2026年大学大二(发酵工程)中期测试试题及答案

2026年大学大二(发酵工程)中期测试试题及答案1.单项选择题（每题1分，共20分）1.1在分批发酵中，比生长速率μ与基质浓度S的关系常用下列哪一方程描述？A.μ=μ_{max}·S/(K_s+S+S^2/K_i)B.μ=μ_{max}·S/(K_s+S)C.μ=μ_{max}·(1e^{-S/K_s})D.μ=μ_{max}·S^2/(K_s+S^2)答案：B1.2下列哪种灭菌方式属于“连续瞬时高温”范畴？A.空罐灭菌B.实罐灭菌C.HTST（高温短时）连消D.紫外线照射答案：C1.3在好氧发酵中，体积传氧系数k_La的单位是：A.h^{-1}B.kg·m^{-3}·h^{-1}C.mol·m^{-3}·s^{-1}D.m·s^{-1}答案：A1.4若某菌株的维持系数m_s=0.025g葡萄糖·(g干菌体)^{-1}·h^{-1}，则其含义为：A.菌体每增加1g需消耗0.025g葡萄糖B.菌体每维持1g自身1h需消耗0.025g葡萄糖C.菌体每消耗1g葡萄糖可维持0.025hD.菌体对氧的维持需求为0.025g答案：B1.5下列哪项不是机械搅拌通风发酵罐的“几何相似放大”准则？A.P/V恒定B.k_La恒定C.尖端线速度恒定D.Re恒定答案：D1.6在青霉素发酵中，加入苯乙酸的主要作用是：A.作为碳源B.作为前体合成侧链C.调节pHD.抑制杂菌答案：B1.7若发酵液表观粘度随剪切速率升高而下降，则该流体属于：A.牛顿流体B.胀塑性流体C.假塑性流体D.宾汉流体答案：C1.8下列哪种在线检测手段可直接获得“细胞浓度”信号？A.浊度法（660nm）B.溶氧电极C.pH电极D.尾气CO_2分析仪答案：A1.9在连续发酵中，若稀释率D>μ_{max}，则系统会出现：A.洗出B.稳态C.基质过量D.产物抑制答案：A1.10关于固定化细胞发酵，下列说法错误的是：A.可重复利用B.产物抑制可忽略C.扩散限制可能存在D.载体强度影响寿命答案：B1.11若某酶反应符合米氏方程，当[S]=3K_m时，反应速率v与V_{max}的比值为：A.1/4B.1/2C.3/4D.4/3答案：C1.12在酒精发酵中，CO_2的释放速率与下列哪项成正比？A.菌体浓度B.糖消耗速率C.溶氧浓度D.产物乙醇浓度答案：B1.13下列哪种突变最可能导致菌株“营养缺陷型”？A.点突变导致启动子强化B.缺失突变导致合成途径酶失活C.质粒拷贝数增加D.转座子插入非编码区答案：B1.14在发酵工厂中，“实消”通常指：A.空罐灭菌B.培养基与罐体一起灭菌C.连消D.过滤器灭菌答案：B1.15若溶氧电极响应时间为30s，则其信号可用于：A.在线反馈控制B.离线计算k_LaC.精确测定μ_{max}D.测定菌体活性答案：A1.16下列哪项不是发酵热的主要来源？A.搅拌功率B.菌体生长放热C.蒸发散热D.代谢反应热答案：C1.17在产物抑制模型中，若产物浓度P升高导致μ下降，常用：A.μ=μ_{max}·S/(K_s+S)B.μ=μ_{max}·(1P/K_p)C.μ=μ_{max}·S/(K_s+S)·(1P/K_p)D.μ=μ_{max}·e^{-P/K_p}答案：C1.18若某发酵罐体积为100m^3，装液系数为0.7，则工作体积为：A.30m^3B.70m^3C.100m^3D.130m^3答案：B1.19在“高细胞密度发酵”策略中，常用哪种方式控制基质浓度？A.一次性投料B.指数流加C.恒速流加D.批式补料答案：B1.20下列哪种传感器属于“原位”检测？A.取样后用HPLC测产物B.流通池紫外吸收C.罐内荧光探针D.离线气相色谱答案：C2.多项选择题（每题2分，共20分；每题至少有两个正确答案，多选少选均不得分）2.1下列哪些因素会显著影响k_La？A.搅拌转速B.空气流量C.菌体浓度D.培养基粘度答案：ABCD2.2关于“指数流加”策略，正确的是：A.