2025年大学大三（生物工程）生物反应器设计综合测试试题及答案

2025年大学大三（生物工程）生物反应器设计综合测试试题及答案

（考试时间：90分钟满分100分）班级______姓名______第I卷（选择题共30分）每题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。(总共10题，每题3分，每题只有一个选项符合题意)1.以下哪种生物反应器类型常用于细胞培养过程中提供精确的气体环境？A.搅拌式生物反应器B.气升式生物反应器C.中空纤维生物反应器D.固定床生物反应器2.在生物反应器设计中，关于传质系数的描述，以下正确的是？A.传质系数只与流体的流速有关B.传质系数与反应器的材质无关C.传质系数越大，物质传递效率越高D.传质系数在不同的生物反应体系中是固定不变的3.对于微生物发酵过程，以下哪种搅拌桨叶形式能更好地实现均匀混合？A.平叶式搅拌桨B.弯叶式搅拌桨C.箭叶式搅拌桨D.螺旋式搅拌桨4.生物反应器的热传递系数主要受以下哪种因素影响最大？A.反应器的体积B.夹套的材质C.发酵液的粘度D.搅拌的转速5.以下哪种传感器在生物反应器中常用于实时监测溶解氧浓度？A.pH传感器B.温度传感器C.溶氧电极D.压力传感器6.在设计生物反应器时，考虑到细胞生长的剪切力影响，以下哪种措施是错误的？A.降低搅拌转速B.增加搅拌桨叶数量C.优化搅拌桨叶形状D.提高发酵液的粘度7.对于连续流生物反应器，以下关于稀释率的说法正确的是？A.稀释率越大，底物转化率越高B.稀释率与反应器的停留时间无关C.存在一个临界稀释率，超过后细胞浓度会下降D.稀释率只影响产物的生成速率，对细胞生长无影响8.生物反应器的材质选择需要考虑多种因素，以下哪种因素不是主要考虑的？A.生物相容性B.耐腐蚀性C.价格D.透明度9.在生物反应器放大过程中，以下哪种方法不是常用的放大准则？A.几何相似放大B.动力相似放大C.热量衡算放大D.细胞数量放大10.对于动物细胞培养生物反应器，以下哪种气体成分是不需要特别关注的？A.氧气B.二氧化碳C.氮气D.氢气第II卷（非选择题共70分）二、填空题（每题2分，共10分）1.生物反应器的主要功能包括物质传递、______、______等。2.搅拌式生物反应器中，搅拌功率的计算公式为______（写出公式中涉及的主要参数）。3.气升式生物反应器的工作原理是基于______和______。4.生物反应器的灭菌方式主要有______和______。5.在生物反应器中，细胞的生长动力学模型主要有______和______。三、简答题（每题10分，共30分）1.简述生物反应器设计中传质过程的重要性以及影响传质的主要因素。2.说明搅拌式生物反应器中搅拌桨叶的作用以及不同类型搅拌桨叶的特点。3.解释生物反应器放大过程中可能遇到的问题以及常用的解决方法。四、分析题（每题15分，共15分）材料：在某生物反应器中进行微生物发酵生产抗生素的过程中，发现发酵液的pH值在发酵前期迅速下降，而溶解氧浓度在发酵后期逐渐降低。问题：请分析pH值下降和溶解氧浓度降低可能的原因，并提出相应的解决措施。五、设计题（共15分）设计一个用于生产重组蛋白的生物反应器，要求说明反应器的类型、主要结构组成、操作条件以及如何实现高效的物质传递和细胞培养。答案：一、选择题1.B2.C3.A4.C5.C6.B7.C8.D9.D10.D二、填空题1.能量传递、信息传递2.P=Npρn³d⁵（P为搅拌功率，Np为功率准数，ρ为液体密度，n为搅拌转速，d为搅拌桨直径）3.气体的密度差、液体的循环流动4.湿热灭菌、干热灭菌5.Monod模型、Logistic模型三、简答题1.传质过程在生物反应器中至关重要，它影响着底物的供应、产物的排出以及细胞与周围环境的物质交换。影响传质的主要因素包括流体的流速、扩散系数、界面面积、温度等。流速增加可提高传质系数，但过高可能产生剪切力；扩散系数与物质本身性质有关；界面面积的增加能促进传质，如通过搅拌等方式增大气液或液固界面；温度影响物质的扩散速率。2.搅拌桨叶的作用是实现发酵液的均匀混合，使底物、细胞、产物等充分接触，同时促进传质和传热。平叶式搅拌桨结构简单，混合效果较好，但产生的剪切力较大；弯叶式搅拌桨相对平叶式剪切力较小，且具有较好的轴向混合性能；箭叶式搅拌桨能在保证混合效果的同时，降低剪切力对细胞的损伤；螺旋式搅拌桨可实现物料的轴向输送，常用于高粘度发酵液的搅拌。3.生物反应器放大过程中可能遇到的问题包括：几何相似放大时，小试和中试设备的传质、传热等特性可能不同；动力相似放大中，搅拌功率等参数难以准确按比例放大；热量衡算放大时，散热等问题可能导致温度控制不准确。常用的解决方法有：采用多参数综合放大准则，结合传质、传热、流体力学等方面的研究；进行中间试验，对放大过程中的关键参数进行调整和优化；利用计算机模拟技术对生物反应器的性能进行预测和优化。四、分析题pH值下降可能原因：微生物代谢产生酸性物质，如有机酸等。解决措施：可适当增加缓冲剂的添加量，调节培养基的初始pH值范围，使其更适合微生物生长。溶解氧浓度降低可能原因：发酵后期微生物数量增加，耗氧量增大，而通气量不足或传质效率下降。解决措施：检查通气系统，增加通气量，优化搅拌桨叶结构或转速，提高传质效率，以保证足够的溶解氧供应。五、设计题可选用搅拌式生物反应器。主要结构组成包括罐体、搅拌系统、通气系统、换热系统、传感器及控制系统等。操