Sản xuất sinh học bắt đầu bằng quá trình xử lý thượng nguồn. Đây là giai đoạn nuôi cấy tế bào và hình thành sản phẩm. Các tế bào có thể là vi khuẩn, nấm men, tế bào côn trùng hoặc tế bào động vật có vú. Chúng được nuôi cấy trong các lò phản ứng sinh học dưới điều kiện được kiểm soát. Mục tiêu là tối đa hóa mật độ tế bào và năng suất sản phẩm. Mọi thứ ở hạ nguồn đều phụ thuộc vào những gì xảy ra ở đây.

Quá trình xử lý thượng nguồn bao gồm nhiều bước. Phát triển dòng tế bào tạo ra dòng tế bào ổn định, năng suất cao. Nuôi cấy giống nhân giống giúp mở rộng tế bào từ một lọ nhỏ đến thể tích đủ lớn cho lò phản ứng sinh học sản xuất. Tối ưu hóa môi trường nuôi cấy cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết cho tế bào. Các thông số quy trình, như nhiệt độ, độ pH, oxy hòa tan và chiến lược cho ăn, được kiểm soát để tối đa hóa năng suất. Lò phản ứng sinh học sản xuất có thể có thể tích từ vài lít đến hàng nghìn lít.

Việc lựa chọn hệ thống biểu hiện rất quan trọng. Vi khuẩn nhanh và rẻ nhưng không thể thực hiện các biến đổi sau dịch mã phức tạp. Nấm men có thể biến đổi protein nhưng không theo cách giống như tế bào người. Tế bào động vật có vú sản xuất protein được gấp nếp và biến đổi đúng cách nhưng chậm và đắt tiền. Tế bào côn trùng được sử dụng cho một số loại vắc-xin và protein. Sự lựa chọn phụ thuộc vào sản phẩm.

Công đoạn xử lý thượng nguồn là nơi sinh học gặp gỡ kỹ thuật. Những thay đổi nhỏ về điều kiện có thể tạo ra tác động lớn đến năng suất và chất lượng. Đây là một quá trình phức tạp, năng động, đòi hỏi sự giám sát và kiểm soát cẩn thận.