蛋白質結晶化是為複雜大分子創造結構化、有序晶格的行為與方法。蛋白質通常以固態呈無定形狀態，且易於變性，而存在於晶格中的蛋白質則能抵抗變性並具有更高的穩定性。蛋白質若置於適合且有利的環境中，便能結晶。蛋白質結晶化被視為一門藝術與科學兼具的領域，因為影響蛋白質結晶過程的變數交互作用極為複雜。
製造蛋白質晶體最常見的原因是支持結構生物學研究，通常透過X射線繞射晶體學進行。研究人員透過了解蛋白質的三維結構，可以觀察框架中允許與其他分子互動的區域（例如，更好地理解酶、底物和配體如何相互作用）。此外，結晶化是製備純淨蛋白質的有效方法，能避免其他蛋白質或外來生物物質的污染，從而提供一種替代的純化與分離手段，與製備色譜法相輔相成。
結晶過程透過一系列相互依賴的機制進行，每個機制均受製程參數選擇的獨特影響：成核、生長、油析、聚集、破碎、播種及多晶型轉變。
這些機制常同時發生，使得有效的結晶設計成為挑戰。缺乏機制理解時，科學家依賴反覆試驗調整製程參數，以優化產率、純度及晶體大小。透過了解結晶過程中發生的機制，科學家能採用策略以產出具所需特性的晶體產品。
蛋白質作為治療藥物的重要性日益提升。然而，生產具必要穩定性的蛋白質面臨關鍵挑戰，包括產品變異、結構喪失導致效能降低，以及可能產生有害副產物。蛋白質結晶化是一種生產純淨、穩定固態劑型的方法，且多種注射及輸注治療劑與蛋白質晶體相關。過去，蛋白質結晶化主要作為支持X射線晶體學的實驗室活動，但隨著蛋白質基治療藥物的指數成長，將蛋白質結晶化規模擴大至生產層級變得越來越重要，並成為密集關注的領域。
蛋白質結晶化的規模擴大在優化關鍵製程參數（CPPs）以達成商業規模結晶藥物物質的關鍵品質屬性（CQAs）方面，基本上與小分子結晶化類似。蛋白質結晶化製程開發與規模擴大的整體平台通常涵蓋：
蛋白質結晶化在製藥領域有多項重要應用：結構生物學中的藥物化學、蛋白質藥物開發、規模擴大、分離與純化、配方與藥物遞送。
有多種方法用於生長蛋白質晶體；其中最常見的是蒸氣擴散法和微批法。前者有兩種變體，分別稱為懸滴法和坐滴法，兩者基本運作方式相同。在密封系統中，含有蛋白質、緩衝液和沉澱劑的溶液滴與含有較高溶質濃度但不含蛋白質的儲液槽達到平衡。蛋白質滴中的水分蒸發並被儲液槽中較高濃度的溶液吸引。隨著滴中溶質濃度增加，蛋白質開始結晶。在微批法中，蛋白質和其他試劑被置於一層薄礦物油下，防止水分擴散。微批法本質上是一個小型反應器，包含所有必要成分，且濃度穩定，允許結晶發生。
由於尋找正確的試劑組合、參數和條件以結晶蛋白質通常是經驗性的，成功蛋白質結晶的最實際方法是基於先前經驗使用多種實驗條件。最簡單的方式是使用市售的蛋白質晶體篩選套件，這些套件包含預先包裝的緩衝液、沉澱劑等溶液，置於多孔板中。懸滴蒸氣擴散法用於這些套件中生長晶體。當需要大規模篩選時，有高通量系統可自動化微批法，節省時間和繁瑣工作，同時最小化所需純化蛋白質量。對於製藥或工業應用所需的大規模蛋白質結晶，篩選實驗中獲得的資訊是應用於更大規模自動化反應器系統的基礎，該系統特徵為原位、實時的製程分析技術（PAT）。
為支持製程開發與製造，成功結晶蛋白質的最重要初步步驟之一是確保有足夠供應的高度純化且經過良好表徵的蛋白質。除了蛋白質必須純淨（即無發酵基質等污染物）外，蛋白質應該在溶液中均一且穩定（或被穩定化），具備：
此外，蛋白質結晶過程中使用的所有試劑和溶劑必須無污染，因為這些會對成核產生顯著影響。
與小分子結晶相似，蛋白質從過飽和溶液中結晶。對於形成穩固晶格的小分子，操控溫度是達到過飽和的主要方法；這對蛋白質也有用。然而，允許的溫度範圍較窄，因為蛋白質晶體通常包含溶劑作為晶體結構的一部分，且常對溫度敏感，易變性和聚集。
