2026年发酵工艺及设备试题及答案

2026年发酵工艺及设备试题及答案一、单项选择题（本大题共20小题，每小题1分，共20分。在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。）1.在发酵工业中，最常用的灭菌方法是（）。A.过滤除菌B.化学药剂灭菌C.射线灭菌D.湿热蒸汽灭菌2.下列哪种微生物属于极端微生物，常用于特殊发酵工艺？（）A.大肠杆菌B.黑曲霉C.嗜热菌D.酿酒酵母3.在机械搅拌通风发酵罐中，主要起破碎气泡和增加气液接触面积的部件是（）。A.搅拌轴B.挡板C.搅拌叶轮D.冷却蛇管4.Monod方程描述的是（）之间的关系。A.基质浓度与产物生成速率B.菌体浓度与比生长速率C.基质浓度与比生长速率D.反应时间与菌体浓度5.氧在培养液中的溶解度通常很低，在1atm、25℃条件下，纯氧在水中的溶解度约为（）。A.1.2mmol/LB.8.0mmol/LC.0.2mmol/LD.40.0mmol/L6.在分批培养过程中，菌体的生长曲线不包括以下哪个阶段？（）A.延滞期B.对数生长期C.稳定期D.衰亡期（注：此处通常指死亡期，若选项有衰亡期则选之，若无则视具体选项，此处假设为标准四个阶段之外的选项，或者考察特定名词，通常标准为延滞、对数、稳定、衰亡。若题目问不包括，且选项为“静止期”等同义词则需注意，此处设定为考察“调整期”作为干扰项，或者考察“诱导期”。为符合常规出题，设定选项为：A.延滞期B.对数生长期C.稳定期D.诱导期，选D。但为稳妥，此处设置选项为标准名称的变体或错误阶段。）修正选项：A.延滞期B.指数期C.稳定期D.适应期（通常延滞期即适应期，为避免歧义，改为考察非标准阶段）重拟题目6：在分批培养的减速期，其主要特征是（）。A.基质耗尽B.菌体浓度最大C.生长速率下降D.产物合成速率最高7.气升式发酵罐的主要特点是（）。A.能耗高，剪切力大B.结构简单，混合均匀，剪切力小C.仅适用于厌氧发酵D.溶氧系数极低8.发酵罐的几何尺寸比例中，高径比（H/D）通常取值为（）。A.1:1B.2~4:1C.10:1D.0.5:19.在发酵过程中，用于监测菌体浓度的常用在线传感器是（）。A.pH电极B.溶氧电极C.荧光传感器或浊度传感器D.温度探头10.下列哪种情况最适合采用连续发酵？（）A.菌体生长速率缓慢B.产物与菌体生长偶联C.容易发生菌种变异的产物D.次级代谢产物生产11.搅拌功率的计算中，当搅拌雷诺数Re>104时，功率准数A.随Re增加而增加B.随Re增加而减小C.保持恒定D.为零12.过滤除菌常用的介质是（）。A.砂芯滤棒B.超细玻璃纤维纸或聚四氟乙烯滤膜C.活性炭D.硅藻土13.发酵热的主要来源不包括（）。A.生物合成热B.搅拌热C.蒸汽冷凝热D.蒸发散热14.在YAG（产气气杆菌）发酵生产谷氨酸中，控制生物素亚适量是为了（）。A.促进菌体生长B.改变细胞膜通透性C.抑制杂菌生长D.提高溶氧浓度15.下列关于种子扩大培养的目的，描述错误的是（）。A.增加菌体数量B.诱导酶的合成C.缩短发酵罐的延滞期D.消除发酵过程中的抑制物16.补料分批培养的主要优点是（）。A.可以解除底物抑制B.设备投资成本低C.操作控制最简单D.菌体生长速率始终最大17.在发酵设备设计中，为了防止染菌，管路连接应尽量采用（）。A.螺纹连接B.法兰连接C.焊接或卫生快装卡箍D.承插连接18.体积溶氧系数KLA.hB.mol/(L·h)C.g/LD.W/19.下列哪种搅拌叶轮产生的剪切力最大？（）A.平桨B.螺旋桨D.圆盘涡轮式搅拌器（Rushtonturbine）20.对于好氧发酵，通气搅拌的目的是（）。A.仅提供氧气B.仅混合发酵液C.提供氧气并分散气泡、混合均匀D.移走发酵热二、多项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分。在每小题列出的五个备选项中至少有两个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选、少选或未选均无分。）1.影响微生物发酵的主要环境因素包括（）。A.温度B.pH值C.溶氧D.营养物质E.搅拌速度2.发酵罐搅拌器的类型主要有（）。A.桨式B.涡轮式C.螺旋桨式D.螺带式E.离心式3.工业发酵中常用的碳源有（）。A.葡萄糖B.糖蜜C.