。它們已是最大的一類發酵產品，在醫療上和其他方麵占有重要的地位。抗生素不僅具有廣泛的抗菌作用，而且還有抗病毒、抗癌和其他生理活性，因而得到了大力發展，已成為發酵工業的重要支柱和其他發酵工業的基礎。