小分子具有較少的立體自由度，因此結晶較容易。大型肽分子有更多內部酸性、鹼性、極性、非極性相互作用和排斥力，抵抗有序結晶，這種現象在更大型蛋白質中更為嚴重。大多數適合結晶的肽也包含大量二硫鍵，這對固定結構模體至關重要。分子內無序程度或結構變異可能性是決定肽或蛋白質是否能結晶而非沉澱的重要屬性。即使分子具備有利於結晶的特性，也有許多影響製程商業可行性的參數需要表徵。
除了溫度外，影響或協助蛋白質透過過飽和結晶的其他因素包括pH調整和溶液離子強度、添加鹽類和沉澱劑如PEG以降低蛋白質溶解度、存在的配體類型等。關鍵是使溶液過飽和的環境不干擾蛋白質的正常特性。這凸顯尋找一組變數和條件的重要性，以產生具有正確形態、純度和可接受生長速率的晶體。
蛋白質基療法的結晶開發與放大需要深入了解影響結晶過程的變數與條件。與其他結晶過程一樣，達到期望的晶體形態、形狀、粒徑及粒徑分布需要謹慎控制，以確保產品品質一致。蛋白質晶體懸浮液的關鍵品質屬性(CQAs)的任何變異都會直接影響治療效果。由於蛋白質晶體對其生長環境高度敏感，且易受過高溫度、溶劑流失及其他外部壓力甚至取樣過程損害，因此理想情況下應在原位測量關鍵過程參數(CPPs)及產品品質，即不將晶體從其溶液環境中移除。
當自動化實驗室反應器與實時原位分析儀器結合使用時，可識別過程參數對結晶機制（如聚集、生長、凝聚、破碎及形狀變化）的影響。對結晶過程的精確控制，配合晶體形成過程的連續原位監測，使優化與放大能以事實為基礎、數據驅動。
EasyMax 自動化實驗室反應器 是蛋白質結晶參數優化的完整工作站，支持開發與放大設計及執行。此全自動系統可精確控制過程參數。
ReactIR 使用中紅外光譜測量結晶研究中的溶液相。ReactIR 測量不受懸浮固體、氣泡或其他顆粒物質影響。
ReactRaman 使用拉曼光譜對溶液中顆粒進行分子分析。
ParticleTrack 採用 聚焦光束反射測量 (FBRM) 技術，是一種光學探針式儀器，直接插入容器中即時追蹤粒徑和粒子數量的變化。ParticleTrack 利用弦長分布測量來獲得晶體尺寸分布 (CSD)。
EasyViewer 是一種探針式儀器，直接插入容器中捕捉粒子系統的影像。EasyViewer 進行影像分析，並從過程中的時間解析線上影像中測量粒子數量、尺寸分布及形態，允許隨時間趨勢分析族群變化。
Pandit, A., Katkar, V., Ranade, V., & Bhambure, R. (2018). 生物製藥結晶的即時監測：從弦長分布到溶菌酶、重組人胰島素及維生素 B12 的晶體尺寸分布。工業與工程化學研究, 58(18), 7607–7619。
作者報告成功開發了一種高效的生物製藥結晶即時監測方法。此程序使用 ParticleTrack 測量一系列生物製藥分子在靜態及動態條件下的 CLD，並應用數學模型將 CLD 轉換為 CSD。所研究的生物分子具有不同的晶體形態，這取決於結晶的實驗條件。溶菌酶可產生四方晶體及針狀晶體，重組人胰島素形成菱面體晶體，維生素 B12 則形成多面體晶體。
作者開發了模型以確定低長寬比的四方晶體、菱面體、多面體晶體及高長寬比針狀晶體的 CSD。作者使用了三種不同的晶體尺寸分布模型：
從 FBRM 測量計算 CSD 的模型結果，隨後與影像分析獲得的 CSD 測量結果進行比較。
嘗試監測不透明的晶體漿液具有挑戰性，尤其當製造規範要求粒徑分布 (PSD) 狹窄時。對於注射用蛋白質晶體配方，PSD 不僅會大幅影響黏度，還能作為聚集或其他可能損害配方的降解事件的早期警示。在一項放大批次結晶研究中，使用原位監測來表徵人體生長激素 (hGH) 晶體的形成與生長。即時分析偵測到由於容器間混合差異導致的 PSD 曲線偏離，後續的離線影像分析 (IA) 亦證實此結果。
