生物反應(yīng)器是指利用為細胞或細菌等微生物進行生化反應(yīng)提供良好反應(yīng)環(huán)境的設(shè)備。生物反應(yīng)器中的微生物處在一個穩(wěn)定的培養(yǎng)環(huán)境中，并能得到培養(yǎng)介質(zhì)的循環(huán)供給。生物反應(yīng)器的設(shè)計與開發(fā)除需符合GAMP5與ASME BPE等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定外，還需了解所選用的pH、溫度、氧需求、生長率等微生物培養(yǎng)條件，以及最終產(chǎn)品的表達和濃度。
生物反應(yīng)器裝備裝有很多在位傳感器和一個界面友好、變量操控靈活的數(shù)字控制系統(tǒng)，允許控制許多可變量參數(shù)，包括溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、pH、溶解氧的濃度等。理想的高性能生物反應(yīng)器應(yīng)具有非常低的全混時間以及非常高的氣液傳遞等特征，除了監(jiān)控參數(shù)外，高性能生物反應(yīng)器還配置了在線分析儀對重要的培養(yǎng)變量進行頻繁監(jiān)控。圖1是一個典型的生物反應(yīng)器系統(tǒng)示意圖，該設(shè)備的重要培養(yǎng)變量能夠高頻率計量（30～1000 h-1），其它培養(yǎng)參數(shù)則可以較低頻率自動取樣測量（1～3 h-1）。

生物反應(yīng)器可以實現(xiàn)質(zhì)量穩(wěn)定的連續(xù)培養(yǎng)，并對進料流量進行測量，它能夠以不同的稀釋倍率（精度在0.005 h-1）工作，通過培養(yǎng)基補料的適當(dāng)設(shè)計可實現(xiàn)利用單一的組件完成諸如葡萄糖或氨等進液的操作。生物反應(yīng)器具有氣體混合后的通氣功能，通過混合進氣比例的變化對過程產(chǎn)生影響，例如，生長中的氧濃度以及產(chǎn)品動力學(xué)可提供在同一特定生長率的研究。利用計算機對培養(yǎng)參數(shù)的控制，可以對工藝進行高重復(fù)性的實驗，對細胞反應(yīng)基質(zhì)是一個極為重要的了解手段。  
生物反應(yīng)器的生物安全等級（BL）由最終用戶依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定，各房間的操作要求（例如取樣廢氣排放，凝聚物和培養(yǎng)基廢棄處理）都要保證操作者和環(huán)境的安全。根據(jù)病原對微生物活細胞的危險，生物安全等級（BL）分成3個安全等級空間，包括BL1-LS、BL2-LS和BL3-LS，病原危險越高、在設(shè)計和設(shè)備運行時要求房間的安全等級就越高。對于等級BL2和BL3的產(chǎn)品，添加輔料、取樣和收獲需使用密閉操作系統(tǒng)，污染凝聚物需收集到指定的滅活罐進行后續(xù)處理，培養(yǎng)結(jié)束后，生物反應(yīng)器的罐體和管道需得到及時的清洗與滅菌處理。為避免取樣操作帶來雜菌污染，側(cè)壁取樣閥需采用封閉的取樣裝置（圖2）。       
制造生物反應(yīng)器的罐體材料分為高分子、玻璃或不銹鋼，高分子材質(zhì)的生物反應(yīng)器為一次性產(chǎn)品，玻璃材質(zhì)罐體可以經(jīng)高壓滅菌，而不銹鋼罐體通過蒸汽在線消毒。

生物反應(yīng)器一般為圓柱體，安裝有攪拌器、夾套和絕緣層，大小從幾升到幾千升不等，罐體夾套用于維持最佳培養(yǎng)溫度。由于通氣、攪拌及泡沫的影響，罐體中液位以上的頂部空間常為工作體積的 20～30%；為滿足在線滅菌的要求，生物反應(yīng)器設(shè)計壓力為-1～3bar，工作溫度為143℃；設(shè)備內(nèi)表面拋光度為電拋光Ra<0.4μm，以保證產(chǎn)品接觸表面易于清洗；罐體的開孔數(shù)量、位置與類型取決于培養(yǎng)過程的原輔料添加（酸堿度、溫度控制媒介、消泡劑和培養(yǎng)基等）和總預(yù)期的儀表控制（壓力、液位、溫度、pH和O2探頭等），圖4是生物反應(yīng)器罐體的通用設(shè)計要求。 
高徑比是罐體工作高度與內(nèi)徑的比例，大的高徑比意味著更優(yōu)的氧和熱傳遞。耗氧發(fā)酵每分鐘需要消耗大約液體體積1～1.5倍體積的氣體，因此，要求罐體寬高比大于1.5，而且為了達到高的氧傳遞，攪拌系統(tǒng)一般選用多個葉輪，較低位置的葉輪用于產(chǎn)生徑向流并保證足夠的剪切分散空氣氣泡；上部的葉輪能產(chǎn)生軸向流并進行大工作量的攪拌。通常，底部與上部葉輪之間的距離為罐體直徑的2/3。為產(chǎn)生適合大量攪拌的軸向流，以及由于細胞敏感性限制的低剪切力，細胞生物反應(yīng)器的罐體高徑比要求為1:1，攪拌系統(tǒng)需選用單一的葉輪。 