淀粉D.玉米浆E.尿素4.引起发酵染菌的主要原因包括（）。A.设备渗漏B.空气过滤系统失效C.种子带菌D.培养基灭菌不彻底E.操作失误5.下列关于气升式发酵罐的描述，正确的有（）。A.利用空气带动液体循环B.没有机械搅拌轴C.适合高粘度发酵液D.氧传递效率较高E.结构简单，不易密封泄漏6.发酵过程的下游加工一般包括哪些步骤？（）A.细胞分离B.细胞破碎（如胞内产物）C.产物提取D.产物精制E.成品包装7.提高发酵罐溶氧速率的途径有（）。A.增加搅拌转速B.增大通气量C.增加罐压D.降低温度E.降低搅拌转速8.发酵工业中，常用的消泡方法有（）。A.机械消泡B.化学消泡剂消泡C.物理消泡（如超声波）D.生物消泡E.热消泡9.在分批补料发酵中，补料策略可以是（）。A.恒速补料B.指数补料C.优化补料（如基于pH或DO反馈）D.一次性补入大量底物E.随机补料10.发酵罐管路配置中，必须进行严格灭菌的管路包括（）。A.空气管道B.物料管道C.取样管D.冷却水管E.排污管三、填空题（本大题共20空，每空1分，共20分。请将正确答案填写在题中横线上。）1.微生物生长曲线主要包括延滞期、________、稳定期和衰亡期四个阶段。2.在发酵工程中，YX/S3.常用的空气除菌过滤介质包括棉花、活性炭和________。4.发酵罐的搅拌功率准数Np5.对于好氧发酵，临界溶氧浓度是指________。6.发酵过程中的pH控制通常采用酸碱流加，常用的流加酸是________，流加碱是氨水或NaOH。7.机械搅拌发酵罐的挡板通常安装________块，宽度为罐径的1/10~1/12。8.氧从气相传递到液相细胞的阻力主要存在于________和液膜。9.发酵液的粘度随菌体浓度的增加而________，从而影响氧的传递。10.种子制备的过程一般经历：斜面菌种→摇瓶液体种子→________。11.在连续发酵中，当稀释率D等于比生长速率μ时，反应器处于________状态。12.发酵热的移除主要通过________和冷却水换热来实现。13.常见的传感器包括pH电极、DO电极、________电极等。14.为了保证培养基灭菌彻底且不破坏营养成分，工业上常采用________灭菌法。15.发酵罐的搅拌轴封装置主要有填料函密封和________。16.在发酵动力学中，产物生成模型包括生长偶联型、________和非生长偶联型。17.气升式发酵罐的导流筒结构决定了液体的________方向。18.过滤除菌的机制包括拦截、惯性撞击、________和静电吸附等。19.发酵液的流变特性主要分为牛顿流体、________流体和胀塑性流体。20.放大准则通常有KL四、判断题（本大题共10小题，每小题1分，共10分。判断下列各题的正误，正确的打“√”，错误的打“×”。）1.所有的微生物发酵过程都需要严格控制无菌条件。（）2.发酵罐的高径比（H/D）越大，氧的传递效率一定越高。（）3.在分批培养中，比生长速率μ在整个过程中是恒定不变的。（）4.机械搅拌发酵罐中，搅拌器的主要作用是打碎气泡和混合液固相，对溶氧影响不大。（）5.连续发酵容易发生菌种变异，因此在工业生产中不如分批补料发酵应用广泛。（）6.只要培养基灭菌彻底，发酵过程中就不会染菌。（）7.溶氧电极测量的是发酵液中的溶解氧分压，而不是浓度。（）8.对于牛顿流体，其粘度随剪切速率的增加而增加。（）9.种子罐的级数越多，最终发酵效果越好。（）10.发酵过程中补加糖液的主要目的是为了维持菌体生长和产物合成所需的碳源。（）五、名词解释（本大题共6小题，每小题3分，共18分。）1.发酵工程2.临界溶氧浓度(Ccrit3.分批补料培养4.稀释率(D)5.搅拌功率准数(Np6.种子扩大培养六、简答题（本大题共6小题，每小题6分，共36分。）1.简述机械搅拌通风发酵罐的基本结构及其各主要部件的作用。2.比较分批培养、连续培养和补料分批培养的优缺点。3.影响微生物发酵过程中氧传递速率（OTR）的主要因素有哪些？如何提高OTR？4.简述发酵工业中培养基灭菌的主要方法及原理，并说明实罐灭菌与空罐灭菌的区别。5.什么是发酵过程中的“中间补料”？其主要目的是什么？常见的补料策略有哪些？6.简述发酵罐放大设计的基本原则及常用的放大准则。七、计算与分析题（本大题共4小题，共46分。）1.（10分）某发酵罐在分批培养过程中，测得比生长速率μ=0.4

