生物反应器中常常采用机械搅拌式反应器，例如头孢菌素生产过程中用到的种子罐和主发酵罐常采用机械搅拌。生物反应与化学反应的不同点在于它们所处理的对象不同，以细胞生物反应器（俗称发酵罐）为例，发酵罐所处理的对象是微生物，它的繁殖、生长，与化学反应过程有很大的区别。

（1）生物反应器都在多相体系中进行，绝大多数生物反应体系包括气-液固三相，即空气或CO2等气体产物、液态增培养基和生物细胞及其载体的颗粒，如青霉素、链霉素、头孢菌素等医药产品。发酵液的特点如下。

①黏度是变化的。发酵开始时，发酵液的黏度一般不大，流体属牛顿型流体，随着发酵的进行，菌体不断系列和代谢物的不断产生，发酵液的黏度不断增加，流体从牛顿型流体变成非牛顿型流体。

②生物颗粒具有生命活力。它从环境中撮营养、获得能量、自我繁殖。其形态可能随着加工过程的进行而变化，如从丝状变为圆球状，从单细胞到絮凝细胞团等。

（2）大多数生物颗粒对剪切力非常造敏感，剪切作用可能影响细胞的生成速率和组成比例，因此对搅拌产生的剪切力要进行控制。

（3）大多数微生物发酵需要氧气   氧气对需氧菌的培养至关重要，只要短暂缺氧，就会导致菌体的失活或死亡。而氧在水中溶解度极低，因此氧气的供应就成为十分突出的问题。

    鉴于上述生物发酵的特点，机械搅拌发酵罐常采用通气式搅拌。对搅拌过程要求：①打碎空气气泡，使气泡细化以增加气液接触界面，提高气液面的传质速率；②发酵液要有较大的流动循环量，使液体中的固形物保持悬浮状态。为有效利用空气中的氧，增加气体在设备内的停留时间，发酵罐的高径比往往大于2。因此传统的发酵罐常采用多层搅拌器，如多层六直叶圆盘涡轮搅拌器、六弯叶圆盘涡轮搅拌器、六箭叶圆盘涡轮搅拌器等都能取得较好的效果。然而随着发酵规模不断扩大，采用多层相同径流型搅拌器的不足就明显暴露出来。径作用强，但整个发酵罐的流动循环差，影响了发酵设备的大型化发展。

    最新研究表明，对通气式机械搅拌发酵罐，其搅拌器的要求既要有较强剪切力，又要有较大的流体循环特性，采用单一的径流型器是达不到要求的。往往采用径向流和轴向流相结合的多层搅拌桨组合式搅拌系统。如下层采用剪切力强的圆盘涡轮式径流型搅拌器，上层采用循环量大的轴向流搅拌器，既有利于气泡的分散，增加接触界面；又能促进全罐的混合，延长气体的停留时间，有利于溶氧的速率，提高发酵单位，增加产量。

    应于生化发酵设备的搅拌器除传统的直叶圆盘涡轮搅拌器、弯顺圆盘涡轮搅拌器、箭叶圆盘涡轮搅拌器外，还有斜叶圆盘涡轮搅拌器也是很好的选择。斜叶圆盘涡轮搅拌器既有一定的剪切作用，又能产生较强的轴向循环流，可获得较好的气液分散、气含率和传热系数大，且搅拌功率较小。由于桨叶的倾斜，增大了叶片对气体的覆盖作用，泛点转速也较低。因此斜叶圆盘涡轮是一种性能优良的器，近年来得到广泛的应用。

    另外瑞明公司开发的A315叶轮以及国内开发的轴向流叶轮是用于气液分散系的新型叶轮，其特点是在叶轮区的水平投影上叶片的投影所占的比例（例面积率）达87%（4叶45°斜叶圆盘涡轮为42%）。功率准数Np值比直叶圆盘涡轮小得多。但这种叶轮的分散能力不如圆盘涡轮，实际上这种叶轮常常与圆盘涡轮组合使用。如在多层搅拌器的发酵罐中，底层仍用分散性能好的圆盘涡轮，上层采用A315叶轮，增加整罐的混合。应用结果表明，该组合具有能耗低，混合好，可提高发酵指数，取得明显的经济效益。

新近开发的新型径流型弧形叶圆盘涡轮特别适用于各种发酵罐。一般在气-液分散的操作中，为分散气体，传统的搅拌器多采用直叶圆盘涡轮，由于在直叶片的背面附着大量气穴，使其泵送能力降低。在高气速下，有时整个搅拌器被气穴所包裹，搅拌近于空转，效率很低。根据气穴理论揭示的气-液分散机理，开发的新型弧形叶圆盘涡轮搅拌器，克服了上述缺点，其弧形的叶片使其背面的漩涡减少，抑制了气穴的形成，具有良好的气-液分散混合性能。弧形叶圆盘涡轮搅拌器具有下列优点。

①载气能力提高，泛点转速低。

②改善了分散和传质性能，Kla可增大20%～30%。

③由于通气使搅拌功率下降的程度比其他的叶轮小，搅拌器的泵送能力提高。

    目前设计的发酵罐，当采用多层搅拌器时，其底层搅拌器常常采用弧形叶圆盘涡轮，已取得了很好的效果。 

    生物技术产品的应用范围不断扩展，已广泛应用于医药工业，食品工业、农业、环境保护等领域。作为生物反应过程的核心设备生物反应器，对高效节能搅拌器的研究，是开发新型反应器的中心内容。近年来提出了生物反应器工程，研究的内容包括生物反应特性、生物反应器结构、操作条件与混合、传质、传热的关系、生物反应器的设计与放大、生物反应器的优化操作与控制等，生物反应器将得到更快的发展。