現代意義上的發酵工程是一個由多學科交叉、融合而形成的技術性和應用性較強的開放性的學科。發酵工程經歷了“農產手工加工——近代發酵工程——現代發酵工程”三個發展階段。發酵工程與傳統相比主要以可再生資源為原料；反應條件溫和；環境污染較少；能生產目前不能生產或通過化學方法生產困難的性能優異的產品；投資較少。
一、手工加工
發酵工程發源于家庭或作坊式的發酵制作（農產手工加工），后來借鑒于化學工程實現了工業化生產（近代發酵工程），最后返璞歸真以微生物生命活動為中心研究、設計和指導工業發酵生產（現代發酵工程），跨入生物工程的行列。
二、近代發酵
原始的手工作坊式的發酵制作憑借祖先傳下來的技巧和經驗生產發酵產品，體力勞動繁重，生產規模受到限制，難以實現工業化的生產。于是，發酵界的前人首先求教于化學和化學工程，向農業化學和化學工程學習，對發酵生產工藝進行了規范，用泵和管道等輸送方式替代了肩挑手提的人力搬運，以機器生產代替了手工操作，把作坊式的發酵生產成功地推上了工業化生產的水平。發酵生產與化學和化學工程的結合促成了發酵生產的第一次飛躍。
三、現代發酵
通過發酵工業化生產的幾十年實踐，人們逐步認識到發酵工業過程是一個隨著時間變化的（時變的）、非線性的、多變量輸入和輸出的動態的生物學過程，按照化學工程的模式來處理發酵工業生產（特別是大規模生產）的問題，往往難以收到預期的效果。從化學工程的角度來看，發酵罐也就是生產原料發酵的反應器，發酵罐中培養的微生物細胞只是一種催化劑，按化學工程的正統思維，微生物當然難以發揮其生命特有的生產潛力。于是，追溯到作坊式的發酵生產技術的生物學內核（微生物），返璞歸真而對發酵工程的屬性有了新的認識。發酵工程的生物學屬性的認定，使發酵工程的發展有了明確的方向，發酵工程進入了生物工程的范疇。
發酵生產流程中可分為三個階段：上游工程，中游工程和下游工程。先進行高性能生產菌株的選育；然后在人工或計算機控制的生化反應器中進行大規模培養，生產目的代謝產物；最后收集目的產物并進行分離純化，最終獲得所需要的產品。
1、上游工程包括優良種株的選育，最適發酵條件（pH、溫度、溶氧和營養組成）的確定，營養物的準備等。
2、中游工程主要指在最適發酵條件下，發酵罐中大量培養細胞和生產代謝產物的工藝技術。
3、下游工程指從發酵液中分離和純化產品的技術：包括固液分離技術（離心分離，過濾分離，沉淀分離等工藝），細胞破壁技術（超聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶等），蛋白質純化技術（沉淀法、色譜分離法和超濾法等），最后還有產品的包裝處理技術（真空干燥和冰凍干事燥等）。
發酵工程的應用領域
1、在醫藥工業上的應用：基于發酵工程技術，開發了種類繁多的藥品，如人類生長激素、重組乙肝疫苗、某些種類的單克隆抗體、白細胞介素－2、抗血友病因子等。
2、在食品工業上的應用：主要有三大類產品，一是生產傳統的發酵產品，如啤酒、果酒、食醋等；二是生產食品添加劑；三是幫助解決糧食問題。
3、在環境科學領域的應用：污水處理中微生物的強化。