h-1。初始接种菌体浓度(1)此时的菌体浓度X；(2)若此时YX/S=0.5

g/g，求已经消耗的基质浓度2.（12分）在一个体积为10

m3的机械搅拌发酵罐中进行好氧发酵。已知搅拌功率P=3

kW，通气量Qg=1.0

VVM（每分钟单位体积发酵液的通气量），发酵液体积VL=8

m3。已知在该操作条件下，搅拌功率准数Np(1)计算搅拌雷诺数Re；(2)判断流型；(3)计算未通气时的搅拌功率P0（假设N3.（12分）某连续发酵系统，Monod方程参数为：μmax=0.8

h-1，Ks(1)当稀释率D=0.5

h-1时，反应器出口的菌体浓度X和基质浓度(2)该系统的临界稀释率Dcrit（即最大比生长速率）和洗脱稀释率Dw（即当S→S0时的D值，或理解为X→0时的D值，通常Dcrit注：公式μ=μmaxSKs4.（12分）在进行发酵罐放大设计时，采用单位体积功率输入（P/V）相等的准则进行放大。模型罐：直径D1=0.5

m，高度H1=1.0

m，装液量V1生产罐：装液量V2(1)计算放大倍数（以体积计）；(2)计算生产罐的直径D2和搅拌转速n(3)计算生产罐所需的搅拌功率P2提示：几何相似时，D∝V1/3；参考答案及详细解析一、单项选择题1.D【解析】湿热蒸汽灭菌是发酵工业中最常用、最有效的灭菌方法，利用高温高压水蒸汽穿透力强的特点杀灭微生物。2.C【解析】嗜热菌能在高温下生长，可用于特殊的酶制剂生产或高温发酵工艺以减少染菌风险。3.C【解析】搅拌叶轮（如Rushton涡轮）旋转时产生剪切力，将大气泡打碎成小气泡，增加气液接触面积。4.C【解析】Monod方程描述了基质浓度S对比生长速率μ的影响，即μ=μ5.A【解析】在1atm、25℃下，空气中的氧在水中的溶解度约为0.25mmol/L，纯氧约为1.2mmol/L。6.C【解析】减速期（或称减速生长期）是指由于基质消耗或代谢产物积累，导致菌体生长速率开始下降的阶段。7.B【解析】气升式发酵罐利用气流带动液体循环，无机械搅拌，因此剪切力小，适合剪切敏感细胞，结构简单。8.B【解析】一般机械搅拌发酵罐的高径比H/D在2:1到4:1之间，有利于增加气液接触时间和溶氧。9.C【解析】荧光传感器（通过NADH荧光）或浊度传感器常用于在线监测菌体浓度。pH和溶氧电极监测环境参数。10.B【解析】连续发酵适合生长偶联型产物，且菌种性状稳定、不易变异的过程。11.C【解析】在充分湍流区（Re>104），流体处于完全湍流状态，功率准数12.B【解析】超细玻璃纤维纸或PTFE（聚四氟乙烯）滤膜是空气除菌常用的高效过滤介质。13.C【解析】发酵热包括生物合成热、搅拌热、蒸发热等。蒸汽冷凝热是灭菌过程的热量，不属于发酵过程中的产热项。14.B【解析】控制生物素亚适量可以改变细胞膜通透性，使谷氨酸能从胞内渗出，提高产量。15.D【解析】种子扩大培养主要是为了增加菌体数量和诱导酶的合成，缩短发酵延滞期，不能消除发酵过程中的抑制物。16.A【解析】补料分批培养可以解除底物抑制或产物抑制，延长产物合成期。