Bioreaktoren sind technisch ausgeführte Reaktionssysteme, in denen kontrollierte biologische Umsetzungen durch Mikroorganismen, tierische oder pflanzliche Zellen sowie Enzyme stattfinden. Für materialwissenschaftliche Fragestellungen sind sie zentrale Werkzeuge zur Produktion von Biopolymeren, zellbasierten Materialien, Biomineralen oder zur Untersuchung von Zell–Material-Wechselwirkungen.

Kernaufgaben eines Bioreaktors sind die präzise Einstellung und Regelung von Temperatur, pH-Wert, gelöstem Sauerstoff, Nährstoffkonzentrationen sowie Scher- und Mischbedingungen. Dies erfordert eine enge Kopplung von Reaktor-Design, Sensorik, Aktorik und Prozessleittechnik. Typische Bauformen umfassen Rührkessel-Bioreaktoren, Blasensäulen, Airlift-Reaktoren und Membranbioreaktoren; zunehmend wichtig sind Mikro- und Millireaktoren für hochparallele Screening-Experimente von Materialien und Zelllinien.

Aus materialwissenschaftlicher Sicht spielen insbesondere die Auswahl und Oberflächenmodifikation der Reaktormaterialien (z.B. Borosilikatglas, Edelstähle, Hochleistungskunststoffe) eine zentrale Rolle, um Biokompatibilität, Sterilisierbarkeit, geringe Proteinadsorption und chemische Beständigkeit sicherzustellen. Für adhärente Zellen und Gewebe sind strukturierte oder funktionalisierte Oberflächen relevant, etwa in Hohlfaser- oder 3D-Träger-basierten Bioreaktoren.

Wesentliche Betriebsweisen sind Batch-, Fed-Batch- und kontinuierliche Kultivierung, die jeweils unterschiedliche Anforderungen an Durchmischung, Stofftransport und Scale-up stellen. Moderne Bioreaktor-Designs integrieren Einweg-Systeme, fortgeschrittene Online-Analytik (z.B. Raman-, NIR-Spektroskopie) und Modell-basierte Regelung, um reproduzierbare Material- und Produktqualitäten zu erreichen. Damit sind Bioreaktoren ein zentrales Bindeglied zwischen biologischer Synthese und der Entwicklung funktionaler und struktureller Materialien.