Ein Membranreaktor ist eine Anlage zur Durchführung einer chemischen oder biochemischen Reaktion, die eine membranbasierte Trennstufe als integralen Bestandteil beinhaltet. Es gibt jedoch auch Ausführungen, bei denen sich die Membran außerhalb des chemischen Reaktors befindet. Die Verwendung von Membranreaktoren führt teilweise zur Verbesserung der Selektivität einer Reaktion und durch die kontinuierliche Produktabnahme zur Ausbeuteerhöhung bei gleichgewichtslimitierten Reaktionen.
Die Ausbeuteerhöhung der Reaktion beruht auf der Änderung der Konzentration eines Stoffes durch die kontinuierliche Entfernung bzw. Zuführung aus bzw. in den Reaktionsraum. Dies geschieht selektiv für den betreffenden Stoff durch eine für diesen Stoff durchlässige Membran.
Die Membran in solchen Reaktoren kann z. B. aus porösem Glas oder aus geeigneten Polymerschichten bestehen.