微生物工程是應用微生物為工業大規模生產服務的一門工程技術，它直接建立在微生物工業基礎上，隨著微生物工業的發展而迅速發展，並與化學工業的新發展相結合。而微生物工程與化學工程最明顯的區別在於，發酵過程是極其複雜的生物化學反應，且與微生物活細胞息息相關，代謝控製發酵技術使微生物工程更具特色。
由於發酵醪包括固相、液相、氣相，還含有活細胞或菌絲體，所以，它的流體力學性質不服從牛頓力學規律，屬於非牛頓流體。其流體運動規律的研究屬於流變學的範疇，這也是化學工程原理研究的新問題，故對發酵醪特性的研究顯得更為迫切。例如，發酵醪的粘度參數在發酵、提純、生產、科研設計等方麵的影響廣泛，涉及質量傳遞、熱量傳遞、動量傳遞等問題，對於發酵醪中氧的溶解、傳遞，營養成分的擴散，代謝產物的回收、精製，培養基的滅菌以及發酵醪的冷卻、輸送，連續生產流程的建立等無不發生直接或間接的關係。因此，微生物工程研究的內容包括從投入原料到獲得最終產品的整個過程，並分析和解決相應的工藝設備問題，將實驗室和中試成果轉化到工業生產中。
微生物工程可分為發酵和提純兩部分。發酵部分（稱為發酵工程）包括菌種的選育、培養基的優化與滅菌、發酵醪的特性、發酵機理、發酵動力學、空氣過濾除菌與氣體傳遞、發酵過程控製與自動化等主要內容。提純部分（稱為後處理）包括細胞分離與破碎、發酵醪的前處理、產品提取與精製（如萃取、層析、離子交換、結晶等單元操作）。
微生物工程與化學工程有相同之處，但微生物工程培養和處理的是活的有機體，因而具有其特殊性。例如，空氣除菌、培養基滅菌等都是微生物工程所特有的。微生物工業生產以發酵為主，發酵的好壞是整個生產的關鍵，而後處理也同樣重要，往往有這樣的情況，發酵產率很高，但由於後處理不當而大大降低了產物總得率。所以，後處理要采取一些特殊的工藝措施和選用合適的設備來適應菌體與發酵產物的特點。例如，最終發酵醪中的菌體、殘糖、蛋白質等物質使發酵醪過濾分離困難，這時就要采取調節pH 值、適當加熱使雜質凝聚、加助濾劑等特殊工藝措施。再如，對熱敏性物質（如酶類），當加熱到一定溫度後，短時間內就會發生鈍化或失活，所以在進行蒸發、幹燥等加熱操作時要避免過熱或添加保護劑。總之，微生物工程是既有應用化學工程有關理論又有單元操作並具有獨特特點的一門學科。
發酵和產品提純過程的比擬放大，是微生物工程亟待解決的問題。不少實驗室對研究結果進行擴大試驗時，不能取得類似數據，甚至相差很大，其原因是忽視了模型放大的理論。從實驗室小型試驗到中型試驗、再到大規模生產的過程仍是目前新產品投入生產的必經之路。由於放大方法不是簡單地按幾何比例放大，而是在一定理論基礎上進行的，所以加強比擬放大的模型理論研究，不僅在擴大實驗中能夠取得預期的效果，而且還能簡化擴大實驗過程。
采用發酵工藝過程控製技術不但可以節省勞動力、提高原料利用率與產物得率、改善管理，而且隨著自動控製技術的發展，能夠用自動儀表跟蹤並記錄發酵全過程，這對於了解發酵機製有極大的幫助。其中，溫度、pH 值、溶解氧、壓力、流量、消泡等基本參數的測量與控製已先後獲得解決，目前正在研究細胞對氧的攝取、二氧化碳的溶解以及基質濃度變化等測控儀器。這些測控儀器的應用使發酵工藝過程控製更加精確、可靠。
微生物工程是在生產實踐和科學實驗的基礎上，不斷積累經驗，然後總結歸納而上升為理論的，再用這些理論進一步指導生產，從而不斷地推動發酵工業的發展。近年來的大量生產實踐和科學實驗總結所得出的發酵機製、發酵動力學、連續發酵等理論，解決了微生物工業生產中的許多實際問題。但目前的一些經驗還不足以總結歸納成理論，因而生產中出現的某些實際問題尚無完善的理論指導去很好地解決。例如，絲狀菌（黴菌、放線菌）的發酵由於沒有相應理論指導，在實踐中還沒有令人滿意的設計和放大方法。又如，連續發酵的理論雖然研究得很多，但實際生產中存在的許多問題目前仍未解決，如菌種的突變、試驗工藝條件的局限等問題，除酵母、酒精、丙酮、丁醇、葡萄糖酸的發酵生產和活性汙泥的處理采用連續發酵外，大規模生產應用還比較少。
總之，微生物工程領域還有很多理論問題和實際生產問題尚未解決，有待今後的深入研究和探索。
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