生物药的化学复杂性需要精细的细胞培养工作来实现最佳的生产，其使用多种细胞系 - 从简单的细菌 （如E.Coli）到非人类哺乳动物细胞系（如CHO），再到人类细胞系（如HEK293细胞），以产生重组蛋白、用于基因治疗的病毒载体或DNA等产物。虽然宿主细胞和所需产品的具体情况可能因工艺而异，但原理是相同的：细胞消耗营养物质并进行一系列复杂的代谢反应，以产生极其复杂且高价值的产品。整体的上游操作流程也相似，包括从冷冻储存库(即工作细胞库) 中提取细胞到收获含有产物的培养液。在生产所需数量和预期质量的生物药产品时，主要考虑因素可包括：

• 生物反应器设计，确保能够“严格”培养大规模的细胞。生物反应器必须设计为细胞生长和产物形成提供最佳环境，同时降低污染风险。结构材料是一个重要的考虑因素。此外，反应器的结构必须仔细设计，以允许卫生和无菌操作，消除微生物和交叉污染。基于聚合物的一次性生物反应器和不锈钢反应器都是上游工艺的合适选择，适应不同的阶段和培养目标。

• 遵守法规要求，这也是推动设备设计的考虑。必须制定有效的清洗和灭菌程序，生产运行必须充分表征，以确保所需的细胞系被培养用于产物形成。

• 控制细胞生长，这是影响过程行为的主要工具。细胞依赖生长培养基获取生长所需的营养物质。每个工艺的特定培养基配方必须提供细胞增殖和产生所需产物的所有成分。简单的成分，如糖和氨基酸，可以满足大部分需求。更复杂的成分，如生长因子、维生素或胰岛素，可能是更具挑战性的宿主细胞或产物生产所必需的。除了营养物质，还需要小心控制pH值、DO和温度等其它条件。所有这些因素都会影响生长细胞的新陈代谢和生理机能，而这些新陈代谢和生理机能反过来又会影响细胞生产所需产物的生物过程。因此，保持一致的细胞行为对于保持一致的产品质量至关重要。最后，可以采用不同的补液策略来提高生产效率和工艺的可重复性。

工艺开发的目标是双重的：获得工艺理解和定义最佳的操作条件，以最大限度地提高产出。该过程包括识别那些影响生产率和产品质量的过程参数，并测试不同的组合，直到确定一组可实现所需工艺输出的条件。最常见的是，确定有关培养基配方和工艺参数的细节。用于衡量优化结果的工艺输出可能包括产物滴度、单位体积生产率以及产物纯度。

发酵或细胞培养的工艺开发需要对众多工艺参数的影响进行系统的探索，这些参数可能会影响各种工艺输出。虽然数学模型可以用于随过程条件的变化预测工艺性能，但“活的”生物系统的整体复杂性和可变性使得要在一个机械的数学模型中完全捕捉生物反应器操作的性能非常具有挑战性。因此，生物反应器步骤的开发在很大程度上是一项必要的实验，以获得进行工艺优化所需的理解。此类必要的研究通常使用台式规模的小型化系统进行，以降低对物料使用的需求。一旦定义了工艺，就可以将其规模放大至生产。

上游工艺开发的主要工作是确定最佳培养基配方。培养基的组成及其浓度对工艺性能有巨大的影响。一般来说，工业细胞系有一套相对标准化的培养基组成，如用于E.Coli的LB培养基和用于CHO细胞的DMEM培养基，这些通用配方为培养基配方的开发提供了一个良好的起点，但通常需要修改这些配方，以获得最佳性能。一种常见的方法是在典型的运行结束后，彻底分析消耗的培养基组分，以确定对于特定的细胞系，哪些营养物质可能是限制性的或未充分利用。生物体的潜在生物化学知识也可以与此信息相结合，以确定可能需要增加的其它添加物。

可以采用实验设计 (DOE) 方法，以确保以适当的分辨率捕捉工艺变量的影响，以及不同工艺变量之间的相互作用对工艺期望输出的影响。应该注意的是，不同工艺变量的影响可能取决于培养基配方。因此，在这一阶段应该包括培养基配方的相关变化。一个显在的目标是在生产由关键质量属性（CQA）定义的预期质量的产品时，使最终产物滴度最大化。在比较不同批次或补料分批生产策略的性能时，优化一个关键性能参数 - 生产力 - 是有帮助的，它被定义为产物滴度与工艺时间的比率。作为发酵或细胞培养步骤设计过程的一部分，需要考虑的其它相关标准可能包括原材料的成本和可用性、控制策略的可行性，或对下游步骤的成本和效率的影响。最后，所选择的条件必须满足产品关键质量属性的必要目标。一旦完成，工艺开发研究应为上游工艺提供设计空间。