En este método, las células no se atrapan en una matriz porosa sino que se retienen en una matriz semipermeable. La membrana permite la difusión del material soluble hacia y desde las células inmovilizadas a medida que retiene y protege los organismos. Los biorreactores de fibra porosa encuentran su mayor aplicación en este campo, y en ellos los organismos se confinan a un lado de la fibra porosa mientras que el sustrato soluble y los productos se confinan en la otra. Se pueden alcanzar densidades celulares mayores que las que se obtienen en el atrapamiento estructural, pero el crecimiento debe controlarse para prevenir la formación excesiva de biomasa y una posterior ruptura de la membrana. El suministro de oxígeno y nutrimentos a las células y la remoción de dióxido de carbono ocurren por difusión y pueden llegar a ser insuficientes.