发酵工程原理及技术期末复习试题套含答案大学期末复习资料

发酵工程原理及技术期末复习试题套含答案大学期末复习资料一、选择题（每题2分，共30分）1.下列不属于工业发酵常用微生物的是（）A.枯草芽孢杆菌B.黑曲霉C.乳酸杆菌D.结核杆菌答案：D（工业发酵菌种需安全、易培养、产物量高，结核杆菌为致病菌，不适用）2.紫外线诱变的最佳波长是（）A.220nmB.254nmC.280nmD.365nm答案：B（DNA对254nm紫外线吸收最强，诱变效果最佳）3.对数残留定律（Lovingood’sLaw）描述的是（）A.微生物生长与基质浓度的关系B.灭菌过程中微生物死亡速率C.产物合成与菌体生长的偶联关系D.溶氧浓度与搅拌转速的关系答案：B（定律公式为dN/dt=-kN，描述灭菌时微生物死亡的一级动力学）4.下列属于初级代谢产物的是（）A.青霉素B.酒精C.红霉素D.维生素B12答案：B（初级代谢产物是菌体生长必需物质，如酒精；次级代谢产物是生长非必需，如抗生素、维生素）5.补料分批发酵中，控制葡萄糖浓度在较低水平的主要目的是（）A.减少基质抑制B.提高溶氧C.降低pHD.促进菌体分化答案：A（高浓度葡萄糖可能导致代谢副产物积累或反馈抑制，低浓度可避免基质抑制）6.临界溶氧浓度是指（）A.发酵液中溶解氧的饱和浓度B.菌体生长不受溶氧限制的最低溶氧浓度C.产物合成的最佳溶氧浓度D.灭菌所需的最低溶氧浓度答案：B（低于此浓度时，菌体生长或产物合成速率下降）7.下列灭菌方法中，属于湿热灭菌的是（）A.干热空气灭菌B.紫外线灭菌C.高压蒸汽灭菌D.过滤灭菌答案：C（高压蒸汽利用高温高压水蒸气破坏微生物结构，属于湿热灭菌）8.发酵过程中，若菌体浓度（X）与产物浓度（P）的关系为dP/dt=αdX/dt+βX，则该产物属于（）A.生长偶联型B.非生长偶联型C.混合生长偶联型D.二次代谢产物答案：C（α为生长偶联系数，β为非生长偶联系数，混合模型）9.工业发酵中，常用的消泡剂不包括（）A.聚醚类B.硅油C.脂肪酸D.氯化钠答案：D（氯化钠无消泡作用，且可能影响离子平衡；聚醚、硅油、脂肪酸是常用消泡剂）10.菌种保藏的核心原理是（）A.抑制微生物代谢活动B.促进孢子形成C.提高营养浓度D.增加溶氧答案：A（通过低温、干燥、缺氧等条件降低代谢速率，延长存活时间）11.下列关于分批发酵的特点，错误的是（）A.操作简单B.产物浓度高C.容易染菌D.基质利用率高答案：D（分批发酵基质一次性加入，后期可能因基质耗尽或产物积累导致利用率低）12.发酵培养基中，玉米浆的主要作用是（）A.提供碳源B.提供氮源C.提供生长因子D.调节pH答案：C（玉米浆富含氨基酸、维生素等生长因子，是天然有机氮源）13.搅拌器的主要作用是（）A.提高温度均匀性B.促进溶氧传递C.减少泡沫D.控制pH答案：B（搅拌通过剪切作用破碎气泡，增加气液接触面积，提高溶氧传递效率）14.下列不属于代谢控制发酵手段的是（）A.选育营养缺陷型菌株B.控制发酵pHC.添加前体物质D.提高灭菌温度答案：D（代谢控制通过遗传改造或环境调控改变代谢流，灭菌温度与代谢控制无关）15.下游加工中，萃取法主要用于分离（）A.大分子蛋白质B.小分子产物C.菌体细胞D.无机盐答案：B（萃取利用溶质在两相中的分配差异，适用于小分子如抗生素、有机酸）二、填空题（每空1分，共20分）1.工业菌种选育的方法包括自然选育、诱变育种、（）和（）。答案：杂交育种；基因工程育种2.培养基按物理状态分为液体培养基、（）和（）。答案：固体培养基；半固体培养基3.灭菌的方法可分为物理灭菌和化学灭菌，其中物理灭菌包括（）、（）和过滤灭菌。