2026年大学本科二年级(发酵工程)发酵工艺优化测试题及答案

2026年大学本科二年级(发酵工程)发酵工艺优化测试题及答案一、单项选择题（每题1分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在分批发酵中，若比生长速率μ保持恒定，菌体浓度X随时间t的变化规律为（）A.线性增长B.指数增长C.对数衰减D.零级增长2.下列哪种补料策略最适合解除葡萄糖效应（）A.恒速流加B.指数流加C.脉冲式补料D.DO-stat反馈补料3.某酶催化反应遵循米氏方程，若测得v=0.8Vmax，则底物浓度[S]与Km的关系为（）A.[S]=0.25KmB.[S]=0.5KmC.[S]=2KmD.[S]=4Km4.在好氧发酵中，体积氧传递系数kLa的单位是（）A.h⁻¹B.kg·m⁻³·h⁻¹C.mol·m⁻³·s⁻¹D.m·s⁻¹5.下列关于代谢网络刚性（rigidity）的描述正确的是（）A.刚性越大，代谢流越易重排B.刚性主要由酶量决定C.刚性高时，过量表达单一步酶即可显著提高产物合成D.刚性高时，需协同解除多节点调控6.若某产物合成受葡萄糖阻遏，下列突变株中最可能解除阻遏的是（）A.ptsG缺失B.pykF缺失C.zwf缺失D.aceA缺失7.在2L搅拌罐中，功率输入P/V从1kW·m⁻³提高到4kW·m⁻³，若kLa∝(P/V)^0.7，则kLa提高的倍数是（）A.2.0B.2.6C.3.2D.4.08.下列哪种在线检测信号最适合用于间接估算菌体浓度（）A.尾气CO₂浓度B.发酵液粘度C.溶解氧电极电流D.罐压9.若某抗生素合成属部分生长偶联型，其比生产速率qp与比生长速率μ的关系通常符合（）A.qp=α+βμB.qp=αμC.qp=α/μD.qp=μ/(Ks+μ)10.在恒化器中，若稀释率D大于临界稀释率Dc，则（）A.菌体浓度上升B.菌体浓度下降直至洗出C.底物浓度下降D.产物浓度上升11.下列关于温度对发酵影响的描述错误的是（）A.升高温度可提高氧溶解度B.温度影响细胞膜流动性C.温度影响关键酶活性D.温度可改变产物合成方向12.若某菌株在30℃时代谢产热速率为2.5kW·m⁻³，在37℃时提高至4.0kW·m⁻³，则温度系数Q10约为（）A.1.3B.1.6C.2.0D.2.513.在发酵放大中，保持“等P/V”策略主要担心导致（）A.溶氧过剩B.剪切损伤C.混合时间延长D.CO₂stripping不足14.若某产物为胞外蛋白，下游收率Y与发酵液稀释倍数n的关系为Y=1/(1+n)，则当n=3时收率为（）A.0.25B.0.33C.0.50D.0.7515.下列哪种统计设计最适合筛选8个因素中显著影响产物浓度的主效应（）A.全因子2⁸B.2⁸⁻⁴分式因子C.Plackett-BurmanD.Box-Behnken16.若某发酵过程采用pH-stat补料，其补料触发信号为（）A.溶解氧突升B.尾气CO₂突降C.pH上升超过设定死区D.搅拌转速下降17.在代谢流分析中，若某节点为“柔性节点”，则（）A.代谢流分配比例固定B.酶活性受终产物反馈抑制C.流分配可随环境变化大幅改变D.通常位于辅酶再生循环18.若某菌株通过CRISPRi下调pfkA基因表达，其最可能导致的代谢流变化是（）A.糖酵解通量上升B.磷酸戊糖途径通量上升C.乙酸分泌减少D.TCA循环通量上升19.在发酵过程中，若发现溶氧电极信号出现周期性锯齿波，最可能的原因是（）A.电极膜破损B.补料泵周期性加料C.搅拌桨脱落D.罐压波动20.若某产物合成受ATP抑制，下列哪种操作最可能解除抑制（）A.降低搅拌转速B.通入纯氧C.添加微量2,4-二硝基苯酚D.提高葡萄糖浓度二、多项选择题（每题2分，共20分。每题有两个或两个以上正确答案，请将所有正确选项字母填入括号内，漏选、错选均不得分）21.下列哪些参数可用于在线估算比生长速率μ（）A.尾气CO₂释放速率CERB.溶解氧下降速率C.在线光密度ODD.补料累积量22.在发酵优化中，采用“高细胞密度”策略可能带来的负面效应包括（）A.氧传递受限B.副产物乙酸积累C.二氧化碳中毒D.产物降解酶增加23.下列哪些方法可直接提高kLa（）A.