Trong một hệ thống membrane với việc cung cấp liên tục môi trường sạch, các tế bào được giữ lại trong thiết bị phản ứng sinh học bằng một màng vi lọc hoặc siêu lọc, trong khi các phân tử nhỏ khuếch tán thông qua các lỗ trên membrane theo kích thước của nó. Do đó, trong một thiết bị phản ứng có membrane, những sản phẩm chuyển hóa có tính kiềm hãm quá trình lên men bị loại ra trong dòng permeate, trong khi đó các tế bào được cô lại trong dòng retentate. Phân đoạn tế bào cô đặc có thể được thu gom tốt nhất là theo mẻ hoặc liên tục cùng với việc không hoặc có xử lý lại tối thiểu đối với nồng độ tế bào trước khi làm đông hoặc đông khô.
Lượng tế bào B. bifidum (5.109 cfu/ml) và năng suất (2.1011 cfu/lh) cao được thực hiện trên môi trường dựa vào whey là chính và một thiết bị phản ứng có membrane (Corre và cộng sự, 1992). Taniguchi và cộng sự (1987) cũng đã đưa ra kết quả về nồng độ cuối B. longum cao hơn 7 lần khi thực hiện trong thiết bị phản ứng có membrane so với kết quả đạt được khi lên men tế bào tự do theo mẻ.
Tuy nhiên, một giới hạn quan trọng của thiết bị membrane và việc tái sử dụng tế bào có thể xảy ra là những tế bào không ở trong tình trạng độ nhớt cao làm giảm hoạt tính chuyển hóa, điều này được cho là gây stress đột ngột bởi những tế bào trong suốt quá trình bơm qua màng membrane (Bibal, Vayssier, Goma và Parceilleux, 1991). Thêm vào đó, việc ứng dụng thiết bị phản ứng có membrane bị hạn chế vì chi phí đầu tư cao, bảo dưỡng thiết bị và tắc nghẽn màng (Tejayadi và Cheryan, 1995; Musale và Kulkarni, 1998)
Hình 10: Thiết bị phản ứng sinh học có màng membrane