答案：湿热灭菌；干热灭菌（或紫外线灭菌）4.发酵过程中，溶氧的传递速率方程为（），其中KLa表示（）。答案：OTR=KLa(C-CL)；体积溶氧系数5.次级代谢产物的合成通常在（）期开始，其合成与菌体生长（）（填“偶联”或“非偶联”）。答案：稳定；非偶联6.补料分批发酵的类型包括（）补料和（）补料。答案：恒速；指数（或反馈控制）7.菌种保藏的常用方法有（）、（）和冷冻干燥保藏法。答案：斜面低温保藏；石蜡油封藏（或沙土管保藏）8.发酵动力学参数中，μ表示（），qP表示（）。答案：比生长速率；比产物合成速率9.前体物质在发酵中的作用是（），其添加方式通常为（）。答案：直接参与产物合成；少量多次流加10.下游加工的主要步骤包括（）、（）、纯化和干燥。答案：菌体分离（或发酵液预处理）；初步提取三、名词解释（每题4分，共20分）1.连续发酵：指在发酵过程中，连续向发酵罐中加入新鲜培养基，同时排出等体积的发酵液，使发酵罐内菌体浓度和产物浓度保持相对稳定的发酵方式。2.前体：指某些化合物加入培养基后，能直接被微生物利用并结合到产物分子中，而自身结构无显著改变的物质（如苯乙酸是青霉素合成的前体）。3.比生长速率（μ）：单位菌体浓度下的菌体生长速率，单位为h⁻¹，公式为μ=(1/X)(dX/dt)，反映菌体生长的相对速度。4.代谢控制发酵：通过人工控制微生物的代谢途径（如选育营养缺陷型、抗反馈调节突变株），改变代谢流方向，使目的产物过量积累的发酵技术。5.临界稀释率（Dc）：连续发酵中，当稀释率（D）超过某一临界值时，菌体生长速率无法抵消流失速率，导致菌体从发酵罐中被洗出，此临界值称为临界稀释率（Dc=μmax）。四、简答题（每题6分，共30分）1.简述温度对发酵的影响及控制方法。影响：①温度影响酶活性，过高导致酶变性，过低降低反应速率；②影响菌体生长和产物合成的平衡（如青霉素在25℃合成，30℃利于菌体生长）；③影响溶氧浓度（温度升高，溶解度降低）。控制方法：通过夹套或蛇管通入冷却水/蒸汽，结合自动温控系统维持温度恒定；发酵前期菌体代谢弱，需加热；中后期代谢旺盛，需冷却。2.比较自然选育与诱变育种的优缺点。自然选育：优点是操作简单、变异株遗传稳定；缺点是变异频率低（约10⁻⁶）、筛选效率低。诱变育种：优点是变异频率高（10⁻³~10⁻⁴）、可定向筛选（如抗药性突变）；缺点是突变具随机性，需大量筛选，且可能导致负突变。3.说明pH对发酵的影响及调节策略。影响：①pH影响酶活性和细胞膜通透性；②影响培养基中营养物质的解离（如磷酸盐在pH7时以HPO4²⁻为主，pH5时以H2PO4⁻为主）；③影响产物稳定性（如链霉素在酸性条件下易分解）。调节策略：①添加缓冲剂（如磷酸盐）；②流加酸（HCl）或碱（NaOH）；③通过控制碳氮比（如高糖导致产酸，需补氮）；④利用菌体自身代谢调节（如补糖促进产酸时，补氨水中和）。4.简述种子扩大培养的目的及工艺要求。目的：①获得足够数量的高活性菌体（接种量一般为5%~10%）；②缩短发酵延迟期，提高设备利用率；③确保菌体生理状态一致（如对数期接种）。工艺要求：①培养基营养丰富（碳氮比适当，添加生长因子）；②控制培养条件（温度、pH、溶氧）与发酵罐一致；③严格无菌操作，防止染菌；④种龄适宜（对数中后期，避免衰老）。5.列举三种提高溶氧的方法，并说明其原理。①提高搅拌转速：通过剪切力破碎气泡，增加气液接触面积，提高KLa（体积溶氧系数）；②增加通气量：提高罐内空气流速，增加气相氧分压，促进氧向液相传递；③提高罐压：增加罐内压力，提高氧的溶解度（根据亨利定律，C=pO2/H，pO2增大则C增大）；④使用富氧空气：提高进气中氧的比例，直接增加气相氧浓度。