提高搅拌转速B.提高通气比C.添加0.1%聚丙二醇2000D.升高罐压24.关于Box-Behnken实验设计，下列说法正确的是（）A.属于响应面设计B.所有因素均取三水平C.中心点重复用于估算纯误差D.可估计所有三阶交互作用25.若某产物为次级代谢产物，其合成高峰通常出现在（）A.对数生长期B.稳定期早期C.衰亡期D.二次生长过渡期26.下列哪些突变可能导致谷氨酸棒杆菌过量分泌L-谷氨酸（）A.生物素限量B.odhA缺失C.pck缺失D.添加Tween4027.在发酵放大中，若采用“等kLa”策略，则小罐与大罐的kLa需满足（）A.数值相等B.单位一致C.温度相同D.培养基组成完全一致28.下列哪些属于“生长解偶联”型产物（）A.青霉素B.乙醇C.乳酸D.杆菌肽29.若采用代谢流分析（MFA）估算胞内通量，必须已知（）A.底物摄取速率B.产物分泌速率C.胞内代谢物浓度D.生物量组成30.下列哪些统计量可用于诊断多元回归模型失拟（）A.R²B.调整R²C.预测R²D.失拟检验F值三、填空题（每空1分，共20分。请将答案填入空格内，单位若未给出需自带）31.若Monod方程为μ=μmax[S]/(Ks+[S])，当μ=0.9μmax时，底物浓度[S]=________Ks。32.在恒化器中，稳态菌体浓度X=________，其中D为稀释率，μmax、Ks为Monod参数，[S]₀为进口底物浓度。33.若某发酵液氧消耗速率OUR=100mmol·L⁻¹·h⁻¹，kLa=120h⁻¹，且平衡溶氧C=7mg·L⁻¹，则稳态溶氧浓度C=________mg·L⁻¹（氧分子量32）。33.若某发酵液氧消耗速率OUR=100mmol·L⁻¹·h⁻¹，kLa=120h⁻¹，且平衡溶氧C=7mg·L⁻¹，则稳态溶氧浓度C=________mg·L⁻¹（氧分子量32）。34.若比生产速率qp=0.02h⁻¹，菌体浓度X=50g·L⁻¹，则体积生产速率QP=________g·L⁻¹·h⁻¹。35.若采用指数流加使菌体以μset=0.3h⁻¹增长，初始体积V₀=1L，X₀=10g·L⁻¹，流加3h后体积V=________L（假设无死亡、无产物抑制）。36.若某酶反应Km=2mmol·L⁻¹，Vmax=100U·L⁻¹，当[S]=8mmol·L⁻¹时，反应速率v=________U·L⁻¹。37.若2L发酵罐搅拌功率P=8W，则P/V=________kW·m⁻³。38.若某产物收率YP/S=0.4g·g⁻¹，葡萄糖消耗速率qs=1.5g·g⁻¹·h⁻¹，则比生产速率qp=________h⁻¹。39.若采用中心组合设计考察3因素，则实验点总数至少为________（含中心点重复2次）。40.若某菌体对氧的维持系数mO₂=0.05g·g⁻¹·h⁻¹，则当X=80g·L⁻¹时，维持耗氧速率=________g·L⁻¹·h⁻¹（氧分子量32）。四、简答题（共30分）41.（6分）简述“生长偶联型”与“非生长偶联型”产物在发酵过程优化中补料策略的差异。42.（6分）写出OUR、CER、RQ的定义式，并说明如何通过RQ在线判断碳源是否耗尽。43.（6分）说明在pH-stat补料系统中，如何设定死区宽度以避免补料振荡。44.（6分）列举三种可直接提高kLa的物理方法，并给出其放大时可能遇到的限制。45.（6分）简述CRISPRi在发酵优化中的应用场景，并指出其与传统基因敲除相比的优势。五、计算与分析题（共60分）46.（10分）某分批发酵过程，菌体生长遵循Monod方程，μmax=0.5h⁻¹，Ks=0.2g·L⁻¹，初始底物[S]₀=20g·L⁻¹，初始菌体X₀=0.1g·L⁻¹，生物量得率YX/S=0.5g·g⁻¹。忽略维持代谢与产物合成，求：（1）菌体浓度达到10g·L⁻¹所需时间；（2）此时剩余底物浓度。47.（12分）在1m³发酵罐中，kLa与搅拌转速N（rps）关系为kLa=0.8N²·⁵h⁻¹。若目标kLa=200h⁻¹，求所需转速（rpm）。若放大到10m³罐，采用“等P/V”策略，求大罐转速（rpm），并讨论此转速下剪切率是否可能损伤菌体（提示：剪切率γ∝N）。48.