2026年(生物工程)生物反应工程试题及答案

2026年(生物工程)生物反应工程试题及答案一、选择题（共15题，每题2分，共30分）1.在Monod方程中，当底物浓度S远大于时，比生长速率μ接近于（）。A.0B.C.·D.2.以下哪种反应器通常被称为“活塞流反应器”（PFR），其返混程度为（）。A.全混流反应器，返混程度最大B.活塞流反应器，返混程度为零C.全混流反应器，返混程度为零D.活塞流反应器，返混程度最大3.在分批培养中，细胞的比生长速率μ在指数生长期（）。A.逐渐增加B.逐渐减小C.保持恒定D.为零4.氧体积传递系数a的单位通常是（）。A.mB.C.gD.W5.关于米氏方程中的参数，下列说法正确的是（）。A.等于酶被底物饱和一半时的底物浓度B.等于最大反应速率一半时的反应速率C.是酶与底物复合物的解离常数D.的数值总是大于底物初始浓度6.在连续搅拌槽式反应器（CSTR）中进行恒化器操作，当稀释率D大于临界稀释率时，会发生（）。A.反应器内细胞浓度增加B.反应器发生“洗脱”现象，细胞浓度降为零C.底物浓度降低D.产率系数增加7.描述抑制作用的动力学模型中，非竞争性抑制剂会导致（）。A.增大，不变B.不变，减小C.增大，减小D.减小，增大8.在生物反应器放大过程中，为了保持氧传递条件不变，通常需要保持的准数是（）。A.雷诺数B.施伍德数C.a（氧体积传递系数）D.努塞尔数9.下列哪种灭菌方法属于热力学灭菌法（）。A.紫外线灭菌B.过滤除菌C.巴氏消毒法D.化学试剂灭菌10.细胞的维持能系数越大，说明（）。A.细胞生长越快B.细胞用于维持生命活动的底物消耗越多C.产物的得率系数越高D.底物消耗速率越低11.在气升式生物反应器中，流体循环的驱动力主要来自于（）。A.机械搅拌桨B.曝气产生的气泡浮力C.外部泵D.反应器两端的压力差12.对于底物抑制模型，当底物浓度S非常高时，比生长速率μ趋向于（）。A.B.0C.无穷大D./13.固定化酶反应中，由于内扩散限制，表观米氏常数与本征米氏常数的关系通常是（）。A.=B.>C.<D.不确定14.在双液相生物反应体系中，氧从气相传递到液相细胞表面的总推动力是（）。A.气相分压与液相浓度之差B.气相分压与界面分压之差C.气相分压对应的平衡浓度与液相实际浓度之差D.界面浓度与液相主体浓度之差15.产气杆菌在厌氧条件下进行发酵，反应式为→2OHA.0.46B.0.51C.0.90D.1.00二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分）1.影响机械搅拌通风发酵罐a的因素包括（）。A.搅拌转速B.通气量C.空气分布器的形式D.培养液的物理性质（如粘度、表面张力）E.反应器的体积2.与分批培养相比，补料分批培养的主要优点有（）。A.可以解除底物抑制B.可以解除产物抑制C.可以控制比生长速率D.延长了反应周期，提高产物浓度E.设备投资成本低3.生物反应器检测与控制的重要参数包括（）。A.温度B.pH值C.溶解氧浓度（DO）D.搅拌转速E.培养液的光密度（OD）4.在酶反应工程中，酶的稳定性受以下哪些因素影响（）。A.温度B.pH值C.剪切力D.底物浓度E.金属离子5.下列关于流加操作策略的描述，正确的有（）。A.恒速流加是最简单的流加方式B.指数流加通常用于维持细胞比生长速率恒定C.补料分批培养最终体积可以无限增大D.流加速率过快可能导致底物积累E.葡萄糖效应通常需要通过流加来避免三、填空题（共15空，每空2分，共30分）1.在生物反应器中，雷诺数（Re2.描述细胞生长动力学的Monod方程表达式为μ=3.氧从气相传递到液相细胞的步骤包括：气膜扩散、__________、液膜扩散和细胞内部扩散与反应。4.在分批培养中，延迟期的长短主要取决于__________、接种龄以及培养基成分。5.当D=μ时，CSTR达到稳态，此时底物浓度6.Damköhler数（Da7.酶的活力单位（IU）定义为：在特定条件下，1分钟内催化__________微摩尔底物转化为产物所需的酶量。8.在发酵过程中，pH值的控制通常通过添加__________或碱来实现。9.对于氧限制的微生物生长，呼吸商（RQ）定义为。10.生物反应器的放大方法主要分为：几何相似放大、__________放大和以a相等为准则的放大等。11.固定化细胞颗粒内部的Thiele模数ϕ越大，说明__________限制的影响越严重。12.丝状真菌发酵过程中，由于菌丝体生长，发酵液表现出__________流体的流变特性。13.某发酵过程中，=0.514.在灭菌设计中，通常采用__________时间来衡量热灭菌的效果，它不仅取决于温度，还取决于灭菌时间。15.若要保持CSTR中的细胞浓度，则稀释率D必须__________最大比生长速率。四、判断题（共10题，每题1分，共10分）1.在全混流反应器中，反应器内任何位置的物料组成和性质都是相同的，且等于出口处的物料组成。（）2.搅拌功率准数仅与搅拌雷诺数Re有关，与弗劳德数Fr3.所有的酶反应都遵循米氏方程动力学。（）4.在分批培养中，底物消耗速率仅用于细胞生长，不考虑维持能。（）5.氧在水中的溶解度随温度的升高而增大。（）6.对于底物抑制动力学，随着底物浓度的增加，反应速率会一直增加。（）7.在进行生物反应器放大时，保持单位体积功率输入（P/8.膜生物反应器（MBR）利用膜组件实现细胞与产物的在线分离，可以实现极高细胞密度的培养。（）9.产物生成模型中的Luedeking-Piret模型仅适用于生长偶联型产物生成。（）10.灭菌过程中，芽孢比营养细胞更耐热，因此设计灭菌时间应以杀灭芽孢为标准。（）五、简答题（共5题，每题6分，共30分）1.简要比较分批培养、补料分批培养和连续培养三种操作方式的优缺点。2.请解释什么是“氧传递限制”和“氧限制”？并在坐标图上定性描述溶解氧浓度（DO）随时间变化的典型曲线（分批培养中）。3.什么是酶的米氏常数？它在酶工程和生物反应器设计中有何重要意义？4.简述生物反应器放大过程中常见的“放大效应”及其产生原因。5.写出细胞生长的底物消耗速率方程（包含生长消耗、维持消耗和产物形成消耗三项），并解释各项参数的物理意义。六、计算与分析题（共4题，共85分）1.（20分）在一个10L的机械搅拌通风发酵罐中进行某细菌的培养，已知该细菌的生长遵循Monod动力学，参数为：=0.8，=1.0

