微生物发酵工程试卷及答案

微生物发酵工程试卷及答案一、单项选择题（本大题共15小题，每小题2分，共30分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）1.在微生物发酵过程中，最适合微生物生长的“黄金时期”是指（）。A.延滞期B.对数生长期C.稳定期D.衰亡期2.工业发酵生产中，灭菌的主要对象是（）。A.病毒B.噬菌体C.杂菌（细菌、真菌等）D.所有的微生物3.在分批培养中，当底物浓度很低时，微生物的比生长速率（）。A.接近最大比生长速率B.等于零C.与底物浓度呈一级反应关系D.与底物浓度呈零级反应关系4.下列关于通气搅拌罐发酵过程中搅拌作用的叙述，不正确的是（）。A.打碎空气气泡，增加气液接触面积B.使发酵液混合均匀，消除浓度梯度C.增加发酵液的溶解氧浓度D.强化传热过程，维持温度恒定5.氧的传递效率通常用体积氧传递系数a来表示，其单位是（）。A.mB.C.mD.m6.在Monod方程中，当底物浓度S等于饱和常数时，微生物的比生长速率μ为（）。A.B.0.5C.0.25D.07.对于次级代谢产物（如抗生素）的合成，通常产生于（）。A.延滞期B.对数生长期C.稳定期D.衰亡期8.发酵罐的几何尺寸中，高径比（H/A.矮胖型（H/B.标准型（H/C.高瘦型（H/D.任意比例9.在连续发酵中，当稀释率D大于最大比生长速率时，会发生（）。A.洗脱现象B.细胞浓度最大C.产物产率最高D.底物耗尽10.下列哪种参数不是通过在线传感器直接测量的发酵参数？（）A.温度B.pH值C.溶氧浓度（DO）D.菌体浓度（生物量）11.在谷氨酸发酵中，控制生物素亚适量的目的是（）。A.促进菌体生长B.改变细胞膜通透性，有利于谷氨酸外排C.抑制杂菌生长D.提高发酵液粘度12.为了避免发酵过程中产生泡沫过盛而引起逃液，通常加入消泡剂，下列哪项不是理想的消泡剂特性？（）A.低表面张力B.在水中溶解度大C.无毒、无刺激性D.不干扰下游提取过程13.柠檬酸发酵生产中，为了阻断TCA循环，通常采用（）。A.限制氮源B.限制磷酸盐C.添加铁离子D.添加甲醇14.基质抑制动力学模型中，当底物浓度极高时，比生长速率（）。A.趋于B.趋于零C.不变D.随底物浓度增加而增加15.发酵热的主要来源中，占比最大的是（）。A.搅拌热B.冷却水带走热量C.生物合成热（代谢热）D.蒸发热二、多项选择题（本大题共10小题，每小题3分，共30分。在每小题给出的四个选项中，有二至四项是符合题目要求的。多选、少选、错选均不得分）1.微生物发酵工程的主要任务包括（）。A.菌种的选育与改良B.培养基的设计与优化C.发酵工艺参数的控制D.产物的分离与纯化2.影响微生物生长的主要环境因子包括（）。A.温度B.pH值C.氧化还原电位D.渗透压3.工业生产中常用的灭菌方法有（）。A.热灭菌（分批灭菌、连续灭菌）B.化学药剂灭菌C.过滤除菌D.紫外线灭菌4.发酵罐搅拌器的类型主要有（）。A.桨式搅拌器B.涡轮式搅拌器C.螺旋桨式搅拌器D.磁力搅拌器5.补料分批培养（Fed-batch）的优点包括（）。A.可以解除底物抑制C.可以解除葡萄糖效应B.延长发酵周期，提高产量D.工艺控制简单，无需复杂设备6.发酵过程参数检测中，属于间接参数（需通过软测量或模型计算得到）的是（）。A.呼吸熵（RQ）B.比耗氧速率（OUR）C.搅拌转速D.基质消耗速率7.下列关于发酵过程pH控制的叙述，正确的有（）。A.pH影响酶的活性B.pH影响细胞膜的电荷状态C.pH通常通过添加酸或碱进行控制D.最佳pH在不同生长阶段可能不同8.在微生物发酵动力学中，Yield系数（产率系数）主要包括（）。A.细胞对基质的产率系数B.产物对基质的产率系数C.产物对细胞的产率系数D.氧对基质的产率系数9.下列哪些物质常作为微生物发酵的碳源？（）A.葡萄糖B.糖蜜C.淀粉水解糖D.尿素10.放线菌发酵生产抗生素时，发酵液通常呈现高粘度，其主要原因是（）。