Nas fermentações os produtos ou biomassa são produzidos em resultado da actividade metabólica. Nesses processos as matérias primas fornecem os elementos que entram na composição das células. Os caldos de cultivo deverão, assim, conter as fontes de carbono, de nitrogénio, fósforo, enxofre, cálcio e micro-nutrientes; o pH e a temperatura do caldo devem ser optimizados para a população celular em causa. Tratando-se de organismos respiratórios o oxigénio tem de ser fornecido por borbulhamento de ar. As matérias primas, em particular a fonte de carbono, são de natureza diversa e o grau de pureza exigível e os respectivos custos varia inversamente com a escala de produção. Dispondo dos nutrientes adequados, as células desenvolvem o seu metabolismo multiplicando a biomassa ou produzindo o produto desejado.
Este processo decorre em fermentadores que mais não são do que reactores químicos heterogéneos autocatalíticos. Contudo, as diferenças em relação aos reactores químicos são também significativas: a massa específica das células é apenas ligeiramente superior à do caldo, a velocidade de crescimento dos microrganismos é lenta, as dimensões das células ou dos agregados celulares são reduzidas, a mistura reagente é de composição complexa, a transferência de massa é lenta, há em geral uma grande sensibilidade dos microrganismos às condições ambientais, a composição do meio varia, por vezes, significativamente ao longo do tempo por via da segregação de metabolitos e polímeros e, em organismos filamentosos, a formação de micélios que contribuem para alteração das características reológicas do meio de cultivo. Estas características têm forte influência na homogeneização do caldo, na energia para a mistura, na transferência de massa gás-líquido e no controlo do processo.
O design dos fermentadores ou dos reactores químicos faz-se, porém, em obediência a princípios comuns, requerendo balanços de massa e de energia com a inclusão da lei cinética de crescimento ou de produção de produto que pode ou não estar associado ao crescimento.