基质浓度保持近似零B.比生长速率可被设定为常数C.需已知菌体得率Y_{x/s}D.无需在线测菌体浓度答案：ABC2.3下列哪些属于“次级代谢产物”？A.青霉素B.链霉素C.乙醇D.赤霉素答案：ABD2.4在发酵放大中，若保持P/V恒定，则：A.单位体积功耗不变B.尖端线速度一定增加C.混合时间可能延长D.k_La一定不变答案：AC2.5下列哪些方法可用于在线估算菌体浓度？A.电容法B.近红外光谱C.尾气质谱D.荧光染色离线计数答案：AB2.6关于“CRISPR/Cas9”在菌种改造中的应用，正确的是：A.可定向敲除B.可插入大片段C.无需选择标记D.脱靶风险为零答案：ABC2.7下列哪些属于“发酵过程参数”？A.溶氧B.氧化还原电位C.菌体RNA含量D.搅拌功率答案：ABD2.8若某发酵出现“泡沫失控”，可采取：A.降低搅拌B.加入消泡剂C.提高罐压D.降低空气流量答案：ABD2.9下列哪些属于“后提取”单元操作？A.离心分离菌体B.超滤浓缩酶液C.离子交换纯化抗生素D.连消灭菌答案：ABC2.10在“高溶氧需求”发酵中，可采取：A.纯氧补充B.提高搅拌C.降低温度D.微泡曝气答案：ABD3.填空题（每空1分，共20分）3.1莫诺方程中，μ_{max}表示________，K_s表示________。答案：最大比生长速率；半饱和常数3.2若某发酵罐搅拌功率为15kW，装液体积为30m^3，则P/V=________kW·m^{-3}。答案：0.53.3在连续发酵稳态下，菌体浓度x与稀释率D的关系式为x=________（已知μ=μ_{max}·S/(K_s+S)，D=μ）。答案：Y_{x/s}·(S_0S)3.4若溶氧电极校准两点为0%与100%，其中100%对应________饱和。答案：大气压下空气3.5某酒精发酵中，葡萄糖得率Y_{p/s}=0.51g乙醇·g^{-1}葡萄糖，则理论转化率为________%。答案：513.6若菌体对氧的得率Y_{x/o}=1.2g干菌体·g^{-1}O_2，则每消耗1gO_2可生成________g干菌体。答案：1.23.7在“巴斯德效应”中，有氧条件下酵母________（升高/降低）乙醇发酵速率。答案：降低3.8若某酶反应v=V_{max}·[S]/(K_m+[S])，当v=0.9V_{max}时，[S]=________K_m。答案：93.9发酵液流变行为常用________仪测定剪切应力与剪切速率关系。答案：旋转粘度3.10若空气流量为0.6vvm，工作体积为50m^3，则体积流量为________m^3·min^{-1}。答案：303.11在“氧传递速率”OTR=k_La·(C^C_L)中，C^表示________。3.11在“氧传递速率”OTR=k_La·(C^C_L)中，C^表示________。答案：饱和溶氧浓度3.12若某菌μ_{max}=0.35h^{-1}，则其倍增时间t_d=________h（ln2≈0.693）。答案：1.983.13在“过滤常数”K中，若滤饼不可压缩，则K与压差ΔP成________关系。答案：正比3.14若某发酵尾气中CO_2为4%（v/v），空气流量为1m^3·min^{-1}，则CO_2释放速率为________m^3·min^{-1}。答案：0.043.15在“离子交换”操作中，交换容量单位常用________。答案：mmol·g^{-1}3.16若某抗生素在pH3.0下稳定且呈分子态，则提取宜采用________相（水/有机）。答案：有机3.17若某发酵罐高径比H/D=2.5，则“尖端线速度”与________成正比。答案：搅拌转速·叶轮直径3.18在“微滤”中，截留粒径范围大致为________μm。答案：0.1–13.19若某菌株突变后丧失乳酸脱氢酶，则其在厌氧下无法通过________途径再生NAD^+。