氣升式發酵罐的工作原理：上升管兩端與罐底及罐的上部相連接，構成了一個循環係統，而在其下部裝有空氣分布器，無菌空氣以250～300m/s的高速度噴入上升管，由於噴射作用，氣泡很快分散在發酵液中。上升管內的發酵液相對密度變小，加上壓縮空氣的動能使液體上升，而罐內的發酵液由於菌體代謝消耗了溶解氧，導致其相對密度增大流向罐底，發酵罐導流管上方的發酵液連續進入導管，這就形成了“整體循環”，通過這種“整體循環”實現了發酵液的混合、傳質和傳熱過程。氣升式發酵罐的特點是結構簡單，冷卻麵積小，無需攪拌傳動裝置，節約動力約50%，裝料係數可達80%～90%，雜菌汙染少，不需要加消泡劑，維修、操作及清洗簡便。由於氣升式發酵罐無機械攪拌對菌體的剪切損傷，故可使菌體生長正常，有利於產物的合成和後提取，提高了產品收率。但氣升式發酵罐還不能代替好氣量較小的發酵罐，對於黏度較大的發酵液溶氧係數較低。
氣升式發酵罐是以引入的壓縮空氣作為運行能量的發酵設備，引入的空氣一方麵提供循環混合的動力，另一方麵提供生化反應過程所需的氧氣。因此，提高氧的傳遞速率是改善氣升式發酵罐性能的關鍵因素，為此可從以下幾個方麵進行改善：選用開小孔的鼓泡型空氣分布器，使空氣在出分布器時就成為細泡；在發酵罐內設置導流管，加大液體循環量，延長氣泡停留時間；可增加發酵罐的高度，氣升式發酵罐的高徑比可達1∶7，但發酵罐太高對廠房影響較大，且要提高空氣壓力，因此高徑比一般為1∶4。
三、自吸式發酵罐
自吸式發酵罐是一種不需要空氣壓縮機，而在攪拌過程中自行吸入空氣的發酵罐，其組成包括罐體、攪拌器、傳動部件、傳熱部件和控製部件。
自吸式發酵罐的關鍵部件是自吸攪拌器，簡稱為轉子或定子。轉子由箱底向上升入的主軸帶動，當轉子轉動時，空氣由導氣管吸入。轉子的形式有九葉輪、六葉輪、三葉輪、十字形葉輪等，葉輪均為空心形。當轉子以一定速度旋轉時葉片不斷排開周圍的液體使葉輪周圍高動能的液體壓力低於葉輪中心低動能的液體壓力，形成空位狀態，通過與攪拌器空心渦輪連接的導管吸入外界氣體，由空心渦輪的背側開口不斷排出，在渦輪葉片的末端附近以最大的周邊速度被液流粉碎，分散成細小的氣泡並與料液充分混合，徑向流動至器壁附近，再經擋板折流湧向液麵，在發酵罐內形成均勻的氣液混合體係。
自吸式攪拌器吸氣能力的大小主要取決於結構型式、安裝方式、攪拌轉速和料液性質等多種因素。如攪拌器葉輪與發酵罐直徑比越大，攪拌轉速越高，料液的相對密度越大，則吸氣量越大。
自吸式發酵罐的主要優點包括：節省空氣淨化係統中的空氣壓縮機、冷卻器等輔助設備，節省廠房占地麵積（節省設備投資30%左右）；設備便於自動化和連續化操作，降低了勞動強度；由於氣液接觸的時間較長，接觸均勻，氣泡分散較細，因而溶氧係數較高。其缺點是由於攪拌轉數較高（大型發酵罐攪拌充氣葉輪的線速度可達30 m/s左右），增加了菌絲被攪拌器切斷的幾率，影響了微生物的正常生長和產物的合成，所以在抗生素的發酵中很少使用。由於進罐空氣處於負壓，因此罐壓較低，增加了染菌的機會，這就要求在生產中要使用低阻力、高除菌效率的空氣淨化係統；另外，發酵罐的裝料係數也較低（40%左右）。
四、高位塔式發酵罐
高位塔式發酵罐是一種類似塔式反應器的發酵罐，其高徑比約為７，罐內裝有若幹塊篩板。壓縮空氣由罐底導入，經過篩板逐漸上升，氣泡在上升過程中帶動發酵液同時上升，上升後的發酵液又通過篩板上帶有液封作用的降液管下降而形成循環。這種發酵罐的特點是省去了機械攪拌裝置，如果培養基濃度適宜，而且操作得當的話，在不增加空氣流量的情況下，基本上可達到通用式發酵罐的發酵水平。
在抗生素的生產中，有40m3的高位塔式發酵罐，該罐直徑2m，總高為14m，共裝有6塊篩板，篩板間距為1.5m，最下麵的一塊篩板有10mm直徑的小孔2000個，上麵5塊篩板各有10mm的小孔6300個，每塊篩板上都有直徑為450mm的降液管，在降液管下端的水平麵與篩板之間的空間則是氣－液充分混合區。由於篩板對氣泡的阻擋作用，使空氣在罐內停留較長的時間，同時在篩板上大氣泡被重新分散，進而提高了氧的利用率。