A.菌丝体呈丝状生长B.产物本身粘度大C.培养基中固形物多D.气泡过多三、填空题（本大题共20空，每空1.5分，共30分）1.微生物生长曲线主要包括四个阶段：延滞期、__________、稳定期和衰亡期。2.在分批培养中，微生物的比生长速率μ的定义式为·，其中X代表__________。3.灭菌动力学符合__________定律，即微生物的死亡速率与残留的活菌数成正比。4.工业上评价培养基优劣的标准除了要考虑产率外，还要考虑__________和来源方便。5.氧从气相传递到液相细胞的阻力主要存在于__________和液膜。6.发酵罐中的挡板作用是防止液面产生中心旋涡，改变流体流动方向，增加__________。7.补料分批培养中，通过控制补料速率，可以使发酵液中的限制性基质浓度维持在__________水平。8.葡萄糖效应是指当培养基中葡萄糖浓度过高时，会抑制__________酶的活性，导致次级代谢产物合成受阻。9.微生物呼吸强度的测量指标主要包括耗氧速率（OUR）和__________（CER）。10.在发酵工程中，值表示在121°C下的__________，用于衡量灭菌的彻底程度。11.对于好氧发酵，溶解氧浓度（DO）是关键参数，当DO低于临界值时，细胞的__________受到限制。12.常用的空气除菌过滤介质包括棉花、活性炭和__________纤维等。13.代谢调控过程中，反馈抑制通常是指代谢途径的__________产物对该途径关键酶活性的抑制。14.机械搅拌发酵罐的搅拌功率输入单位通常用__________表示。15.在连续培养中，当达到稳态时，稀释率D等于微生物的__________。16.青霉素发酵属于__________代谢产物发酵，其合成通常与菌体生长不偶联。17.发酵液的流变特性通常分为牛顿型流体、__________流体和胀塑性流体等。18.为了提高发酵罐的氧传递系数，可以增加搅拌转速或__________。19.种子扩大培养的目的是为了获得数量足够多、__________强壮的生产菌种。20.基因工程菌发酵过程中，为了防止质粒丢失，通常在培养基中加入__________。四、名词解释（本大题共6小题，每小题4分，共24分）1.发酵工程2.临界溶氧浓度（）3.稀释率（D）4.次级代谢产物5.氧传递系数（a）6.连续发酵五、简答题（本大题共5小题，每小题8分，共40分）1.简述分批培养、补料分批培养和连续培养的区别与优缺点。2.影响氧传递系数（a）的主要因素有哪些？并简要说明如何提高发酵过程中的供氧能力。3.简述温度对微生物发酵过程的影响及其控制策略。4.什么是代谢工程？与传统育种相比，它在发酵工程中有何优势？5.简述发酵过程中泡沫产生的原因及其危害，常用的消泡方法有哪些？六、计算与分析题（本大题共3小题，共46分）1.（本题15分）某微生物在10L的发酵罐中进行分批培养。在对数生长期测得菌体浓度随时间变化如下：当t=2h时，X=2.0(1)试求该阶段的比生长速率μ（）。(2)求菌体倍增时间（h）。(3)若初始菌体浓度为0.5g/L2.（本题15分）在一连续搅拌发酵罐中进行恒化器培养。已知Monod方程参数为：=0.8，=1.0g/L(1)试推导稳态下细胞浓度X和限制性基质浓度S与稀释率D的关系式。(2)当稀释率D=0.5时，求发酵罐出口的基质浓度S和细胞浓度(3)求该系统的最大稀释率（即洗脱点）。3.（本题16分）某抗生素发酵过程中，通过在线监测得到以下数据：发酵液体积V=20，通气量Q=已知氧传递公式为：a=K·(·假设该体系下，K=0.05，α=(1)计算空塔气速（m/h(2)假设≈P（忽略通气对功率的修正），计算该发酵罐的a值（）。(3)若发酵液中饱和溶氧浓度=0.008mol/七、论述题（本大题共2小题，每小题25分，共50分）1.结合具体的抗生素（如青霉素）或氨基酸（如谷氨酸）发酵实例，详细论述发酵工艺控制的主要策略，包括培养基组成、温度、pH、溶解氧及补料策略的控制原理及作用。