2026年(发酵工程)发酵过程控制试题及答案

2026年(发酵工程)发酵过程控制试题及答案一、单项选择题（本大题共20小题，每小题1分，共20分。在每小题给出的四个选项中，只有一项选项是符合题目要求的）1.在微生物发酵过程中，最常用的碳源物质是（）。A.蛋白质B.葡萄糖C.硝酸铵D.磷酸二氢钾2.Monod方程描述的是（）之间的关系。A.菌体浓度与底物浓度B.比生长速率与限制性底物浓度C.产物浓度与时间D.溶氧浓度与搅拌功率3.在分批培养中，菌体的比生长速率μ在（）阶段最大。A.延滞期B.对数生长期C.稳定期D.衰亡期4.衡量氧传递效率的重要参数是（）。A.aB.C.D.R5.发酵过程中，当溶解氧浓度（DO）突然下降为零，且长时间不恢复，最可能的原因是（）。A.补料太快B.搅拌桨脱落C.温度升高D.pH升高6.在发酵工业中，常用的pH电极是（）。A.玻璃电极B.铂电极C.银电极D.氢电极7.下列关于发酵热描述错误的是（）。A.包括生物合成热B.包括搅拌热C.包括蒸发热D.发酵热始终是恒定值，不随时间变化8.对于好氧发酵，呼吸商（RQ）定义为（）。A.C释放速率/消耗速率B.消耗速率/C释放速率C.C释放速率×消耗速率D.基质消耗速率/产物生成速率9.在抗生素发酵中，通常采用（）补料策略来延长产物合成期。A.恒速流加B.指数流加C.间歇补料D.以上均可，视具体工艺而定10.搅拌器的轴功率计算公式中，功率准数与（）有关。A.雷诺准数B.弗劳德准数C.普朗特准数D.施密特准数11.发酵罐放大设计时，若以a相等为准则，则主要需要调整的参数是（）。A.搅拌转速B.通气量C.罐体高度D.冷却面积12.丝状菌发酵过程中，菌丝形态会受剪切力影响，高剪切力通常导致（）。A.菌丝结团B.菌丝断裂，变短C.菌丝生长停滞D.菌丝自溶13.下列哪种传感器属于原电池型，无需极化电压？（）A.极谱法溶氧电极B.原电池法溶氧电极C.pH复合电极D.温度电阻探头14.在发酵过程控制中，PID控制算法中的“D”指的是（）。A.比例B.积分C.微分D.延时15.消毒与灭菌的区别在于（）。A.消毒杀死所有微生物B.灭菌杀死病原菌C.消杀杀死芽孢D.灭菌杀死所有微生物（包括芽孢）16.基质比消耗速率的单位通常是（）。A.g/(L·h)B.g/(g·h)C.h⁻¹D.g/L17.发酵液流变学特性中，属于非牛顿流体且具有剪切稀化特性的是（）。A.水B.空气C.高浓度霉菌发酵液D.低浓度细菌发酵液18.在分批补料培养中，若采用指数流加基质，其目的是为了维持（）。A.恒定的pHB.恒定的溶氧C.恒定的比生长速率D.恒定的温度19.下列参数中，通常不用于在线直接测量的是（）。A.温度B.pHC.菌体浓度D.溶解氧20.发酵罐的几何尺寸中，高径比（H/D）通常取值为（）。A.1:1B.2:1~3:1C.5:1D.10:1二、多项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分。在每小题给出的四个选项中，有多项选项是符合题目要求的。全部选对得2分，少选得1分，错选不得分）1.影响微生物生长的主要环境因子包括（）。A.温度B.pH值C.溶氧浓度D.营养物质浓度2.发酵过程中的氧传递阻力包括（）。A.气膜阻力B.液膜阻力C.细胞团内的扩散阻力D.细胞膜与细胞内的呼吸阻力3.发酵罐搅拌的作用主要有（）。A.打碎气泡，增加气液接触面积B.使发酵液混合均匀C.强化传热D.增加剪切力，控制菌丝形态4.引起发酵液泡沫产生的主要原因有（）。A.培养基中蛋白质成分B.通气搅拌C.菌体代谢产生气体D.温度过高5.常用的消泡方法包括（）。A.机械消泡B.化学消泡（添加消泡剂）C.物理消泡（超声波）D.生物消泡6.发酵工业中，常见的补料控制策略有（）。A.无反馈控制（定时定量）B.反馈控制（基于pH、DO、尾气）C.前馈控制D.人工手动控制7.关于分批培养和连续培养的比较，下列说法正确的有（）。A.分批培养发生染菌风险相对较低B.连续培养生产效率高C.分批培养适用于次级代谢产物生产D.