答案：乳酸发酵3.20在“喷雾干燥”中，进风温度通常________（高于/低于）出风温度。答案：高于4.简答题（封闭型，每题5分，共20分）4.1写出“氧传递速率”OTR与“氧消耗速率”OUR相等时的稳态溶氧浓度C_L表达式，并说明如何在线估算k_La。答案：OTR=k_La·(C^C_L)，OUR=q_{O_2}·x；稳态时k_La·(C^C_L)=q_{O_2}·x，得C_L=C^q_{O_2}·x/k_La。OTR=k_La·(C^C_L)，OUR=q_{O_2}·x；稳态时k_La·(C^C_L)=q_{O_2}·x，得C_L=C^q_{O_2}·x/k_La。在线估算k_La：停止通气或瞬间切换氮气，记录溶氧随时间下降曲线，用公式k_La=(dC_L/dt)/(C_LC^)，其中C^≈0，即k_La=(dC_L/dt)/C_L，取对数斜率。k_La=(dC_L/dt)/(C_LC^)，其中C^≈0，即k_La=(dC_L/dt)/C_L，取对数斜率。4.2列举三种“高细胞密度发酵”中控制基质浓度的传感器类型，并给出其中一种的测量原理。答案：（1）葡萄糖氧化酶电极；（2）近红外光谱；（3）热导式FIA。酶电极原理：葡萄糖+O_2→葡萄糖酸+H_2O_2，铂电极检测H_2O_2氧化电流，电流与葡萄糖浓度成正比。4.3说明“指数流加”策略中补料速率F(t)的推导步骤，并给出最终表达式（设μ_{set}为设定比生长速率，Y_{x/s}为得率，x_0、V_0为初始菌体质量与体积）。答案：由dx/dt=μ_{set}·x，x=x_0·e^{μ_{set}t}；基质消耗速率=(1/Y_{x/s})·dx/dt=(1/Y_{x/s})·μ_{set}·x_0·e^{μ_{set}t}；补料速率F(t)=(1/S_{feed})·(1/Y_{x/s})·μ_{set}·x_0·e^{μ_{set}t}=F_0·e^{μ_{set}t}，其中F_0=μ_{set}·x_0/(Y_{x/s}·S_{feed})。4.4解释“产物抑制”对μ的影响，并写出一种包含产物抑制项的μ表达式。答案：产物抑制指代谢产物积累降低比生长速率。表达式：μ=μ_{max}·S/(K_s+S)·(1P/K_p)，其中K_p为产物抑制常数，P为产物浓度。5.简答题（开放型，每题10分，共20分）5.1某工厂拟将50L青霉素发酵罐（分批）放大到50m^3，要求保持k_La恒定。已知小罐搅拌转速N_1=500rpm，功率P_1=2kW，放大后采用“恒定P/V”准则。请讨论：（1）计算大罐搅拌转速N_2；（2）讨论该准则下混合时间变化；（3）提出两条额外准则并比较优缺点。答案：（1）P/V恒定：P_2/V_2=P_1/V_1→P_2=2kW·(50/0.05)=2000kW；对于涡轮桨，P∝N^3·D^5，V∝D^3→N^3·D^2=const；D_2/D_1=(V_2/V_1)^{1/3}=(1000)^{1/3}=10；N_2=N_1·(D_1/D_2)^{2/3}=500·(1/10)^{2/3}=500/4.64≈108rpm。（2）混合时间t_m∝(N·D^2)^{-1}，放大后N·D^2=108·(10D_1)^2=108·100·D_1^2，小罐N_1D_1^2=500D_1^2，放大后增加21.6倍，故t_m显著延长，可能导致pH、基质梯度。（3）a.恒定尖端线速度πND：优点——剪切可控，对菌丝损伤小；缺点——N下降更多，混合更差。b.恒定k_La：需同时调整N、Q（空气流量），实验工作量大，但溶氧最可靠；缺点——功率消耗高，投资大。5.2某新分离菌株在厌氧条件下可产1,3-丙二醇，但产量低。请设计一套“代谢工程”改造策略，包括（1）靶点选择；（2）CRISPR操作步骤；（3）筛选标记方案；（4）如何验证高产突变株。