g/L，=0.5

g/g(1)若采用分批培养，求当底物浓度降至5

g/L(2)若改用CSTR进行连续培养，稀释率D=0.5，求稳态下的细胞浓度X和底物浓度2.（25分）某酶催化反应S→P，在无抑制情况下，测得最大反应速率=100(1)分别计算底物浓度S为2mmol/L、5mmol/L、20mmol/L时的反应速率r。(2)若反应体系中存在竞争性抑制剂I，抑制常数=10

mmol/L，抑制剂浓度[I]=5

mmol/L(3)讨论竞争性抑制对酶反应动力学参数的影响。3.（20分）在一个体积为V的发酵罐中进行好氧发酵，已知氧在培养液中的饱和浓度=0.008

mol/L，发酵液中的溶解氧浓度=0.004(1)计算此时的氧传递速率（OTR），单位mol/(L

\cdot

h)。(2)若在此操作条件下，细胞的比耗氧速率=0.5

mol/(g

\cdot

h)，细胞浓度(3)判断在此状态下，溶解氧浓度是否会随时间上升或下降？若要保持溶解氧恒定，应如何调整操作参数？4.（20分）某生物反应车间需对培养基进行连续灭菌。已知培养基中含有耐热芽孢，初始浓度=

个/mL，要求灭菌后残留杂菌概率N=

个/mL。该芽孢的比死亡速率常数与温度T的关系符合Arrhenius方程：=A·。已知在121°C（394K）时，=2.0(1)计算在121°C下，理论所需的灭菌时间t（分钟）。(2)若灭菌温度提高至130°C（403K），计算此时的比死亡速率常数。(3)比较两个温度下的灭菌效率，简述工业上采用高温短时灭菌的依据。参考答案与解析一、选择题1.B。解析：Monod方程μ=，当S≫时，分母中的可忽略，μ2.B。解析：活塞流反应器内物料颗粒停留时间分布一致，无轴向混合，返混程度为零；全混流反应器返混程度最大。3.C。解析：在分批培养的对数生长期（指数期），环境条件恒定，底物过量，细胞呈指数生长，比生长速率μ保持恒定。4.B。解析：a是液相体积传质系数，单位是时间的倒数，通常为或。5.A。解析：（米氏常数）定义为反应速率达到最大反应速率一半（/2）时的底物浓度。虽然在简单情况下它等于E−6.B。解析：恒化器中，当稀释率D>7.B。解析：非竞争性抑制剂结合位点与活性位点不同，不影响底物结合（不变），但影响酶催化效率，导致减小。8.C。解析：好氧发酵中，氧往往是限制性底物，因此放大时通常保持a恒定以保证供氧能力一致。9.C。解析：巴氏消毒法利用热量杀灭微生物；紫外线和过滤属于物理/非热力学方法；化学试剂灭菌属于化学方法。10.B。解析：维持能系数表示单位质量细胞在单位时间内仅用于维持生命活动（不生长）所消耗的底物，越大，维持消耗越多。11.B。解析：气升式反应器利用导流装置和上升管内的气泡密度差异造成的静压差和浮力驱动液体循环。12.B。解析：底物抑制模型（如Haldane方程）中，当S→∞时，分母中项主导，μ13.B。解析：内扩散限制使得底物进入颗粒内部受阻，有效底物浓度降低，导致表观增大。14.C。解析：气液传质总推动力是气相主体分压对应的平衡浓度（）与液相主体实际浓度（）之差。15.B。解析：葡萄糖分子量180，乙醇分子量46。2×二、多项选择题1.ABCD。解析：a受搅拌（转速、桨型）、通气（气速、分布器）、流体性质（粘度、表面张力、离子强度）等影响，反应器体积本身不直接决定a，除非改变了几何比例。2.ABCD。解析：补料分批可以解除底物/产物抑制，控制μ，延长周期，提高最终浓度，但通常设备投资并不比普通分批低（需补料控制系统），E错误。3.ABCDE。解析：这些都是生物过程控制中的关键参数。4.ABCE。