17.C【解析】焊接或卫生快装卡箍连接无死角，易清洗灭菌，能有效防止染菌。18.A【解析】KLa是体积传质系数，单位是时间的倒数，即19.D【解析】圆盘涡轮式搅拌器（Rushton型）主要是径向流，剪切力最大，适合气液分散。20.C【解析】通气搅拌的双重目的是提供氧气（传质）并混合发酵液（固液悬浮、均相化）。二、多项选择题1.ABCDE【解析】温度、pH、溶氧、营养物质（基质）及搅拌速度（影响传递）均为关键环境因素。2.ABCD【A解析】常见的发酵搅拌器有桨式、涡轮式、螺旋桨式、螺带式等。离心式不是搅拌器类型。3.ABC【解析】葡萄糖、糖蜜、淀粉是常用碳源。玉米浆是氮源，尿素是氮源。4.ABCDE【解析】设备、空气、种子、培养基、操作等环节的疏漏均可能导致染菌。5.ABDE【解析】气升罐无机械搅拌，利用气流循环，溶氧效率较高，结构简单。但高粘度发酵液循环困难，混合效果差，故C错误。6.ABCDE【解析】下游加工包括固液分离、细胞破碎、提取、精制和成品包装。7.ABC【解析】增加转速、气量、罐压均可提高传质推动力或界面面积，从而提高OTR。降低温度虽能增加饱和溶解度，但会降低KL8.ABC【解析】常用机械消泡和化学消泡剂。物理消泡（如声波、热）也有应用但较少。生物消泡不常见。9.ABC【解析】补料策略包括恒速、指数（维持比生长速率恒定）、反馈控制（基于pH、DO、RQ等）。一次性大量补料易造成抑制，随机补料不可控。10.ABC【解析】空气管道、物料管道、取样管必须严格灭菌。冷却水管和排污管通常不直接接触无菌料液，无需蒸汽灭菌（或只需常压杀菌）。三、填空题1.对数生长期（或指数期）2.菌体对基质3.超细玻璃纤维纸（或PTEE/聚四氟乙烯滤膜）4.功率准数（注：题目问Np是...的函数，标准答案是功率准数是雷诺数和弗劳德数的函数，但题目本身设空位置若在定义处，应填“无量纲”。此处按语境填“弗劳德准数”或“雷诺数”均可，通常填全：Np=f(Re,Fr)。若只填一个空，结合题目描述“功率准数N修正题目填空逻辑：题目为“功率准数Np是________、弗劳德准数和雷诺准数的函数”，此处空缺应为“功率准数”本身？不对。标准说法是：Np是Re和Fr的函数。此处题目文字已包含“弗劳德准数和雷诺准数”，可能想问“无量纲数”。或者题目应为“重新理解题目：可能题目是“Np与____、弗劳德准数有关”。若题目确为“是...的函数”，且后面列出了参数，则空处应填无量纲（说明Np的性质）。或者最可能是题目排版错误，空在但为了符合常识，通常考：Np=f(Re,Fr)。此处假设题目意为：4.雷诺数（注：第3题已填介质，第4题此处填雷诺数。第3题答案：超细玻璃纤维纸。第4题：Np5.微生物的比耗氧速率等于氧的比供给速率时的溶解氧浓度（或：维持微生物正常呼吸所需的最低溶氧浓度）6.硫酸（或盐酸）7.4~6（或4）8.气膜9.升高10.种子罐（或中间种子罐）11.稳定（或稳态）12.夹套（或蛇管/冷却盘管）13.温度（或氧化还原电位ORP）14.连续（或连消）15.