El primer simulador de entrenamiento en biorreactores fue publicado por primera vez por Hass, utilizando como ejemplos el cultivo de levadura de panadero y la fermentación etanólica. Este simulador fue luego desarrollado aún más por Gerlach y otros para describir la producción de proteínas recombinantes con *E. coli*. Una derivación del simulador fue desarrollada por Hass y Pörtner y fue incluida en un libro de texto dirigido a ingenieros en bioprocesos y biotecnólogos.
Los grupos objetivo para el simulador de entrenamiento en biorreactores son técnicos e ingenieros, así como estudiantes de biotecnología, ingeniería bioquímica y campos relacionados. Los objetivos del entrenamiento con este simulador son apoyar la enseñanza de los fundamentos de la ingeniería bioquímica y, principalmente, proporcionar capacitación industrial y académica para la operación de entrenamiento en biorreactores de tanque de acero agitado mediante sistemas modernos de control de procesos; también busca ofrecer formación para la realización de experimentos reales de cultivo y la planificación de estrategias operativas para biorreactores. El simulador de entrenamiento fue diseñado para capacitar en el arranque de biorreactores, así como en las operaciones por lotes, alimentación continua y funcionamiento continuo. Finalmente, puede ser utilizado en la capacitación de ajuste de controladores para los lazos de control de biorreactores.
La levadura *S. cerevisiae* presenta características metabólicas que son particularmente adecuadas para demostrar la interdependencia entre el metabolismo microbiano, las estrategias operativas del entrenamiento en biorreactores y el rendimiento general del proceso. El proceso de cultivo es relevante a nivel industrial y también puede llevarse a cabo en laboratorios universitarios y prácticas. La levadura obtiene su energía para crecer metabolizando glucosa tanto en condiciones aeróbicas (respiración) como anaeróbicas (fermentación).
Durante la fermentación anaeróbica, *S. cerevisiae* produce dióxido de carbono y etanol como productos de la glucólisis. Bajo condiciones aeróbicas, el etanol puede utilizarse como sustrato si no hay glucosa disponible (crecimiento diauxico). De particular interés para la operación y control del proceso está el efecto Crabtree. *S. cerevisiae* produce etanol incluso bajo condiciones aeróbicas si hay más glucosa disponible de la que puede metabolizarse a través de la cadena respiratoria. Además, el producto etanol muestra efectos inhibitorios.
A partir de las propiedades biológicas del organismo, pueden deducirse estrategias operativas. Para maximizar el rendimiento de biomasa a partir del sustrato de carbono y producir una concentración máxima de biomasa, debe aplicarse una estrategia de alimentación por lotes continuos o semicontinuos (fed-batch), manteniendo la concentración de glucosa baja. Al mismo tiempo, la estrategia de burbujeo y agitación debe asegurar niveles suficientes de oxígeno en el caldo de cultivo; el pH y la temperatura deben ajustarse y controlarse en condiciones óptimas para el crecimiento. La dinámica general del proceso requiere controladores bien ajustados en una amplia gama de condiciones operativas.
Cepas genéticamente modificadas de *E. coli* se utilizan para producir proteínas recombinantes, como la proteína verde fluorescente (GFP). Gerlach y otros extendieron el simulador de entrenamiento en biorreactores con un modelo para la producción de GFP utilizando *E. coli*. La producción de GFP se induce mediante la adición de isopropil-β-D-1-tiogalactopiranósido (IPTG) a concentraciones específicas de biomasa. Durante el cultivo aeróbico, *E. coli* produce varios ácidos orgánicos, que pueden mostrar efectos inhibitorios sobre el crecimiento a ciertas concentraciones elevadas.
Este proceso también es relevante a nivel industrial y puede realizarse en laboratorios universitarios. Aquí, pueden investigarse estrategias de alimentación e inducción con respecto al rendimiento de GFP, y entrenarse el monitoreo y control de un proceso bastante complejo utilizando datos en línea y fuera de línea.
Ambos organismos se cultivan en un biorreactor de tanque de acero agitado de 20 L (acero inoxidable). El reactor está equipado con tanques de alimentación, ácido, base, antiespumante y producto, así como con las bombas correspondientes. El suministro de oxígeno se realiza a través de una estación de mezcla de gases (aire, oxígeno, nitrógeno), donde se pueden ajustar las tasas de gaseificación. El control de temperatura se logra mediante una camisa de calentamiento. El recipiente está equipado con sondas para medir la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto y el nivel de espuma. Las balanzas indican los cambios de masa dentro de los tanques y del biorreactor.
Se pueden tomar muestras a través de una válvula de muestreo para el análisis fuera de línea de las concentraciones de sustrato y producto. Los controladores PID están disponibles para la temperatura, el pH y el nivel. El control PID del oxígeno disuelto se realizó en forma de cascada (velocidad del agitador, flujo de aire, flujo de oxígeno). La operación del biorreactor se lleva a cabo a través de una interfaz gráfica de usuario del sistema de control de procesos. El biorreactor puede operar en modo por lotes, alimentación continua (fed-batch) o continuo.