答案：（1）靶点：敲除乳酸脱氢酶ldhA、丙酮酸甲酸裂解酶pflB，过表达甘油脱水酶dhaB及其再激活因子dhaR，引入来自克雷伯菌的1,3-丙二醇氧化还原酶yqhD。（2）CRISPR步骤：a.设计sgRNA（ldhA-N20、pflB-N20）克隆至pCas质粒；b.构建供体DNA（含同源臂+无痕敲除或替换序列）；c.电转化至含pCas菌株，30°C诱导Red系统，42°C失活pCas；d.丢质粒：37°C传代，PCR验证无痕敲除。（3）标记：采用“无痕”策略，利用反向选择标记sacB，或利用CRISPR双切口避免抗性基因残留；亦可引入galK正负筛选。（4）验证：a.摇瓶发酵，HPLC测1,3-丙二醇浓度，比较野生型与突变株；b.测副产物（乳酸、乙醇、乙酸）下降；c.13C-标记甘油示踪，GC-MS分析代谢流，确认碳流重定向；d.5L发酵罐放大，考察产率、生产强度、甘油转化率。6.计算题（共30分）6.1（10分）某好氧分批发酵，已知：μ_{max}=0.4h^{-1}，K_s=0.5g·L^{-1}，Y_{x/s}=0.45g干菌体·g^{-1}葡萄糖，m_s=0.02g葡萄糖·(g干菌体)^{-1}·h^{-1}，初始菌体x_0=0.1g·L^{-1}，初始葡萄糖S_0=30g·L^{-1}。求：（1）当μ=0.3h^{-1}时的基质浓度S；（2）此时比基质消耗速率q_s；（3）若溶氧充足，求达到x=10g·L^{-1}所需时间（假设μ恒为0.3h^{-1}）。答案：（1）μ=μ_{max}·S/(K_s+S)→0.3=0.4·S/(0.5+S)→0.3(0.5+S)=0.4S→0.15=0.1S→S=1.5g·L^{-1}。（2）q_s=μ/Y_{x/s}+m_s=0.3/0.45+0.02=0.6667+0.02=0.6867g葡萄糖·(g干菌体)^{-1}·h^{-1}。（3）dx/dt=μ·x→ln(x/x_0)=μ·t→t=ln(10/0.1)/0.3=ln(100)/0.3=4.605/0.3=15.35h。6.2（10分）某50m^3发酵罐，工作体积35m^3，采用双圆盘涡轮桨，直径D=1.5m，转速N=90rpm，空气流量Q=0.5vvm，温度30°C，罐压0.3bar（表压）。已知：水的ρ=1000kg·m^{-3}，μ=1mPa·s，σ=0.072N·m^{-1}，D_{O_2}=2.1×10^{-9}m^2·s^{-1}，C^=8.2mg·L^{-1}（常压），求：水的ρ=1000kg·m^{-3}，μ=1mPa·s，σ=0.072N·m^{-1}，D_{O_2}=2.1×10^{-9}m^2·s^{-1}，C^=8.2mg·L^{-1}（常压），求：（1）计算P_g（通气功率），已知P_0=ρ·N_p·N^3·D^5，N_p=6；（2）估算k_La（采用Van’tRiet关联式：k_La=2.6×10^{-2}·(P_g/V)^{0.4}·(Q/V)^{0.5}，单位SI）；（3）若菌体耗氧OUR=100mmol·L^{-1}·h^{-1}，判断溶氧是否足够（设临界溶氧C_{crit}=0.2mg·L^{-1}）。答案：（1）P_0=1000·6·(90/60)^3·1.5^5=6000·1.5^3·7.59375=6000·3.375·7.59375≈153.8kW；通气功率P_g=P_0·(0.621.15·(Q/ND^3))，Q=0.5·35=17.5m^3·min^{-1}=0.292m^3·s^{-1}；ND^3=(1.5rps)·1.5^3=1.5·3.375=5.0625；Q/ND^3=0.292/5.0625≈0.0577；P_g=153.8·(0.621.15·0.0577)=153.8·0.5536≈85.1kW；P_g/V=85.1/35=2.43kW·m^{-3}=2430W·m^{-3}。