攝氧速率（OUR）是指維持細胞生長及單位細胞量必需的氧氣量，OUR可以通過實驗獲得。首先測量飽和發(fā)酵培養(yǎng)基中溶解氧，然后測量微生物耗完氧氣的速率；氧傳遞速率（OTR）是指氧氣由氣相傳遞至液相的速率。通常情況下，生物反應(yīng)器的設(shè)計要求能提供足夠的氧，而沒必要在必需時給生物體（尤其是在指數(shù)生長期）提供最大的氧氣量。由于OTR受攪拌程度和通氣量的影響，因此，在生物反應(yīng)器放大時需要考慮如下幾個因素： 
通氣量：如果空氣中氧含量低于21%，可以輸入純氧作為氣源； 
攪拌功率：加大輸入功率可以保證更多的氧由氣相傳遞至液相； 
壓頭：壓頭增加可以增加OTR，同時還能避免泡沫的產(chǎn)生； 
分布器的類型和位置：安裝于最低葉輪下面的分布器可向生物反應(yīng)器中輸入空氣或無菌氣體，其最佳的安裝位置為葉輪直徑的3/4，如果分布器的位置距離葉輪太遠，空氣氣泡就會在散開之前重新聚合。 
模塊化設(shè)計能提前繪制焊點圖，具有按圖組裝、質(zhì)量穩(wěn)定、即插即用、能滿足工廠測試FAT、節(jié)省占地面積、美觀大方、形式多樣且便于操作等優(yōu)點。生物反應(yīng)器需按照3D設(shè)計圖紙進行組裝（圖5），每套設(shè)備均可按照客戶實際需求進行量身定制。
生物發(fā)酵的在線檢測技術(shù)及控制是非常重要的過程，菌體制備、初級或次級代謝產(chǎn)物以及轉(zhuǎn)化技術(shù)都是在人為給予最佳環(huán)境的培養(yǎng)條件下實現(xiàn)的。對微生物生長的外部物理條件、化學(xué)條件以及物料中生物學(xué)條件的調(diào)控是一個復(fù)雜的過程工程，目的是利于產(chǎn)物的生成。 
發(fā)酵參數(shù)檢測反饋的大量信息有助于更好地理解培養(yǎng)過程，并對工藝進行優(yōu)化和改進。生物發(fā)酵工程需要測量控制的物理參數(shù)包括攪拌轉(zhuǎn)速、罐壓、物料溫度、通氣量、發(fā)酵液總質(zhì)量、粘度、進液流量與累積量等；生物發(fā)酵工程需要測量控制的化學(xué)參數(shù)包括pH、pO2、CO2粘度、Kla氧呼吸速率、碳源、氮源、菌體濃度、尾氣排放氧/二氧化碳分壓、呼吸商以及酶的比活力、物料消耗速率與產(chǎn)物生成速率等。 
發(fā)酵液pH的精確控制對細胞生長及產(chǎn)物的形成非常重要，發(fā)酵過程中，細胞或基質(zhì)的消耗會導(dǎo)致培養(yǎng)液發(fā)生pH變化。生物反應(yīng)器使用可耐受高溫滅菌的pH傳感器，多為組合式探頭，由玻璃電極和參比電極組成（帶有內(nèi)部電解液與參比電解液），在線測量通過電極側(cè)面多孔塞上的液體結(jié)合點與培養(yǎng)液接觸。pH電極的測量范圍為0～14，精度±0.01～0.05。pH傳感器的電極內(nèi)容物會隨高溫滅菌以及使用時間不斷變化，每批次發(fā)酵滅菌前后均需用標(biāo)準(zhǔn)緩沖液給予校準(zhǔn)。
培養(yǎng)液的溶解氧濃度（DO）直接影響細胞的生長，溶氧濃度過低會限制細胞供養(yǎng)速率，導(dǎo)致生長速率降低與代謝流向的改變。發(fā)酵中隨著細胞的生長，菌體濃度增大，使得呼吸和耗氧速率加快，這一過程需要加大攪拌速率、通氣量預(yù)計OTR氧傳導(dǎo)速率。以基因重組大腸桿菌的流加培養(yǎng)為例，在一定速率的葡萄糖流加條件下，通過系統(tǒng)控制不斷給予正/負脈沖信號對流加速度進行連續(xù)的修正。可通過觀察溶氧濃度的瞬時脈沖響應(yīng)，將葡萄糖濃度大致控制在臨界值范圍之內(nèi)，使細胞生長速度處于最佳狀態(tài)，并對其代謝副產(chǎn)物給與抑制。發(fā)酵中常用的極譜電極為電化學(xué)測量方式，即使用只有O2可滲透的膜將發(fā)酵液與電化學(xué)電池分隔，DO傳感器主要結(jié)構(gòu)包括膜、電解液膜、陰極、絕緣體、陽極和電解液等。 現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的生化反應(yīng)過程控制完全依賴于計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用，通過可靠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進行實時操控和優(yōu)化，保障整個生產(chǎn)過程不出現(xiàn)偏差。計算機的過程信息數(shù)據(jù)儲存功能可以方便進行工藝數(shù)據(jù)比較分析，可在線校正傳感器信息與識別傳感器性能的變化。目前，生物發(fā)酵工業(yè)化生產(chǎn)過程計算機控制是集散型控制系統(tǒng)（DCS），DCS集中了連續(xù)控制、批量控制、順序邏輯控制與數(shù)據(jù)采集功能的計算機綜合控制管理系統(tǒng)。