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  生物反應器的設計是一個複雜的生化研究工程科學任務。設計的目標是製造最佳的環境,使微生物或細胞能表現其功能,併產生雜質含量符合標準以內的產物。生物反應器內的溫度、養分濃度、pH值和氣體溶解度(尤其是關於氧氣的有氧發酵)等變因皆會影響生物體的生長和生產力。  垢會損害生物反應器的整體效率,尤其是系統中熱量的交換。因此為了避免垢的產生,生物反應器的設計必須易於清理,內表面通常由不鏽鋼製成,以便清洗和消毒;典型生物反應器則會在批次間清洗,或以特殊設計減少連續操作中結垢的可能性。  系統熱傳導的好壞會間接或直接影響整體反應,因此生物反應器的熱傳導能力是設計的一個重要部分;小導管可利用冷卻夾套來冷卻,但較大的導管就可能需要線圈或外部熱交換器。

  

  光反應器(PBR)是一種內含光源系統的生物反應器,幾乎所有的半透明容器都可稱為PBR,但是該術語比較常用來描述一個封閉的系統,而不是一個開放式水箱或水池。 光反應器可用來培養自營生物(如藍細菌、藻類、苔蘚或植物)。這些微生物利用光合作用作為其能量來源,不需要利用糖或脂肪代謝作為其能量來源,因此其外來微生物汙染(如細菌或真菌)的風險低於異營生物反應器。

  生物反應器也被設計用來處理汙水和廢水。以下舉例三種汙水處理法:  為最有效的系統,能提供有流動性(free-flowing)且具有化學惰性(chemically inert)的培養基,讓細菌分解未經處理的汙水。這些處理過程通常會經過一連串獨立、有順序性的大型反應槽、機械分離器(mechanical separator)或旋風分離器(cyclone),以加速水和汙泥的分離。其中的曝氣(Aerators)過程使氧氣溶入汙水和培養基中加快汙染物的分解。可同時處理大量汙水,故常被利用於都市廢水處理。  潛水攪拌機(Submersible mixers)在缺氧生物反應器中提供鼓動(agitation),以保持固體顆粒懸浮在溶液中,從而保證細菌和有機物質有「相遇」的機會,並經過分解處理後,使液體的生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand, BOD)降低到足以再次被利用。用此方法處理汙水的過程中會產生大量的固體有機質,即生物固形物(biosolids),其可被收集並做進一步處理或乾燥後當作肥料。  一個非常簡單的汙水處理生物反應器,指設定一個化糞池(使汙水留在原地),並加入(或沒有)介質提供適當環境給細菌;在此係統中,生物汙泥(biosludge)本身就是細菌的主要營養提供者(activated sludge, 活性汙泥),屬於一封閉系統,故不受洪水或水飽和土地(saturated ground)的影響,但處理所需時間較長,因此適合有足夠土地,且不在乎汙水處理效率的地區。  微生物為推動生物廢水處理的動力引擎,密切監測微生物在生物反應器的數量和質量是重要的關鍵。可利用ATP檢驗(ATP test)來監測。

  滾筒式生物反應器是目前組織工程領域最為廣泛應用的生物反應器。主要目標是用來培養試驗或治療用細胞及組織的生物反應器,在設計上相對於工業生物反應器有顯著的不同。許多細胞和組織(尤其是哺乳動物的組織),必須有一個穩定的表面或其他結構支撐以幫助其成長,故鼓動的環境往往會破壞這些細胞和組織的穩定生長。高等生物細胞是營養缺陷型(auxotrophic),需要其他高度專業化的生長介質輔助。  美國國家太空總署(NASA)已經研製出一種新型滾筒式生物反應器(NASA tissue cloning bioreactor),能夠培養人工組織細胞(如心臟組織、骨組織、韌帶、癌組織和其他型別的組織) 以提供科學研究。  關於人工組織培養的更多資訊,請參閱組織工程。
生物反應器(英語:Bioreactor)是指任何提供生物化學反應的適當環境或工程裝置。通常是指利用酶(由一個或一群酵素所推動)或生物體(如微生物)使裝置具有模擬生物的功能,可在細胞外進行生化反應,在模擬的過程中既可進行有氧反應也能進行無氧反應。這些系統在酒類、組織工程、生化工程、醫藥生產、有機汙染物降解...等應用上是相當重要的一個裝置。