為了適應各種生物技術的實驗室成果向產業(yè)化轉化的需要，對生物反應器的性能要求愈來愈高，目前主要表現為：

• 用于基因工程高密度高表達，符合GMP標準的生物反應器，涉及供氧、快速升溫、排氣處理、取樣處理等系統(tǒng)設計。
• 哺乳類動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)是當前生產高附加值的糖基化活性蛋白醫(yī)藥產品的重要發(fā)展趨勢。根據動物細胞無細胞壁、對剪切極端敏感，所以反應器設計要具備低剪切效應、混合性能好等特點，提供細胞形態(tài)在線觀察和活細胞數量的傳感技術，嚴格控制反應器的操作條件以及有關防污染的灌注系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)等設計要符合GMP標準。
• 對于傳統(tǒng)生物技術產品，通過對產品進行過程優(yōu)化研究，達到高生產水平或質量，因而對反應器設計提出了新的要求。用于細胞過程生理特性和過程傳遞特性研究的生物反應器研制，其中主要解決用于過程分析的各種傳感器選型與研制和數據處理軟件包的研制。
• 隨著生物技術在各領域的推廣應用，用于海洋藻類、微生物肥料、微生態(tài)飼料、環(huán)境污染處理等大規(guī)模細胞培養(yǎng)需要高強度低造價的生物反應器。特別是近年來利用生物質生產燃料乙醇等能源物質的戰(zhàn)略部署，需要應用大型高效節(jié)能生物反應器降低生產成本。

具有先進的生物過程優(yōu)化和放大能力是生物反應器設計的核心技術。由于在生物反應器中所發(fā)生的反應是在分子水平的遺傳特性、細胞水平的代謝調節(jié)和反應器工程水平的混和傳遞等多尺度（水平）上發(fā)生的。因此，如何利用生物反應器中的多參數檢測技術和在線計算機控制與數據處理技術，把細胞在反應器中各種表型數據與代謝調控有關的基因結構研究關聯起來，是反應器過程優(yōu)化與放大的重要內容，這也是我們多年工作的重點，并取得多項重大成果。

近年來許多有關發(fā)酵產品生產的企業(yè)迫切需要建立一個多功能的中試發(fā)酵車間，以滿足多種需要，諸如：對已經通過前期研究的產品進行過程優(yōu)化研究、在中試規(guī)模上達到高生產水平或質量并為車間生產提供工藝放大依據和設備設計依據、進行小批量生產以提供應用試驗的樣品及供市場銷售部分產品。隨著以“多尺度”觀點的發(fā)酵研究技術的發(fā)展，中試車間的有關裝備的軟硬件技術和研究方法以上述內容為核心進行建設，以便有效地解決發(fā)酵過程的優(yōu)化與放大問題。考慮到裝置系統(tǒng)的通用性以及為生產用罐的設計提供數據，其中一些關鍵設計參數如攪拌功率及攪拌槳型式、發(fā)酵熱及高效傳熱裝置設計、通氣流量設計等必需有足夠的調節(jié)余量或選擇。此外，參數檢測必需配置較完整傳感器與數據處理系統(tǒng)，為今后的發(fā)酵過程優(yōu)化與放大設計提供重要的工程設計數據。

在中試及生產系統(tǒng)中，一個重要的設計目標就是生物反應器群控技術的過程控制與數據處理，這不是通常意義的下位計算機所能實現的。因此，如何根據不同情況選用計算機系統(tǒng)就成為一個重要問題。近年來，隨著計算機技術的發(fā)展，在生物反應器系統(tǒng)中可以選用的計算機系統(tǒng)有單片計算機、PLC、工業(yè)控制計算機、現場總線計算機控制系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)等，其中現場總線系統(tǒng)與大容量計算機相結合可以很好地適應發(fā)酵中試系統(tǒng)的控制與數據處理要求?？梢圆捎脤⒅悄芮度胧接嬎銠C系列的智能模塊技術、高性能網絡通信技術、信息處理技術、綜合自動化控制技術與生物反應控制有機結合。設計成每個罐使用一塊現場總線模塊獨立控制，各個罐相互獨立，用分散的虛擬控制站取代了集中的控制站，增加了系統(tǒng)的可靠性。同時多個罐的控制回路用以太網連到一個IPC組成的操作站，組成小型的局域網。采用常規(guī)控制系統(tǒng)軟件包對所有發(fā)酵罐進行控制，具有高安全性和連續(xù)操作減少日常維護的特點。又以上位計算機進行數據通訊的集中顯示系統(tǒng)，具有貯存量大、數據處理使用方便和直觀的人機界面特點。

幾十年來隨著發(fā)酵工業(yè)的快速發(fā)展，發(fā)酵工程趨向設備大型化、高效和自動化。以傳統(tǒng)生物技術產品來說，一些氨基酸、抗生素或發(fā)酵輕化工產品都在幾十到幾百M3以上發(fā)展，一些原來是小規(guī)模發(fā)酵罐的老廠搬遷新廠區(qū)，發(fā)酵罐的規(guī)模也普遍要求放大?；蚬こ坍a品一般附加值高，不需要大型生物反應器，但近年來隨著基因工程酶生產技術的發(fā)展，如基因工程植酸酶的研究成功，又由于飼料添加劑的需求量大，用于基因工程高密度高表達的大型生物反應器研制已勢在必行。特別是今后隨著礦物質能源的耗竭，利用生物質生產燃料乙醇等已提到重要戰(zhàn)略議事日程，高效節(jié)能的大型發(fā)酵裝置的應用是降低生產成本的不可缺少的關鍵技術。

大型裝置的利用也帶來新的技術問題。目前國內發(fā)酵過程工業(yè)放大主要是根據經驗放大，例如單位體積功率相等、單位體積通氣比相同或選用相同的攪拌槳型式等，實際情況很難把握。后來又引進了化學工程的冷態(tài)試驗方法，對罐內流型進行了充分研究，最后根據這些混和傳遞特點，進行大型生物反應器設計，但實際情況有時偏差也很大。

發(fā)酵過程放大困難的原因就在放大時不可能同時做到幾何相似、流體運動學相似和流體動力學相似，當在小試研究時某一個對生產產生影響的重要因素沒有被觀察到，而這個因素恰恰在放大時成為關鍵因子時，就會造成整個發(fā)酵過程的失敗。為此，我們在發(fā)酵過程放大研究時，提出了在以代謝流分析與控制為核心的發(fā)酵實驗裝置上進行研究，由此可得到用于過程放大的狀態(tài)參數或生理參數，在放大的設備上得到相同的反映代謝流等生理數據變化曲線，就可以較好地克服上述放大過程中的問題。根據以上生理代謝參數相似的放大原則，需獲得大型發(fā)酵罐的幾何結構和動力結構等可設計參數，在放大規(guī)模的狀態(tài)參數轉化為操作或設計參數時有一個研究過程，需要在積累性的工作基礎上提升到理論和方法。例如根據OUR、KLa以及所選用的攪拌槳特性測算不同發(fā)酵罐規(guī)模所需的攪拌功率研究，根據OUR與菌體細胞剪切適應量選擇不同規(guī)模發(fā)酵罐的攪拌器形式、轉速及其他結構的研究、攪拌器的混和與剪切特性的冷態(tài)研究，計算流體力學的應用研究等。

上述工作對生物過程裝備（反應器）設計、放大及生產系統(tǒng)設計如何符合實際需要，并有效、快速的將實驗室項目向產業(yè)化轉化，起了積極保證的作用，也獲得了成功的應用。