發酵工程動力學是生化反應工程的基礎內容之一，以研究發酵過程的反應速率和環境因素對速率的影響為主要內容。通過發酵動力學的研究，可進一步了解微生物的生理特征，菌體生長和產物形成的合適條件，以及各種發酵參數之間的關係，為發酵過程的工藝控製、發酵罐的設計放大和用計算機對發酵過程進行控製創造條件。
在發酵中同時存在著菌體生長和產物形成兩個過程，它們都需要消耗培養基中的基質，因此有各自的動力學表達式，但它們之間是有相互聯係的，都是以微生物生長動力學為基礎。所謂微生物生長動力學是以研究菌體濃度、限製性基質（培養基中含量最少的基質，其他組分都是過量的）濃度、抑製劑濃度、溫度和pH等對菌體生長速率的影響為內容的。而發酵動力學則研究微生物生長、產物合成和底物消耗之間的動態定量關係，定量描述微生物生長和產物形成的過程,除了微生物生長動力學以外還包括產物生成動力學和基質消耗動力學。其研究的重要方法是使用數學模型定量地描述發酵過程中關鍵因素的變化，從而為發酵過程的工藝設計和管理控製提供理論基礎。
因為迄今對發酵的認識還很不完全，發酵動力學的研究具有複雜性和不完全性。為使研究具有一定的可行性和實用性，對發酵過程通常要進行以下簡化處理：
（1）反應器內完全混合，即任何區域的溫度、pH、物質濃度等變量完全一致。
（2）溫度、pH等環境條件能夠穩定控製，從而使動力學參數也保持相對穩定。
（3）細胞固有的化學組成不隨發酵時間和某些發酵條件的變化而發生明顯變化。
（4）各種描述發酵動態的變量對發酵條件變化的反應無明顯滯後。
實驗證明，上述假設與實際過程的偏差造成的影響並不十分嚴重，從而使發酵動力學的研究具有一定的可信度。
發酵動力學主要采用宏觀處理法和質量平衡法進行研究。所謂宏觀處理法，是把細胞看成一個均勻分布的物體，不管微觀反應機製，隻考慮各個宏觀變量之間的關係，這樣得出的動力學模型稱為非結構模型。而質量平衡法是根據物質平衡，對微生物反應過程進行計量。
研究發酵動力學的通常步驟：
（1）獲得發酵過程中能夠反映發酵過程變化的多種理化參數。
（2）尋求發酵過程變化的多種理化參數與微生物發酵代謝規律之間的相互關係。
（3）建立多種數學模型，描述多種理化參數隨時間變化的關係。
（4）利用計算機的程序控製，反複驗證多種數學模型的可行性和適用範圍。
微生物發酵動力學的研究與發酵的種類、方式密切相關。根據微生物對氧的需求不同，可分為好氧發酵、厭氧發酵、兼性好氧發酵。好氧發酵法又可以分為液體表麵培養發酵、在多孔或顆粒狀固體培養基表麵發酵和通氧式液體深層發酵。厭氧發酵采用不通氧的深層發酵。液體深層培養是在有一定徑高比的圓柱形發酵罐內完成的，根據其操作方法可分為分批發酵、分批補料發酵和連續發酵等。本章主要介紹這幾種發酵方式的動力學研究內容及應用。
一、分批發酵的不同階段
分批發酵是指在一個密閉係統內投入有限數量的營養物質後，接入少量的微生物菌種進行培養，使微生物生長繁殖，在特定的條件下隻完成一個生長周期的微生物培養方法。該法在發酵開始時，將微生物菌種接入已滅菌的培養基中，在微生物最適宜的培養條件下進行培養，在整個培養過程中，除氧氣的供給、發酵尾氣的排出、消泡劑的添加和控製pH需加入酸或堿外，整個培養係統與外界沒有其他物質的交換。分批培養過程中隨著培養基中營養物質的不斷減少，微生物生長的環境條件也隨之不斷變化，因此，微生物分批發酵是一種非穩態的培養方法。
在分批發酵過程中，隨著微生物生長和繁殖，細胞量、底物、代謝產物的濃度等均不斷發生變化。微生物的生長可分為遲滯期、對數期、穩定期和衰亡期四個階段，典型的細菌生長曲線。微生物細胞生長的遲滯期、對數期、穩定期和衰亡期的時間長短取決於微生物的種類和所用的培養基。細菌細胞在分批發酵過程中各個生長階段的細胞特征。處於不同生長階段的細胞成分也有很大的差異，1.遲滯期
遲滯期是微生物細胞適應新環境的過程。此時，微生物細胞從一個培養基被轉移至另外一個培養基中，細胞需要有一個適應過程，在該過程中，係統的微生物細胞數量並沒有增加，處於一個相對的停止生長的狀態。但細胞內卻在誘導產生新的營養物質運輸係統。
可能有一些基本的輔助因子會擴散到細胞外，同時參與初級代謝的酶類再調節狀態以適應新的環境。
實際上，接種物的生理狀態和濃度是遲滯期長短的關鍵。如果接種物處於對數期，那麼就很有可能不存在遲滯期，微生物細胞立即開始生長。反過來，如果接種物本身已經停止生長，那麼微生物細胞就需要有更長的遲滯期，以適應新的環境。
2.對數期
處於對數期的微生物細胞的生長速率大大加快，單位時間內細胞的數目或質量的增加維持恒定，並達到最大值。如在半對數紙上用細胞數目或質量的對數值對培養時間作圖，將可得到一條直線，該直線的斜率就等於比生長速率μ。
微生物的生長有時也可用“倍增時間”（td）表示，定義為微生物細胞濃度增加一倍所需要的時間，即
td=ln2μ=0.693μ（6-3）