2.随着系统生物学和合成生物学的发展，微生物发酵工程正面临新的变革。请论述组学数据（基因组学、转录组学、代谢物组学）如何指导菌种改良和发酵过程优化，并展望未来智能生物制造的发展趋势。参考答案与详细解析一、单项选择题1.B解析：对数生长期是微生物生长速率最快的时期，菌体呈几何级数增长，代谢旺盛，是发酵生产中种子制备的最佳时期。2.C解析：工业发酵中，灭菌的主要目的是杀灭或去除培养基、设备、管道中存在的杂菌（如细菌、真菌、酵母等），以防止杂菌污染导致发酵失败。噬菌体虽然危害大，但通常针对特定宿主，且有时需配合其他措施处理。3.C解析：根据Monod方程μ=，当S≪时，4.C解析：搅拌的作用主要是混合均匀、打碎气泡增加接触面积、强化传热。虽然搅拌能促进氧传递，但搅拌本身并不直接增加氧在水中的物理溶解度（饱和浓度），饱和溶解度主要取决于温度、压力和气相氧分压。5.B解析：a是体积氧传递系数，单位是时间的倒数，即或。6.B解析：当S=时，代入Monod方程得μ7.C解析：次级代谢产物通常是在菌体生长停止进入稳定期后才开始大量合成的，其合成往往与初级代谢无关，或由初级代谢中间体转化而来。8.C解析：高耗氧发酵需要较大的气液接触面积和较长的气液接触时间。高径比大的高瘦型发酵罐有利于增加气泡停留时间，提高氧利用率。9.A解析：在连续发酵中，当稀释率D>10.D解析：温度、pH、DO均可通过传感器在线直接测量。菌体浓度（生物量）通常需要通过取样测定光密度（OD）或干重（DCW），属于离线参数，或者通过软测量技术间接估算。11.B解析：在谷氨酸发酵中（如使用谷氨酸棒杆菌），生物素是脂肪酸合成的辅酶。控制生物素亚适量，会导致细胞膜合成不完整，通透性增加，从而使胞内积累的谷氨酸容易排出胞外，防止反馈抑制。12.B解析：理想的消泡剂应具有低表面张力、在水相中溶解度小（以便在界面吸附）、无毒、不影响提取。溶解度大反而会降低消泡效率。13.A解析：柠檬酸是TCA循环的中间产物。要使其积累，必须阻断TCA循环的进一步氧化。限制氮源或特定金属离子（如M、F浓度）可以抑制顺乌头酸水合酶等关键酶活性，从而阻断循环，积累柠檬酸。14.B解析：在底物抑制模型（如Haldane方程）中，当底物浓度极高时，抑制项起主导作用，导致比生长速率趋于零。15.C解析：发酵热中，微生物在呼吸和代谢过程中释放的热量（生物合成热/代谢热）通常占总热量的绝大部分，是发酵过程热平衡的主要考虑因素。二、多项选择题1.ABCD解析：微生物发酵工程涵盖了从菌种、培养基、工艺控制到下游提取的全过程。2.ABCD解析：温度、pH、氧化还原电位、渗透压、水活度等均为影响微生物生长的关键物理化学环境因子。3.ABC解析：工业上常用热灭菌（彻底）、化学药剂灭菌（环境消毒）、过滤除菌（空气除菌）。紫外线穿透力弱，一般仅用于表面灭菌或实验室环境。4.ABC解析：常见机械搅拌器包括桨式、涡轮式（圆盘涡轮、开启涡轮）、螺旋桨式。磁力搅拌一般用于小型反应器。5.ABC解析：补料分批可以解除底物抑制和底物浓度过高引起的葡萄糖效应，延长产物合成期，提高产量。但其控制逻辑比分批培养复杂，需要精确的补料策略。6.ABD解析：RQ（呼吸熵）、OUR（摄氧率）、基质消耗速率通常通过尾气分析（,C7.ABCD解析：pH影响酶活性、膜电荷、营养物质离子化状态；通常通过酸碱流加控制；且不同生长阶段和产物合成阶段的最适pH可能不同。8.ABC解析：常用产率系数包括细胞对基质、产物对基质、产物对细胞。不常用。9.ABC解析：葡萄糖、糖蜜、淀粉水解糖均为常用碳源。尿素是氮源。10.AB解析：放线菌发酵液高粘度主要因为菌丝呈丝状生长（形态）以及菌体自溶释放DNA或蛋白质等大分子物质，导致发酵液呈现非牛顿流体特性。三、填空题1.对数生长期2.菌体浓度（或生物量）3.一级反应（或对数死亡）4.经济效益（或成本）5.气膜6.