作为通气搅拌发酵罐的主要特征之一，机械搅拌系统提供的动力是机械搅拌发酵罐质量传递、热量传递、混合和悬浮物均匀分布的基本保证。搅拌装置的设计和选择必须综合考虑以满足上述要求并降低造价和动力消耗。
机械搅拌系统由电机、变速箱、搅拌轴、搅拌桨、轴封和挡板组成。下面做简要的介绍。
1．电机和变速箱
电机和变速箱置于罐体之外。对小型反应器，可以采用单相电驱动的电机，而大型反应器所用的一般均为三相电机。对大型反应器，由于电机的转速一般远高于搅拌转速，必须通过变速箱降低转速。实验室小型反应器可以采用无级变速，不需要变速箱。在间歇培养时，细胞生长各个阶段对剪切力和氧传递有不同的要求，为了降低功耗，最好采用可调速电机。
2．搅拌轴
搅拌轴既可以从顶部伸入罐体，也可以从底部伸入罐体，前者称为上搅拌，后者称为下搅拌。一般而言，上搅拌的制造和安装成本要略高于下搅拌。但是，采用下搅拌时，培养基中的固体颗粒或者可溶性成分在水分挥发后形成的结晶会损坏轴封，使其维护成本增加。不同尺寸的通气搅拌罐，其搅拌桨层数也不同，小型通气搅拌罐一般只有一层搅拌桨，而大型通气搅拌罐一般具有2～4层搅拌桨以改善混合和传质。
3．轴封
轴封的主要作用是防止环境中的微生物侵入反应器以及培养液等发生泄漏。机械传动部件往往是造成染菌的主要原因之一，因此轴封设计的关键是避免染菌和泄漏，应尽可能采用无菌密封材料。
4．挡板
体上还安装有挡板。挡板的设计要满足“全挡板条件”。所谓全挡板条件，是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时，搅拌功率不再增加。挡板的数目通常为4～6块，其宽度为0.1～0.12D。全挡板条件是达到消除液面漩涡的最低条件。
5．搅拌桨
根据搅拌所产生的流体运动的初始方向，可以将搅拌桨分为径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨。径向流搅拌桨将流体向外推进，遇反应器内壁和档板后再向上下两侧折返，产生次生流。轴向流搅拌桨则使流体一开始就沿轴向运动。一般而言，带轴向流搅拌桨的反应器，其功率准数较低，达到同样混合效果所需消耗的能量要远低于径向流搅拌桨。径向流搅拌桨所造成的剪切力大于轴向流搅拌桨，这有利于打碎气泡，从而增大总括氧传递速率常数，但会对有些细胞产生伤害。因此，径向流搅拌桨多用于对剪切力不敏感的好氧细菌和酵母的培养，而轴向流搅拌桨多用于对剪切力敏感的生物反应体系。对于大型发酵罐，可采用这两类搅拌桨混合配置的设计，以充分发挥各自的优点。最下层的桨一般采用平板桨，这种桨具有优良的气泡破碎效果，这是在青霉素发酵研究和开发中得到的经验，一直沿用至今。