蛋白质结晶是将通常复杂的大分子形成结构化、有序晶格的行为和方法。固态蛋白质通常为非晶态，容易变性，晶格中的蛋白质不容易变性，更加稳定。蛋白质在适宜的环境下会结晶。影响蛋白质结晶过程的各个变量存在极其复杂的相互作用，因此，蛋白质结晶既是一门科学，也是一门艺术。
形成蛋白质晶体最常见的原因是为了支持结构生物学研究，通常通过 X 射线衍射晶体学进行。研究人员可以通过了解蛋白质的三维结构（例如，更好地了解酶、底物和配体如何相互作用），可视化蛋白结构中允许与其他分子相互作用的区域。此外，结晶 是产生不受其他蛋白质或外界生物物质污染的纯蛋白质的有效方法，从而为制备色谱提供另一种纯化和分离方法。
蛋白质作为治疗药物越来越重要。然而，生产具有必要稳定性的蛋白质带来了关键的挑战，包括产品变异、结构损失(这会降低有效性)和潜在危险副产物的形成。蛋白质结晶用来生产纯净、稳定的固体剂型，以及与蛋白质晶体相关的一些注射和输液治疗剂。在过去，蛋白质结晶一直是支持x射线晶体学的实验室活动，但由于以蛋白质为基础的疗法的指数增长，扩大蛋白质结晶到生产水平越来越重要，是一个备受关注的领域。
扩大蛋白质结晶规模与小分子结晶基本相似，都要求在实验室规模下优化关键过程参数（CPP），以实现商业规模的结晶药物物质的关键质量属性（CQA）。蛋白质结晶过程开发和扩大规模的整体平台通常包括：
与蛋白质结晶相关的主要制药应用有：通过结构生物学实现的药物化学、蛋白质药物开发、扩大规模、分离和纯化、配方和给药。
有很多方法可以培育蛋白质晶体；其中最常见的是蒸汽扩散和微批量结晶法。第一种方法有两种形式，即悬滴法和沉滴法，两者的工作原理基本相同。在密封系统中，含有蛋白质、缓冲液和沉淀剂的一滴溶液与含有相同溶液（但不含蛋白质）的较高溶质浓度的储液器相平衡。含有蛋白质的液滴蒸发水份，并被吸引到储液器中浓度更高的溶液中。随着液滴中的溶质浓度升高，蛋白质开始结晶。在微批量结晶法中，薄薄的一层矿物油下有蛋白质和其他溶剂，矿物油可以避免水份扩散。微批量结晶法本质上是一个小型反应器，其中含有实现结晶的所有必要成分，这些成分浓度正确、稳定。
由于找到蛋白质结晶所需的一系列正确试剂、参数和条件往往靠经验，因此要让蛋白质成功结晶，最实用的方法是采用根据以往经验得出的各种实验条件。对此，最简单的方法是使用市面上销售的蛋白质晶体筛选试剂盒，这些试剂盒包含装在多孔板中的预装缓冲液、沉淀剂等。有了这些试剂盒，可以采用悬滴气相扩散法培育晶体。需要大规模筛选时，可以选用高处理量系统来实现微批量结晶法自动化，从而节省时间和避免单调乏味的工作，同时尽量减少所需的纯化蛋白质量。对于制药或工业应用所需的大规模蛋白质结晶，从筛选实验中得到的信息为在具有原位、实时PAT特点的大规模自动化反应系统中应用奠定了基础。
为支持过程开发和制造，成功结晶蛋白质最重要的初始步骤之一是确保供应充足的高纯度、特征明确的蛋白质。蛋白质除了要纯净（不含污染物，例如发酵基质中的杂质）外，还应该在溶液中保持均质和稳定，并具备以下条件：
此外，蛋白质结晶过程中使用的所有试剂和溶剂都不能含有污染物，因为这些污染物会给成核带来重大影响。
与小分子结晶类似，蛋白质通过过饱和溶液结晶。对于形成坚固晶格的小分子，主要通过调控温度来实现过饱和；这对蛋白质也非常有用。然而，由于蛋白质晶体通常将溶剂作为晶体结构的一部分，往往对温度很敏感，容易变性和聚集，因此可以缩小温度范围。
小分子的立体自由度明显更小，因此更容易结晶。大分子肽内部酸性、碱性、极性、非极性相互作用和排斥力更多，会妨碍有序结晶，就更大的蛋白质而言，这一现象更为严重。大多数相容性结晶肽还含有大量的二硫键，这对于固定结构基元至关重要。分子内部的无序程度或可能的结构变异是决定肽或蛋白质结晶而非沉淀的一个重要属性。即使分子具有易于结晶的属性，仍有很多影响过程的参数，这些参数影响着工艺在商业上的可行性，需要对其进行表征。
