生物制药设备试卷及答案

生物制药设备试卷及答案1.单项选择题（每题2分，共20分）1.1在生物制药下游纯化中，用于去除宿主细胞蛋白（HCP）的首选层析模式是A.离子交换（IEX）B.疏水相互作用（HIC）C.亲和（AC）D.尺寸排阻（SEC）答案：C解析：ProteinA亲和层析对IgGFc区具有pmol·L⁻¹级亲和力，一步即可去除>95%HCP，是单抗捕获的金标准。1.2某50kDa蛋白在0.2μm聚醚砜（PES）膜超滤浓缩时，出现通量骤降且ΔP上升，最可能的原因是A.浓差极化B.膜孔堵塞C.凝胶层形成D.蛋白沉淀答案：C解析：高分子量蛋白易在膜表面形成致密凝胶层，导致不可逆通量衰减；浓差极化可逆，ΔP上升幅度较小。1.3下列哪项不是一次性生物反应器（SUB）相比不锈钢罐的核心优势A.降低交叉污染风险B.减少CIP/SIP能耗C.提高氧传质系数k_LaD.缩短批次间转产时间答案：C解析：SUB的k_La通常低于传统搅拌罐（因鼓泡受限），其优势在于灵活性与经济性。1.4在2000L工作体积的CHO灌流培养中，若细胞密度维持为80×10⁶cells·mL⁻¹，比灌流速率（SPR）设为50pL·cell⁻¹·day⁻¹，则每日收获体积为A.320LB.400LC.480LD.640L答案：A解析：Q=1.5用于在线监测葡萄糖的拉曼探头，其激光波长常选785nm，主要目的是A.避免荧光背景B.提高拉曼散射截面C.降低探头热负荷D.与水吸收峰错位答案：A解析：785nm处于生物分子荧光激发边缘，可显著降低CHO培养液背景荧光，提高信噪比。1.6在高压匀质（HPH）破菌过程中，决定蛋白释放率的关键无量纲数是A.Reynolds数B.Weber数C.Cavitation数D.Deborah数答案：C解析：Cavitation数Ca1.7对某病毒载体进行20nm纳滤时，LogReductionValue（LRV）≥4表示A.病毒颗粒截留率≥99.99%B.病毒滴度下降≥10⁴C.滤出液病毒颗粒≤10⁴copies·mL⁻¹D.滤器完整性测试通过答案：B解析：LRV=log₁₀(C₀/C)，LRV≥4即C₀/C≥10⁴，病毒滴度下降≥4个数量级。1.8在层析柱装填时，常用轴向压缩（AC）代替径向压缩（RC），其首要目的是A.降低柱床非均一性B.减少柱壁效应C.提高柱效N·m⁻¹D.避免柱头塌陷答案：D解析：AC通过活塞直接压实柱床，消除柱头死体积，防止运行中塌陷导致峰展宽。1.9当使用TFF系统进行diafiltration时，若目标蛋白收率要求≥98%，则最佳换液体积倍数（diavolumes）为A.5B.7C.10D.15答案：C解析：根据溶质透过模型Y=1.10在生物制药设备URS中，下列哪项属于“关键质量属性”（CQA）而非“关键工艺参数”（CPP）A.罐体搅拌功率B.层析洗脱电导C.最终蛋白聚体含量D.超滤跨膜压答案：C解析：聚体含量直接影响药效与免疫原性，是产品CQA；其余为可调控CPP。2.多项选择题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）2.1以下哪些措施可同时降低一次性袋体溶出物/析出物（E&L）风险A.选用超低密度聚乙烯（ULDPE）接触层B.增加γ辐照剂量至50kGyC.在袋体表面镀SiOx阻隔层D.使用前进行60°C加速提取实验答案：A、C、D解析：B选项高剂量辐照会加剧聚合物链断裂，反而增加E&L。2.2关于灌流培养中的细胞截留装置，下列说法正确的是A.旋转滤器（ATF）通过交替切向流降低膜污染B.倾斜沉降器（TFF-S）利用Stokes沉降原理C.声学沉降器（AWD）对细胞活率影响<2%D.水力旋流器（HC）截留效率与细胞直径平方成正比答案：A、C、D解析：TFF-S为膜基装置，非沉降原理；B错误。2.3在病毒灭活步骤中，下列哪些组合可形成“双重屏障”A.低pH3.6孵育+纳滤B.溶剂/去污剂（S/D）+20nm纳滤C.巴氏消毒60°C+紫外C（UVC）D.辛酸沉淀+低pH3.6答案：A、B、D解析：UVC对包膜病毒效果差，且与巴氏消毒同属热/化学类，不构成双重机制。2.4以下哪些传感器可用于在线测量活细胞密度（VCD）A.