Sự phát triển của vi sinh vật trong mơi trường dinh dưỡng phụ thuộc rất nhiều vào thành phần dinh dưỡng. Các biến đổi về số lượng và tỷ lệ thành phần mơi trường cĩ tác động rất lớn đến sinh trưởng và phát triển vi khuẩn. Các phương pháp tốn học kế hoạch hĩa thực nghiệm được sử dụng rộng rãi trong tối ưu hĩa thành phần mơi trường. Các phương pháp này nghiên cứu đồng thời tác động của nhiều yếu tố trong mơi trường nuơi cấy đến sự phát triển của vi khuẩn. Sự phụ thuộc này được biểu thị bằng phương trình y= f(x1, x2, x3, …. xn). Để biểu đạt hàm số đđĩ ta dùng phương trình hồi quy và trong trường hợp giải quyết nhiệm vụ tối ưu hĩa, chúng được giơi hạn bằng phương trình hồi quy. Đối với 3 biến thì phương trình cĩ dạng:
y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3+ b12x12 + b13x13 + b23x23 b1, b2, b3, b12, b13, b23 là các hệ số hồi quy.
Các đại lượng của hệ số hồi quy đặc trưng cho mức độ ảnh hưởng của các yếu tố cần tối ưu hĩa đối với sự phát triển của vi sinh vật
Việc tối ưu hĩa mơi trường gồm hai giai đoạn. Giai đoạn đầu là làm thí nghiệm theo kế hoạch thực nghiệm đầy đủ, mục đích nhằm xác định ý nghĩa các yếu tố nghiên cứu, xác định phương hướng và mức độ biến đổi của mỗi yếu tố trong các thí nghiệm tiếp theo của bản thân quá trình tối ưu.
Cơ sở của việc kế hoạch hĩa thực nghiệm là sự tổ hợp cĩ thể cĩ giữa n các yếu tố nghiên cứu. Mỗi yếu tố được nghiên cứu được kiểm tra đồng thời và khơng phụ thuộc lẫn nhau ở hai mức trên và mức dưới, đĩ là nồng độ cao và thấp của
các thành phần mơi trường mà ta cần tối ưu. Trung tâm thực nghiệm là mức độ trung bình.
Giai đoạn thứ hai là thực hiện tối ưu hĩa mơi trường teo phương pháp lên dốc.