Будь-який новий біотехнологічний виробничий процес спочатку повинен бути випробуваний в масштабі лабораторії. Після попередніх досліджень на звичайному лабораторному обладнанні створюють дослідну установку. У ній використовується відносно невеликийферментер об'ємом від 2 до 200 дм3. Ферментер - це резервуар, в якому протікає процес. Щоб вихід продукції був максимальним, необхідно визначити оптимальні фізичні умови і потреби в поживних речовинах.
Коли процес потрібно розширити від дослідного виробництва до повномасштабного, де обсяги складають тисячі дм3 в гру вступають нові чинники. Не виключено, що в деяких випадках такий перехід простонеможливий. Нижче перераховані деякі з найважливіших чинників.
1. Головна проблема - Підтримка стерильних умов. Легко забруднити як те, що вводиться в ферментер, так і те, що з нього виводиться. З досвідом інженерні технології поліпшувалися, і хорошим прикладом успіхів, досягнутих у використанні асептичних методів, є виробництво білка одноклітинних, названого прутіном.
2. Самівеликі проблеми при переході від одного масштабу до іншого створюють фізичні фактори, такі як змішування та аерація середовища і зашита від перегрівання. Ці проблеми вирішують інженери-хіміки. Деякі з подібних проблем обговорюються нижче.
3. Щоб забезпечити хороший доступ кисню до культур, вирощуваних у великому масштабі, необхідно аерувати середу, оскільки простого струшування, яке використовується влабораторії, недостатньо. Маленькі бульбашки більш ефективні, ніж великі, тому для подачі повітря використовується розбризкувач (трубка з маленькими отворами). Для підвищення турбулентності та ефективності розчинення кисню у воді, в стінки посудини вбудовують відбивні перегородки, завдяки яким збільшується час проходження бульбашок повітря через ферментер.
4. Щоб зменшити спінення, Що викликається збовтуванням і аерацією,необхідно використовувати піногасники.
5. Активна життєдіяльність мікроорганізмів при великомасштабному виробництві супроводжується виділенням тепла. Тому для охолодження навколо ферментера повинна циркулювати вода.
6. При великомасштабному виробництві набагато важче підтримувати постійні умови середовища, такі як концентрація поживних речовин і кисню, а також рН. Для моніторингу та контролю необхідні складні установки. Спроби обійти ці труднощі, припустимо, шляхом збовтування середовища, можуть привести до непередбачених наслідків, наприклад до змін у розподілі мікроорганізмів в культурі. У виробництві прутіна первинний вихід продукту був значно нижче, ніж передбачали на підставі експериментів, проведених у лабораторних умовах і на дослідній установці. Виявилося, що це пов'язано з додаванням в ферментер метанолу, який був для бактерій єдиним джерелом вуглецю та енергії. Оскільки метанол додавали в ферментер в одному певному місці, циркулюючі бактерії послідовно проходили через стадії «бенкету і голоду», так як один оборот вони здійснювали за кілька хвилин. Коли метанол стали додавати в різних місцях ферментера, продукція виросла до очікуваного рівня.
7. Мікроорганізми здатні змінювати свій метаболізм залежно від навколишніх умов, а у великих масштабах набагато важче точно контролювати умови. Будь-які незначні зміни продукту можуть виявитися шкідливими для людей або тварин, які споживають цей продукт.
8. Чим складніше обладнання та процедури, Тим більше ймовірність дефектів або аварій, причому їх економічні наслідки можуть бути катастрофічними. Тому важливо заздалегідь оцінити їх при ухваленні рішення про економічну обгрунтованість проекту.
9. При великомасштабному виробництві доводиться доставляти, стерилізувати і викидати великі кількості води.
10. Вихідні матеріали, Які споживаються у великих кількостях, повинні бути легко доступні, стабільні, зручні для роботи та зберігання. Хімічні зміни і мікробне забруднення зберігається матеріалу повинні бути мінімальні. Вихідні реагенти повинні бути дешеві, так як вартість - один з найважливіших факторів виробництва.
11. Іноді штами мікроорганізмів, Відібрані для використання в ферментативному процесі, легко ревертіруют (за рахунок мутації) і знову стають низькопродуктивними штамами, які ростуть набагато швидше. При розширенні масштабів виробництва ймовірність такої події істотно зростає.
12. Порошкоподібні речовини, Які використовуються в роботі у великих кількостях, можуть бути небезпечні для здоров'я робітників.
13. Матеріали, використовувані при конструюванні ферментера, Повинні бути стійкі до корозії, щоб виключити забруднення слідові кількості металу. Крім того, вони повинні бути нетоксичними для мікроорганізмів і стійкими до стерилізації парою під високим тиском.
14. При великомасштабної ферментації, Особливо коли використовуються генетично модифіковані організми, виникають додаткові небезпеки. Вони обумовлені можливістю більш потужного впливу на людей як куль-тівіруемого мікроорганізму, так і його біологічно активного продукту, порівняно з масштабом звичайної лабораторії.