电容法（permittivity）B.近红外（NIR）光谱C.拉曼光谱D.图像识别微流控答案：A、D解析：NIR与拉曼需多变量建模，间接推算VCD，非直接测量。2.5关于层析填料寿命验证，下列哪些指标需纳入A.柱效N下降≤20%B.产品相关杂质清除能力C.配基脱落水平D.反压上升≤0.3MPa答案：A、B、C、D解析：寿命验证需综合性能、杂质、安全三维度。3.判断题（每题1分，共10分；正确打“√”，错误打“×”）3.1在相同剪切率下，微载体培养中球转瓶（spinnerflask）的k_La一定高于搅拌罐。答案：×解析：spinnerflask无鼓泡，k_La通常低于搅拌罐。3.2采用DO-stat补料策略时，若OUR突然升高，则控制系统会自动增加葡萄糖泵速。答案：√解析：DO下降触发补料，补偿碳源消耗。3.3对于单抗，ProteinA洗脱峰pH3.5保持5min足以完成病毒灭活。答案：×解析：需≥30min才能确保LRV≥4。3.4在超滤膜选型时，NMWCO取目标蛋白分子量的1/3可保证收率与通量平衡。答案：√解析：经验法则，兼顾截留与通量。3.5使用一次性搅拌袋进行GMP生产时，无需进行培养基无菌验证，因为袋体已预灭菌。答案：×解析：仍需进行培养基无菌验证，防止辐照后污染。3.6在HPLC分析中，降低流动相盐浓度可提高离子交换柱蛋白保留时间。答案：×解析：降低盐浓度减弱竞争，保留增强，时间延长，命题表述错误。3.7对于慢病毒载体，采用阴离子交换层析时，需加入0.5%Tween-20以防止聚集。答案：√解析：非离子表面活性剂可减少膜蛋白疏水聚集。3.8在生物反应器放大中，保持P/V（单位体积功率）恒定可确保k_La不变。答案：×解析：k_La还与搅拌桨型、通气策略相关，P/V恒定仅近似。3.9采用连续色谱（MCC）时，柱效N越高，则树脂利用率越高。答案：√解析：高N减少区带展宽，提高树脂动态载量。3.10在冻干工艺中，若塌陷温度T_c升高，则可安全提高一次干燥温度，缩短周期。答案：√解析：T_c升高意味着玻璃态更稳定，允许更高板层温度。4.填空题（每空2分，共20分）4.1在CHO细胞灌流培养中，若比生长速率μ=0.025h⁻¹，则理论倍增时间t_d=________h。答案：27.7解析：=4.2某病毒过滤膜面积0.1m²，在30min内处理100L料液，则平均通量为________L·m⁻²·h⁻¹。答案：2000解析：J4.3在ProteinA层析中，若动态结合载量DBC=40g·L⁻¹，柱体积CV=1L，上样量按80%DBC计算，则可处理单抗________g。答案：32解析：40×0.8×1=32g。4.4当使用0.22μm除菌级滤器时，标准水侵入测试（WIT）合格压力为________bar。答案：2.5解析：PALL、Millipore等指南规定25°C下≥2.5bar保持10min无连续气泡。4.5在超滤浓缩中，若体积浓缩因子VCF=10，蛋白收率Y=98%，则透过的蛋白百分比为________%。答案：2解析：100%–98%=2%。4.6某2000L反应器，通气比1vvm，空气密度1.2kg·m⁻³，则空气质量流量为________kg·h⁻¹。答案：144解析：20004.7在层析梯度洗脱中，若斜率为2%B·min⁻¹，洗脱20min，则B相浓度增加________%。答案：40解析：2×20=40%。4.8采用S/D病毒灭活时，Tween-80终浓度需控制在________%(w/v)。答案：1解析：EMA/FDA指南规定1%Tween-80+0.3%TNBP。4.9在冻干配方中，若蔗糖与蛋白质量比为1:1，则蔗糖起到的主要作用是________。答案：玻璃态稳定剂（或低温保护剂）4.10在生物反应器放大中，保持叶尖速度v_t=1.5m·s⁻¹，若搅拌桨直径从0.2m增至0.4m，则转速需调整为________rpm。答案：71.6解析：=5.简答题（每题10分，共30分）5.1阐述在单抗下游纯化中，为何常采用“低pH病毒灭活+纳滤”双重病毒清除策略，并说明两者在机制上的互补性。答案：低pH灭活通过破坏包膜病毒脂质膜与糖蛋白构象，使病毒丧失感染能力，对包膜病毒LRV≥4；但对非包膜病毒无效。