五、论述题（每题10分，共20分）1.比较分批发酵、补料分批发酵和连续发酵的优缺点，并说明各自的应用场景。分批发酵：优点：操作简单、设备要求低、染菌风险小；产物浓度高（基质一次性加入，后期积累）。缺点：基质利用率低（后期基质耗尽）、生产效率低（需频繁灭菌、接种）、易受反馈抑制（产物积累抑制生长）。应用场景：适合产物合成与菌体生长非偶联的情况（如抗生素）、小规模生产或实验室研究。补料分批发酵：优点：避免基质抑制（通过流加控制浓度）、延长产物合成期（补充基质）、提高产量（如青霉素产量提高30%）；缺点：操作复杂（需控制流加速率）、易染菌（多次补料）、对传感器要求高（需在线监测基质浓度）。应用场景：适合存在基质抑制或产物合成在稳定期的发酵（如氨基酸、酶制剂）。连续发酵：优点：生产效率高（持续出料）、设备利用率高（无空罐时间）、代谢稳定（环境参数恒定）；缺点：染菌风险大（长期运行）、菌种易退化（突变株优势积累）、基质利用率受稀释率限制（D≤μmax）。应用场景：适合产物为初级代谢产物（如酒精、单细胞蛋白）、需稳定生产的大规模工业过程。六、应用题（共20分）1.某发酵罐需灭菌的培养基体积为50m³，初始含菌量为10⁸个/mL，要求灭菌后残留概率为10⁻³。已知该菌的比死亡速率常数k=0.2min⁻¹（121℃下），试计算灭菌所需时间（要求写出公式及计算过程）。解：根据对数残留定律，灭菌时间t=(1/k)ln(N0/Nt)其中：N0=初始菌数=10⁸个/mL=10¹¹个/m³（50m³则总菌数=50×10¹¹=5×10¹²个）Nt=残留菌数=10⁻³个（残留概率10⁻³，即50m³中允许残留0.001个）但实际计算中，通常以单位体积残留菌数计算，即Nt=10⁻³个/mL=10⁰个/m³（10⁻³个/mL×10⁶mL/m³=10³个/m³？需注意单位统一）更准确的单位转换：1m³=10⁶mL，故N0=10⁸个/mL×10⁶mL/m³=10¹⁴个/m³，50m³总菌数=5×10¹⁵个。残留概率要求为10⁻³，即最终总菌数Nt=5×10¹⁵×10⁻³=5×10¹²个？不，残留概率是指灭菌后存活概率≤10⁻³，通常指每批发酵罐中存活菌数≤1个的概率为99.9%，即Nt=1个/批。因此，N0=50m³×10⁸个/mL×10⁶mL/m³=5×10¹⁵个（总菌数），Nt=1个（残留1个）。代入公式：t=(1/0.2)ln(5×10¹⁵/1)=5×ln(5×10¹⁵)≈5×(ln5+15ln10)≈5×(1.609+34.539)=5×36.148≈180.74min≈3小时。2.设计一个利用谷氨酸棒杆菌生产L-谷氨酸的发酵工艺控制方案（需包括菌种选育、培养基组成、关键参数控制及下游提取步骤）。方案设计：（1）菌种选育：选育生物素缺陷型或油酸缺陷型菌株（破坏细胞膜通透性，促进谷氨酸分泌）；同时选育抗反馈抑制突变株（如抗α-酮戊二酸结构类似物，解除谷氨酸对关键酶的反馈抑制）。（2）培养基组成：碳源：葡萄糖（10%~12%，提供能量和碳架）；氮源：尿素（0.5%~1.0%，通过流加控制NH4⁺浓度，激活谷氨酸脱氢酶）；生长因子：生物素（5~10μg/L，缺陷型菌株需限量，促进细胞膜不完全合成）；无机盐：KH2PO4（0.1%，调节pH）、MgSO4（0.05%，激活酶）、Fe²⁺、Mn²⁺（微量，参与代谢）。（3）关键参数控制：温度：前期30~32℃（菌体生长），后期34~36℃（促进谷氨酸合成）；pH：前期7.0~7.2（利于生长），后期7.5~8.0（通过流加尿素或氨水维持，抑制杂菌，促进谷氨酸积累）；溶氧：对数期高溶氧（DO≥