為了更好地了解微生物工程的現狀與未來，有必要從微生物工程的發展史，以及與微生物學、生物化學、化學工程、發酵工程和微生物工業的關係來認識其發展的各個階段。
1 ．自然發酵時期
早在數千年前，我國勞動人民就懂得釀酒、製醬油、釀醋等。釀酒工業是曆史上最古老的微生物工業，但當時人們並不知道它與微生物的關係，也不清楚發酵的原因，隻是靠口傳身授，在實踐中應用微生物。例如，嫌氣性發酵用於酒類釀造，好氣性發酵用於釀醋、製曲，這是古典發酵的特點，這一時期稱為自然發酵時期。
2 ．純培養技術時期
1667 年，荷蘭人列文霍克（Antony Van Leowen hoek ）發明了顯微鏡，揭開了微生物世界的秘密。隨著微生物的發現，1850 -1880 年法國巴斯德（Louis Pasteur ）通過實驗發現了發酵原理，認識到發酵是由微生物的活動引起的。隨著微生物純培養技術的逐步完善，開創了人為控製微生物的新時代。采用殺菌操作，發明了簡便的密閉式發酵罐等技術設備，使發酵失敗現象（如腐敗）大大減少，即人工控製環境條件使發酵效率迅速提高。嫌氣性發酵由此逐步發展起來，產品包括酒精、丙酮、丁醇等。在世界範圍內利用微生物分解代謝進行規模化工業生產經曆了100 多年的曆史。因此，微生物純培養技術的創立是微生物工程發酵技術發展的第一個轉折時期。
3 ．通氣攪拌的好氣性發酵工程技術時期
1929 年，英國細菌學家傅萊明（Fleming ）發現了青黴素。隨著青黴素大規模生產的成功，實驗室采用搖瓶通風培養以及空氣纖維過濾的高效除菌，在20世紀40 年代創立了好氣性發酵通氣攪拌工程技術。抗生素工業的興起不僅使微生物技術應用到醫藥工業，而且大大促進了好氣性發酵工程和微生物工業的發展。微生物工程已經從分解代謝轉為生物合成代謝，可以利用微生物合成積累大量有用的代謝產物，如各種有機酸、酶製劑、維生素、激素等，這已超越微生物正常代謝的範圍。因此，通氣攪拌的好氣性發酵工程技術的創立是微生物工程發酵技術發展的第二個轉折時期。
4．人工誘變育種與代謝控製發酵工程技術時期
隨著微生物遺傳學、生物化學和分子生物學的發展，促進了20世紀60年代氨基酸、核苷酸微生物工業的建立，這是遺傳水平上控製微生物代謝的結果。日本於1956 年用發酵法生產穀氨酸獲得成功，至今可用發酵法生產22 種氨基酸，其中18 種是直接發酵，4 種是酶法轉化。氨基酸發酵工業采用了人工誘變育種與代謝控製發酵的新技術，即首先將微生物進行人工誘變，得到適合生產某種產物的突變株，然後通過人工控製培養，選擇性地大量生產人們所需要的物質。此項工程技術已用於核苷酸類物質、有機酸和一部分抗生素的發酵生產。因此，代謝控製發酵工程技術的創立是微生物工程發酵技術發展的第三個轉折時期。
5 ．發酵動力學和連續化、自動化發酵工程技術時期
隨著微生物工業向大型發酵罐的連續化、自動化方向發展，以數學、動力學、化工原理等為基礎，通過計算機實現發酵過程自動化控製的研究，使發酵過程的工藝控製更為合理，相應的新工藝、新設備也層出不窮。例如，日本的塔式連續發酵設備適用於各種連續通風發酵。法國L-M 型單級連續發酵槽用於酵母菌連續培養，其結構簡單而效率卻相當高。世界上最新設計的實驗型萬能發酵罐適於任何發酵生產，可同時記錄24 個物理、化學和生物化學數據。目前，發酵過程的基本參數，包括溫度、pH 值、罐壓、溶解氧、氧化還原電位、通氣流量、CO2含量等均可自動記錄和控製。可見，發酵的連續化、自動化工程技術的創立是微生物工程發酵技術發展的第四個轉折時期。
6 ．微生物酶反應合成與化學合成相結合工程技術時期
隨著微生物合成工程技術與化學合成工程技術的不斷應用，礦產物的開發和石油化工的發展為化學合成法提供了豐富的原料，用於生產一些低分子的有機化合物，如乙醇、丙酮及丁醇等，美國工業應用化學合成法可以生產100 多種發酵產品，如大部分的酒精、丙酮、丁醇等，部分的葡萄糖酸、穀氨酸、乳酸等。對於那些用化學合成法不能生產的一些複雜化合物，采用微生物發酵合成法可以在常溫、常壓下一步完成，特別是可以直接生產一些具有立體特異性的化合物，且生產設備投資較少。但發酵法也存在目的代謝產物濃度較低、分離較困難、生產周期較長等不利因素。
而微生物酶反應生物合成與化學合成工程技術的結合，可生產許多過去不能生產的有用物質。例如，抗生素的化學結構改造是獲得新的高效抗生素的重要來源，而維生素C 是最早成功的例子，即先利用微生物將山梨糖醇發酵轉變為山梨糖，再通過化學合成法生產維生素C 。或者先用化學合成法生產廉價的前體，再用發酵法生產出貴重產品。目前，采用此項新技術可大規模生產多種物質，如激素、核苷酸、新抗生素（如半合成頭孢黴素、卡那黴素、氯黴素等）、某些氨基酸（如L-酪氨酸、L-色氨酸、L-賴氨酸等）等，隨著研究的深入將能生產更多有用的物質。因此，微生物酶反應合成與化學合成相結合工程技術的創立是微生物工程發酵技術發展的第五個轉折時期。
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