五、伍式發酵罐
伍式發酵罐的主要部件是套筒、攪拌器。
攪拌時液體沿著套筒外向上升至液麵，然後由套筒內返回罐底。攪拌器是用六根彎曲的空氣管焊於圓盤上，兼作空氣分配器。空氣由空心軸導入，經過攪拌器的空心管吹出，與被攪拌器甩出的液體相混合。發酵液在套筒外側上升，由套筒內部下降，形成循環。設備的缺點是結構複雜，清洗套筒較困難，消耗功率較高。
六、動物細胞反應器
根據培養對象的不同，除微生物反應器外，生物反應器還包括動物細胞反應器和植物細胞反應器。下麵對動物細胞反應器主要的類型和結構進行簡要的介紹。
動物細胞培養是指動物細胞在體外條件下進行培養繁殖，此時細胞雖然生長與增多，但不再形成組織。通過動物細胞的培養，可以生產許多重要的、原先難以生產或無法生產的生物產品，如各種重要的疫苗、診斷試劑、單克隆抗體、生物堿、甾體化合物等。
動物細胞培養與微生物細胞培養有很大的區別，由於動物細胞沒有細胞壁，因此細胞對攪拌產生的液體剪切力十分敏感，大多數哺乳動物細胞需要附著在固體和半固體表麵才能生長；另外動物細胞對培養基的要求十分苛刻，要求含有多種氨基酸、維生素、無機鹽、血清等，並且對溫度、pH和溶氧濃度的要求都比微生物要嚴格。由於動物細胞生長比微生物慢得多，培養時間較長，因此需要嚴格的防汙染措施。
作為一個理想的動物細胞生物反應器，應該能夠很好地滿足動物細胞高密度增殖的需要，同時也要保證動物細胞高效分泌目標產品。動物細胞生物反應器主要有以下幾種形式：轉瓶培養器、塑料袋增殖器、填充床反應器、螺旋膜反應器、管式螺旋反應器、多層板反應器、流化床反應器、陶質矩形通道蜂窩狀反應器、中空纖維及其他膜式反應器、攪拌式反應器、氣升式反應器等。按照培養細胞的方式，這些反應器可分為懸浮培養用反應器、貼壁培養用反應器和包埋培養用反應器。下麵對幾種常用的反應器加以介紹。
1.籠式通氣攪拌反應器
按照動物細胞的生長要求，具備低的剪切效應、較好的傳遞效果和流體力學性質是這類反應器設計或改進所必須遵循的原則。籠式通氣攪拌反應器基本能滿足上述的要求。在該反應器內裝有一籠式通氣攪拌器，該攪拌器為上下裝有通氣腔和消泡腔的一個旋轉圓筒，在圓筒上裝有3～5個中空的導向攪拌槳片。氣液交換在由200目不鏽鋼絲網製成的通氣腔內實現；而在鼓泡通氣過程中所產生的泡沫經管道進入液麵上部由200目不鏽鋼絲網製成的籠式消泡腔內，泡沫經鋼絲網破碎分成氣、液兩部分，達到深層通氣而不產生泡沫的目的。在細胞生長期中，攪拌器轉速一般保持在30～60r/min。當3個導流筒隨攪拌同步轉動時，由於離心力的作用，攪拌器中心管內產生負壓，迫使攪拌器外培養基流入中心管，沿管螺旋上升，再從三導流筒口排出，繞攪拌器外緣螺旋下降，培養基和細胞反複循環，反應器內流體混合相當好，並且流體所受到的剪切力很小。
籠式通氣攪拌反應器的缺點：①氧傳遞係數小，不能滿足培養高密度細胞時的耗氧要求；②氣路係統不能就地滅菌，因此就難以應用於更大型的生物反應器。針對以上缺點，華東理工大學生化工程研究所在放大設計生物反應器時，將單層箱式通氣攪拌器改為雙層籠式通氣攪拌器，以擴大絲網交換麵積，提高氧傳遞係數。經過改進的20L雙層籠式通氣攪拌器生物反應器，與控製係統、管路係統和蒸汽滅菌係統一起組成完整的動物細胞培養裝置CellCul-20。該反應器係統用於懸浮培養雜交瘤細胞生產單克隆抗體和微載體培養Vero細胞、乙腦病毒，都取得了較好的結果。
2.鼓泡式生物反應器
鼓泡式生物反應器（Sparged bioreactor）與氣升式反應器相類似，是利用氣體鼓泡進行供氧及混合的，其設計原理也與氣升式反應器相同。鼓泡柱（Bubble column）是鼓泡式生物反應器中最簡單的一種。