湍流程度（或混合效果）7.较低（或恒定）8.关键代谢（或异构酶/脱氢酶）注：此处指分解代谢物阻遏，抑制酶的合成或活性。9.二氧化碳释放速率10.灭菌时间（或致死时间）11.呼吸代谢（或生长）12.超细玻璃纤维（或聚四氟乙烯/PTFE）13.末端14.kW/m³（或W/m³）15.比生长速率（μ）16.次级17.假塑性（或剪切稀化）18.增加通气量（或罐压）19.生理状态（或种龄）20.抗生素（或选择压力）四、名词解释1.发酵工程：指利用微生物的特定性状，通过现代工程技术手段（如发酵罐、传感器、控制系统），在控制最适条件下，大规模生产微生物代谢产物或生物制品的技术过程。它是生物技术转化为生产力的关键环节。2.临界溶氧浓度（）：指在发酵过程中，当培养基中的溶解氧浓度降低到某一数值时，微生物的呼吸速率（或比生长速率）开始显著下降，该溶解氧浓度值称为临界溶氧浓度。它是发酵供氧控制的最低限。3.稀释率（D）：在连续发酵中，单位时间内加入发酵罐的新鲜培养基体积与发酵罐内有效液体体积之比，单位为。物理意义上代表培养基的置换速率。4.次级代谢产物：指微生物在生长停止期（稳定期），利用初级代谢产物进一步合成的、对自身生长繁殖非必需的一类化合物，如抗生素、毒素、色素等。它们通常具有特定的生理功能（如竞争抑制）。5.氧传递系数（a）：表征发酵体系中氧传递效率的重要参数。它是液膜传质系数与单位体积发酵液的气液比表面积a的乘积。a越大，氧传递速率越快。6.连续发酵：指以一定的流速向发酵罐中连续添加新鲜培养基，同时以相同的流速流出发酵液，从而使发酵罐内的液位维持恒定，微生物在稳定的环境下连续生长和代谢的发酵操作方式。五、简答题1.简述分批培养、补料分批培养和连续培养的区别与优缺点。答：分批培养：特点*：一次性装料、接种，中间不补料，一次性放罐。系统处于封闭状态。优点*：操作简单，不易染菌，适合多品种生产。缺点*：存在非生产伴随的延滞期；底物浓度过高可能产生抑制；分批操作强度大。补料分批培养：特点*：过程中间歇或连续补加限制性基质，但不取出培养液，直到放罐。优点*：可解除底物抑制和葡萄糖效应；延长产物合成期；提高产量和转化率。缺点*：控制逻辑较复杂；需注意染菌风险。连续培养：特点*：连续补料并连续出料，维持稳态。优点*：高产率，设备利用率高，易于自动化控制，产品质量均一。缺点*：菌种易退化变异；长时间运行染菌风险极大；适用范围有限（主要用于菌体本身或初级代谢物）。2.影响氧传递系数（a）的主要因素有哪些？并简要说明如何提高发酵过程中的供氧能力。答：主要因素：1.搅拌：搅拌转速影响液流湍动和气泡破碎，直接影响a和。2.空气流速：通气量影响气泡数量和停留时间，影响a。3.发酵液性质：粘度、表面张力、离子强度等影响气泡大小、聚并及液膜阻力。4.泡沫：泡沫存在会减少有效传质面积。5.压力：罐压增加可增加氧饱和度，但对a影响相对复杂。提高供氧能力的措施：1.增加搅拌转速：打碎气泡，增加湍流，减小液膜厚度。2.增大通气量：增加气液接触面积，但需注意避免“气泛”现象。3.提高罐压：增加氧分压，推动传质动力。4.改变空气分布器：使用微孔分布器产生微小气泡。5.优化培养基：降低发酵液粘度（如通过补料策略或工艺优化），减少传质阻力。3.简述温度对微生物发酵过程的影响及其控制策略。答：影响：1.影响酶活性：温度通过改变酶反应速率常数影响代谢速率。在最适温度下生长最快。2.影响产物合成：生长最适温度与产物合成最适温度往往不一致（如抗生素合成温度通常低于生长温度）。3.影响发酵液物理性质：温度影响氧在水中溶解度（温度升高溶解度降低）、粘度等。4.影响生物合成方向：温度可能改变代谢流向。控制策略：1.分段控制：生长阶段控制在生长最适温度，产物合成阶段控制在产物合成最适温度（变温发酵）。2.强化传热：通过夹套或蛇管通入冷却水（或蒸汽）移除代谢热或加热，通过PID算法维持恒温。4.什么是代谢工程？与传统育种相比，它在发酵工程中有何优势？