（2）Q/V=0.5vvm=0.5/60=8.33×10^{-3}m^3·(m^3·s)^{-1}；k_La=2.6×10^{-2}·(2430)^{0.4}·(8.33×10^{-3})^{0.5}=0.026·46.3·0.0913≈0.109s^{-1}=392h^{-1}。（3）OTR=k_La·(C^C_L)；（3）OTR=k_La·(C^C_L)；C^（绝对压1.3bar）=8.2·1.3=10.66mg·L^{-1}；C^（绝对压1.3bar）=8.2·1.3=10.66mg·L^{-1}；设C_L≥C_{crit}=0.2mg·L^{-1}，取C_L=0.2，则OTR=392·(10.660.2)=392·10.46≈4100mg·L^{-1}·h^{-1}=128mmol·L^{-1}·h^{-1}>OUR=100mmol·L^{-1}·h^{-1}，故溶氧足够。6.3（10分）某连续发酵生产乳酸，D=0.2h^{-1}，S_0=60g·L^{-1}，Y_{x/s}=0.15g干菌体·g^{-1}葡萄糖，m_s=0.05g葡萄糖·(g干菌体)^{-1}·h^{-1}，μ_{max}=0.35h^{-1}，K_s=1.0g·L^{-1}，产物抑制模型：μ=μ_{max}·S/(K_s+S)·(1P/K_p)，K_p=45g·L^{-1}，Y_{p/s}=0.85g乳酸·g^{-1}葡萄糖。求稳态时：（1）S；（2）x；（3）P；（4）判断系统稳定性（是否洗出）。答案：稳态时D=μ→0.2=0.35·S/(1+S)·(1P/45)；又P=Y_{p/s}·(S_0Sm_s·x/D)，x=Y_{x/s}·(S_0Sm_s·x/D)；设m_s·x/D项小，先忽略，迭代：x≈Y_{x/s}·(S_0S)，P≈Y_{p/s}·(S_0S)；代入μ方程：0.2=0.35·S/(1+S)·(1(0.85(60S))/45)；令f(S)=0.35·S/(1+S)·(10.0189·(60S))0.2=0；试差：S=2→f=0.35·2/3·(11.1)=-0.026；S=1.5→f=0.35·1.5/2.5·(11.1)=-0.021；S=1→f=0.35·1/2·(11.115)=-0.02；S=0.5→f=0.35·0.5/1.5·(11.125)=-0.015；需精确解：化简得二次方程：0.35S(11.134+0.0189S)=0.2(1+S)→0.35S(-0.134+0.0189S)=0.2+0.2S→-0.0469S+0.006615S^20.20.2S=0→0.006615S^20.2469S0.2=0→S=[0.2469±√(0.0609+0.00529)]/0.01323→正根S≈42.8g·L^{-1}（不合理，P>45），负根舍去；说明忽略m_s误差大。精确联立：x=Y_{x/s}·(S_0Sm_s·x/D)→x=0.15·(60S0.05·x/0.2)→x=0.15·(60S0.25x)→x=90.15S0.0375x→1.0375x=90.15S→x=(90.15S)/1.0375；P=0.85·(60S0.25x)；代入μ方程数值迭代：S=5→x=7.46，P=0.85·(60-5-1.865)=45.2→μ=0.35·5/6·(1-45.2/45)=0.292·(-0.004)≈0→过低；S=4→x=7.59，P=0.85·(60-4-1.898)=46.1→μ=0.35·4/5·(1-46.1/45)=负；说明K_p=45已达极限，需降低D。实际应D<μ_{max}·(1P/K_p)，故系统接近洗出边界，稳态S≈4.2g·L^{-1}，x≈7.6g·L^{-1}，P≈46g·L^{-1}，μ≈0.2h^{-1}，尚未洗出，但操作窗口窄。7.综合分析题（20分）某企业计划利用木质纤维素水解液生产2,3-丁二醇，水解液含葡萄糖60g·L^{-1}、木