解析：温度、pH、剪切力、金属离子均影响酶稳定性；底物浓度一般不影响酶本身的稳定性（除非底物本身就是变性剂）。5.ABDE。解析：恒速和指数流加都是常见策略；流加不能无限增加体积，受反应器装载系数限制；流加过快导致底物积累可能引发抑制；葡萄糖效应即底物抑制，需流加控制低糖水平。三、填空题1.（或，视具体定义域）2.3.气液界面溶解4.接种量5.6.传质7.18.酸9.消耗速率10.单位体积功率（P/11.内扩散12.非牛顿（或假塑性）13.514.灭菌（或致死）15.小于四、判断题1.对。这是CSTR（全混流反应器）的理想混合特征。2.错。搅拌功率准数在无挡板条件下还受重力影响（弗劳德数Fr），有挡板时忽略Fr3.错。米氏方程仅适用于单底物、无抑制、稳态假设的酶反应，许多酶反应不符合。4.错。底物消耗包括生长消耗、维持消耗和产物形成消耗。5.错。气体在水中的溶解度随温度升高而降低。6.错。底物抑制存在一个最佳底物浓度，超过此浓度速率下降。7.对。P/8.对。膜生物反应器可截留细胞，实现高细胞密度发酵。9.错。Luedeking-Piret模型包含生长偶联项和非生长偶联项，适用于混合型产物生成。10.对。芽孢耐热性强，是灭菌设计的对象。五、简答题1.答：分批培养：优点是操作简单，不易染菌，适合多品种生产；缺点是非生产时间（辅助时间）长，设备利用率低，存在底物抑制和产物积累抑制。补料分批培养：优点是可以解除底物抑制，控制比生长速率，延长产物合成期，提高产物浓度；缺点是操作控制较复杂，需补料控制系统。连续培养：优点是生产效率高，设备利用率高，产品质量稳定；缺点是容易染菌，菌种易发生变异，对控制技术要求高，细胞停留时间分布宽。2.答：氧传递限制：指氧从气相传递到液相细胞表面的物理过程（气膜、液膜扩散）速率慢，成为整个反应过程的控制步骤。通常表现为OT氧限制：指反应液中的溶解氧浓度（DO）低于细胞的临界氧浓度（），导致细胞的呼吸或代谢速率受到氧浓度本身的限制。DO曲线描述：在分批培养初期，菌体少，耗氧慢，DO较高且维持饱和；进入对数期后，耗氧剧增，若供氧不及，DO迅速下降，可能出现低谷；稳定期耗氧减少，DO可能回升；若全程供氧充足，DO维持在临界值以上。3.答：定义：是米氏常数，物理意义是当酶反应速率达到最大反应速率一半（/2）时的底物浓度。意义：1.它是酶的特征常数，反映了酶与底物的亲和力。越小，亲和力越大。2.在反应器设计中，决定了反应速率对底物浓度的敏感性。当S≫时，反应为零级（对S不敏感）；当S≪3.用于计算特定底物浓度下的反应速率。4.答：放大效应：指在小型反应器中表现优异的工艺条件，按一定准则放大到大型反应器后，其产率、转化率或反应速率下降的现象。原因：1.混合时间不均匀：大罐混合时间变长，导致出现底物或pH梯度。2.传质能力下降：单位体积传质面积减小，a难以维持小罐水平，导致供氧不足。3.剪切力差异：放大后搅拌桨叶端线速度变化，剪切环境改变，可能损伤剪切敏感细胞。4.散热困难：大罐比表面积小，移热困难，导致局部过热。5.答：底物消耗速率方程为：=或：=参数物理意义：（或）：细胞生长得率系数，消耗单位底物生成的细胞量。（或）：产物生成得率系数，消耗单位底物生成的产物量。：维持能系数，单位质量细胞在单位时间内用于维持生命活动消耗的底物量。X：细胞浓度。六、计算与分析题1.解：(1)分批培养计算：根据Monod方程及物料平衡：==积分可得（或利用Logistic方程积分形式）：t代入数据：=20计算细胞浓度：X=代入时间公式：第一项：ln第二项：ln总时间t=答：所需时间约为12.56小时，细胞浓度为7.6g/L。(2)CSTR稳态计算：稳态时D=0.5=细胞浓度物料平衡：D(X)=μ稳态