连续培养菌体易发生变异8.发酵热的去除方式主要有（）。A.夹套冷却B.蛇管冷却C.外部循环换热D.冷却水直接喷淋9.在发酵过程优化中，常用的统计学实验设计方法有（）。A.正交试验设计B.响应面分析法（RSM）C.均匀设计D.单因素试验10.下列关于临界溶氧浓度的描述，正确的是（）。A.是微生物呼吸不受抑制的最低氧浓度B.高于此浓度，比耗氧速率与溶氧浓度无关C.低于此浓度，比耗氧速率随溶氧浓度降低而急剧下降D.对于所有微生物，值都是相同的三、填空题（本大题共20空，每空1分，共20分）1.微生物生长曲线主要包括延滞期、________期、稳定期和衰亡期四个阶段。2.在发酵工程中，表示________得率系数，即消耗1g底物生成的菌体克数。3.氧体积传递系数a的单位通常是________。4.发酵罐的放大准则主要有：单位体积功率输入（P/V）相等、________相等、叶尖线速度相等等。5.莫诺方程的表达式为：μ=6.在发酵过程中，为了控制温度，通常在________阶段产热最大，需要加强冷却。7.溶氧电极的校准通常需要进行两点校准，即零点校准（通常使用亚硫酸钠）和________校准（通常在空气饱和水中）。8.发酵液流变特性中，表观粘度随剪切速率增加而降低的特性称为________性。9.常见的发酵罐类型包括机械搅拌发酵罐、气升式发酵罐和________发酵罐。10.在高密度发酵中，为了解除底物抑制，常采用________流加补料策略。11.发酵过程中的参数检测可分为在线检测、________检测和离线检测。12.搅拌功率计算公式中，搅拌雷诺数R=13.当发酵液中溶解氧浓度上升时，可能的原因包括菌体衰老、________或进气量过大。14.灭菌的主要目的是杀死培养基中的________，以防止杂菌污染。15.在发酵控制中，若pH偏高，通常流加________来调节。16.对于CO2对发酵的影响，高浓度的CO2会抑制某些微生物的________。17.过滤除菌通常用于________的除菌。18.基质抑制动力学中，当底物浓度很高时，比生长速率μ会________。19.发酵过程的a测定方法中，动态法是在停止通气后记录溶氧________的变化。20.衡量发酵过程经济性的重要指标是________对底物的得率。四、判断题（本大题共10小题，每小题1分，共10分。正确的打“√”，错误的打“×”）1.延滞期的长短主要取决于接种龄、接种量以及培养基成分。（）2.机械搅拌发酵罐中，所有的搅拌桨都产生相同的轴向流动。（）3.溶氧电极测得的数值是发酵液中的氧分压，而不是绝对的氧含量。（）4.发酵过程中的最适温度是恒定不变的，不随发酵阶段改变。（）5.消泡剂添加越多越好，可以彻底消除泡沫且不影响发酵。（）6.连续培养可以达到稳态，此时菌体浓度、底物浓度和产物浓度均保持不变。（）7.响应面分析法（RSM）只能用于优化两个因素。（）8.离子选择性电极可以直接测量发酵液中的特定离子浓度。（）9.发酵罐放大时，保持a不变是最常用的准则之一，适用于好氧发酵。（）10.丝状真菌发酵中，搅拌功率准数在湍流区是常数。（）五、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分）1.简述发酵过程中溶解氧（DO）浓度变化的主要规律及其影响因素。2.什么是发酵过程的“中间补料”工艺？与分批培养相比，它有哪些主要优点？3.简述pH值对微生物发酵的影响及其控制策略。4.试述发酵罐放大设计的主要方法及其优缺点。5.简述发酵热的主要来源及在发酵过程中的变化。七、计算题（本大题共3小题，共40分）1.（10分）某发酵罐在进行好氧发酵，已知发酵液体积为10，通气量为1

vvm（每分钟每体积发酵液通入的空气体积），操作压力为1

atm（绝压），温度为C。已知在该条件下，氧在发酵液中的饱和浓度=0.008，实测发酵液中的溶解氧浓度=(1)试计算氧传递速率（OTR），单位·s)(2)若发酵液的耗氧速率（OUR）为0.0002·2.（15分）在50