（12分）某产物合成符合Luedeking-Piret模型：dP/dt=αdX/dt+βX，其中α=0.05g·g⁻¹，β=0.02h⁻¹。分批发酵中X从2g·L⁻¹指数增长到50g·L⁻¹，μ=0.3h⁻¹。求：（1）菌体达到50g·L⁻¹时产物浓度；（2）若转为指数流加维持X=50g·L⁻¹，μ=0.1h⁻¹，求稳态比生产速率qp。49.（12分）采用2³全因子实验考察温度T、pH、初始葡萄糖[G]对产物浓度P的影响，结果如下（编码值±1）：实验1(1,1,1)P=4.2g·L⁻¹实验2(1,1,-1)P=3.8实验3(1,-1,1)P=3.5实验4(1,-1,-1)P=3.0实验5(-1,1,1)P=3.9实验6(-1,1,-1)P=3.6实验7(-1,-1,1)P=3.1实验8(-1,-1,-1)P=2.8（1）估算主效应T、pH、[G]；（2）判断最显著因素；（3）写出一次回归模型（编码单位）。50.（14分）某高细胞密度流加发酵，目标X=120g·L⁻¹，μset=0.15h⁻¹，YX/S=0.4g·g⁻¹，mS=0.02g·g⁻¹·h⁻¹。葡萄糖补料浓度Sf=600g·L⁻¹。求：（1）指数流加3h后，所需体积流量F(t)表达式；（2）若溶氧低于30%空气饱和度即触发脉冲补料暂停，已知OUR=180mmol·L⁻¹·h⁻¹，kLa=250h⁻¹，C=7mg·L⁻¹，判断是否需暂停（当前X=120g·L⁻¹，C=2mg·L⁻¹）。（2）若溶氧低于30%空气饱和度即触发脉冲补料暂停，已知OUR=180mmol·L⁻¹·h⁻¹，kLa=250h⁻¹，C=7mg·L⁻¹，判断是否需暂停（当前X=120g·L⁻¹，C=2mg·L⁻¹）。六、综合设计题（共40分）51.（20分）某企业需将10L罐的ε-聚赖氨酸发酵工艺放大至100m³。已知小罐最优参数：温度30℃，pH6.8，P/V=3kW·m⁻³，kLa=300h⁻¹，采用六弯叶涡轮，N=600rpm，通气比1vvm。要求：（1）选择放大准则并说明理由；（2）计算大罐几何相似下的转速与通气比；（3）分析混合时间变化并提出补偿措施；（4）列出3个潜在放大风险及监控方案。52.（20分）设计一套基于DoE-响应面-在线控制的复合优化方案，目标提高核黄素产量。需包括：（1）因素筛选：Plackett-Burman设计表（8因素12次实验）；（2）最陡上升法步骤；（3）中心组合设计（3因素）实验点安排；（4）建立二阶模型并给出显著性检验公式；（5）在线反馈控制框图（含溶氧、pH、RQ、补料泵逻辑）。七、答案与评分标准（仅给出核心要点，阅卷时按步骤给分）1.B2.D3.D4.A5.D6.A7.B8.C9.A10.B11.A12.B13.C14.A15.C16.C17.C18.B19.B20.C21.ABCD22.ABCD23.ABCD24.ABC25.B26.ABD27.AB28.AD29.ABD30.CD31.932.X=YX/S([S]₀KsD/(μmaxD))33.1.1734.135.2.4636.8037.438.0.639.1740.0.12541.生长偶联型：维持μ>0，采用指数或DO-stat补料；非生长偶联型：生长后转入低μ或静止期，采用脉冲或pH-stat限制碳源，解除阻遏。42.OUR=qO₂X；CER=qCO₂X；RQ=CER/OUR。RQ突升提示碳源耗尽，菌体开始消耗内源储备。43.死区ΔpH设为±0.05，结合时间延迟30s，避免控制器频繁开关。44.提高转速、提高通气、加微泡发生器；放大时剪切、泡沫、能耗受限。45.CRISPRi可逆下调关键酶，快速验证靶点；无需永久敲除，缩短育种周期。46.（1）t=1/μmaxln(X/X₀)=9.21h；（2）[S]=0g·L⁻¹（因YX/S=0.5，X=10g·L⁻¹耗糖20g·L⁻¹）。47.N=5.03rps≈302rpm；大罐N₂=N₁(V₂/V₁)^(-1/3)=142rpm；γ∝142<302，剪切降低，安全。48.（1）P=α(XX₀)+β/μ(XX₀)=3.27g·L⁻¹；（2）qp=β=0.02h⁻¹。49.（1）ET=0.45，EpH=0.35，E[G]=0