المفاعل الحيوي عبارة عن وعاء يوفر بيئة نشطة بيولوجيًا. فيه تنمو الخلايا، وتتفاعل الإنزيمات، وتتكون المنتجات. وهو يوفر درجة الحرارة، ودرجة الحموضة، والأكسجين، والمغذيات التي تحتاجها الأنظمة الحية. كما يوفر الخلط، بحيث تتوزع الخلايا والمغذيات بالتساوي. وبدون المفاعل الحيوي، سيقتصر التصنيع الحيوي على القوارير الضحلة وأطباق بتري.

تتنوع تصاميم المفاعلات الحيوية. تُعدّ مفاعلات الخزانات المُحَرَّكة أساسية في هذا المجال، حيث تستخدم دافعًا لخلط الوسط المُستَزرع. أما مفاعلات الرفع الهوائي فتستخدم تدفق الغاز لتدوير السائل. بينما تحتفظ مفاعلات الطبقة المُعَبَّدة بالخلايا أو الإنزيمات في مصفوفة ثابتة. وتفصل المفاعلات الحيوية الغشائية الخلايا عن المنتج بشكل مستمر. ويعتمد اختيار نوع المفاعل على نوع الخلايا والمنتج وحجم الإنتاج.

يُعدّ التوسع في الإنتاج الجزء الأصعب. فالمفاعل الحيوي سعة 10 لترات يختلف في أدائه عن المفاعل سعة 10000 لتر. يستغرق الخلط وقتًا أطول، ويصبح نقل الأكسجين عاملًا مُحددًا، وتتراكم الحرارة. يستخدم المهندسون نماذج حاسوبية ومحطات تجريبية للتنبؤ بكيفية أداء العملية على نطاق واسع، ولكن ليس من السهل دائمًا التنبؤ بذلك.

تُستخدم المفاعلات الحيوية أيضًا في معالجة النفايات، حيث تقوم الميكروبات بتحليل الملوثات، وفي هندسة الأنسجة، حيث توفر بيئة مُحكمة لنمو الخلايا وتكوين الأنسجة. الوعاء بسيط في فكرته، لكن هندسته معقدة.