机械密封（或端面密封）16.部分生长偶联型（或混合型）17.循环18.扩散（或布朗运动/重力沉降）19.假塑性（或剪切稀化/非牛顿）20.搅拌叶轮尖端线速度（或tipspeed/混合时间）四、判断题1.×【解析】某些传统发酵（如酿造、某些固态发酵）过程不一定需要严格的无菌条件，但现代好氧深层发酵通常需要。2.×【解析】高径比过大，虽然增加压强有利于溶氧，但搅拌轴过长易损坏，且液位过高导致底部搅拌效果差，氧传递效率不一定高。3.×【解析】在分批培养中，随着环境变化（基质减少、产物积累），比生长速率μ是变化的。4.×【解析】搅拌器对溶氧影响巨大，它决定了气泡分散和液膜更新速率。5.√【解析】连续发酵周期长，菌种易发生变异退化，且染菌风险大，工业上应用相对较少，多用于污水处理或基因工程菌。6.×【解析】染菌原因很多，如设备泄漏、空气过滤失败、种子带菌等，仅培养基灭菌不够。7.√【解析】DO电极通常测量的是氧分压（%饱和度），需经温度补偿和校准后关联浓度。8.×【解析】牛顿流体粘度不随剪切速率变化；非牛顿流体（如假塑性）粘度随剪切速率增加而减小。9.×【解析】种子级数过多会导致种龄老化，增加染菌风险和工作量，只要满足接种量即可。10.√【解析】补糖主要目的是提供碳源和能源，控制比生长速率，延长产物合成期。五、名词解释1.发酵工程：指利用微生物的特定性状，通过现代化工程技术（包括发酵罐设计、过程控制、下游加工等）大规模生产有用代谢产物或生物制品的技术过程。它是生物技术实现产业化的关键环节。2.临界溶氧浓度(Ccrit3.分批补料培养：一种介于分批培养和连续培养之间的发酵模式。在分批培养过程中，间歇或连续地补加一种或多种培养基成分（通常限制性底物），但不取出培养液，直到发酵结束。它可以解除底物抑制，延长产物合成期。4.稀释率(D)：在连续发酵中，单位时间内流入反应器的新鲜培养基体积与反应器内发酵液总体积的比值，即D=F/V。其单位是时间的倒数（如h-15.搅拌功率准数(Np)：搅拌功率计算中的一个无量纲数，定义为Np=P/(ρn36.种子扩大培养：指将保藏在砂土管、冷冻干燥管或斜面上的菌种，经过逐步扩大培养（如斜面→摇瓶→种子罐），最终获得一定数量和质量的纯种培养物的过程。目的是为了给发酵罐提供足够数量、旺盛生长的种子，缩短发酵延滞期。六、简答题1.简述机械搅拌通风发酵罐的基本结构及其各主要部件的作用。答：机械搅拌通风发酵罐主要由罐体、搅拌系统、传热系统、通气系统、传感与控制系统等组成。(1)罐体：提供发酵空间，通常为不锈钢圆柱形，耐受高温高压。设有人孔、视镜等接口。(2)搅拌系统：包括搅拌电机、传动轴、搅拌叶轮。作用是打碎气泡、混合液固相、强化传质传热，使发酵液均匀混合。(3)挡板：通常为4-6块竖直板。作用是防止搅拌时形成中心旋涡，改变流体流型，从圆周流变为轴向流或混合流，增强混合效果。(4)传热系统：包括夹套或蛇管冷却器。作用是移除生物合成热和搅拌热，维持恒温发酵。(5)通气系统：包括空气分布器（环形管或单孔管）。