疫苗作为重要生物制品之一,是人类预防疫病的关键手段。由于疫苗生产过程的复杂性,产品质量问题存在较高风险。近年来,国际药品监管机构对生物医学工艺工程的开发及产品质量进行了更加严格的控制。其核心是以“质量源于设计（Quality by design,QbD）”原则驱动生物过程的发展。本研究以QbD为主导原则,分别对Vero细胞生产新布尼亚病毒疫苗和BHK-21细胞生产口蹄疫疫苗的生产过程工程进行研究。首先,通过筛选商业化无血清培养基（Serum-free media,SFM）,选定Vero细胞的无血清培养基,并将其应用到微载体悬浮培养体系中。以QbD为导向,利用实验设计（Design of experiment,DoE）优化Vero细胞培养生产新布尼亚病毒疫苗过程,找到工艺参数的设计空间及操作空间。口蹄疫疫苗方面,成功将3000 L生产规模生物反应器进行模型缩小至10 L反应器,并在此基础上进行QbD过程工程研究。主要研究结论分为以下四个部分。（1）在建立Vero细胞微载体悬浮培养基础工艺的基础上,通过添加非必需氨基酸（Non-essential amino acids,NEAA）、改变搅拌转速和提高每日换液量的方法,将培养周期从7天缩短为4天。通过筛选商业化无血清培养基,选定Vero细胞无血清培养基为OptiPRO SFM,并将Vero细胞系驯化至0.2%NBS低血清培养,并应用于微载体悬浮培养系统中。通过对低血清培养基添加补料,将细胞培养方式从换液培养改进为流加培养,最高细胞密度大5×10⁶cells×mL^-1。（2）选定抗原量和收获液细胞终密度作为新布尼亚疫苗生产过程的CQAs。通过16组单因素实验,找到7个潜在的关键工艺参数（MOI、cell boost 4、cell boost 5、H₂O₂、乙醇胺、DMSO和HSA）。应用Plackett-Burman法对7个潜在关键工艺参数进行筛选。结果表明,cell boost 4和H₂O₂对病毒产量有显著的促进作用。乙醇胺对细胞终密度有显著性提升。选取cell boost 4、H₂O₂和乙醇胺作为关键工艺参数（Critical process parameters,CPPs）进行响应面精细优化实验。依据响应面实验结果,建立CPPs与关键质量参数（Critical quality attributes,CQAs）之间关系的数学模型,并通过该模型进行5000次蒙特卡洛模拟实验,找到生产过程CPPs的设计空间及操作空间,将抗原量提高至500μg×m L^-1以上,细胞终密度控制在1.5×10⁶ cells×mL^-1以上。最后将该培养工艺从搅拌瓶水平放大至2 L生物反应器,证明该培养过程在搅拌罐式型生物反应器中的可行性。（3）在3000 L口蹄疫疫苗生产规模的基础上,进行缩小模型的建立。首先选取了三种缩小策略进行模型缩小。通过对不同规模反应器内多种流体力学参数的计算和比较,最终确定以相同的单位体积能量输入（P/V）作为缩小策略。使用计算流体动力学（Computational fluid dynamics,CFD）模拟对该缩小策略进行验证。结果表明,CFD模拟结果与计算结果基本一致,初步证明该缩小模型的可行性。经实际培养比较,不同规模反应器内细胞水平及产品质量均无明显差异,证明了本研究中缩小模型策略的可靠性。利用多变元分析的方法建立了批式模型并对缩小模型进行验证,证明该缩小策略符合生物反应器生产过程缩小规律,成功建立了动物细胞培养过程缩小模型的技术指导性原则。（4）利用缩小模型,对口蹄疫生产过程进行QbD导向工艺开发。首先根据目标产品概况,药品的安全性和有效性原则,确定三个CQAs。通过失效模式及后果分析（Failure mode and effect analysis,FMEA）对CQAs进行风险评估,找到五个潜在CPPs。应用响应面实验,建立CPPs与CQAs的数学模型,并通过方差分析（Analysis of variance,ANOVA）确定了四个CPPs。细胞培养时间、病毒培养温度和病毒培养pH是影响半数组织培养感染剂量(Tissue culture infective dose,TCID₅₀)和抗原滴度的最重要因素。病毒培养温度是影响总蛋白量的唯一重要因素。依据关键质量参数的合格限及预期合格率,应用模拟实验找到疫苗生产的过程设计空间和操作空间。分别通过模拟实验和实际培养两种方式对设计空间及操作空间进行验证,CQAs的整体不合格率从18.33%显着降低到1.67%,与预期相符。这一结果证明该设计空间及操作空间的有效性,同时验证了QbD原则的指导意义。最后通过收集100个合格批次的过程参数,建立了批次模型,可用于指导后续疫苗的生产。通过这一过程说明应用QbD原则优化策略,可快速将疫苗生产工艺由起始阶段发展为成熟的以质量为目标的成熟工艺,大大节省了经济成本和时间成本。