在培养基的设计优化过程中除了要考虑微生物生长所需的基本营养要素外，还要从微生物的生长、产物合成、原料的经济成本、供应等角度来考虑问题。培养基的种类、组分配比、缓冲能力、灭菌等因素都对菌体的生长和产物合成有影响。

1.选择适宜的营养物质

微生物生长繁殖均需要培养基中含有碳源、氮源、无机盐、生长因子等生长要素，但不同微生物对营养物质的具体需求是不一样的，因此首先要根据不同微生物的营养需求配制针对性强的培养基。自养型微生物能从简单的无机物合成自身需要的糖类、脂类、蛋白质、核酸、维生素等复杂的有机物，因此可以（或应该）由简单的无机物组成培养基来培养。例如，培养化能自养型的氧化硫硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans）的培养基依靠空气中和溶于水中的CO2为其提供碳源，培养基中并不需要加入其他碳源物质。

2.营养物质浓度及配比合适

培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好；营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需；浓度过高时可能对微生物生长起抑制作用。例如高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不利于微生物的生长，反而具有抑菌或杀菌作用。同时，培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和（或）代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的影响较大。例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。另外，培养基中速效氮（或碳）源与迟效氮（或碳）源之间的比例对发酵生产也会产生较大的影响。如在抗生素发酵生产过程中，可以通过控制培养基中速效氮（或碳）源与迟效氮（或碳）源之间的比例来控制菌体生长与抗生素的合成协调。

3.控制ph条件

培养基的ph必须控制在一定的范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。各类微生物生长繁殖合成产物的最适ph条件各不相同。一般来讲，细菌与放线菌适于在ph7.0~7.5范围内生长；酵母菌和霉菌通常在ph 4.5~6.0范围内生长。因此，为了在微生物生长繁殖和合成产物的过程中保持培养基ph的相对恒定，通常在培养基中加入ph缓冲剂。常用的缓冲剂是一氢和二氢磷酸盐（如Kh2pO4 和K2hpO4）组成的混合物，但Kh2pO4 和K2hpO4缓冲系统只能在一定的ph范围（ph 6.4~7.2）内起调节作用。有些微生物，如乳酸菌能大量产酸，上述缓冲系统就难以起到缓冲作用，此时可在培养基中添加难溶的碳酸盐（如CaCO3）来进行调节。CaCO3难溶于水，不会使培养基ph过度升高，而且它可以不断中和微生物产生的酸，同时释放出CO2，将培养基ph控制在一定范围内。

此外，培养基中还存在一些天然缓冲系统，如氨基酸、肽、蛋白质都属于两性电解质，也可起到缓冲剂的作用。

4.控制氧化还原电位

不同类型微生物生长对氧化还原电位φ的要求不一样，一般好氧微生物在φ值为+0.1V以上时可正常生长，一般以+0.3~+0.4V为宜；厌氧性微生物只能在φ值低于+0.1V条件下生长；兼性厌氧微生物在φ值为+0.1V以上时进行好氧呼吸，在+0.1V以下时进行发酵。φ值大小受氧分压、ph、某些微生物代谢产物等因素的影响。在ph相对稳定的条件下，可通过增加通气量（如振荡培养、搅拌）提高培养基的氧分压，或通过氧化剂的加入，增加φ值；在培养基中加入抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等还原性物质可降低φ值。

5.原料来源的选择

在配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基组分。特别是在发酵工业中，培养基用量很大，利用低成本的原料更体现出其经济价值。例如，在微生物单细胞蛋白的工业生产过程中，常常利用糖蜜、乳清（乳制品工业中含有乳糖的废液）、豆制品工业废液及黑废液（造纸工业中含有戊糖和己糖的亚硫酸纸浆）等都可作为培养基的原料。大量的农副产品或制品，如麸皮、米糠、玉米浆、酵母浸膏、酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨等都是常用的发酵工业原料。

6.灭菌处理

要获得微生物纯培养，必须避免杂菌污染，因此要对所用器材及工作场所进行消毒与灭菌。对培养基而言，更要进行严格的灭菌。一般可以采取高压蒸汽灭菌法进行培养基灭菌，通常在1.05kg·cm-2、121.3℃条件下维持15~30min可达到灭菌目的。某些在加热灭菌中易分解、挥发或者易形成沉淀的物质通常先进行过滤除菌或间歇灭菌，再与其他已灭菌的成分混合。

另外，培养基配制中泡沫的大量存在对灭菌处理极不利，容易使泡沫中微生物因空气形成隔热层而难以被杀死。因而有时需加入消泡剂，或适当提高灭菌温度。