長期以來，發酵過程優化放大的基本思想和方法是基於經典動力學的基於最優過程控制點的靜態操作方法。本質上，這只是發酵工程中化工宏觀動力學概念的延伸。比如用氨水調節pH時，關註的是最佳pH值，而忽略了氨水用量的動態變化及其與其他參數的關系。在溶解氧濃度(DO)的測量和控制中，關註的是最佳DO值或臨界值，而忽略了細胞代謝過程中的耗氧率。顯然，用於以活細胞代謝為主體的發酵過程時有很大的局限性，應註意細胞代謝流的存在。隨著過程傳感技術和計算機技術的發展，國家生化工程技術研究中心(上海)設計了壹種新概念發酵裝置(由上海國強生化工程設備有限公司組織生產，外形為FUS-50L(A))，用於生物過程的多尺度研究。該裝置從生物反應器中的物流檢測的角度出發，具有超過14個在線參數檢測或控制，並致力於開發壹種適應各種反應器特性並集成各種過程理論和控制理論的裝置。在鳥苷發酵過程中，從反應器的實測參數中發現了細胞代謝流遷移，從而實現了過程優化[]。該產品已成功應用於青黴素、紅黴素、飼料金黴素、鏈黴素、黃黴素、泰樂菌素、克拉維酸、鳥苷、肌苷、基因工程白蛋白、基因工程瘧疾疫苗、基因工程植酸酶、胰島素原(PIP)、基因工程螺旋黴素等產品，發酵單位容量大幅提高，優化結果壹般可從幾十升發酵罐直接放大到幾百立方米的工業化生產發酵罐。
2.用於動物細胞大規模培養的生物反應器
由於細菌等原核細胞表達系統在轉錄和修飾方面的缺陷，許多重要蛋白質的發展，特別是糖基化的基因工程藥物、疫苗和抗體的需要，都使得哺乳動物細胞表達系統成為更合適的工具，因此哺乳動物細胞表達系統引起了大家的關註。以大規模哺乳動物培養技術為基礎的生物制藥產業在美國等西方國家發展迅速。幾十種產品已進入市場，取得了巨大的經濟效益和社會效益。國外用於生產的動物細胞生物反應器已經趨向於大規模(高達噸級)、多參數和高度自動化的計算機控制系統，並且適應於動物細胞對大環境因素的高敏感性的反應器已經被精巧地設計和制造，並且已經為用戶商業化。“七五”至“八五”期間，我國啟動了動物細胞生物反應器的研究，並取得了很大進展。但由於哺乳動物細胞培養的技術要求和技術壁壘較高，相關公司在不掌握核心技術的情況下，很難僅靠模擬來開展工作。抗體等細胞表達產物藥物量大，我國科研單位已掌握的早期生物制藥開發技術難以應用到新藥生產過程中，需要再次探索；由於細胞系等上遊配套技術的落後、反應器開發技術的差距、生化工程研究的不足，難以掌握高表達細胞系的構建和大規模細胞培養技術，難以突破技術瓶頸。中國的動物細胞生物反應器產業幾乎還是空白。
3.pH測量和給料控制搖床──搖床應用技術的發展。
自20世紀30年代搖床問世以來，它就被用作生物反應過程中必不可少的專用設備，如微生物的篩選、動植物細胞株、種子擴大培養等。由於搖床設備的特點，無法實時測量培養過程中的相關參數以及過程中補料的控制，所以長期以來壹直以搖床的放瓶結果作為實驗數據。當它作為菌株生理特性變化、培養基成分作用以及溫度、pH等環境條件變化等研究的依據時，實際上是壹種缺乏過程研究的靜態分析方法。這種方法的局限性顯而易見。比如將這種方法作為菌種的後育種技術時，傳統的搖瓶篩選方法往往缺乏補料或供氧，不壹定處於代謝流分配的最合理狀態，因此會出現嚴重的高產菌株漏篩現象。因此，國內外相關公司都關註了pH測量搖床的開發，並形成了產品。
4.生物反應器中試系統設計。
對於生產能力較大的傳統生物技術產品，為優化已通過前期研究(實驗室研究和市場分析)的產品的工藝，在中試規模上達到較高的生產水平或質量，進壹步為車間生產提供工藝放大和設備設計的依據，必要時進行小批量生產，提供應用試驗樣品或部分產品進行市場銷售。因此，近年來，許多與發酵產品生產相關的企業迫切需要建立壹個多功能的中試發酵車間。
5.大型生物反應器的設計與制造技術研究。
隨著發酵工業幾十年來的快速發展，發酵工程趨向於大型化、高效化和自動化。在傳統生物技術產品方面，壹些氨基酸、抗生素或發酵輕化產品正在幾十到幾百個M3發展。壹些以前是小規模發酵罐的老廠搬到了新廠，壹般都要求擴大發酵罐的規模。基因工程產品壹般附加值高，不需要大型生物反應器。然而，近年來，隨著基因工程酶生產技術的發展，如基因工程植酸酶的成功研究，以及飼料添加劑的大量需求，開發用於基因工程的高密度、高表達的大型生物反應器勢在必行。特別是在未來，隨著礦產能源的枯竭，利用生物質生產燃料乙醇已被提上重要的戰略日程，高效節能的大型發酵裝置的應用是降低生產成本不可或缺的關鍵技術，如美國、巴西等國容量超過2000M3的發酵裝置。