作用是引入无菌空气，并在搅拌作用下分散成微小气泡，增加气液接触面积。(6)轴封：机械密封或填料密封。作用是防止泄漏和外界杂菌侵入。(7)传感器与控制：安装pH、DO、温度等电极，用于监测和控制发酵参数。2.比较分批培养、连续培养和补料分批培养的优缺点。答：(1)分批培养：优点：操作简单，周期短，不易染菌，适合多品种生产。缺点：存在非生产性延滞期，底物浓度高时可能有抑制，产物合成期受限于底物消耗。(2)连续培养：优点：无延滞期，设备利用率高，便于自动化控制，产品质量稳定。缺点：易染菌，菌种易变异，对设备要求高，适合生长偶联型产物。(3)补料分批培养：优点：可解除底物抑制和产物抑制，延长产物合成期，提高产量；可控制比生长速率；染菌风险介于前两者之间。缺点：操作控制较复杂，需精确控制补料速率，非稳态过程分析较难。3.影响微生物发酵过程中氧传递速率（OTR）的主要因素有哪些？如何提高OTR？答：氧传递速率公式为：OTR=K影响因素：(1)KL(2)推动力(C(3)发酵液性质：粘度增加会降低KL提高OTR的途径：(1)增加搅拌转速：打碎气泡，增加接触面积，更新液膜，提高KL(2)增大通气量：增加气泡数量和密度，提高KLa和(3)增加罐压：提高饱和溶氧浓度C*(4)改变通气成分：如通入富氧空气，提高气相氧分压。(5)改善发酵液物性：如通过补加水分或酶降低粘度。4.简述发酵工业中培养基灭菌的主要方法及原理，并说明实罐灭菌与空罐灭菌的区别。答：主要方法及原理：(1)湿热蒸汽灭菌：利用高温高压水蒸汽穿透微生物细胞，使蛋白质变性凝固而致死。这是最常用的方法。(2)过滤除菌：利用过滤介质拦截空气中的微生物，常用于空气除菌。(3)射线灭菌：利用紫外线或γ-射线破坏微生物DNA，常用于表面灭菌或敏感培养基。实罐灭菌与空罐灭菌的区别：(1)实罐灭菌（连消或实消）：培养基已加入罐内，通入蒸汽进行加热灭菌，然后冷却。灭菌时间长，对营养有一定破坏，但无需单独的灭菌设备。(2)空罐灭菌：仅对空的发酵罐体及管路进行灭菌，通常通入蒸汽。而培养基则在专门的连消塔中瞬间灭菌（135-140℃，数秒）后进入已灭菌的罐内。注：通常“实罐灭菌”指培养基在罐内灭菌；“空罐灭菌”指罐体灭菌。实际操作中，空消常用于检修后或发酵前，实消用于带料灭菌。连消是另一种方式。5.什么是发酵过程中的“中间补料”？其主要目的是什么？常见的补料策略有哪些？答：定义：中间补料是指在发酵过程中，根据菌体生长和产物合成的需求，间歇或连续地补加一种或多种营养成分（碳源、氮源、前体等）的操作。主要目的：(1)解除底物（如葡萄糖、铵盐）对菌体生长或产物合成的抑制作用。(2)延长发酵周期，维持产物合成速率，提高最终产量。(3)控制菌体比生长速率，减少副产物生成。(4)纠正发酵液中的成分偏差（如pH控制通过补酸碱或碳氮源）。常见补料策略：(1)恒速补料：以恒定流速补料，操作简单。(2)指数补料：补料速率随时间指数增加，维持比生长速率恒定。(3)反馈补料：基于在线参数（如pH、DO、RQ、尾气CO2）的变化自动调节补料速率。(4)