20nm纳滤基于尺寸排阻，可物理截留≥20nm的病毒颗粒，包括非包膜病毒，LRV≥4。两者机制独立：一为化学/物理灭活，一为机械截留；一为时间-温度依赖，一为尺寸-压力依赖。因此可形成双重屏障，满足ICHQ5A对≥12log病毒清除的要求，且任一单元失败时另一单元仍可保障安全裕度。5.2某企业计划将200L不锈钢罐（H/D=2，桨型Rushton）放大至2000L，保持P/V恒定。已知小罐桨径D₁=0.1m，转速N₁=300rpm，气速1vvm。请计算大罐桨径D₂、转速N₂及气速（vvm），并讨论放大后k_La可能的变化趋势。答案：几何相似放大：V∝D³，故D₂=D₁×(2000/200)^{1/3}=0.1×10^{1/3}=0.215m。P/V恒定：P∝N³D⁵，V∝D³，故N³D²=const⇒N₂=N₁×(D₁/D₂)^{2/3}=300×(0.1/0.215)^{2/3}=143rpm。气速：保持相同表观气速v_s=Q/A，A∝D²，Q∝V∝D³，故v_s∝D，需降低vvm至0.46vvm。k_La趋势：P/V恒定虽提供相同单位功耗，但大罐气泡直径增大、比表面积a减小，且vvm降低，综合导致k_La下降约20–30%，需优化桨型（如改用Concave桨）或微泡发生器补偿。5.3描述采用连续色谱（MCC）进行单抗捕获时，如何设置“重叠梯度”以提高树脂利用率，并给出关键操作参数。答案：重叠梯度即在MCC相邻柱间设置部分洗脱重叠区，使前一柱高浓度洗脱峰前沿与后一柱低浓度区交叉，实现树脂动态载量最大化。关键参数：1.切换时间t_s：按0.8×突破时间设置，确保载量≥90%DBC；2.洗脱梯度斜率：2%B·min⁻¹，pH3.5–3.8，电导5–10mS·cm⁻¹；3.重叠体积：0.3CV，通过在线UV280nm反馈控制；4.流速：300cm·h⁻¹，保持Plate数N≥1000m⁻¹；5.再生：0.1MNaOH+1MNaCl，接触时间≥15min。实验表明，相比传统批处理，树脂利用率提高45%，Buffer消耗降低35%，周期时间缩短50%。6.计算题（每题15分，共30分）6.1某单抗（150kDa）在离子交换层析中，采用线性梯度洗脱，梯度斜率1%B·min⁻¹，流速150cm·h⁻¹，柱高10cm。已知保留因子k′与盐浓度I关系为=当I=20%B时，k′=3.2。求：（1）理论塔板高度H；（2）洗脱峰保留时间t_R；（3）若要求分离度R_s≥1.5与聚体（ΔI=2%B），求所需最小柱长L_min。答案：（1）由VanDeemter方程，H=0.02cm（实验测定）。（2）线性梯度下，=其中t₀=L/v=10/150=4min，b=梯度斜率×t₀=1%×4=4%，k′₀=10^{2.50.05×0}=316。=（3）ΔI=2%⇒Δk′=10^{2.50.05×18}10^{2.50.05×20}=5.03.2=1.8。==实际取≥5cm以保证安全裕度。6.2某2000L灌流反应器，细胞密度100×10⁶cells·mL⁻¹，目标蛋白比产率q_p=20pg·cell⁻¹·day⁻¹，收获液滴度0.8g·L⁻¹，采用TFF浓缩10倍后进入ProteinA层析，DBC=40g·L⁻¹，柱体积1L。求：（1）每日收获体积；（2）每日总蛋白量；（3）ProteinA柱每日需循环次数；（4）若柱循环一次需2h，是否满足24h连续处理？答案：（1）SPR=50pL·cell⁻¹·day⁻¹，Q（2）总蛋白=1000L×0.8g·L⁻¹=800g。（3）浓缩后体积100L，蛋白量800g；柱载量=40g·L⁻¹×1L=40g；循环次数=800/40=20次。（4）20×2h=40h>24h，不满足；需增加柱体积至2L或采用双柱并行，将循环次数降至10次，20h<24h，满足。7.综合设计题（25分）背景：某生物制药公司拟建设一条500L规模的一次性单抗生产线，上游采用CHO灌流培养，下游采用“深层过滤→ProteinA→低pH→IEX→VF→UF/DF→DS”路线。请就以下方面给出设计要点，并说明理由：1.一次性生物反应器选型与关键控制策略；2.下游连续化可行性及MCC配置；3.病毒