La razón por la cual la escalabilidad en biorreactores no es simple.

El diseño de biorreactores sería simple si todo lo que se tuviera que hacer fuera obtener un buen rendimiento a escala de laboratorio y luego simplemente construir una versión más grande geométricamente idéntica dl mismo. Sin embargo, esto es imposible de conseguir.

El objetivo es controlar las condiciones dentro del sistema, tales como la temperatura y la actividad del agua, en los valores óptimos para el crecimiento y formación de producto;

sin embargo, el crecimiento del organismo causa desviaciones de las condiciones óptimas en su entorno inmediato, a través de la liberación de calor metabólico de residuos y el consumo de O2, entre otros procesos;

En la operación de un biorreactor, estamos limitados a la manipulación de las variables externas;

los efectos de las variables de funcionamiento en las condiciones dentro del biorreactor, tales como la temperatura del lecho, no son directas. Entre la manipulación que hacemos en la variable de operación (por ejemplo, el cambio de la temperatura a la que el aire entra en un biorreactor con fuerza) y cualquier posición particular en el lecho, tenemos varios fenómenos de transporte. Por ejemplo, para llegar a media altura dentro de un biorreactor de lecho empaquetado, el aire de entrada tiene en primer lugar que pasar a través de un medio de la cama, y la temperatura del aire que habrá aumentado a partir del valor de entrada en el momento en que alcanza el medio de la cama, debido a la transferencia de calor que se produjo en la distancia intermedia. Esto disminuirá su capacidad de enfriar el medio de la cama (de hecho, este fenómeno es la base del perfil de temperatura axial para la aireación forzada de camas estáticas.);

La importancia de estos fenómenos de transporte aumenta a medida que la distancia sobre la cual debe producirse el transporte aumenta. Esta distancia típicamente aumenta a medida que el tamaño del bioreactor se incrementa.

• Así que los fenómenos de transporte son de importancia crucial en el control de cómo opera el fermentador. La escalabilidad se convierte en una tarea difícil debido a que la fisiología subyacente del microorganismo es independiente de la escala. El microorganismo responderá exactamente de la misma manera para un conjunto dado de condiciones que encuentra en su entorno local, independientemente de si se encuentra dentro de un biorreactor que contiene 10 g de sustrato o un biorreactor que sostiene muchas toneladas de sustrato. En otras palabras, en ambos biorreactores dará la misma tasa de crecimiento y la liberación de calor para una combinación dada de la concentración de O2, la concentración de nutrientes, pH, temperatura y actividad del agua. La cuestión clave del problema de la ampliación se convierte entonces en «¿Es posible mantener las condiciones ambientales locales en o muy cerca de los valores óptimos conforme las escala va aumentado?» Tenga en cuenta que es relativamente fácil de controlar el entorno local a pequeña escala. De hecho, es por esta razón que las columnas delgadas se utilizan para estudios cinéticos básicos. Es importante entender que las condiciones en el medio ambiente local dependen del equilibrio entre los cambios causados por el microorganismo y los fenómenos de transporte que surgen para contrarrestar estos cambios.
 Por ejemplo, la temperatura local detectada por el organismo (y que afectará a su crecimiento) depende del equilibrio entre la tasa de producción metabólica de calor de residuos y la tasa de conducción de energía de distancia a regiones en las que la temperatura es más baja. Si la tasa de producción de calor residual es mayor que la tasa de conducción, a continuación, la temperatura local aumentará, lo que por supuesto se produce durante los primeros períodos de la fermentación cuando la tasa de crecimiento está accelerando.
• La temperatura en el entorno local del organismo depende del equilibrio entre generación de calor y eliminación de calor. Este ejemplo se da en el contexto de una fermentación llevado a cabo dentro de una bandeja, en el que el principal mecanismo de eliminación de calor en el lecho es de conducción. El «ambiente local» de interés es a media altura en el lecho. Si la temperatura en el entorno local se mantiene constante, aumenta o disminuye depende del equilibrio entre la tasa de producción metabólica de calor (que es proporcional a la tasa de crecimiento) y la tasa de eliminación de calor por conducción a la superficie de la cama (que es proporcional al gradiente de temperatura a través de la cama sustrato). Debido al cambio en la tasa de producción de calor metabólico residual conforme cambia la tasa de crecimiento, la temperatura en el entorno local cambia a través del tiempo. Durante el crecimiento inicial la tasa de producción de calor residual aumenta. Esto hace que la temperatura aumente hasta que la tasa de eliminación de calor, una vez más es igual a la tasa de producción de calor. Sin embargo, dado que el crecimiento continúa acelerándose, la tasa de producción de calor sigue aumentando, por lo que la temperatura local debe seguir subiendo con el fin de seguir aumentando la eliminación de calor. Más tarde durante el crecimiento, como la tasa de crecimiento y por lo tanto la tasa de producción disminuye el calor, la temperatura local disminuye.

Así que la pregunta básica que necesitamos responder con el fin de entender el problema de ampliación se ha convertido en: «¿Cuál es el efecto de la escala en la capacidad de los procesos de transporte para eliminar el calor a una velocidad que sea suficiente para evitar que las temperaturas locales alcancen valores que limitan el crecimiento? » Con respecto a los fenómenos de mezcla de sólidos, basta con decir que la eficacia de la mezcla tiende a disminuir a medida que aumenta la escala.