L发酵罐中进行分批补料培养，初始培养基体积=30

L，初始菌体浓度=5

g/L。采用恒定比生长速率μ(1)试推导指数流加补料速率F(t)(2)计算补料开始后5

h时的补料速率F(3)计算5

h时的发酵液总体积V3.（15分）某细菌在连续搅拌罐反应器（CSTR）中进行恒化培养。已知Monod方程参数：=0.8，=2.0

g/L，=(1)试求当稀释率D=0.5时，反应器出口处的菌体浓度X和底物浓度(2)计算该系统的临界稀释率（即发生“洗出”现象时的稀释率）。(3)若要获得最大的菌体产率=D·X八、综合分析题（本大题共2小题，每小题15分，共30分）1.在谷氨酸发酵过程中，发现发酵中后期（约20小时后）pH值异常上升，同时残糖浓度较高，OD值增长缓慢。试分析可能的原因，并提出相应的控制措施。2.某抗生素发酵采用机械搅拌罐，在中试规模（500

L）工艺成熟的基础上，拟放大至生产规模（50参考答案与解析一、单项选择题1.B解析：葡萄糖是最容易被利用的碳源，也是发酵中最常用的速效碳源。2.B解析：Monod方程是描述比生长速率μ与限制性底物浓度S之间关系的经验公式。3.B解析：对数生长期，微生物以最大比生长速率进行生长。4.A解析：a是体积氧传递系数，是衡量反应器供氧能力的关键参数。5.B解析：DO降为零且长时间不恢复，通常意味着物理供氧系统故障，如搅拌桨脱落导致搅拌失效，无法分散空气；或者是通气泵停止工作。补料太快通常导致DO下降但不会立刻为零且长时间不恢复（除非罐体满溢）。6.A解析：工业pH测量通常使用耐高温可蒸汽灭菌的玻璃复合电极。7.D解析：发酵热包括生物合成热、搅拌热、蒸发热、辐射热等，其数值随发酵阶段、菌体代谢强度变化而变化。8.A解析：呼吸商RQ=二氧化碳释放速率（CER）/氧消耗速率（OUR）。9.D解析：抗生素发酵多采用补料分批培养，补料策略多样，需根据具体代谢需求确定。10.A解析：在搅拌功率计算中，功率准数是雷诺准数Re和弗劳德准数Fr的函数，但在全挡板条件下忽略Fr影响，主要取决于11.A解析：以a相等放大，通常需要调整搅拌转速和通气量的组合。12.B解析：高剪切力会打断丝状菌的菌丝，使其变短，可能影响产物合成。13.B解析：原电池法溶氧电极不需要外加极化电压，自身产生电流；极谱法需要。14.C解析：PID中P代表比例，I代表积分，D代表微分。15.D解析：灭菌是杀灭所有微生物，包括芽孢；消毒仅杀死病原菌或营养体。16.B解析：比消耗速率是指单位菌体在单位时间内消耗的底物量，单位为g/(g·h)。17.C解析：高浓度霉菌发酵液通常呈非牛顿流体特性，多为假塑性流体（剪切稀化）。18.C解析：指数流加旨在使限制性底物浓度保持恒定，从而使菌体以恒定的比生长速率生长。19.C解析：菌体浓度（生物量）目前尚无非常精准可靠的在线传感器，常通过离线光密度（OD）或干重测定，或通过软测量技术估算。20.B解析：通用机械搅拌发酵罐的高径比H/D一般在2:1到3:1之间，以利于混合与传质。二、多项选择题1.ABCD解析：温度、pH、溶氧、营养物质都是影响微生物生长的关键环境因子。2.ABCD解析：氧传递途径包括气膜、液膜、液相主体、细胞团内扩散、细胞膜与细胞内呼吸阻力，其中气膜和液膜是主要控制步骤。3.ABCD解析：搅拌的主要作用包括气液混合、固液悬浮、强化传热、打碎气泡增加传质面积。4.ABC解析：泡沫主要由培养基成分（如蛋白质）、通气搅拌的机械作用以及微生物代谢产生气体引起。