答：定义：代谢工程是通过定向的遗传修饰（基因工程手段），改变细胞内代谢流网络及通量分布，从而优化目标产物合成性能的学科。优势：1.目的性强：不像传统诱育盲目筛选，代谢工程基于对代谢网络的理解，精准操作关键基因。2.打破代谢限制：可以引入外源基因、阻断支路代谢、强化限速步骤，改变底盘细胞属性。3.系统性：结合组学数据和通量分析（FBA），进行全局优化，而非单点突变。4.构建新功能：可以设计全新的代谢途径合成非天然产物。5.简述发酵过程中泡沫产生的原因及其危害，常用的消泡方法有哪些？答：原因：1.通气搅拌导致空气进入液体形成气泡。2.培养基中蛋白质、多肽等表面活性物质降低表面张力，使气泡稳定不易破裂。3.代谢产生气体（如C）。危害：1.降低发酵罐有效装液系数。2.气泡逃液造成损失和染菌风险。3.影响氧传递（气泡聚集）。消泡方法：1.机械消泡：利用消泡桨、超声波等物理力量破碎泡沫（优点是不引入异物）。2.化学消泡：加入消泡剂（天然油脂、聚醚类等），降低表面张力使泡沫破裂（优点是见效快，缺点是可能影响提取或OD检测）。3.菌种选育：筛选产泡沫能力弱的菌株。六、计算与分析题1.解：(1)根据对数生长期公式=，或ln=已知=2h,μ(注：ln8(2)倍增时间==(3)=0.5g/t答案：(1)比生长速率为0.693；(2)倍增时间为1h；(3)所需时间为42.解：(1)在恒化器稳态下，物料平衡方程为：细胞积累率=生成率输出率=0⇒μ基质积累率=输入率消耗率输出率=0⇒D代入μ=D和Monod方程由D=变形得：S将基平衡式变形：X=(2)当D=SX(3)最大稀释率（洗脱点）发生在S→（即底物来不及消耗即流出）或理论上D严格来说，当D接近时，分母趋近0，S急剧上升。通常取≈（如果考虑进料基质限制）或者简单认为=。按Monod模型理论极限，==答案：(1)S=,X=(3.解：(1)计算空塔气速。发酵罐截面积A=通气量Q==(2)计算a。单位体积功率P/公式：a=计算各项：=≈a(3)计算OTR并判断。氧传递速率公式：OTO注意单位换算：a是，浓度是mol/L判断：由于当前=0.001答案：(1)空塔气速约为244.6m/h；(2)a约为827；(3)OTR约为5.79七、论述题1.结合具体的抗生素（如青霉素）或氨基酸（如谷氨酸）发酵实例，详细论述发酵工艺控制的主要策略。答：以青霉素发酵为例青霉素是典型的次级代谢产物，其发酵工艺控制极其复杂，主要包括以下几个方面：(1)培养基组成控制：碳源：通常采用葡萄糖和乳糖的混合碳源。前期利用葡萄糖快速生长菌丝，后期利用被缓慢利用的乳糖作为合成碳源，维持较低的残糖浓度，解除葡萄糖效应（分解代谢物阻遏），促进青霉素合成。氮源：前期利用有机氮源（如玉米浆、黄豆饼粉）促进生长，后期控制氮源浓度，因为高浓度氮源会促进菌体生长而抑制产物合成。前体物质：添加苯乙酸或苯乙酰胺作为青霉素侧链的前体，直接掺入分子结构中提高产量。但前体对菌体有毒性，需采用流加方式维持低浓度。(2)温度控制策略（变温发酵）：青霉素产生菌生长的最适温度较高（约27-28℃），而产物合成的最适温度较低（约24-25℃）。控制策略：发酵前期控制温度在27℃左右，以利菌丝生长和产物合成酶系的诱导；发酵中后期（约60小时后）降低温度至24-25℃，减缓菌体衰老，延长产物分泌期，提高产量并减少杂质。(3)pH控制策略：青霉素发酵中，菌体生长和产物合成对pH要求不同。生长阶段pH一般在6.5-6.7，合成阶段在6.5-7.0左右。控制策略：通过流加葡萄糖（酸性）和氨水/硫酸（碱性）来调节。pH过低会加速菌体自溶，pH过高则不利于产物合成。通常采用分段控制，维持中性偏酸环境。(4)溶解氧（DO）控制：青霉素发酵是好氧过程，且耗氧量极大。临界氧浓度较高。控制策略：在发酵高峰期，必须保证DO在20%-30%饱和度以上。通过调整搅拌转速、通气量或罐压来维持。若DO过低，会导致青霉素合成受阻，甚至产生乳酸等副