除了温度外，还有一些其他因素会通过过饱和影响/帮助蛋白质结晶，其中包括调节pH值和溶液的离子强度，添加盐和沉淀剂（如PEG）以帮助降低蛋白质溶解度、现有配体的类型等。关键是要在不干扰蛋白质正常特性的环境中，使溶液过饱和。这说明有一点非常重要，即找出一组变量和条件，使晶体具有正确的形态、纯度和可接受的生长速度。
基于蛋白质的治疗药物的开发可扩大规模需要深入了解影响结晶过程的变量和条件。与其他结晶一样，要获得所需的晶体形态、形状、颗粒粒度和粒度分布，需要仔细把控，产品质量才能保持一致。蛋白质晶体混悬液CQA的任何变化直接影响疗效。由于蛋白质晶体对生长环境非常敏感，容易因温度过高、溶剂损失和其他外部压力甚至取样过程而受到破坏，因此最好原位测量CPP和产品质量，即不将晶体从其溶液环境中取出。
将自动化实验室反应器与实时原位分析仪结合起来使用，可以确定过程参数对团聚、生长、结块、破碎和形状变化等结晶机理的影响。精确控制结晶过程与连续、原位监测结晶过程相结合，可根据事实、在数据驱动下实现优化和扩大规模。
EasyMax自动化合成实验室反应器是用于蛋白质结晶参数优化的完整工作站，可支持开发和扩大规模设计及执行。这套全自动系统可精确控制各项过程参数。
ReactIR使用中红外光谱测量结晶研究中的液相。ReactIR测量不受悬浮固体、气泡或其他颗粒物质量的影响。
ReactRaman采用拉曼光谱，对溶液中的颗粒进行分子分析
ParticleTrack采用聚焦光束反射测量（FBRM）技术，是一种基于探头的光学仪器，可直接插入容器内，从而实时跟踪粒度与粒数的变化情况。ParticleTrack利用弦长分布测量获得晶体粒度分布（PSD）。
EasyViewer 是一种基于探头的仪器，可直接插入容器内捕捉粒子系统的图像。EasyViewer进行图像分析，并从时间分辨的过程在线图像中测量粒数、粒度分布和形态，从而不断确定粒子群的变化趋势。
Pandit, A., Katkar, V., Ranade, V., & Bhambure, R. (2018). Real-Time Monitoring of Biopharmaceutical Crystallization: Chord Length Distribution to Crystal Size Distribution for Lysozyme, rHu Insulin, and Vitamin B12.Industrial & Engineering Chemistry Research, 58(18), 7607–7619.
作者报告称，成功开发了一种有效的方法来实时监测生物制药结晶。此过程采用ParticleTrack来测量一系列生物制药分子在静态和动态条件下的CLD，然后运用数学模型将CLD转换成CSD。所研究的生物分子具有不同的晶型，这取决于结晶的实验条件。溶菌酶可产生正方形和针状晶体，rHu胰岛素可形成菱形晶体，而B12则可以形成多面体晶体。
作者开发了各种模型来计算低纵横比正方形晶体、菱形晶体、多面体晶体和高纵横比针状晶体的CSD。作者采用了三个不同的模型来确定晶体粒度分布：
然后，将开发用于通过FBRM测量值计算CSD的模型的结果与通过图像分析获得的CSD测量值进行比较。
尝试监测不透明的结晶浆液充满了挑战，尤其是当生产规范要求窄颗粒粒度分布（PSD）时。对于可注射蛋白质晶体制剂，PSD可极大地影响粘度，并可作为团聚或其他可能危害制剂的降解事件的早期警报。在一项扩大规模批量结晶研究中，采用了原位监测来表征人类生长激素（hGH）晶体的形成和生长。实时分析发现，由于容器之间的混合差异，与通常的PSD曲线存在偏差。随后的离线图像分析（IA）证实了这一点。