5.AB解析：工业上常用机械消泡和化学消泡（消泡剂）。6.ABCD解析：补料策略包括无反馈（定时）、反馈（基于参数）、前馈及人工控制。7.ABCD解析：分批培养染菌风险低，适合次级代谢产物；连续培养效率高但易染菌和变异。8.ABC解析：常见的换热方式有夹套、蛇管、外部冷却循环。直接喷淋冷却水在工业发酵罐上较少见，主要用于小型或开放式容器。9.ABC解析：常用的优化设计方法包括正交试验、响应面法（RSM）、均匀设计等。单因素试验是基础，但不是多因素优化统计方法。10.ABC解析：临界溶氧浓度是微生物呼吸不受抑制的最低氧浓度，不同微生物不同。三、填空题1.对数生长期2.菌体对底物3.h⁻¹(或1/h)4.a（氧体积传递系数）5.S6.对数生长期7.斜率（或满度）8.剪切稀化（或假塑性）9.自吸式10.指数11.在线12.μ（粘度）13.停气（或搅拌故障）14.杂菌（或全部微生物）15.酸（或糖/尿素）16.生长（或呼吸）17.空气18.下降19.下降（或随时间）20.产物四、判断题1.√解析：延滞期长短受接种物生理状态、接种量及环境变化影响。2.×解析：不同类型的搅拌桨（如Rushton桨、轴流桨）产生的流型不同，有径向流和轴向流之分。3.√解析：溶氧电极测量的是氧分压，通常以%饱和度表示。4.×解析：最适温度随发酵阶段变化，如生长阶段和产物合成阶段要求可能不同。5.×解析：消泡剂过量会增加成本、提取困难，甚至抑制菌体生长。6.√解析：恒化器稳态时，各参数浓度恒定。7.×解析：RSM可以分析多个因素（通常3-5个）及其交互作用。8.√解析：离子选择性电极（如氨电极、钠电极）可用于测量特定离子。9.√解析：a相等是好氧发酵放大最常用的准则之一。10.√解析：在充分湍流区（高雷诺数下），功率准数为常数。五、简答题1.答：发酵过程中溶解氧（DO）变化规律：在分批发酵初期，菌体少，耗氧低，DO较高；进入对数生长期，菌体剧增，耗氧速率超过供氧速率，DO迅速下降至一个较低水平；在稳定期，菌体浓度维持平衡，耗氧与供氧相对平衡，DO维持稳定或随产物合成略有波动；衰亡期，菌体呼吸减弱，DO可能回升。影响因素：(1)供氧方面：通气量、搅拌转速、搅拌桨型式、罐压、气液接触面积、培养基物理性质（粘度、表面张力）。(2)耗氧方面：菌体浓度、菌体比耗氧速率（呼吸强度）、底物种类、温度、pH、产物合成情况。2.答：中间补料工艺（补料分批培养）是指在分批培养过程中，间歇地或连续地补加一种或多种营养成分，但直到培养结束前不取出培养液的发酵模式。主要优点：(1)解除底物抑制：通过控制补料速率，维持低底物浓度，避免高浓度底物对菌体生长或产物合成的抑制。(2)解除产物反馈抑制：通过稀释作用降低有害代谢产物浓度。(3)延长发酵周期：维持菌体较长时间处于高水平生长或产物合成状态，提高产量。(4)控制菌体形态：通过补料调节菌丝生长状态。(5)提高设备利用率：无需增加罐体体积即可提高总产量。3.答：pH影响：(1)影响酶活性：酶都有最适pH，偏离最适pH会导致酶活性下降，代谢受阻。(2)影响细胞膜电荷：改变膜通透性，影响营养吸收和代谢产物分泌。(3)影响基质利用：某些基质在不同pH下解离状态不同，影响利用。(4)影响产物合成方向：例如，黑曲霉在pH低时产柠檬酸，pH高时产草酸。控制策略：(1)基础培养基配方优化：选用具有缓冲能力的成分（如磷酸盐、CaCO₃）。(2)直接加酸碱：通过流加酸（如H₂SO₄）或碱（如NaOH、氨水）调节。