細胞培養基優化的傳統方法是在獲知各種細胞培養基成份的濃度范圍后，進行多輪的篩選實驗，每輪篩選一種成分，找到其適合濃度；在下一輪實驗中固定篩選過的物質的適合濃度，再篩選另一種成分；如此循環直至每一種成分均獲得優化。
此種方法的優點是每一種培養基成分對細胞的作用均有詳細研究，容易找到其中重要的因素；缺點是耗時耗力，成本高。因為各成分間可能存在交互協同作用，已經優化好的成分其適合濃度可能會因其它成分的濃度改變而改變，因此該方法需要多輪反復優化才能找到相對合理的配方，并且該方法無法考察成分間的交互作用，而這恰恰是培養基優化工作中重要的一點。
細胞培養基配方約有50-100多種營養成分，而且許多成分的濃度是互相影響、互相關聯的。改變一種成分濃度，有可能要改變另一種成分的濃度。用理性的實驗設計策略來設計和開發細胞培養基配方，有望較快獲得性能良好的細胞培養基。
近年來，有學者提出了一些無血清細胞培養基理性設計的優化方法，主要包括化學計量法、統計學優化法、計算機輔助實驗設計的遺傳算法等，結合近年來出現的基因組學、蛋白質組學及細胞代謝流分析優化法，使得細胞培養基的優化特別是無血清細胞培養基的優化取得較快進展。
理性細胞培養基設計方法主要有四種：
一種方法是組分滴定（One factor at a time，OFAT），經典的培養基開發方法，研究一系列單組分濃度（保持其他組分恒定）對細胞培養效果的影響，預測性好，但通量小。
另一種方法是培養基混合（Media blending），通過混合已有配方的細胞培養基產生許多新配方培養基，評估這些混合物的細胞培養情況，容易選出較好的培養基組合，高通量時效果較好，但預測性差。
第三種方法是培養基消耗分析（Spent media analysis），檢測細胞培養過程的營養物質的變化及其代謝情況，計算出哪些營養物質被消耗了，哪些代謝物積累了，預測性好。
第四種方法是高通量篩選（High-throughautomated screening），通常需要自動化設備進行液體配制、多孔板細胞培養和細胞密度/代謝檢測，比如SimCellTM系統，預測性好，通量較高，但設備價格昂貴。
這四種細胞培養基設計方法各有其優缺點，實際應用時需揚長避短、綜合使用。
