Les molécules utilisées sont essentiellement des protéines à activité catalytique (enzymes).
    - Les enzymes peuvent être utilisés soit solubles (ensemble enzyme substrat en phase homogène), soit insolubilisés (ensemble  enzyme  (immobilisé) substrat en phase hétérogène) ; d'une manière générale, les enzymes solubles sont plus actifs et moins stables que les enzymes immobilisés ;
    - en simplifiant,  les enzymes sont utilisés dans des bioréacteurs  batch (enzymes solubles) ou des bioréacteurs continus (bioréacteurs à lit fixe ou lit fluidisé) ;
    - les exemples classiques d'enzymes utilisés à l'échelle industrielle sont la xylose isomérase (ex glucose isomérase isomérisant le glucose en fructose (isoglucose ou HFCS)), les L amino-acylases (production d'acides aminés), ...

Les exemples de mise en oeuvre d'organites et fragments cellulaires paraissent encore concerner plutôt la recherche et le développement.

Les cellules utilisées sont soit des microorganismes, soit des cellules d'eucaryotes supérieurs. Pour transformer leurs substrats, ces cellules ont  besoin de conditions physico chimiques particulières : source de carbone (le plus souvent servant de source d'énergie), d'azote, de phosphore, de soufre et de facteurs de croissance.  De plus, les exigences vis à vis de l'oxygène sont variables (sauf pour les anaérobies stricts). La résistance aux forces de cisaillement (liées, par exemple, à la pratique de l'agitation du milieu) est également variable. 
    - Les microorganismes sont classiquement cultivés dans des fermenteurs ; les possibilités de synthèse sont très importantes (et largement augmentées par l'utilisation du génie génétique) ; les conditions physico-chimiques de développement ne sont pas trop exigeantes mais le maintien d'un niveau d'aération des cultures est souvent un facteur limitant (une culture en croissance a une consommation en  oxygène maximale) ; par contre, la rigidité de la paroi bactérienne peut permettre la mise en oeuvre de forces de cisaillement  permettant une agitation mécanique importante ; ainsi, a-t-il été possible de mettre en oeuvre des fermenteurs de plus d'un millier de m³ ; à grande échelle, les fermenteurs sont utilisés pour la production de produits associés (éthanol, acide lactique), partiellement  (pénicilline) ou non associés (acide citrique) à la croissance  ; la mise en oeuvre est encore discontinue mais lors du remplacement des fermenteurs industriels,  des fermenteurs  discontinus sont remplacés par des fermenteurs continus de plus faible volume (un dizième ?)  ;  à l'échelle laboratoire, les fermenteurs sont utilisés pour la mise au point de cultures à plus grande échelle ou pour la production de  protéines  exprimant des  séquences clonées dans des cellules hôtes (préparation de protéines de fusion  dont les propriétés fonctionnelles et structurales de la partie spécifique seront étudiées car correspondant à une séquence nucléotidique inconnue ou modifiée (mutagénèse dans le cadre de l'ingéniérie des protéines suivie d'une purification du contenu protéique brut obtenu par utilisation de la fixation du tag utilisé sur un support de chromatographie d'interactions biospécifiques) ;
    - Les cellules eucaryotes supérieures sont cultivées dans des bioréacteurs particuliers nommés cytocylteurs ; ceux ci sont en général, à grande échelle, plus petits que les fermenteurs (maximum 150 - 200 L)  et  dotés de systèmes d'agitation spécifiques (agitation douce - hélices marines tournant à faible vitesse - adaptée à des cellules sans parois) dispositifs de contrôle et de régulation plus nombreux et plus sophistiqués dans la mesure où les conditions de culture des cellules sont  plus exigeantes : milieux plus riches (glucose) et plus complexes (sérum de veau foetal comme facteur de croissance dont on cherche de plus en plus à se débarrasser  pour le contrôle de la culture) ;  les cultures sont discontinues ou continues et servent à la production  de protéines à usage  thérapeutique  (anticorps monoclonaux ou protéines devant subir des modification post traductionnelles que seules des cellules eucaryotes sont capables de réaliser).