(3)生理性调节：利用代谢过程中的酸碱产生，如流加碳源（产生酸）或氮源（消耗酸产氨）来协同调节pH。4.答：主要方法：(1)单位体积功率输入（P/V）相等：适用于主要受剪切力控制的发酵或粘度较高的体系。优点是简单；缺点是对于高溶氧要求的发酵，放大后a可能不足。(2)氧体积传递系数（a）相等：适用于好氧发酵，主要受氧传递限制的过程。优点是能保证供氧能力；缺点是放大后搅拌转速可能过低，混合时间变长。(3)叶尖线速度（πND）相等：适用于对剪切力敏感的细胞（如丝状菌、动物细胞）。优点是保护细胞；缺点是可能导致P/V和(4)混合时间相等：极少作为主要准则，因为很难实现，通常作为校核指标。5.答：发酵热来源：(1)生物合成热（）：微生物在生长、维持和产物合成过程中代谢反应释放的热量，是发酵热的主要来源。(2)搅拌热（）：机械搅拌克服流体阻力所做的功转化为热能。(3)蒸发热（）：空气带走水分蒸发所需的热量（散热）。(4)辐射热（）：罐壁与环境温差散失的热量（散热）。变化：发酵初期产热少；对数生长期，菌体代谢旺盛，产热最大，需加强冷却；稳定期产热逐渐减少；衰亡期产热很低。六、计算题1.解：(1)根据氧传递速率公式：O代入数据：OO(2)比较OTR与OUR：已知OU由于OT所以当前的供氧速率刚好满足菌体的耗氧需求，处于平衡状态。若OUR稍有波动，则可能出现供氧不足。2.解：(1)在指数流加补料阶段，为了维持恒定的比生长速率μ，发酵液总体积V(V菌体总量=X·V。由于X维持恒定（由μ和补料决定，此处假设μ恒定且X物料平衡（底物）：输入底物=菌体消耗底物（忽略维持能）F同时，菌体总量增长：=μXV⇒X由=μV，积分得所以补料速率F(或者利用底物衡算：F假设菌体浓度X维持在初始值（或者题目隐含维持恒定比生长速率下的指数补料体积公式）。通常标准公式为：F(但本题未给，若假设补料阶段主要为了维持生长，且X恒定（这在高细胞密度控制中常见，或者假设X随体积增加而增加导致浓度不变）。最简单的指数补料体积公式：F(让我们按最基础的体积推导：VF(2)计算F(F≈F(3)计算V(V(注：若考虑底物限制下的恒定比生长速率，公式会更复杂，但通常此类题目考察的是体积的指数增长关系)3.解：(1)根据CSTR稳态方程：D代入D=0.50.51.00.3S根据菌体物料平衡：D(X)DXX(2)临界稀释率发生在S→时（或μ→==(3)菌体产率=D其中S=对求导并令其为0，可得最佳稀释率：=代入数据：==计算最大产率：此时对应的S：SX=七、综合分析题1.分析与措施：现象分析：(1)pH异常上升：在谷氨酸发酵中，pH上升通常意味着氮源被大量利用产生氨（），或者糖代谢受阻，酸类产物生成减少。(2)残糖高，OD增长慢：说明菌体代谢活性下降，对糖的利用能力减弱，生长停滞。可能原因：(1)生物素缺乏或过量：谷氨酸生产菌（如谷氨酸棒杆菌）为生物素缺陷型。若发酵中后期生物素耗尽，会导致细胞膜通透性改变，影响物质运输，严重时影响生长导致代谢异常。或者若采用生物素过剩工艺添加青霉素或表面活性剂，若添加不当或时机不对，可能导致菌体裂解或过早停止生长。(2)营养失衡：缺乏某种必需的微量元素或生长因子，导致“营养匮乏型”生长停滞。(3)缺氧或供氧不足：虽然谷氨酸发酵是需氧过程，但若前期缺氧导致菌体生理状态受损，后期即使恢复供氧也难以逆转。(4)噬菌体污染：这是最严重的情况。噬菌体感染会导致菌体裂解，OD下降，pH因细胞内物质释