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微生物发酵是指在适宜的条件下逐级培养微生物，利用微生物的初级或次级代谢，经过微生物固有的或者人为改造的代谢途径，将廉价易得的原材料转化为所需要的目标产物的过程。
个人理解的微生物发酵工艺包括三部分，菌种的选育与活化、种子放大及发酵的控制参数、发酵液中目标产物的分离纯化工艺。
第一部分是优良菌株的选育，一般包括底盘菌株的筛选；基因工程路线设计与菌株改造；新菌株的驯化与筛选，这很多是前期研发的工作。还包括对选定菌株好氧情况、营养需求与代谢途径的深入研究，最终落实到摇瓶条件摸索，如起始碳源、氮源，与初步培养基组成，并确定初步发酵条件。
第二部分是种子放大及发酵控制参数研究，摸索出最适种子培养和发酵生产工艺，利用密集细胞生产出高浓度高含量的代谢产物。一般包括种子级数与放大倍数的选择，种子及发酵周期的确定，种子及发酵培养基组成，种子及发酵的接种量、培养温度、pH、溶氧与搅拌等参数与发酵补料控制；此部分开始于实验室规模的发酵罐实验，经逐级非线性放大，摸索经验后反复调整，落脚于生产规模得出最大产量、转化率与生产强度的放大工艺。还包括在此过程中的杂质对比、发酵液状态对比，补料与产出的经济性对比等。由于微生物细胞内生化反应及细胞间自身相互反馈调节的复杂性，在小试放大过程中会出现许多问题，解决这些问题是微生物发酵工艺开发的核心关键所在。
第三部分是发酵液中目标产物的分离纯化工艺，一般包括制定分离路线与各模块参数，最终得到高质高量的目标产品。还包括物料平衡的估算、热力学估算、目标产物稳定性等。
对于菌株，不同的底盘最终落实到工艺上差距非常大，故此在改良前筛选底盘菌株很重要；另外不同的改良策略对应不同的菌株稳定性、耐受性。一般地，外源质粒直接导入后对于菌种的稳定传代要求较高，发酵放大时每一步也需要考虑比生长速率，具体地需尽可能地控制OD，生长过慢不利于发酵，而生长过快质粒容易丢失；自身染色体改造，适当敲除一些基因，改变目标产物前体、目标产物的代谢流，菌种的稳定性较好，但同时会可能出现代谢流紊乱与难于控制。稳定性提升可能会降低转化率指标，合适的发酵工艺可以缩小降低量。
对于摸索发酵最适条件，包括最适菌体生长温度与最适生产温度，摸索最适生长pH与最适生产pH，最适生长好氧与最适生产好氧控制，不同的菌种不同，同一底盘经不同的改造策略得到的菌种也不同。如一般大肠杆菌的诱导生产温度可比最适生长温度低6℃，这样稳定了质粒传代也提升了组酶的整体效率并延长了产物周期，另发酵后期相比于中期可略升高2℃，以提升生产强度；最适生产pH需结合组酶的活性及目标产物积累后对于pH影响，如氨基酸发酵的种子生长pH控制近中性而产物发酵阶段略低，而萜类恰恰相反；最适生长好氧状态，不能局限于代谢理论，简单地认为需养就加大氧供给，需实际摸索，有时与理论恰恰相反，这关乎菌体生产、底物转化率、生产强度与杂质生成。有些发酵工艺是固定通风，根据溶氧反馈联动转速控制；有些发酵工艺是根据菌丝形态增加或者降低搅拌而相应地减少或者增加通风，溶氧仅为参照。
对于发酵液分离纯化，遵循先提取后纯化的整体思路，固液分离、杂质分离与产品浓缩。离心压榨过滤或者膜过滤，两相萃取或者树脂柱层析，超滤纳滤及沉淀结晶、冷冻干燥等不同模块的不同组合。现在微生物下游的效率及产品质量也是评价整个工艺开发的一个首要指标，如在杂质方面，要求在菌株设计阶段就需要考虑类似物质的含量，选择类似产物积累较少的菌株；要求在发酵工艺放大时，需要考虑有否能减少类似产物积累的工艺条件，并尽可能避免增加雷士产物积累的环境，或者平衡各参数使某项或者总体某类杂质减少。
微生物发酵工艺小试放大，以发酵放大为承前启后的关键，以解决各级放大问题为工艺完善提升的首要抓手，可以多做些前瞻后延的尝试。如培养基优化时，虽然提倡种子培养基与发酵培养基接近，以使微生物快速适应新环境，但是这样的种子培养基不一定是最佳；原理上消耗TPP较多的路线在发酵不同阶段不一定都是高溶氧好，更不一定是高转速好；样品处理时摸索酸碱及温度对产品的影响，同一样品开发气相、液相双方法及多方法对比；关注后期发酵液状态、产物峰谱图，指导发酵下游技术等等。
实际上微生物发酵工艺小试放大的三部分也不是物理分割的，发酵放大时可根据转化及生产强度情况，根据产物杂质情况，对菌株提出进一步改良的可能与必要；发酵放大时可分析不同工艺、周期的发酵液状态，选择合适的控制方法，甚至可为后续的分离纯化简化路线提供可能。
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