Los diseños experimentales estadísticos como los factoriales, óptimos o de cribado definitivo representan el estado del arte en la caracterización de procesos biofarmacéuticos. Sin embargo, tales métodos por sí solos no aprovechan el hecho de que los procesos operan como una interacción mutua de múltiples pasos. En cambio, buscan investigar solo un paso del proceso a la vez. Aquí, queremos desarrollar un nuevo método de diseño experimental que busque obtener información sobre la calidad del producto final, colocando el tipo correcto de ejecución en la operación unitaria adecuada. Esto se logra minimizando la tasa simulada de especificaciones fuera de rango de un modelo de proceso integrado compuesto por una cadena de modelos de regresión que mapean los parámetros del proceso a los atributos críticos de calidad para cada operación unitaria. Los modelos de operación unitaria están conectados al pasar su respuesta al siguiente modelo de operación unitaria como parámetro de carga, como se hace en los procesos de fabricación del mundo real. El método de Diseño Experimental holístico propuesto (hDoE) se compara con enfoques estándar de caracterización de procesos en un conjunto de estudios de simulación in silico donde los datos son generados por diferentes procesos de verdad para ilustrar la validez en una variedad de escenarios. Los resultados muestran que el enfoque hDoE conduce a una disminución del >50% en experimentos, incluso para casos simples, y, al mismo tiempo, logra el objetivo principal de desarrollo, validación y fabricación de procesos para entregar consistentemente calidad del producto.